Kredit: UC Riverside

Forskare vid University of California, Riverside, är en del av en ambitiös plan vid den amerikanska miljövårdsmyndigheten, EPA, för att avskaffa djurförsök till 2035. Deras bidrag: de har utvecklat ett sätt att testa om kemikalier orsakar fosterskador i muskuloskeletala system med hjälp av laboratorieodlad mänsklig vävnad, inte levande djur.

Nicole zur Nieden, docent i molekylär-, cell- och systembiologi, och David Volz, docent i miljötoxikologi, är båda experter på alternativ till lagstadgade toxicitetstester samt på politik och reglering av kemikalier. De fick 849 811 dollar för att odla mänskliga stamceller till benliknande vävnad för att testa industri- och miljökemikalier som kan störa fostertillväxten.

Födelsefel som påverkar muskuloskeletala vävnader kan orsakas av kemiska beståndsdelar i bekämpningsmedel, svampbekämpningsmedel, färger och livsmedelstillsatser. Skadliga kemikalier måste identifieras genom tester för att kunna regleras. För närvarande görs dessa tester på levande djur, vanligtvis gnagare som möss.

Uc Riverside-projektet, som leds av zur Nieden, kommer att stimulera humana pluripotenta stamceller, som har förmågan att utvecklas till vilken typ av cell som helst, med medel som styr dem att bilda benceller. Cellerna kommer att genomgå samma utvecklingsstadier och utsättas för samma molekylära signaler som i ett mänskligt embryo. Forskarna kommer att utsätta cellerna för utvalda kemikalier i kritiska skeden och sedan bedöma dem med hjälp av avancerad avbildnings- och nästa generations sekvenseringsteknik.

Benen kan utvecklas genom tre olika vägar. zur Nieden kommer att använda kemikalier som är kända för att påverka specifika vägar för benutveckling för att leta efter mönster i hur kemikalierna påverkar dessa ursprung. Mönstren kommer att fungera som ritningar för att testa okända kemikalier. Därefter kommer forskarna att testa okända kemikalier och jämföra dem med tidigare sammanställda bibliotek av föreningar som redan har testats på djur för att se hur exakta petriskålen, eller in vitro-testerna, är för att bedöma risker.

Ett kännetecken för benbildande celler är att de tillverkar en benmatrix av små kristaller som kallas hydroxyapatit, som så småningom bildar kalciumfosfat, det vita materialet på ytan av alla ben. Kostnadsbesparande visuell analys kan hjälpa till att identifiera defekter i kalcium.

”Kalciumkristaller ser vita ut när man ser dem med ögonen”, säger zur Nieden. ”Men när man betraktar kulturerna med hjälp av faskontrastmikroskopi inverteras ljuset så att de normala kristallerna framstår som svarta. Onormala kristaller kommer att ha mer vitt och grå nyanser. Du kan använda en bildanalysalgoritm för att mäta svärtan i bilderna för att avgöra om kalciumet har bildats på rätt sätt eller inte.”

Tester utan djur är redan vanliga

Vetenskapsmännen har länge vetat att djur skiljer sig från människor på viktiga utvecklingsmässiga och fysiologiska sätt, och att resultaten från djurförsök inte alltid är tillförlitliga för människor. Dessutom är djurförsök dyrt och tidskrävande samt alltmer ohållbart av etiska skäl. Alternativ utan djurförsök har varit under utveckling i nästan 25 år, och vissa är redan standard.

”För allmänheten verkade EPA:s tillkännagivande komma från ingenstans”, säger Volz, vars labb kommer att sekvensera messenger RNA i kemikalieexponerade benceller från zur Nieden’s labb för att leta efter förändringar i genuttrycket. ”Det hände inte över en natt. Det tåget har redan lämnat stationen.”

Volz sade att EPA:s program Science to Achieve Results, genom vilket UC Riverside fick det nya bidraget, har finansierat forskning om djuralternativ i mer än 10 år.

EPA:s plan att upphöra med djurförsök senast 2035 är en uppföljning av tidigare ändringar av lagen om kontroll av giftiga ämnen (Toxic Substances Control Act, TSCA), som antogs 1976. TSCA ger EPA befogenhet att reglera kemikalier som finns i konsumentprodukter som rengöringsmedel, möbler, färg, mattor, kläder och andra konsumtionsvaror. Regleringen enligt TSCA gäller inte kemikalier i livsmedel, läkemedel, kosmetika och bekämpningsmedel, som regleras enligt andra lagar.

Även efter TSCA har tusentals vanliga kemikalier som används i allt från plast till solskyddsmedel aldrig testats för säkerhet hos människor. År 2016 antog kongressen Lautenberg Chemical Safety Act, som ändrar TSCA för att stänga kryphålet för industrikemikalier. Lagen gav EPA mandat att utvärdera befintliga kemikalier med tydliga och verkställbara tidsfrister och att ta fram riskbaserade kemikaliebedömningar. Den främjade användningen av testmetoder utan djurförsök, vilket både industrin och djurrättsgrupper ville ha.

Djuralternativ kan ha begränsningar

EPA:s nya plan innehåller en aggressiv tidsplan för att påskynda utvecklingen av testmetoder utan djurförsök som kan förutsäga toxiciteten hos människor på ett korrekt sätt. Volz sade att USA ligger efter vissa andra länder i världen, som redan har minskat antalet djurförsök kraftigt. Han sade att han interagerar med allt färre studenter som är intresserade av forskning som inbegriper djurförsök, och att vår kultur håller på att förändras i riktning mot en önskan att minska djurens lidande.

Men varken Volz eller zur Nieden är säkra på att djurförsök någonsin kan ersättas helt och hållet, en ståndpunkt som upprepas i EPA:s promemoria, där det står att djurförsök kommer att godkännas från fall till fall efter 2035. Vissa kemikalier är till exempel inte direkt giftiga för cellerna utan blir giftiga efter att de metaboliseras i kroppen.

”Om ditt resultat är att kemikalien inte stör en mänsklig stamcell som utvecklas i en skål, hur säker kan du då vara på att det inte verkligen sker i människor? Det bästa sättet vi har för att bedöma detta är ett djurförsök”, sade zur Nieden. ”Samtidigt vill vi göra detta på ett lämpligt sätt. Vi måste tänka på: Är detta verkligen nödvändigt? Kan vi titta på frågan på ett annat sätt?”

zur Nieden anser att vi behöver ett system i flera steg, där in vitro-testerna först gallrar bort de giftigaste kemikalierna och djurförsök används när in vitro-testerna inte avslöjar giftigheten.

”Om man inte helt kan ersätta ett djurförsök med en in vitro-metod, kan man åtminstone minska djurets lidande. Om du tänker på en mycket giftig kemikalie som har effekter på mamman när hon exponeras under graviditeten samt på de embryon som utvecklas, om du kan använda ett in vitro-testsystem för att hitta alla dessa starkt giftiga kemikalier, kommer du inte att behöva testa dem på ett djur”, säger hon.

Förra versioner av testsystemet som zur Nieden kommer att använda för den nya forskningen om muskuloskeletala system har kunnat identifiera embryotoxiska kemikalier för andra vävnader, t.ex. hjärtvävnad, med en nästan 100-procentig noggrannhet.