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Am 9. August wird der Tierschutzforschungspreis für Berlin-Brandenburg 2013 zum zweiten Mal vergeben. InVitroJobs führte im Vorfeld ein Interview mit dem Preisträger Prof. Dr. Günther Weindl.

Der jährliche ausgeschriebene „Preis zur Förderung der Erforschung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden für Tierversuche sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Lehre“ wird vom Landesamt für Gesundheit und Soziales (LaGeSo) gemeinsam mit dem Verband der forschenden Pharma-Firmen (vfa) vergeben. Die Preissumme beträgt 15.000 €. Zusätzlich hat das Bündnis Tierschutzpolitik Berlin den Preis um 5.000 € auf insgesamt 20.000 € aufgestockt.

Prof. Dr. Günter Weindl erhält den Preis für die Entwicklung eines immunkompetenten Hautmodells als Ersatz und Reduktion von Tierversuchen durch in vitro generierte humane Langerhans-Zellen, ein wichtiger Immunzelltyp in der Haut. Das Modell ist geeignet, um das sensibilisierende Potential einer Substanz in einem in vitro-Modell zu testen. Derzeit ist dieser Test noch an der Maus im sogenannten lokalen Lymphknoten-Test nach intrakutaner Applikation der Prüfsubstanz gesetzlich vorgeschrieben.

Prof. Dr. Weindl ist Pharmazeut und hat seit 2011 eine Professur an der Freien Universität Berlin. Neben der Entwicklung von Hautmodellen gehören Toll-like Repezeptoren, Sphingosin 1-Phosphat-Rezeptoren und Glucocorticoide zu seinen Interessensgebieten. Er ist u.a. Preisträger des Heinz Maurer Award 2008 für dermatologische Forschung und des Forschungspreises der Fondation Internationale La Roche-Posay.




Christiane Hohensee im Gespräch mit dem Tierschutzforschungspreisträger Prof. Dr. Günther Weindl.


InVitroJobs: Herr Professor Weindl: ich möchte Ihnen erst einmal herzlich gratulieren zu diesem Preis.

Prof. Weindl: Danke sehr.

InVitroJobs: Ich würde gerne wissen, ist der Preis bedeutend für Sie?

Prof. Weindl: Ja, auf jeden Fall. Ich fühle mich durch die Auszeichnung sehr geehrt. Letztendlich sehe ich mich auch darin bestätigt, dass das, was wir forschen, auch Anerkennung findet, dass Leute daran interessiert sind, tierversuchsfreie Forschung zu betreiben. Gerade in der Biowissenschaft kenne ich das auch aus eigener Erfahrung, dort wird sehr viel mit Mäusen gearbeitet. Zahlreiche Forschungsgruppen arbeiten mit Knock-out-Modellen und gerade deshalb bedeutet mir die Auszeichnung sehr viel. Und ich hoffe, dass es ein zusätzlicher Antrieb auch für andere Wissenschaftler ist, auf dem Gebiet tätig zu werden.



Innovatives Team, von links nach rechts: Doktoranden Stephanie Bock, Christian Zoschke und André Said.
Foto: Günther Weindl.


InVitroJobs: Sie haben ein immunkompetentes Hautmodell entwickelt: was bedeutet eigentlich „immunkompetent“ und was sind die aktuellen Forschungsergebnisse, die mit diesem Modell erzielt worden sind?

Prof. Weindl: Es ist so, dass man künstliche Hautmodelle schon seit über 20 Jahren züchten kann. Diese Hautmodelle bestehen aber „nur“ aus Keratinozyten¹ (Anmerkung siehe unten) und Fibroblasten². Man weiß aber, dass in der Haut auch Immunzellen vorhanden sind, die eine sogenannte Wächterrolle einnehmen, das heißt sie prüfen, ob eindringende Stoffe - Chemikalien, Erreger - eine potenzielle Gefahr darstellen und alarmieren dann das Immunsystem, in entsprechenden Reaktionen zu antworten. Diese immunkompetenten Hautmodelle enthalten nun die Langerhans-Zellen, die sozusagen diese Wächterposition übernehmen.

Doktorandin Lisa Grohmann präsentiert ein Vollhautmodell, das für pharmakologische Untersuchungen eingesetzt wird.


InVitroJobs: Was machen die Immunwächter genau?

Prof. Weindl: Die Zellen sind in der Lage, zu unterscheiden, ob der Erreger potenziell gefährlich ist oder nicht. Ein Beispiel: in der Haut findet man sehr viele Bakterien in der natürlichen Umgebung und darauf reagieren diese Langerhans-Zellen unter normalen Bedingungen nicht. Sonst hätte man ständig eine Entzündung. Hingegen bei gefährlicheren Erregern wie Viren wissen wir auch aus eigenen Versuchen – das ist auch in der Forschung bekannt – dass durch Kontakt mit Viren diese Zellen aktiv werden und zum einen Botenstoffe aussenden, zum anderen sie in die Lymphknoten einwandern und so T-Zellen³ alarmieren und auch andere wichtige Immunzellen, um den eindringenden Erreger abzuwehren.

InVitroJobs: ...und erkennen dies die Langerhans-Zellen über ihre Oberflächenrezeptoren⁴?

Prof. Weindl: Genau. Auf den Zellen sind Oberflächenrezeptoren vorhanden. Wenn ich das Beispiel des Erregers noch mal aufgreifen darf: Man kennt heutzutage eine bestimmte Rezeptorfamilie, die sogenannten Toll-like Rezeptoren, die konservierte Strukturen von Erregern erkennen. Bekanntes Beispiel sind die Lipopolysaccharide, ein Bestandteil der bakteriellen Zellwand. Die Rezeptoren befinden sich auf der Oberfläche der Immunzellen, die Strukturen werden erkannt und entsprechend eine weiterführende Reaktion ausgelöst oder nicht.



Gegenstand der Ehrung: das immunkompetente Hautmodell.
Foto: Günther Weindl.

InVitroJobs: In Stuttgart beispielsweise gibt es eine ganze Fabrik, wo 6000 Hautteilchen hergestellt werden. Sollen die später auch in dieser Art produziert werden?

Prof. Weindl: Das wäre ein mittelfristiges Ziel, wenn man die Herstellung automatisieren könnte. Aber noch ist es so, dass die Kultivierung der Immunzellen an sich noch relativ schwierig ist. Wir mussten das selbst im Labor bei uns lernen. Wir haben von Null begonnen und haben uns erst einmal mit den Immunzellen einzeln befasst, diese genauer untersucht und nun in Hautmodelle integriert. Noch können wir die Herstellung nicht automatisieren, aber ich denke in den nächsten ein, zwei, drei Jahren könnte man daran denken, das auch automatisiert herzustellen – vorausgesetzt wir können mit den Modellen auch die Reaktionen so nachstellen wie man sie beim Menschen sieht.

InVitroJobs: Wie überprüfen Sie die Übereinstimmung der Immunreaktion in vitro- und in vivo?

Prof. Weindl: Worauf wir uns stützen, sind Untersuchungen, die am Menschen durchgeführt wurden, die beispielsweise versehentlich mit Chemikalien in Kontakt gekommen sind und bei denen bestimmte Hautreaktionen ausgelöst wurden. Wir suchen uns diese Chemikalien heraus und untersuchen, ob wir zu einem ähnlichen Ergebnis kommen wie man es beim Menschen festgestellt hat.

InVitroJobs: Sie sagten ja, dass ursprünglich Tiere für derartige Fragestellungen eingesetzt worden sind. Welche Tiere wurden denn eingesetzt und wie viele?

Prof. Weindl: In dem Bereich der Hautsensibilisierung, in dem wir uns hier bewegen, werden vor allem Meerschweinchen eingesetzt und auch Mäuse in einem begrenzten Umfang – Stichwort hier der lokale Lymphknoten-Test⁵, der nach wie vor von der OECD als Goldstandard für die Untersuchung der Hautsensibilisierung eingesetzt wird. Die konkrete Ziffer der eingesparten Tierversuche ist relativ schwierig zu ermitteln. Es gibt Statistiken, die besagen, wie viel Tausend Tiere pro Jahr „verbraucht“ werden und das geht bis knapp 10.000 in Deutschland für die Untersuchung dieser Stoffe. Im Bereich der Grundlagenforschung ist der „Tierverbrauch“ mit über einer Million Mäusen deutlich höher, auch hier wollen wir mit unserem Modell einen wichtigen Beitrag für die Reduktion von Tierversuchen leisten.
Nach dem aktuellen Stand sehe ich unser Modell nicht als kompletten Ersatz für alle Versuche, das wäre vermessen. Aber ich denke, wenn wir die Funktionalität unserer Modelle nachweisen können, dass wir in der Tat pro Jahr in Deutschland einige Tausend bis 10.000 Tiere einsparen können.

InVitroJobs: Mäuse und Meerschweinchen.

Prof. Weindl: Tests an Mäusen und Meerschweinchen  sind momentan von der OECD vorgeschrieben und werden daher eingesetzt. Die ECVAM⁶, die für die Prüfung von neuen Alternativen zum Tierversuch zuständig ist,  hat vor Kurzem erst im März⁷ eine Strategie für die Testung von sensibilisierenden Stoffen herausgegeben. Diese Strategie beinhaltet das sogenannte ITS-Schema⁸, die „Integrated Testing Strategy“ und wir sehen in dem Hautmodell möglicherweise eine Ergänzung für diese Strategie. Zusätzlich liegt uns vor allem auch die Grundlagenforschung am Herzen.

Wir wollen zwei Felder bedienen, nicht nur die Testung von Chemikalien und sensibilisierenden Stoffen, sondern auch in der Grundlagenforschung Tierversuche ersetzen, die beispielsweise die entzündlichen Hauterkrankungen betreffen, Schuppenflechte, Neurodermitis. Auch die Testung von neuen potenziellen Arzneistoffen wollen wir dann mit diesen Hautmodellen durchführen.

InVitroJobs: Bislang hieß es doch, dass Langerhans-Zellen schwierig zu kultivieren seien, wieso war das denn so schwierig?

Prof. Weindl: Wir sind nicht die ersten, die so etwas versuchen. Es gibt bereits Publikationen, in denen ähnliche Hautmodelle generiert worden sind mit mehr oder weniger großem Erfolg. Ich weiß aus persönlicher Erfahrung, dass es mal gut, mal weniger gut funktioniert. Es ist teilweise ein Glücksspiel, ob die Immunzellen im Modell bleiben oder nicht, das hängt von vielen Faktoren ab. Es handelt sich um ein artifizielles System, da können beispielsweise Zusätze die Zellen beeinflussen. Wir haben verschiedene Medien ausprobiert, Kultivierungsbedingungen verändert, wir sind da noch nicht ganz am Ende. Wir sind weiter dabei, unser Modell zu optimieren, damit wir wirklich reproduzierbare Ergebnisse erhalten. Es ist letztendlich die kontinuierliche Arbeit, die erforderlich ist und das Austesten – dann scheint es in unseren Augen auch möglich, derartige Hautmodelle herzustellen.

Langerhans-Zellen lassen sich kultivieren. Ähnlich wie andere Zellen des angeborenen Immunsystems lassen sich auch Langerhans-Zellen aus Vorläuferzellen generieren, die aus humanen Blutproben von Spendern isoliert worden sind. Hierfür nutzen Wissenschaftler ein modernes Verfahren, die MACS-Technologie (magnetische Zellsortierungsverfahren). Durch Unterscheidung mit Hilfe von Antikörperbindungen lassen sich die gewünschten Zellen aussortieren, die auf der Oberfläche einen speziellen Differenzierungsmarker (ein Protein besitzen).

Nach Heraussortierung der gewünschten Zellen lassen diese sich mit bestimmten Zytokinen in ihrer Differenzierung stimulieren.





In vitro Erzeugung unreifer Langerhans-Zellen aus Vorläuferzellen des Blutes (Monozyten).
Grafik: André Said.

InVitroJobs: Demnach ist es für eine Prävalidierungstudie noch zu früh?

Prof. Weindl: Dafür ist es noch zu früh. Wir sind jetzt beim nächsten Schritt. Übernächste Woche werden wir die Hautmodelle mit bekannten sensibilisierenden Stoffen behandeln und untersuchen, ob unsere Zellen auch aus der Epidermis⁹ auswandern, um einen ersten funktionellen Nachweis zu erbringen. Das werden wir dann mit weiteren Stoffen testen. Erst, wenn diese Untersuchungen abgeschlossen sind, könnten wir daran denken, das in eine Prävalidierung übergehen zu lassen und im größeren Rahmen durchzuführen. Aber momentan ist es dafür noch zu früh.

InVitroJobs: Aber Sie haben schon die Zielsetzung, das Modell letzten Endes als Ersatzverfahren zum Tierversuch zur Anerkennung in die OECD-Testguidelines zu bringen?

Prof. Weindl: Das ist natürlich ein Wunsch von uns. Ich kann es momentan noch nicht abschätzen. Ich weiß, dass bei EVCAM sehr viele Testsysteme, auch einfachere Modelle, abgegeben wurden und begutachtet werden. Inwiefern so ein Hautmodell auch in eine Testguideline einfließen kann, kann ich selbst jetzt nicht beurteilen. Aber natürlich wäre das für uns schon ein schöner Erfolg.

InVitroJobs: Gibt es schon Interesse von Seiten der Industrie?

Prof. Weindl: Wir haben noch keine konkreten Kontakte. Die Industrie ist bezüglich Alternativmethoden zurückhaltend, von einigen Ausnahmen abgesehen. Sie haben in ihren Laboren Meerschweinchen- und Mäusetests, die etabliert sind. Das Modell, das wir züchten, ist sehr aufwändig, es gehört viel Know-how dazu, die Immunzellen in der richtigen Verfassung vorzubereiten. Das geht über das routinemäßige Arbeiten mit Zellkulturen hinaus, so dass wir mittelfristig daran arbeiten wollen, ein möglichst einfaches Protokoll zu etablieren, so dass das Modell auch in breiter Anwendung eingesetzt werden kann. Momentan sehe ich es für eine Industrie noch als einen zu großen Aufwand an, so ein Modell zu produzieren.

InVitroJobs: Wie ist denn das Interesse der Studenten und Nachwuchswissenschaftler?

Prof. Weindl: Ich kenne das hier in der Pharmazie und auch aus Gesprächen mit den Studenten, dass viele der Studenten Interesse an tierversuchsfreien Methoden haben. Die gesamte Abteilung um Frau Prof. Schäfer-Korting befasst sich ja mit tierversuchsfreien Methoden und wir generieren verschiedenartige Hautmodelle. Da sehen wir großes Interesse auf Seiten der Studierenden, auch wenn man die Pharmazie und insbesondere die Pharmakologie doch als klassisches Fach sehen mag, in dem Tierversuche durchgeführt werden. Die Studierenden sind mit großem Interesse dabei und viele wollen sich auch explizit beispielsweise dann in der Promotion mit einem Thema beschäftigen, in dem keine Tierversuche  gemacht werden.

Deshalb bin ich umso erfreuter, dass es durch den Preis für uns auch möglich ist, mit unseren Arbeiten weiter zu machen. Die Herstellung dieser Hautmodelle ist nicht sehr günstig. Chemikalien, Reagenzien und insbesondere Zytokine sind sehr kostenintensiv. Da ist es für uns wunderbar, dass dieser Preis mit dem Preisgeld für weitere Untersuchungen zur Verfügung steht.

InVitroJobs: Wir danken Ihnen für das Gespräch.

Prof.Weindl: Sehr gern.



Literatur:

Bätz, F. M., Klipper, W., Korting, H. C., Henkler, F., Landsiedel,, Luch, A., von Fritschen, U., Weindl, G. & Schäfer-Korting, M. (2013): Esterase activity in excised and reconstructed human skin – Biotransformation of prednicarbate and the model dye fluorescein diacetate. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 84: 374–385.

Küchler, S., Wolf, N. B., Heilmann, S., Weindl, G., Helfmann, J., Yahya, M. M., Stein, C. & Schäfer-Korting, M. (2010): 3D-wound healing model: influence of morphine and solid lipid nanoparticles. J Biotechnol 148, 24-30.

Semlin, L., Monika Schäfer-Korting, M., Claudia Borelli, C. & Korting, H. C. (2011): In vitro models for human skin disease. Drug Discovery Today 16, 3/4: 132-139.

Casati, S. (2013): Non-animal Tests and their Validation Status The EURL-ECVAM Strategy for Skin Sensitisation. EPAA-LRI Skin Sensitisation Training Workshop (http://ec.europa.eu/enterprise/epaa/3_events/3_3_workshops/07-skin-sens-workshop-casati-feb2013_en.pdf)


Glossar:

¹ Keratinozyten: ein spezieller Hautzelltyp, der 90 % der Zellen der Oberhaut ausmacht. Keratinozyten produzieren Keratin (Hornsubstanz).
² Fibroblasten: Zellen des Bindegewebes, produzieren hauptsächlich Kollagen.
³ T-Zellen: ein spezieler Zelltyp des Immunsystems, der im Thymus gebildet wird (daher der Name T).
⁴ Oberflächenrezeptoren: Moleküle auf der Oberfläche der Zellen, die eine ganz spezielle Form haben, an die passende Fremdstoffe nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip binden können.
⁵ Lokaler Lymphknotentest: Local Lymph node assay (LLNA), OECD Testguideline 429. Mäusen wird die Testsubstanz auf die ohren aufgetragen. Nach drei Tagen wird der aurikuläre Lymphknoten entnommen und und die Zellteilung der Immunzellen bestimmt. Zu dem Test gibt es zwei anerkannte Abwandlungen. Neben dem LLNA gibt es Tests an Meerschweinchen (den sogenannten Bühlertest und den Guinea Pig Maximisation Test) .
⁶ ECVAM, genauer EURL ECVAM (European Union Reference Laboratory for Alternatives to Animal Testing): Europäische Behörde zur Validierung von Ersatzverfahren zum Tierversuch am Joint Research Centre der Europäischen Union. (http://ihcp.jrc.ec.europa.eu/our_labs/eurl-ecvam)
⁷ Casati, S. (2013): http://ec.europa.eu/enterprise/epaa/3_events/3_3_workshops/07-skin-sens-workshop-casati-feb2013_en.pdf
⁸ ITS-Schema: Es sind Testansätze, die verschiedene Datentypen und Informationen in die Entscheidungsprozesse integrieren. Zusätzlich zu Informationen aus Einzeltests, aus test-Batterien oder abgestuften Testschemata, schließt die intergrierte Teststrategie sogenannte „weight-of-evidence“- und Expositions- bzw. Populationsdaten bei einer abschließenden Risikobewertung einer Testsubstanz mit ein (http://alttox.org/ttrc/emerging-technologies/its/).
⁹ Epidermis: Die haut ist in drei Schichten eingeteilt: Epidermis (Oberhaut), Dermis (Lederhaut) und Subkutis (Unterhautfettgewebe). Aus der Oberhaut wandern die Immunzellen weg in die Lymphknoten ein, wenn sie Kontakt zu einem Pathogen hatten.