Tierversuchsersatz: 3D für 3R

Eine Zelle ist noch lange kein ganzes Organ. Dennoch dienen Zellkulturen noch immer als Modell, wenn Forscher Zellteilung, Stoffwechselvorgänge oder Signalübertragung untersuchen wollen. An Zellkulturen testen sie den Effekt neuer Arzneistoffe und deren Gefährlichkeit. Doch herkömmliche Zellkulturen bilden den Einfluss von Strukturen und die Wechselwirkung mit der Umgebung nur mangelhaft ab. Dafür braucht man Tierversuche. Oder auch nicht.

Wenn es nach der Toxikologin Laura Suter-Dick vom Institut für Chemie und Bioanalytik geht, kann man schon bald auf eine grosse Zahl von Tierversuchen verzichten, indem man Nierenzellen dreidimensional als kleine Röhrchen wachsen lässt und somit den  Strukturen einer echten Niere näher kommt.

«Wenn man bereits in einer organähnlichen Zellkultur sehen kann, dass ein Wirkstoff die Zellen schädigt, braucht man keinen Tierversuch mehr», betont Suter-Dick. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet sie mit Zellkulturplatten des Typs OrganoPlateTM, auf denen sie die winzigen Röhrchen nachbildet, welche die Niere durchziehen. Dafür verwendet sie zunächst ein Gel, das sie parallel in verschiedene kleine Kanäle auf der Zellkulturplatte einbringt. Das Gel dient als Führungsröhre und wird an seiner Innenwand flächendeckend von Nierenzellen bewachsen. «Mit dieser neuen Biochip-Technologie haben wir erreicht, dass Nierenzellen wie in einer echten, gesunden Niere kleine Röhren bilden, die wir für weitere Untersuchungen verwenden können», freut sich Suter-Dick.

Im Körper erfüllt die Niere eine wichtige Entgiftungsfunktion. Sie filtert Schadstoffe sowie Endprodukte des Stoffwechsels aus dem Blut und leitet sie weiter in den Urin. Wegen dieser Filterfunktion ist die Niere den Abbauprodukten von Medikamenten stark ausgesetzt. Diese können die kleinen Röhrchen, welche die Niere durchziehen, dauerhaft schädigen. Aus diesem Grund müssen Pharmafirmen für jedes neue Arzneimittel untersuchen, wie es auf die Nieren und ihre Filterfunktion wirkt. Suter-Dick: «Es gibt noch immer Bereiche, wo Tierversuche gemacht werden müssen, sei es in der Toxikologie oder in der Pharmakologie. Die kann man schon deshalb nicht ersetzen, weil es die Behörden für die Patientensicherheit verlangen.»

Dennoch richtet Suter-Dick ihre Forschung auf die 3R-Prinzipien aus. Dieser Begriff steht für replace, reduce und refine, eine Leitlinie, die schon seit 1959 den verantwortungsvollen Umgang mit Versuchstieren sowie die Verminderung und den Ersatz von Tierexperimenten zum Ziel hat. Zwar unterliegen Tierversuche gerade in der Schweiz besonders strengen Richtlinien und werden nur nach Prüfung durch die kantonalen Tierversuchskommissionen genehmigt, doch bleiben sie ethisch umstritten. Ein Grossteil der Tiere wird verwendet, um die Giftigkeit neuer Wirkstoffe – die Toxizität – am gesunden Organismus zu untersuchen. Das schreibt der Gesetzgeber vor, ehe er die Anwendung eines neuen Medikaments am Menschen erlaubt. Etwa 2 Prozent aller Medikamente im vorklinischen Stadium und 19 Prozent der Arzneimittel, die eine Phase III-Studie durchlaufen, gelangen nie auf den Markt, weil sie Nierenschädigungen verursachen. Wenn Medikamente in so einem späten Entwicklungsstadium scheitern, bedeutet das nicht nur eine hohe finanzielle Belastung für die Pharmafirmen, sondern auch einen sinnlosen Verbrauch von Versuchstieren während der Medikamenten-Entwicklungsphase. Da die meisten durch Arzneimittel verursachten Nierenschäden die sogenannten proximalen Tubuli betreffen, forscht Suter-Dick vor allem an diesen komplexen Strukturen:

«Der proximale Nierentubulus kann bisher nicht in normalen Zellkulturen nachgebildet werden, weil er aus mehreren Zellarten besteht, die eine röhrenartige Struktur bilden und verschiedene Aufgaben erfüllen», erklärt die Wissenschaftlerin. So haben normale Nierenzellen eine Transportfunktion, mit der sie Medikamente und andere Stoffe importieren oder exportieren. Viele herkömmliche Zellkulturen können diese Transportfunktion nicht imitieren, weshalb man sie oftmals gar nicht benutzen kann, um Nierentoxizität zu untersuchen. Deshalb müssen wieder gesunde Versuchstiere genommen werden.

In ihren aktuellen, vom britischen National Centre for the Replacement, Refinement and Reduction of Animals in Research (NC3Rs) geförderten Experimenten hat Suter-Dick, in Zusammenarbeit mit zwei Forschungspartnern aus den Niederlanden (Radboud University und Mimetas), die Transport- und Barrierefunktionen der Nierenzellen 3D untersucht. Wenn Nierenzellen durch Substanzen wie das Immunsuppressivum Cyclosporin A oder das  Virostatikum Tenofovir geschädigt werden, kann man das anhand von Biomarkern nachweisen, die bei Patienten im Blut oder Urin erhöht sind. Die- selben Biomarker, die man auch im klinischen Labor kontrollieren würde, hat Suter-Dick in ihren 3D-Zellkulturen überprüft. Dabei hat sie den Wirknachweis in einem sogenannten High throughput-System erbracht, mit dem man künftig parallel sowie zeit- und kosteneffizient viele Substanzen testen kann.

In einem anderen Projekt bildet die Toxikologin kein gesundes, normales Zellsystem nach, sondern entwickelt ein Leberkrankheitsmodell in der Kulturschale. Mit dieser Forschung will sie verhindern, dass Ratten  und  Mäuse einer besonders belastenden Form von Experimenten ausgesetzt werden: Sie werden eigens als Mutanten mit bestimmten Krankheiten gezüchtet oder die Krankheit wird chemisch induziert, um möglichst genaue Abbilder von klinisch relevanten Erkrankungen zu bekommen. Solche «Modelle» sind nötig, damit man die Wirkung neuer Arzneistoffe auf genau die Symptome untersuchen kann, gegen die sie entwickelt wurden. Da viele Stoffwechselvorgänge bei Tieren jedoch anders funktionieren als bei Menschen, ist ihre Aussagekraft begrenzt. So gibt es noch immer kein gutes Tiermodell, das die häufig auftretende Leberfibrose – ein spätes Stadium chronischer Lebererkrankungen – realistisch abbildet. Trotzdem leiden jedes Jahr Tausende von Ratten und Mäusen, die als Versuchstiere für Leberfibrose zum Einsatz kommen.

Solche Tierversuche dauern lange und verursachen den Pharmafirmen hohe Kosten bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe. Deshalb suchen Pharmafirmen zunehmend nach Alternativen, um Medikamente gegen Leberfibrose in vitro zu testen. Mit Zellkulturversuchen kann man relativ einfach mit menschlichem Gewebe arbeiten, was die Relevanz der Erkenntnisse für die Patienten erhöht. Doch normale Zellkulturen können das Krankheitsbild der Leberfibrose funktionell nur unzureichend darstellen, weil bei ihrer Entstehung drei Zelltypen zusammenwirken, die nacheinander aktiviert werden müssen, damit sich das typische narbenartige Gewebe einer Fibrose ausbildet. Erschwerend kommt hinzu, dass die Leberfibrose erst durch den permanenten Einfluss einer schädigenden Substanz entstehen kann, was im Labor über zwei Wochen dauert.

Im Rahmen eines KTI-Projektes hat Suter-Dick in Zusammenarbeit mit der Schweizer Firma InSphero nun ein 0.3 Millimeter grosses kugelförmiges Zellkulturmodell entwickelt, welches alle drei Zelltypen enthält, die für die Entstehung der Leberfibrose nötig sind. «Das Schwierigste war, die verschiedenen Zelltypen so zu aktivieren und zu kombinieren, dass sie funktionell richtig zusammenspielen», unterstreicht die Wissenschaftlerin. In ihren Experimenten hat sie jetzt den ersten Nachweis erbracht, dass das 3D-Leberfibrosemodell funktioniert und von Firmen oder anderen Forschenden genutzt werden kann. Die nächsten Studien sollen zeigen, ob man die Aktivierung der Leberzellen verhindern und damit potenzielle Heilmittel für Fibrose entwickeln kann.