Home >> Was wir tun >> Informieren Sie sich >> Science Corner >>
Die Befürworter des Einsatzes von Tieren in der Forschung vertreten die Auffassung, dass nichtmenschliche Tiere dem Menschen so ähnlich sind, dass sie als wissenschaftliche Modelle für den Menschen geeignet sind, sich aber so sehr von ihm unterscheiden, dass es moralisch akzeptabel ist, an ihnen zu experimentieren. Zusätzlich zu den ethischen Einwänden, anderen empfindungsfähigen Spezies Leiden zuzufügen, schränken inhärente Probleme mit Tiermodellen – einschließlich der Unterschiede zum Menschen in Bezug auf Größe und Physiologie, genetische Unterschiede und Variationen der biologischen Ziele – die Fähigkeit ein, Daten, die an einem Tiermodell gesammelt wurden, auf den Menschen zu übertragen.
Wenn Tiere für Studien über menschliche Krankheiten verwendet werden, ist die künstliche Art und Weise, in der die Krankheit beim Tier ausgelöst wird, weit von der Art und Weise entfernt, in der Krankheiten beim Menschen natürlich auftreten, was den Wert solcher Studien einschränkt. Die Gültigkeit, der Nutzen, die Kosten und die Ethik wissenschaftlicher Experimente, die sich auf Tiermodelle stützen, werden zunehmend in Frage gestellt – nicht nur von Tierschützern, sondern auch von der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
Im folgenden Abschnitt werden sowohl traditionelle als auch innovative Alternativen beschrieben, die das Versprechen haben, die Verwendung von Tieren in der Wissenschaft zu verringern, zu verbessern und schließlich zu ersetzen.
In-vitro-Zellkultur
Zellkultur bezeichnet das Wachstum von Zellen, die einem Tier oder einer Pflanze entnommen wurden, in einer geeigneten künstlichen Umgebung, die wichtige Komponenten wie Nährstoffe, Wachstumsfaktoren und Gase enthält. Zellkulturen können für Studien über normale Zellfunktionen, für das Screening und die Entwicklung von Arzneimitteln und für die Herstellung von biologischen Verbindungen wie therapeutischen Proteinen verwendet werden. Zellen in Kultur sind leichter molekular zu manipulieren, schneller, billiger und reproduzierbarer als Tiermodelle. Wichtig ist, dass menschliche Zellen in vitro untersucht werden können und das Potenzial haben, den Einsatz von Tieren in verschiedenen Studienbereichen zu reduzieren.
Für die Forschung stehen viele verschiedene Arten von Zellen zur Verfügung, darunter etablierte Zelllinien und Stammzellen. Da Stammzellen die Fähigkeit besitzen, sich in viele verschiedene Zelltypen zu differenzieren, sind Forscher von ihrer Verwendung als Forschungsmodelle begeistert. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) werden zu einem sehr wertvollen Werkzeug im Labor, da Fortschritte bei den Zelltechniken es den Forschern ermöglichen, adulte Körperzellen von Menschen zu sammeln, sie in einen embryonalen stammzellähnlichen Zustand umzuprogrammieren und die Zellen schließlich in einen Zelltyp von Interesse zu differenzieren. Diese Zellen werden bereits in der Arzneimittelentwicklung und bei der Modellierung von Krankheiten eingesetzt. Da sie von Patienten mit verschiedenen Krankheiten stammen können, spielen iPSCs eine wichtige Rolle in der personalisierten Medizin.
Viele Studien stützen sich auf Zellen, die auf Plastikschalen in einer flachen Monolage gezüchtet werden, während andere versuchen, Zellen in drei Dimensionen zu untersuchen, um das In-vivo-Szenario besser zu imitieren.
„Organoide“
Fortschritte in der Stammzellbiologie haben die Erzeugung komplexer Modelle, so genannter „Organoide“, erleichtert, Miniaturorgane in vitro, die Struktur und Funktion echter Organe teilweise nachahmen. Diese Modelle entstehen, wenn sich Zellen selbst zusammensetzen und zu komplexen 3-D-Strukturen organisieren. Organoide können u. a. als Krankheitsmodelle, in Studien zur Toxikologie und Arzneimittelentdeckung sowie in Studien zur Organentwicklung verwendet werden. Viele Organoide wurden bereits hergestellt, darunter die Niere, die Leber, das Herz und die Lunge.
„Organs-on-chips“
Andere Modelle, die entwickelt wurden, um die Funktionalität von Gewebe und Organen zu simulieren, sind „Organs-on-chips“, mikrofluidische Zellkulturgeräte mit Kanälen, die mit lebenden Zellen ausgekleidet sind. Sie sind so konzipiert, dass sie die multizelluläre Architektur und die biochemische und mechanische Mikroumgebung in vivo nachahmen. Diese „Mini-Organe“ enthalten Zellen, die auf flexiblen Plattformen gezüchtet werden, die es ihnen ermöglichen, ihre Form zu verändern und auf physikalische Reize zu reagieren, wie es bei herkömmlichen 2D- oder 3D-Kulturen nicht möglich ist. Solche Instrumente können den Forschern helfen, die genetischen, biochemischen und metabolischen Aktivitäten von Zellen im Zusammenhang mit funktionellen Geweben und Organen besser zu verstehen.
Eine Reihe von mikrotechnisch hergestellten Organmodellen wurde bereits erstellt und wird weiter optimiert, darunter Modelle von Leber, Lunge, Niere, Darm, Knochen, Brust, Auge und Gehirn. Man hofft, dass solche Mikrosysteme, die mit menschlichen Zellen entwickelt werden, kostspielige und wenig aussagekräftige Tierversuche ersetzen können, um die Entwicklung von Arzneimitteln und toxikologische Tests genauer und menschengerechter zu gestalten. Diese Modelle könnten zur Nachahmung bestimmter Krankheitszustände und zur Untersuchung der Gewebeentwicklung und Organphysiologie entwickelt werden, wodurch sich der Bedarf an Tierversuchen in diesen und anderen Forschungsbereichen verringern könnte.
„Human-on-a-Chip“
Die Food and Drug Administration (FDA) hat kürzlich mit der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und den National Institutes of Health (NIH) an einem Projekt namens Human-on-a-Chip zusammengearbeitet. Aufbauend auf dem oben beschriebenen Ansatz für einzelne Organe auf einem Chip besteht das Ziel des Human-on-a-Chip darin, ein Miniatur-3-D-Modell zu erstellen, das 10 verschiedene menschliche Miniorgane umfasst, die miteinander verbunden sind und ein physiologisches System bilden. Da diese einzelnen Organe miteinander verbunden wären und als ein ganzes System funktionieren würden, könnte der Human-on-a-Chip die Aktivitäten und biologischen Prozesse des menschlichen Körpers besser nachahmen. Dieses neue Instrument könnte nicht nur die toxikologischen Tests revolutionieren, sondern auch die Erforschung verschiedener Krankheitszustände erleichtern. Es besteht die Hoffnung, dass dieses Instrument aufgrund seiner Komplexität und seiner Relevanz für den Menschen die Anzahl der an Versuchen beteiligten Tiere ersetzen oder reduzieren kann.
Es wurden bereits erste Versuche unternommen, verschiedene Organe auf demselben Chip miteinander zu verbinden. Auch wenn noch Herausforderungen zu bewältigen sind, haben die derzeitigen Modelle einen überzeugenden Beweis dafür geliefert, dass funktionelle Interaktionen zwischen verschiedenen Organen in diesen Geräten analysiert werden können.
Computersimulation
Fortschritte in der Simulationstechnologie erleichtern die Entwicklung komplexer und anspruchsvoller Modelle biologischer Systeme. Neben der Modellierung von Vorgängen in der Wissenschaft, die wir bereits verstehen und für die wir Daten gesammelt haben, tragen Simulatoren zu unserem Verständnis bei, indem sie uns ermöglichen, neue Ideen zu testen und verschiedene Versuchsbedingungen auszuprobieren. Die Simulation kann als Alternative zur traditionellen experimentellen Wissenschaft dienen und hat den zusätzlichen Vorteil, dass Experimente, die auf herkömmliche Weise nicht durchführbar oder zu teuer sind, mit Hilfe der Simulationstechnologie durchgeführt werden können.
Autopsiestudien und Untersuchung von Obduktionsproben
Autopsien sind medizinische Verfahren, die von Ärzten durchgeführt werden und bei denen der Körper einer Person nach dem Tod gründlich untersucht wird. Dabei können nicht nur Informationen über die Ursache und die Art des Todes einer Person gewonnen werden, sondern auch viele Informationen über Krankheiten und Verletzungen. Während des Verfahrens können Ärzte die Todesursache einer Person feststellen, erfahren, wie eine Krankheit verläuft und ob bestimmte Behandlungen für Krankheiten wirksam waren, und Proben von Geweben und Körperflüssigkeiten für weitere Untersuchungen entnehmen.
Epidemiologische Studien
Die Epidemiologie ist ein Forschungsgebiet, das sich mit der Untersuchung des Auftretens, der Verteilung und der Kontrolle von Krankheiten in einer Bevölkerung befasst und es Wissenschaftlern ermöglicht, besser zu verstehen, wie, wann und wo Krankheiten auftreten. Epidemiologen spielen eine wichtige Rolle bei der Förderung der Wissenschaft und der Verbesserung der Gesundheit und des Wohlbefindens der Menschen, denn ihre Untersuchungen der Ursachen von Krankheiten und anderen Problemen der menschlichen Gesundheit können die Ausbreitung von Krankheiten verhindern und das erneute Auftreten von Problemen der öffentlichen Gesundheit verhindern. Eine der wichtigsten Aufgaben eines Epidemiologen ist die Ermittlung von Risikofaktoren (z. B. Umwelt- und Lebensstilfaktoren), die mit Krankheiten in Verbindung stehen, sowie von Faktoren, die vor Krankheiten schützen können.
Epidemiologische Studien haben den Zusammenhang zwischen Rauchen und Krebs nachgewiesen und den Zusammenhang zwischen chemischer Belastung und Krankheiten am Arbeitsplatz enthüllt. Obwohl epidemiologische Studien nicht beweisen, dass bestimmte Risikofaktoren tatsächlich die untersuchte Krankheit verursachen, zeigen sie doch den Zusammenhang zwischen bestimmten Risikofaktoren und dem Auftreten von Krankheiten.
Nichtinvasive Bildgebung
Die Verwendung medizinischer Technologien, die Bilder des Körpers liefern, einschließlich der Magnetresonanztomographie (MRT), der Computertomographie (CT) und des Ultraschalls, haben unser Verständnis der Funktionsweise des Körpers erheblich verbessert und spielen eine wichtige Rolle in der diagnostischen Medizin. Der Einsatz dieser Techniken kann als Ersatz dienen, da aussagekräftige Daten direkt von Patientenpopulationen abgeleitet werden können.
Auch wenn die NAVS der Ansicht ist, dass das übergeordnete Ziel der 3R der Ersatz von Tierversuchen ist, können bildgebende Verfahren auch eine wichtige Rolle bei der Verringerung und Verfeinerung von Tierversuchen spielen. Wenn beispielsweise der Krankheitsverlauf in einem Tiermodell untersucht werden soll, müssen die Forscher möglicherweise jede Woche Tiere opfern, um Daten zu sammeln. Werden stattdessen bildgebende Verfahren eingesetzt, können sie serielle Studien an ein und demselben Tier durchführen und die Tiere im Laufe ihres Lebens beobachten, wodurch sich die Zahl der verwendeten Tiere erheblich verringert. Die Bildgebung kann auch als Verfeinerungsalternative dienen, so dass weniger invasive Verfahren durchgeführt werden können.
Microdosing
Klinische Versuche der „Phase Null“, auch bekannt als Mikrodosierung, sind ein Ansatz, mit dem die Zahl der Arzneimittel, die Sicherheits- und Toxikologietests an Tieren durchlaufen, reduziert werden kann, wodurch sich die Zahl der für die Tests verwendeten Tiere verringern würde.
In Phase-Null-Studien erhält eine sehr kleine Anzahl von menschlichen Freiwilligen, eine oder zwei Personen, eine sehr geringe Menge eines neuen Arzneimittels, eine Dosis, die so niedrig ist, dass sie keine pharmakologische Wirkung oder unerwünschte Reaktion hervorruft. Anhand dieser Studien kann der Verbleib des Wirkstoffs im menschlichen Körper bestimmt werden, einschließlich Informationen darüber, wie der Körper den Wirkstoff absorbiert, verteilt und metabolisiert. Da die Mikrodosis des neuen Wirkstoffs so niedrig ist, ist das Risiko für den Probanden sehr gering. Diese Art von Testparadigma birgt ein großes Potenzial, um die Anzahl der Tiere, die für Sicherheits-, Pharmakologie- und Toxizitätsstudien für neue Verbindungen verwendet werden, erheblich zu reduzieren, denn wenn eine neue Verbindung nicht die gewünschte Wirkung beim Menschen hat, müsste die Verbindung keine zusätzlichen Sicherheitsstudien an Tieren durchlaufen.