Onderzoekers aan de University of California, Riverside, maken deel uit van een ambitieus plan van het U.S. Environmental Protection Agency, of EPA, om dierproeven tegen 2035 uit te bannen. Hun bijdrage: het ontwikkelen van een manier om te testen of chemicaliën geboorteafwijkingen aan het bewegingsapparaat veroorzaken met behulp van in het lab gekweekt menselijk weefsel, niet met behulp van levende dieren.

Nicole zur Nieden, een universitair hoofddocent moleculaire, cel- en systeembiologie, en David Volz, een universitair hoofddocent milieutoxicologie, zijn beide experts op het gebied van alternatieven voor voorgeschreven toxiciteitstests en beleid en regelgeving voor chemicaliën. Zij ontvingen $ 849.811 om menselijke stamcellen te kweken tot botachtig weefsel om industriële en milieuchemicaliën te testen die de groei van foetussen kunnen verstoren.

Boorteafwijkingen die het spier- en skeletweefsel aantasten, kunnen worden veroorzaakt door chemische ingrediënten in pesticiden, fungiciden, verf en voedseladditieven. Schadelijke chemicaliën moeten worden geïdentificeerd door middel van tests om te kunnen worden gereguleerd. Momenteel worden deze tests uitgevoerd op levende dieren, meestal knaagdieren zoals muizen.

In het project van UC Riverside, dat wordt geleid door zur Nieden, zullen menselijke pluripotente stamcellen, die het vermogen hebben om zich tot elk soort cel te ontwikkelen, worden gestimuleerd met middelen die hen sturen om botcellen te vormen. De cellen zullen dezelfde ontwikkelingsstadia doorlopen en onderworpen worden aan dezelfde moleculaire signalen als in een menselijk embryo. De onderzoekers zullen de cellen op kritieke momenten blootstellen aan geselecteerde chemicaliën en ze vervolgens beoordelen met behulp van geavanceerde beeldvorming en next-generation sequencing-technieken.

Botcellen kunnen zich via drie verschillende paden ontwikkelen. zur Nieden zal chemicaliën gebruiken waarvan bekend is dat ze specifieke routes van de botontwikkeling beïnvloeden om te zoeken naar patronen in hoe de chemicaliën deze oorsprong beïnvloeden. De patronen zullen dienen als blauwdrukken voor het testen van onbekende chemicaliën. Vervolgens zullen de onderzoekers onbekende chemicaliën testen en vergelijken met eerder samengestelde bibliotheken van verbindingen die al op dieren zijn getest om te zien hoe nauwkeurig de petrischaal- of in-vitrotests zijn voor het beoordelen van risico’s.

Een kenmerk van botvormende cellen is dat ze een botmatrix maken van kleine kristallen, hydroxyapatiet genaamd, die uiteindelijk calciumfosfaat vormen, het witte spul op het oppervlak van alle botten. Kostenbesparende visuele analyse kan helpen om defecten in calcium te identificeren.

“Calciumkristallen zien er wit uit als je ze met je ogen bekijkt,” zei zur Nieden. “Maar wanneer je de culturen bekijkt met fasecontrastmicroscopie, wordt het licht omgekeerd, zodat de normale kristallen zwart lijken. Abnormale kristallen zullen meer wit en grijstinten vertonen. Je kunt een algoritme voor beeldanalyse gebruiken om de zwartheid in beelden te meten om te bepalen of het calcium zich correct heeft gevormd of niet.”

Dierproeven zijn al gemeengoed

Wetenschappers weten al lang dat dieren op belangrijke ontwikkelings- en fysiologische manieren verschillen van mensen, en dat testresultaten op dieren niet altijd betrouwbaar zijn voor mensen. Bovendien is proefdieronderzoek duur en tijdrovend, en om ethische redenen in toenemende mate onhoudbaar. Niet-dierlijke alternatieven zijn al bijna 25 jaar in ontwikkeling, en sommige zijn al standaard.

“Voor het grote publiek leek de aankondiging van de EPA uit het niets te komen,” zei Volz, wiens lab boodschapper-RNA zal sequencen in aan chemicaliën blootgestelde botcellen van zur Nieden’s lab om te kijken naar veranderingen in genexpressie. “Het gebeurde niet van de ene dag op de andere. Die trein heeft het station al verlaten.”

Volz zei dat het Science to Achieve Results Program van de EPA, via welke UC Riverside de nieuwe subsidie ontving, al meer dan 10 jaar onderzoek naar dierlijke alternatieven financiert.

Het plan van de EPA om tegen 2035 een einde te maken aan dierproeven volgt op eerdere wijzigingen in de Toxic Substances Control Act, of TSCA, die in 1976 werd aangenomen. TSCA machtigt de EPA om chemicaliën te reguleren die worden aangetroffen in consumentenproducten zoals schoonmaakmiddelen, meubels, verf, vloerbedekking, kleding en andere consumptiegoederen. Regulering onder TSCA is niet van toepassing op chemicaliën in voedsel, medicijnen, cosmetica en pesticiden, die onder andere wetten worden gereguleerd.

Zelfs na TSCA zijn duizenden veelgebruikte chemicaliën die worden gebruikt in alles van plastic tot zonnebrandcrème nooit getest op veiligheid bij mensen. In 2016 nam het Congres de Lautenberg Chemical Safety Act aan, waarbij TSCA werd gewijzigd om de maas in de wet te dichten voor industriële chemicaliën. De wet verplichtte de EPA om bestaande chemicaliën te evalueren met duidelijke en afdwingbare deadlines, en om risicogebaseerde chemische beoordelingen te ontwikkelen. De wet bevordert het gebruik van proefdiervrije testmethoden, een stap die zowel door de industrie als door dierenrechtengroeperingen wordt nagestreefd.

Dierlijke alternatieven kunnen grenzen hebben

Het nieuwe EPA-plan introduceert een agressieve tijdlijn voor het versnellen van de ontwikkeling van proefdiervrije tests die de toxiciteit bij mensen nauwkeurig kunnen voorspellen. Volz zei dat de Verenigde Staten achterlopen op sommige andere landen in de wereld, die dierproeven al sterk hebben teruggedrongen. Hij zei dat hij steeds minder studenten ontmoet die geïnteresseerd zijn in onderzoek met dierproeven, en dat onze cultuur verschuift in de richting van een verlangen om dierenleed te verminderen.

Maar noch Volz noch zur Nieden zijn er zeker van dat dierproeven ooit volledig kunnen worden vervangen, een standpunt dat wordt bevestigd door de EPA-memo, waarin staat dat na 2035 dierproeven van geval tot geval zullen worden goedgekeurd. Sommige chemicaliën zijn bijvoorbeeld niet direct giftig voor cellen, maar worden giftig nadat ze in het lichaam zijn gemetaboliseerd.

“Als je resultaat is dat de chemische stof niet interfereert met de ontwikkeling van menselijke stamcellen in een schaaltje, hoe zeker kun je er dan van zijn dat dat niet echt gebeurt bij mensen? De beste manier die we hebben om dat te beoordelen is een dierproef,” zei zur Nieden. “Tegelijkertijd willen we dit op een passende manier doen. We moeten nadenken over: is dit echt nodig? Kunnen we op een andere manier naar de vraag kijken?”

Zur Nieden denkt dat we een trapsgewijs systeem nodig hebben, waarbij in-vitrotests de meest giftige chemicaliën het eerst uitwieden, en dierproeven worden gebruikt wanneer in-vitrotests geen toxiciteit aan het licht brengen.

“Als je een dierproef niet volledig kunt vervangen door een in-vitromethode, kun je op zijn minst het lijden van het dier verminderen. Als je denkt aan een zeer giftige chemische stof die effecten heeft op de moeder als ze wordt blootgesteld tijdens de zwangerschap en op de zich ontwikkelende embryo’s, als je een in vitro testsysteem kunt gebruiken om al deze sterk giftige chemische stoffen te vinden, hoef je ze niet op een dier te testen,” zei ze.

Vorige versies van het testsysteem dat zur Nieden zal gebruiken voor het nieuwe musculoskeletale onderzoek zijn in staat geweest om embryotoxische chemische stoffen voor andere weefsels, zoals hartweefsel, te identificeren met bijna 100 procent nauwkeurigheid.