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Donnerstag, 24 September 2015 16:19

In-vitro-Kokulturenmodell für die Neurodegenerative Forschung: Bundes-Tierschutzforschungspreisverleihung für Prof. Marcel Leist

Der diesjährige, 34. Tierschutzforschungspreis des Bundeslandwirtschaftsministeriums geht in diesem Jahr an die Forschergruppe um Prof. Marcel Leist aus Konstanz. Damit wurde der Entwicklung von Ersatzmethoden zum Tierversuch im Bereich der biomedizinischen und Grundlagenforschung zur Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungen besondere Aufmerksamkeit verliehen.



von links nach rechts: Bundeslandwirtschaftsminister Christian Schmidt, Preisträger Prof. Marcel Leist, Dr. Stefan Schildknecht.
Foto: Christiane Hohensee



"Das Tierwohl steht ganz oben auf meiner politischen Agenda“, betont Minister Schmidt, der heute auch das "Zentrum für den Schutz von Versuchstieren" eröffnete. Und an die Preisträger gewandt richtete er den Appell: "Wir bitten Sie, Leuchtturm zu sein, Ansporn zu geben und weiter zu machen".

Preisträger Prof. Leist selbst nutzte kurz die Gelegenheit für einen Rückblick: "Am Anfang meiner Lehrstuhltätigkeit musste man sich rechtfertigen. Inzwischen weiß man, dass die Entwicklung von Tierversuchsersatzverfahren Hochtechnologieforschung ist". Von den 12 Millionen Versuchstieren, die in Europa pro Jahr verbraucht werden, werden drei Viertel in biomedizinischen Forschung eingesetzt. "Wir haben mittlerweile so langsam die Technologie, um uns nun mit Alternativen diesem Thema zu widmen", führte er in seinen Vortrag ein.

Unter 12 eingereichten Arbeiten wurde die der konstanzer Forscher unter tierschutzrelevanten Aspekten ausgewählt.

Prof. Leist ist Doerenkamp-Zbinden-Lehrstuhlinhaber. Die konstanzer Universität war die erste, an der ein Lehrstuhl für Ersatzverfahren zum Tierversuch eingerichtet wurde. Für die Entwicklung haben seine Doktorandin, Liudmila Efremova und Dr. Stefan Schildknecht vom Doerenkamp-Zbinden-Lehrstuhl für in-vitro-Toxikologie und Biomedizin erfolgreich zusammengearbeitet. Prof. Leist und seinem Team gelang es, ein dreidimensionales KoKulturenmodell aus humanen Neuronen und Astrozyten zu etablieren. Mit dem in-vitro-Modell können Neurodegenerations-studien durchgeführt und pharmazeutische Substanzen zur Behandlung dieser Erkrankungen untersucht werden.

Die Entwicklung sogenannter Krankheitsmodelle am lebenden Tier führt seit Jahren zu einem rasanten Anstieg der Tierversuchszahlen. Die Krankheitsbilder werden im Tier - meist in Mäusen - durch genetische Manipulation erzeugt.
Eine Methode, die Prof. Leist und sein Team recherchiert haben, ist dabei die Tiermodellentwicklung mit MPTP (1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin). Die Substanz MPTP wird in der Forschung eingesetzt, um einen Parkinson-ähnlichen Zustand in Mäusen oder Affen zu erzeugen. Die Arbeitsgruppe hat grob geschätzt, dass hierfür jährlich fast 10.000 Tiere weltweit genutzt werden. Diese Tierversuche könnte man nun durch das neue Modell der Arbeitsgruppe ersetzen und den Anstieg der Versuchstierzahlen bremsen.

Die Arbeitsgruppe entwickelte humane Nervenzellen aus pluripotenten Stammzellen. Dabei werden zunächst Nervenvorläuferzellen erzeugt, die sich dann entweder zu Nervenzellen (Neuronen) oder zu sogenanten Astroglia ausdifferenzieren. Astroglia (Astrozyten) haben im Gehirn eine wichtige Funktion. Sie sorgen für die Homöostase und sind für die Flüssigkeitsregulation im Gehirn verantwortlich und sorgen für ein Gleichgewicht im Kaliumhaushalt beteiligt. zudem sind sie an der Informationsweiterleitung und -speicherung beteiligt.

Um eine Zelllinie zu erzeugen, werden die Zellen "konditional immortalisiert", d.h. dabei zum Einsatz kommenden Onkogene haben weder Einfluss auf die Transkription noch auf die Proteinherstellung in den erzeugten Zellen, da sonst die Zelllinie von den Eigenschaften des Wildtyps abweichen würde. Der Arbeitsgruppe gelang es nun, die ausdifferenzierten Nervenzellen erfolgreich zusammen mit ausdifferenzierten Astrozyten zu kultivieren (Kokultur). Die humanen Neuronen zeigten alle wichtigen Eigenschaften (Markern), die sich auch in der Monokultur (ohne Astrozyten) finden lassen.

In einem weiteren Schritt haben die Forscher nun das MPTP-Tiermodell auf in-vitro-Kokultur übertragen. Dafür brauchten sie beide Zelltypen in Kokultur, da MPTP nur in Gegenwart von Astrozyten toxisch auf die Nervenzellen wirkt. Sie fanden heraus, dass MPTP die Neuronen schädigte und dies zu Entzündungsprozessen führte, die die Astrozyten aktivierte, diese jedoch selbst nicht geschädigt wurden. Der ursächliche Mechanismus der Nervenzellschädigung konnte gut an jeweils einem der beiden Zelltypen einzeln analysiert werden. Dabei korrelierte die Ergebnisse mit denen der Tiermodelldaten von Maus und Affe.

Im Folgenden testeten der Preisträger und sein Team mit dem Kokulturen-Modell u.a. mehr als 20 pharmakologische Substanzen. Die Ergebnisse korrelieren wiederum mit in-vivo-Studiendaten, gaben aber auch tiefere Einblicke in die Ursachen, weil das In-vitro-Modell auch für mechanistische Studien, z.B. für Pathway-Inhibitionsversuche genutzt werden kann.
 
Für das Kokulturenmodell wurde bislang noch eine Gliazelllinie genutzt, die von Mäusen stammt. Da dieser Zelltyp stammesgeschichtlich konserviert ist, führte die Kokultur beider Zelltypen nicht zu immunologischen Störungen. Das Team ist aber bereits dabei, die Gliazellen durch eine humane Zelllinie zu ersetzen, die sie in ihrem Labor bereits etabliert haben. Auch soll das Modell um einen Immunzelltyp, die Mikrogliazellen, ergänzt werden.


Im Rahmen der Preisverleihung führte InVitro+Jobs ein Kurzinterview mit dem Preisträger, Prof. Marcel Leist.

InVitro+Jobs:
Zunächst einmal möchten wir Ihnen recht herzlich gratulieren.

Prof. Marcel Leist:
Vielen Dank.

InVitro+Jobs:
Welche Bedeutung hat der Preis für Sie?

Prof. Marcel Leist:
Er bedeutet die Anerkennung der langen Arbeit und die Anerkennung der Stiftungsidee, akademische Forschung an 3R zu stärken. Er setzt ein
positives Zeichen für die Fortsetzung des Lehrstuhls, der ursprünglich für 10 Jahre angelegt war, und nun vom Land übernommen werden sollte.

InVitro+Jobs: 
Wie lange haben Sie mit Ihrem Team an der Entwicklung dieses Modells gearbeitet?

Prof. Marcel Leist:
Die Entwicklung dauerte 4 Jahre direkt, plus Vorarbeiten.

InVitro+Jobs:
Können Sie uns in einfachen Worten erklären, wie die Zelllinien erzeugt werden?

Prof. Marcel Leist:
Die Neuronen (Nervenzellen) wurden einmal aus einem menschlichen Fötus gewonnen (noch in Schweden); seit 2006 werden die selben Zellen in Konstanz immer weitervermehrt.

InVitro+Jobs:
Was kritisieren Sie am Krankheitsmodell Tier?

Prof. Marcel Leist:
Die schlechte Vorhersagekraft. Ich stelle eine Gegenfrage: 1. Wir benutzen Tiere, weil sie anscheinend dem Menschen nahestehen (Übertragung der Forschungsergebnisse). 2. Wir benutzen Tiere statt Menschen, weil sie ja nicht gleich sind (Schmerzempfindung, Werteeinschätzung). Wie passen diese beiden Dinge zusammen – vor allem bei Störungen des Nervensystems?

InVitro+Jobs:
Wird das Modell voraussichtlich nicht eher zum Screenen von potenziell pharmazeutisch wirksamen Substanzen eingesetzt und die gefundene Substanz danach im Tier getestet?

Prof. Marcel Leist:
Ja, in vielen Fällen. Dann muss aber nur eine von 10 Verbindungen am Tier getestet werden (die Beste) und nicht alle 10.

InVitro+Jobs:
Könnte man das Modell auch für andere neurodegenerative Erkrankungen einsetzen wie z.B. Alzheimer, wodurch sich die potenzielle Möglichkeit, Tiere als Krankheitsmodelle einzusparen, noch erweitert?

Prof. Marcel Leist:
Ja, das befindet sich bereits in der Entwicklung und wurde/wird auch in der Industrie schon so eingesetzt

InVitro+Jobs:
Wie sieht Ihre weitere, zukünftige Forschung mit dem Modell aus?

Prof. Marcel Leist:
Wir werden einen weiteren Zelltyp (Mikroglia) einbauen. zudem werden wir Nervenzellen mit menschlichen Krankheitsgenen im gleichen Modell verwenden.

InVitro+Jobs:
Wie reagiert die pharmazeutische Industrie auf die In-vitro-Krankheitsmodelle?

Prof. Marcel Leist:
Sie ist sehr interessiert. Viele großen Firmen in Deutschland und der Schweiz haben das Modell oder Varianten des Modells aufgenommen.

InVitro+Jobs:
Können Sie für Ihre Entwicklungen von in-vitro-Krankheitsmodellen ausreichend finanzielle Mittel einwerben?

Prof. Marcel Leist:
Das ist anstrengend, aber möglich. Eine strukturiertere Stützung dieses Bereichs wäre wünschenswert.

InVitro+Jobs:
Wie müsste die Forschungslandschaft in Deutschland und in Europa aussehen?

Prof. Marcel Leist:
Wir brauchen mehr finanzielle Forschungsanreize auf dem Gebiet, um gute Wissenschaftler anzuziehen.

InVitro+Jobs:
Wir danken Ihnen für das Gespräch.