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Hier lernt man etwas: Unter dem Namen 3Rs InfoHub gibt es an der Freien Universität Berlin eine empfehlenswerte Plattform, die anfänglichen und fortgeschrittenen Studierenden dabei hilft, die geeignetsten Verfahren zum Ersatz, zur Reduktion oder zur Verfeinerung von Tierversuchen zu finden oder darüber zu lernen. Institut für Pharmazie der Freien Universität Berlin. Foto: Fridolin Freudenfett (Peter Kuley), Wikipedia, CC BY-SA 3.0 Die Plattform wird von der Veterinärmedizinerin Dr. Vivian Kral, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Pharmazie und Toxikologie der FU Berlin, und dem Pharmazeuten PhD Christian Zoschke vom Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit sowie weiteren Mitarbeiter:innen aus dem Bereich Pharmazie betrieben. Neben Aufklärung über Methoden, z.B. in Form von Interviews in Podcasts, die Studierende mit namhaften Entwickler:innen führen, gibt es Kurse, z.B. zu Grundlagen der wichtigsten Organe, Entwicklung von Organoiden (Hirn, Niere, Lunge, Leber, Haut, Herz, Reproduktionsorgane, Schilddrüse, Hormonsystem), aber auch zugehörige Techniken wie Multielektroden-Arrays, Organerkrankungen und ihre Nachbildung in Form von in vitro-Krankheitsmodellen sowie in silico-Methoden. Alle Abschnitte enden mit einem Quiz für die Lernkontrolle. Hier geht es zur Plattform: https://www.3rsinfohub.de/index.html

Der US-amerikanische Hersteller Bruker steigt beim Organ-on-a-Chip-Systementwickler MIMETAS ein. Gemeinsam wollen sie eine industrielle Plattform für die Wirkstoffforschung entwickeln. Foto: computer-generiert (Gemini). MIMETAS entwickelt mit seiner OrganoPlate-Plattform sogenannte Organ-on-a-Chip-Systeme, in denen menschliche Gewebe unter kontrollierten Bedingungen kultiviert und untersucht werden können. Bruker bringt dazu Technologien für Proteomik, Metabolomik, NMR, Spatial Biology und präklinische Bildgebung ein. Quelle und weitere Informationen: https://transkript.de/artikel/2026/organoide-bleiben-spannend-bruker-steigt-bei-mimetas-ein/ https://www.bionity.com/de/news/1189529/bruker-steigt-bei-organ-on-a-chip-spezialist-mimetas-ein.html?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=bionityde--2026-08-10--2&mtm_group=bionityde&WT.mc_id=ca0264

Das European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare (EDQM) hat die Aufgabe, verbindliche Qualitätsstandards für Medikamente und die Gesundheitsversorgung festzulegen. Die Kommission des Europäischen Arzneibuchs befasst sich nun mit der schrittweisen Abschaffung des LD50-Tests an Mäusen aus ihren Monografien zu Botulinumtoxin. Dafür will sie ihre Arbeitsgruppe Botulinumtoxin (BOT WP) wieder aktivieren und sucht Mitglieder. Foto: computer-generiert (Gemini). Ziel ist es, eine Roadmap und einen konzeptionellen Rahmen zur schrittweisen Reduktion und zum vollständigen Ersatz des LD50 bei der Chargenprüfung von Botulinumtoxin-Präparaten zu erarbeiten. Das Vorhaben wird von einer EU-weiten Kampagne der Europäischen Koalition zur Beendigung von Tierversuchen (ECEAE) "Stop Botox Animal Testing!“ flankiert, die die Streichung des Mäusetests aus dem Europäischen Arzneibuch und Transparenz hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Tiere und des Zwecks der Versuche einfordert. Auch im Vereinigten Königreich sollen bis 2027 Tests zur Wirksamkeit von Botox an Mäusen nicht mehr erlaubt sein. Jede Charge mit höchstbelastenden Tierversuchen verbunden Beim LD50-Test (LD - Lethal Dosis) an Mäusen wird jene Dosis einer Substanz ermittelt, bei der 50 Prozent der eingesetzten Versuchstiere sterben. Bekannt ist dieser Test vor allem durch die Qualitätskontrolle von Botulinumtoxin (Botox), bei dem Mäuse das Gift in die Bauchhöhle injiziert bekommen und diese über Tage qualvoll an Atemlähmung ersticken. Da es sich um ein hochwirksames Neurotoxin handelt, muss die biologische Aktivität für jede Charge festgestellt werden. Der klassische LD50-Test an Mäusen zur Bestimmung der biologischen Potenz ist in den Monographien für Botulinumtoxin Typ A (2113) und Typ B (2581) noch immer verankert. Jede Produktcharge wird traditionell so geprüft, weshalb europaweit geschätzt jährlich bis zu 350.000 Mäuse für diese Tests sterben. (1) Genauere Zahlen liegen für den Zweck nicht vor. Die europäische Medizinagentur (EMA) und die amerikanische FDA (Food and Drug Administration) regulieren Botulinumtoxin-Produkte nicht als Kosmetika, sondern als verschreibungspflichtige biologische Arzneimittel. In Europa gilt die Pharmakopöe (das Arzneibuch). Die Behörden verlangen den Nachweis der biologischen Aktivität für jedes einzelne Produkt. Während früher der LD50-Test an Mäusen Standard war, fordern EMA und BfArM heute den Wechsel auf validierte zellbasierte Alternativmethoden, sobald diese für das jeweilige Produkt zugelassen sind. Der amerikanische Konzern Allergan hat bereits 2011 von der Food and Drug Administration (FDA) die Zulassung für einen vollständigen, auf Zellen basierenden in-vitro-Test erhalten, mit dem er die Stabilität und Potenz seiner Produkte BOTOX® (Onabotulinumtoxin A) und BOTOX® Cosmetic testen kann. In Deutschland hat im Dezember 2015 das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) einen zellbasierten Assay zum Ersatz des LD50- Aktivitätstests an Mäusen für bestimmte Arzneimittel mit dem Wirkstoff Botulinumtoxin Typ A des Herstellers Merz zugelassen.(2) Nach dem Arzneibuch ist die Aktivitätsbestimmung des Toxins in Arzneimitteln vorgeschrieben. Bislang erfolgte diese Aktivitätsbestimmung ausschließlich durch Tierversuche an Mäusen. Aufgrund der hohen Toxizität des Botulinumtoxins muss diese Aktivitätsbestimmung zudem an allen Chargen dieser Arzneimittel erfolgen. Tierfreie Entwicklungen gab es viele. So erhielt z.B. Prof. Gerhard Püschel vom Institut für Ernährungswissenschaften der Universität Potsdam im Jahr 2015 den Berliner Tierschutzforschungspreis. Auch andere Forscherinnen und Forscher haben tierfreie Verfahren entwickelt. Nun sollen im Rahmen der Roadmap wieder Anstrengungen unternommen werden, um alle qualvollen Tests mit Botulinum A und B schrittweise aus den Monografien zu streichen. Für die Mitarbeit an der Arbeitsgruppe werden noch Mitglieder gesucht, um einen Fahrplan für den Ausstieg zu entwickeln. Informationen unter: https://www.edqm.eu/en/join-the-network- Quellen: European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare (2026). First rabbits, now mice: the European Pharmacopoeia turns its attention to phasing out the mouse LD50 assay from its monographs on botulinum toxin. 7.8.26. https://www.edqm.eu/en/-/phasing-out-the-mouse-ld50-assay Hier geht es zur Kampagne: European Coalition to End Animal Experiments (2026). Stop Botox Animal Testing! https://www.eceae.org/campaigns/stop-botox-animal-testing (1) Ärzte gegen Tierversuche (2017). Botox-Tierzahlen. Mindestens 350.000 Mäuse allein in Europa. https://www.aerzte-gegen-tierversuche.de/de/wissen/argumente/stellungnahmen/botox-tierzahlen (2) Bundesgesundheitsministerium (2016). Botulinum Neurotoxin enthaltende Arzneimittel. https://www.bundesgesundheitsministerium.de/service/begriffe-von-a-z/b/botulinum-neurotoxin-enthaltende-arzneimittel

Der Bundesverband Menschen für Tierrechte hat das Pferd zum „Versuchstier des Jahres“ 2026 ernannt. Obwohl Pferde im Vergleich zu „klassischen Versuchstierarten“ seltener in Tierversuchen eingesetzt werden, leiden und sterben auch sie im Labor. Foto: © iStock/olgaIT Dabei werden sie oft künstlich krank gemacht oder in Bereichen eingesetzt, die nichts mit Pferdekrankheiten zu tun haben, beispielsweise die qualvolle Produktion von Hormonen für die Schweinezucht oder die ebenfalls schmerzhafte Herstellung von Antikörpern. Die Tiere leiden, obwohl für diese und andere Verfahren längst tierfreie Alternativen existieren. Weitere Informationen hier: https://www.tierrechte.de/2026/08/24/das-pferd-ist-das-versuchstier-des-jahres-2026/

Science Center der Harvard universität in Boston. Foto: Wikipedia. CC BY-SA 2.0 Ein Team aus Wissenschaftler:innen vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University in Boston, haben ein chronisch-entzündliches Darmerkrankungsmodell realistischer auf dem Chip entwickelt, inklusive Schleimproduktion, Barrierefunktion, Entzündungsreaktionen, Fibrose- und Krebsentstehung. Ziel war es, wesentliche pathophysiologische Merkmale, Entzündungsmechanismen, geschlechtsspezifische Effekte und die Krebsentstehung bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen nachzubilden. Patient:innen mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen leiden unter eine beeinträchtigten Darmbarrierefunktion und einer verminderten Schleimbildung. Bei ihnen kommt es zu verstärkten Entzündungen, zu einer Vermehrung von Bindegewebe (Fibrose), zudem haben sie ein erhöhtes Krebsrisiko. Bei Frauen während der Schwangerschaft verschlimmern sich die Symptome häufig. Die häufigsten Formen beim Menschen sind Morbus Crohn und Colitis ulcerosa. Sie verlaufen meist in Schüben und sind durch Entzündungen der Darmschleimhaut, Bauchschmerzen und Durchfälle gekennzeichnet.(1) Die meisten derzeitigen Behandlungen zielen auf die Kontrolle der Entzündung ab. Eine Heilung gibt es derzeit noch nicht. Humane Darmorganoid-Modelle wurden in den letzten Jahren bereits vielfach entwickelt. Jedoch fehlten ihnen entscheidende Organfunktionen wie die Epithel-Stroma-Interaktionen, die Schleimschicht, dynamische mechanische Belastungen (Peristaltik) sowie die Immunzellinteraktionen. In der Studie entwickelte das Team ein Colon-on-a-Chip-Modell in einem mikrofluidischen Chip auf Basis von menschlichen Kolonepithel-Organoiden und Stromafibroblasten von Patienten mit Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa sowie von gesunden Personen zum Vergleich. Die Darmmodelle wurden peristaltikähnlichen Bewegungen ausgesetzt und mit zirkulierenden Immunzellen perfundiert. Untersucht wurde auch der Einfluss von weiblichen Hormonen und Schwangerschaftshormonen. Durch die Kombination zweier Gewebetypen von Patienten mit chronisch-entzündlicher Darmerkrankung konnten die Forscherinnen und Forscher beobachten, dass die Fibroblasten (das Stroma) die Hauptursache für zahlreiche der Symptome sind. Entzündungen und Fibrosen konnten durch Peristaltik-ähnliche Bewegungen im Modell verstärkt werden. Die Exposition gegenüber weiblichen Hormonen (Östrogen, Progesteron, Schwangerschaftshormone) erhöhte die Kryptenhöhe in beiden Modellen, verstärkte aber die Entzündung und Fibrose nur in den Chips mit erkranktem Gewebe. Bei Exposition gegenüber einem Karzinogen (N-Ethyl-N-Nitrosoharnstoff) zeigten die Chips mit erkranktem Gewebe im Gegensatz zu gesunden Chips z.B. eine verstärkte Entzündung, Genmutationen und Chromosomenduplikationen. Die Autoren schlussfolgern, dass Das "Colon-on-a-Chip"-System in der Lage ist, viele der in vivo beobachteten gesunden und krankhaften Phänotypen des menschlichen Dickdarms zu reproduzieren, einschließlich Schleimschicht, Barrierefunktion, Entzündungsreaktionen und Fibrose. Das Modell kann zur patientenspezifischen Analyse, zur Testung neuer Therapien und zur Biomarker-Entdeckung genutzt werden. Originalpublikation: Özkan, A., Merry, G.E., Chou, D.B. et al. Human inflammatory bowel disease-on-a-chip for modelling disease progression, cancer initiation and sex-specific effects. Nat. Biomed. Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s41551-026-01686-8 Weitere Informationen: (1) https://www.msdmanuals.com/de/profi/gastrointestinale-erkrankungen/entz%C3%BCndliche-darmerkrankheiten-ibd/%C3%BCbersicht-zu-entz%C3%BCndlichen-darmerkrankheiten

„The New Gold Standard“ ist ein neuer Dokumentarfilm über den Wandel in der medizinischen Forschung weg von Tierversuchen hin zu humanrelevanten Technologien. Der Film beleuchtet sowohl die aktuellen Realitäten des Systems als auch das wachsende wissenschaftliche Interesse an alternativen, am Menschen basierenden Ansätzen. In dem Film werden unter anderem Institutionen wie die Harvard University, die Stanford University sowie das Unternehmen Hesperos Inc. besucht, wo Wissenschaftler:innen innovative Ansätze entwickeln, um die Vorhersehbarkeit und Wirksamkeit der medizinischen Forschung zu verbessern. Zu den vorgestellten Teilnehmern gehören zudem Senator Cory Booker, Senator Rand Paul, Dr. Nicole Kleinstreuer von den National Institutes of Health (NIH), Führungskräfte aus der Pharmaindustrie sowie führende akademische Forscher. Anhand von Interviews, die vielfältige Perspektiven abdecken, beleuchtet der Film die wissenschaftlichen, regulatorischen, ethischen und wirtschaftlichen Fragen rund um die Zukunft der Forschung und der Arzneimittelentwicklung. Im Film werden zudem Tierauffangstationen in Wyoming besucht, die Hunde, Katzen und Schweine betreuen, sowie in Oklahoma, wo Primaten aus Forschungslabors aufgenommen werden. Der New Gold Standard wurde von dem namhaften Produzenten Steven Latham produziert. Er zeigt, wie humanbasierte Methoden das Potenzial haben, schnellere, genauere und prädiktivere Erkenntnisse in vielen Bereichen der biomedizinischen Forschung zu liefern. Der Film erscheint im Spätsommer in den USA und im Herbst im Streamingdienst zu sehen sein. Die genauen Streaming-Plattformen stehen aktuell noch nicht fest. Regisseur und Produzent Steven Latham hat angekündigt, die konkreten Streaming-Dienste im Laufe des Herbstes bekannt zu geben. Trailer hier auf der Website ansehen: https://thenewgoldstandard.film/

An dieser Stelle stellen wir nicht – wie in der Serie Arbeitsgruppe im Portrait gewohnt – eine einzelne Gruppe vor. Zu umfangreich sind die Untersuchungen, die bislang noch mit unzähligen Tieren beantwortet werden. Mehrere Gruppen arbeiten an einzelnen Fragestellungen. Fazit: Ein Ersatz von Tierversuchen kann nur mit einer Kombination von vielen einzelnen Methoden in einer abgestuften Teststrategie gelingen. Geschwister. Foto: Sathyatripodi, Pixabay So haben bereits vor rund 20 Jahren Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen versucht, neue tierleidfreie Lösungen für die Reproduktionstoxikologie zu finden. Ein derartiger Vorstoß wurde z.B. zwischen 2004 bis 2009 mit dem EU-Projekt ReProTect unternommen. Dabei wurden 14 Methoden zum Test auf Reproduktions- und Entwicklungstoxikologie entwickelt und in einer Testbatterie geprüft. Inzwischen haben sich technologischer Fortschritt und wissenschaftliche Erkenntnisse weiterentwickelt. Reproduktionsorgane können auf Multiorganchips im Miniaturformat gezüchtet werden, die sogar in der Lage sind, den Hormonzyklus zu simulieren. Induzierte pluripotente Stammzellen bieten zukünftig das Potenzial, das gewünschte Humangewebe nachzuzüchten und ggfs. aus 3D-Druckern kommend „in Form“ zu bringen. Die Gentechnik erlaubt, in Zellen Reportergene einzubauen, die z.B. mit einem Fluoreszenzsignal einen schädigenden oder störenden Effekt schnell und auf Wunsch im Hochdurchsatz feststellen lassen. Wir stellen hier nur einige Highlights vor. Ersatz von Tierversuchen der in Reproduktionstoxikologie: Kleine Schritte Zwischen 2004 bis 2009 lief das EU-Projekt ReProTect mit dem Ziel, neue Ansätze in der Reproduktionstoxizität durch Kombination von in-vitro-Methoden und Gewebe- und Sensortechnologien zu finden (1, 2). Beteiligt waren 32 europäische Forschergruppen aus Akademie, Industrie, kleiner und mittlerer Unternehmen und Regierungsinstitutionen. Eine Reihe von alternativen Testsystemen wurden entwickelt, die die verschiedenen Stadien des Fortpflanzungszyklus abdecken sollten. In einer Ring-Machbarkeitsstudie mit einer festgelegten Anzahl von Testchemikalien wurden die Methoden von einer externen, unabhängigen Expertengruppe beurteilt. Im Rahmen dieses EU-Projekts wurden sechs Rezeptorbindungstests zur Untersuchung von hormonwirksamen Substanzen entwickelt, von denen der sogenannte AR CALUX® am Ende in die OECD-Testrichtlinien eingeflossen ist. Er ist ein Reportergen-Assay, mit dem die androgene und anti-androgene Aktivität von Verbindungen in vitro geprüft werden kann. Androgen wirkende Substanzen binden an den sogenannten Androgen-Rezeptor und lösen einen für die androgene Wirkung charakteristischen Effekt aus. Anti-Androgene blockieren dagegen den Androgen-Rezeptor und verhindern so die Androgenwirkung. Ein ähnlicher Assay wurde mit einer humanen Osteosarkom-Zelllinie (U2-OS) unter Einbau eines humanen Östrogenrezeptors konstruiert (3), um das östrogene und anti-östrogene Potenzial von Chemikalien zu messen. Der Assay wurde 2015 von der OECD validiert und für eine Aufnahme in die OECD "Performance Based Test Guideline for Stably Transfected Transactivation In vitro Assays to Detect Estrogen Receptor Agonists and Antagonists" (TG 455), als Bestandteil einer abgestuften Teststrategie als geeignet befunden (4). Dort ist er im Anhang 4 auch enthalten. Andere Rezeptorbindungsassays waren der MELN-Assay mit einer Brustkrebszelllinie (MCF-7), in die ein auf Östrogen ansprechendes Gen eingebaut wurde (5), und der MTS-Assay mit einer humanen Prostata-Adenokarzinom-Zelllinie (LNCaP), um Moleküle zu identifizieren, die auf die Prostatafunktion abzielen (6). Fünf weitere Tests gaben Auskunft über Fruchtbarkeitsstörungen (Follikulogenese und Oogenese): Ein in-vitro-Fertilisationstest über die Störung der Befruchtungsfähigkeit und ein peri-Implantationstest mit einer Zygote der Maus, deren Entwicklung bis zum Stadium der Blastozyste verfolgt wurde. Der Ishikawa-Zelltest ermöglichte Aussagen zu Implantation und östrogener Aktivität (7). Ein modifizierter Comet-Assay (ReProComet) diente zum Nachweis von DNA-Strangbrüchen in Rinderspermien. Da die Substanzbindung an die DNA von Spermien normalerweise erst nach der Befruchtung auftritt und in Spermien selbst nicht detektiert werden kann, da diese kein Reparaturenzymsystem haben, wurde für den Test ein Extrakt von humanen Brustkrebszellen (HeLa) zu den in Agarose eingebetteten Rinderspermien gegeben (8, 9). Um die Plazentadurchgängigkeit von Bisphenol A, eine Östrogen-ähnliche Substanz (10), zu untersuchen, haben Wissenschaftler eine Trophoblasten-Zelllinie (Trophoblast ist die ernährende Hüllzellschicht des Embryos) und humane Plazenta-Explantatkulturen kombiniert und damit Plazenta-Perfusionstests durchgeführt. Das kombinierte Gewebe war in der Lage, das wichtige Schwangerschaftshormon hCG zu bilden. Durch die hormonwirksamen Testchemikalien stieg in den Plazenta-Explanaten die Hormonmenge an hCG und die Expression von Caspase 3, ein Apoptoseprotein. Die Trophoblasten-Zellen wurden geschädigt (11). Zum Test auf Plazenta-durchgängigkeit von Stoffen konstruierten Forscher ein Plazenta-Perfusionsmodell mit zwei unabhängigen Kreisläufen, die dem Blutkreislauf der Mutter und dem des Fötus entsprechen (12, 13, 14). Bei Tests auf embryonale Entwicklung waren drei Modelle favorisiert bzw. entwickelt worden: Zum einen der Whole Embryo Culture (WEC) Test mit Rattenembryonen, der Wachstums- und Entwicklungsschäden des Embryos untersucht und sich bei der Chemikalientestung durchgesetzt hat. Ein weiterer ist der murine embryonale Stammzelltest (mEST), mit dem die untersuchte die Differenzierungshemmung von embryonalen Stammzellen der Maus in Herzzellen untersucht wird. Der dritte Test, der ReProGlo Assay, befasste sich mit der Hemmung des sogenannten Wnt-Signalweges (genauer: kanonischen Wnt/-Catenin-Signalweg) durch Medikamente. Wnt ist einer von sechs bedeutenden Signalwegen und während der Regulation der frühen Embryogenese aktiv. Eine Störung dieses Weges führt zu abnormen Entwicklungen des Embryos. Der Test erforderte bei manchen chemischen Testsubstanzen die vorherige metabolische Aktivierung durch Leberzellen (15, 16). Kritiker bemängelten jedoch eine geringe Vorhersagegenauigkeit dieses Tests (17). Forscher testeten alle Entwicklungen in Form einer umfangreichen Testbatterie mit zehn Teststoffen und beurteilten die entwickelten Methoden zum Ersatz von Tierversuchen als „vorsichtig positiv“. Sie konnten die toxikologisch relevanten Eigenschaften der Teststoffe mit relativ hoher Genauigkeit in der Mehrheit der Fälle erkennen. Lediglich ein zuverlässiger spezifischer Test für die männliche Fertilität fehlte (18). Am Ende wurden jedoch nur wenige Entwicklungen in die Testrichtlinien aufgenommen. Fruchtbarkeitsstatue. Foto: Domaris, Pixelio.de In ReProTect kombinierten Wissenschaftler auch vier bereits verfügbare Softwaretools (CAESAR (Q)SAR-Modell, das Derek für Windows-Expertensystem, den estrogen-receptor-binding profiler der OECD/(Q)SAR Application Toolbox und ein Read-across-Modell) in einem sogenannten Weight-of-Evidence-Ansatz miteinander, um die Reproduktions- und Entwicklungstoxizität rechnerisch vorauszusagen. Aufgrund der Komplexität der Reproduktions- und Entwicklungstoxizität waren die Ergebnisse jedoch nicht ausreichend (19). Aktuelle Entwicklungen Viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sind überzeugt, dass z.B. neue Chipsysteme mit humanem Gewebe oder nachgebildeten Organen im Bereich der Reproduktionstoxizität Aufklärung bringen und neue Therapieansätze ermöglichen können. In den letzten Jahren ist die Entwicklung hier rasant vorangeschritten. An dieser Stelle können nur einige Verfahren vorstellt werden. In-vitro-Eileitermodell Einer Forschergruppe unter der Leitung von Dr. Jennifer Schön vom Leibniz-Institut für Nutztierbiologie in Dummerstorf ist es gelungen, ein 3D-Zellkultur-Modell des Eileiters zu etablieren. Allerdings stammen die Eileiter hier von Rindern und Schweinen. In der „Eileiterflüssigkeit“ des Modells konnten sich sogar Embryonen entwickeln, so dass mit dem Modell frühe Interaktionen zwischen Embryo und Muttertier untersucht werden können, denn frühembryonale Verluste sind eine der häufigsten reproduktiven Störungen beim Menschen und beim Tier (20). In-vitro-Modell des Follikelwachstums Einem amerikanischen Forscherteam unter der Leitung von Prof. Theresa Woodruff vom Women’s Health Research Institute at Northwestern University Feinberg School of Medicine in Evanston, Illinois, ist es gelungen, primäre menschliche Follikel - die Vorstufe der weiblichen Eizelle - zu isolieren, zu kultivieren und sich weiterentwickeln zu lassen. Frühstadien der Follikelentwicklung in vitro erforderten deren Einkapselung in Alginat sowie die Unterstützung durch natürliches Eierstock-Kortexgewebe (21). Männliche Keimdrüsen in vitro Ein Dänisch-Schottisches Forscherteam unter der Leitung von Prof. Anders Juul und Dr. Ewa Rajpert-De Meyts vom Rigshospitalet der Universität Kopenhagen hat humane männliche fötale Keimdrüsen aus Gewebe von Föten aus Schwangerschaftsunterbrechungen isoliert und in einer sogenannten hanging drop-Kultur kultiviert. In dem Modell getestet wurde Retinsäure, welche starke Fehlbildungen auslösen kann und daher einen Einfluss auf die Embryonalentwicklung hat. Überschüssige Retinsäure zum Zeitpunkt der Hodenentwicklung führt zu einer Störung der Keimzellentwicklung (22). Leider stammten die Zellen von humanen Embryonen und stellen aus ethischen Gründen in der Form keine wirkliche Perspektive dar. Zyklus der Eizellreifung im Eierstock. Grafik. H. Hoffmeister, Wikipedia. Organ-on-a-Chip-Entwicklungen Herkömmliche, von menschlichen Zellen abgeleitete Modelle betrachten die toxikologischen Vorgänge isoliert und entfernt von einer normalen physiologischen Mikroumgebung. Daher versuchen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die Mikrophysiologie mittels Organ-on-a-chip oder Human-on-a-chip-Modellen nachzubilden. Menschliches Gewebe wird in ein sogenanntes mikrofluidisches System integriert, das die Komplexität der menschlichen in-vivo-Physiologie in vitro nachahmen soll. Die Simulation des weiblichen und männlichen Fortpflanzungssystems mit jeweils mehreren Organen und dem komplexen Hormonsystem ist zurzeit jedoch noch eine besondere Herausforderung. 3D-Modell der menschlichen Plazenta Wiener Wissenschaftler um Prof. Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie haben ein künstliches Plazenta-Modell entwickelt. Für das Modell wurden eine humane Trophoblasten-Zelllinie (BeWo b30) und humane primäre Plazenta-Zotten-Endothelzellen verwendet. Mit einem lasergesteuerten 3D-Druck-Verfahren lassen sich aus Hydrogelen hochpräzise Formen herstellen, die dann mit Plazenta-Zellen besiedelt werden. Das so erzeugte Organoid wächst auf einem mikrofluidischen Chip, an dem wichtige biologische Parameter wie Druck, Temperatur oder Nährstoff-bzw. Arzneistoffversorgung eingestellt werden können. Mit dem Modell lässt sich eine Plazenta-Barriere mit Durchlässigkeit für große Proteine ähnlich dem natürlichen Gewebe bilden. Zwei getrennte Kammern simulieren die Flüssigkeitsströmungen in dem fetalen und mütterlichen „Organismus“. Die Zellen sind in der Lage, bestimmte Strukturproteine (E-Cadherin) und Proteintransporter auszubilden (23). Auch Forscher von den Swiss Federal Laboratories für Materials Science and Technology (EMPA) unter der Leitung von Dr. Tina Buerki-Thurnherr haben ein Plazentaorganoid-Modell auf dem Chip entwickelt. Sie untersuchen, ob Nanopartikel die Plazentaschranke überwinden können (24). Chinesische Forscher unter der Leitung von Prof. Jianhua Qin vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der chinesischen Academy of Sciences in Beijing haben dagegen ein Krankheitsmodell entwickelt: Einer in vitro konstruierten Plazentaschranke gaben sie Bakterien hinzu, um Entzündungs-prozesse zu untersuchen, die in der Schwangerschaft zu Fehlentwicklungen beim Fötus oder einer Fehlgeburt führen können (25). Mit einer ähnlichen Forschung befassen sich Prof. Katharina Ribbeck vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston und ihr Team. Sie haben ein Muttermundschleimhaut-Modell auf dem Chip entwickelt (26). Damit wird der Bakterientransport durch die Schleimhaut untersucht. Der Aufstieg von Bakterien in der Gebärmutter während der Schwangerschaft kann zu einer Frühgeburt führen. Zygotenentwicklung (8-Zellstadium). Foto: Bellezza87, Pixabay. Simulation des humanen weiblichen Menstruationszyklus („Repro-on-a-Chip“) Unter der Leitung von Prof. Theresa Woodruff, Leiterin des Women’s Health Research Institute at Northwestern University Feinberg School of Medicine in Evanston, Illinois, gelang es einem Forscherteam, das Hormonprofil des menschlichen 28-tägigen Menstruationszyklus der Frau nachzubilden. Dafür wurden mehrere mikrofluidische Systeme und Ovarialfollikel der Maus verwendet. Gesundes Eierstockgewebe von Probandinnen stand nicht zur Verfügung und kann aus ethischen Gründen auch nicht gewonnen werden. Ein-, zwei- und mehrstufige mikrofluidische Plattformen wie der EVATAR (27) bildeten einen Kreislauf zwischen den kultivierten Geweben des weiblichen Fortpflanzungstrakts (Eierstock-, Eileiter-, Muttermund- und Lebergewebe sowie Gebärmutterschleimhautzellen) und versorgten die Organ-ähnlichen Systeme mit Hilfe von Mikropumpen mit den entsprechend benötigten Hormonen wie Follikel-stimulierendem Hormon (FSH), luteinisierendem Hormon (LH) und humanem Choriongonadotropin (hCG) in einem zeitlich abgestimmten Regime. Es konnten Follikelwachstum, Follikelreifung und ein Einsprung simuliert werden. Das Gewebe bildete während des Follikelreifungsprozesses die Hormone Progesteron und 17b-Östradiol. Mit Ausnahme der Ovarien und der Follikel stammte sämtliches Gewebe aus Humanbiopsien. Es konnte über einen Zeitraum von 28 Tagen kultiviert werden (28). Derzeit arbeitet das Team daran, die verschiedenen Organkulturen auf einer Plattform zu kultivieren und damit einen vollständigen weiblichen Reproduktionstrakt auf einer mikrofluidischen Plattform zu etablieren. Die Eierstockfollikelhormone werden dann über die Zellkulturmedien in den Eileiter, die Gebärmutter und die innere und äußere Schicht des Muttermunds (Endozervix und die Ektozervix) fließen. Das System wird derzeit validiert, u.a. wird die Verwendung alternativer Zellquellen wie z.B. induzierte pluripotente Stammzellen angestrebt (29). Es ist beeindruckend und wegweisend, dass es dem amerikanischen Wissenschaftlerteam gelungen ist, die Hormonregulation auf dem Chip zu simulieren. Damit können nicht nur hormonelle Effekte auf die Reproduktion, sondern auch auf andere organähnliche Systeme auf dem Chip wie z.B. das Herz untersucht werden (30). Derzeit entwickelt das Team den DudeKUBE, ein in-vitro-Modell, das die männlichen Keimdrüsen auf dem Chip nachbildet (31). Ziel ist es, entsprechend dem weiblichen Pendant EVATAR den männlichen Reproduktionstrakt (DudeKUBE) auf dem Chip nachzubilden (32). Tierversuchsfreie Verfahren in der Entwicklungsneurotoxizität (DNT) Während der Schwangerschaft kann es zu einer Störung der Nervenzellentwicklung des Fötus kommen, was zu veränderten Nervenzellverbindungen führen kann. Umweltgifte können Teilung, Differenzierung oder Migration von Nervenzellen hemmen (33). Diese Störungen zeigen sich später häufig in Lernschwächen, Entwicklungsverzögerungen, Störungen aus dem Autismus-Spektrum sowie Aufmerksamkeitsdefizit- und Hyperaktivitätsstörungen. Bezüglich der Ursachen werden sowohl Umweltchemikalien als auch Arzneimittel diskutiert. Nach Schätzungen sollen allein ca. 4% der verschreibungspflichtigen Medikamente wegen beobachteter unerwünschter neurologischer Wirkungen vom Markt genommen worden sein (34). Diese Störungen werden mit Entwicklungsneurotoxizitätstests (DNT-Tests) an der Ratte untersucht. Diese Tests wurden bislang standardmäßig von den Regulationsbehörden nicht gefordert. Gemäß der europäischem Chemikalienrichtlinie REACH werden sie jedoch zusätzlich durchgeführt, wenn es in der erweiterten Ein-Generationen-Studie an der Ratte zuvor Hinweise auf DNT gegeben hat. Das ist der Fall, wenn Störungen bei der Cholinesterase (Leberschäden) oder Veränderungen bei den Schilddrüsenhormonen oder im Östrogenhaushalt gefunden wurden. Wissenschaftler wie Prof. Marcel Leist, der selbst an DNT forscht, kritisieren jedoch, dass die meisten DNT-Endpunkte am Tier gar nicht gemessen werden können, so z.B. Sprachstörungen, eine Beeinträchtigung der Aufmerksamkeitsdauer oder der IQ (35). In Studien wurden bedeutende Artunterschiede bei der DNT zwischen Nagetier und Mensch mit in-vitro-Testsystemen gefunden (36). Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Ellen Fritsche vom Institut für umweltmedizinische Forschung In Düsseldorf untersuchte mit Hilfe sogenannter Neurosphären aus induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) des Menschen, der Maus und der Ratte den Einfluss von Umweltchemikalien auf die Frühentwicklung des Gehirns. Getestet wurden Zellproliferation, Zelldifferenzierung, Zellmigration und Apoptose - alles Vorgänge, die sich im entwickelnden Gehirn abspielen (37). Ein möglicherweise geeigneter Test ist der NeuriTox-Test aus der Arbeitsgruppe von Prof. Marcel Leist, Leiter des Doerenkamp-Zbinden-Lehrstuhls an der Universität Konstanz. Er basiert auf einer Zelllinie von humanen immortalisierten neuronalen Zellen des Mittelhirns, den sogenannten LUHMES-Zellen. Um die Eignung für Tests zu beurteilen, wurde bereits eine Vielzahl an Substanzen gescreent (38). In einem Subtyp dieser Zelllinie hat Dr. Stefan Schildknecht von der Universität Konstanz ein Fluoreszenzgen in die Mitochondrien der Zellen eingebracht, um die Bewegung von Mitochondrien zur Einschätzung einer Degeneration von Nervenzellen durch Testsubstanzen verfolgen zu können (39). Der Test ist soweit weiterentwickelt worden, dass er im Hochdurchsatzverfahren eingesetzt werden kann (40). Regulationsbehörden wie z.B. die EFSA arbeiten mit Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen zusammen an einer kosteneffizienten Teststrategie auf Basis einer zuverlässigen in-vitro-Testbatterie, um DNT-Gefahren ermitteln und Maßnahmen zur Verringerung der Exposition gegenüber diesen Chemikalien einleiten zu können (37). Dabei wollen sie die sogenannte Adverse Outcome Pathway-(AOP) Konzeption nutzen. AOPs beschreiben Vorgänge, die von einem auslösenden molekularen Ereignis an der Zelloberfläche ausgehen, und über einen chemischen Stressfaktor und eine Kaskade biologischer Reaktionen durch verschiedene biologische Ebenen aufwärts (Organell, Zelle, Gewebe, Organ, Gesamtorganismus) im Laufe der Zeit zu einem schädigenden Effekt führt. Ist einer dieser AOPs nachweislich betroffen, ließe das Rückschlüsse auf die DNT-Eigenschaften der Substanz zu. Tierversuche und tierversuchsfreie Verfahren in der Chemikaliengesetzgebung Chemikalien ab einer Produktionsmenge von 10 Tonnen und mehr pro Jahr (REACH-Verordnung Anhang VIII und IX), Pestizide, Lebensmittelzusatzstoffe, Medikamente und andere Substanzen müssen auf ihr Potenzial zur Verursachung von Reproduktions- oder Entwicklungsschäden getestet werden. Reproduktionstoxizitätstests bewerten die Tendenz eines Stoffes, Schäden am Fortpflanzungssystem zu verursachen. Eine Substanz ist dann reproduktionstoxisch (=fortpflanzungsgefährdend), wenn sie eine Beeinträchtigung der männlichen oder weiblichen Fruchtbarkeit zur Folge hat, frucht- oder entwicklungsschädigend wirkt oder nicht vererbbare Schäden bei den Nachkommen auslöst (41). Entwicklungstoxizitätstests untersuchen dagegen das Ausmaß, in dem eine Exposition für einen sich entwickelnden Embryo oder Fötus im Mutterleib schädlich sein kann. Allgemein können schädigende Effekte in jedem Stadium der Entwicklung auftreten, was zum Tode, zu Deformation, veränderndem Wachstum oder zu funktionellen Defiziten führen kann. Reproduktions- und Entwicklungstoxizitätstests sind in der Regel mit der Verwendung einer großen Anzahl von Tieren verbunden. Aufgrund der europäischen Einigung zur Reduktion von Tierversuchen haben Wissenschaftler und Regulationsbehörden versucht, durch neue Richtlinien den Verbrauch von Versuchstieren zu senken, z.B. anstelle der zwei-Generationen-Reproduktionsstudie eine erweiterte Ein-Generationen-Studie zuzulassen. Bei der Anerkennung von Ersatzverfahren zum Tierversuch sieht es bescheiden aus: Lediglich der in-vitro-Östrogen- und -Androgenrezeptor-Tests befinden sich in der Bibliothek der Testrichtlinien (TG 455, 458 und 493). Pränatale Entwicklungstoxizitäts-Studie (TG 414) Bei der pränatalen Entwicklungstoxizitätsstudie sollen allgemeine Informationen über die Effekte der pränatalen Exposition über schwangere Versuchstiere und den sich entwickelnden kindlichen Organismus (Tod, Struktur-Anomalitäten oder Wachstumsveränderungen des Fötus) erzielt werden. Funktionelle Mängel als wichtiger Teil der Entwicklung werden mit dieser Richtlinie nicht behandelt. Testspezies sind die Ratte und – als Nicht-Nagetier – das Kaninchen. Hier werden pro Substanz und Testspezies wenigstens 260 Tiere verbraucht (42). Erweiterte Ein-Generationen-Studie (TG 443) Für die erweiterte Ein-Generationen-Studie erfolgen Untersuchungen zu Lebensfähigkeit, Gesundheitszustand der Neugeborenen, Entwicklungsstadium bei Geburt, physische und funktionale Entwicklung bis zum Erwachsenenstadium, Funktion der Gonaden, Östruszyklus, Spermienreifung in den Nebenhoden, Verhalten bei Reife, Empfängnis, Schwangerschaft, Geburtsvorgang und Milchbildung, nachdem den Tieren die Testsubstanz über das Trinkwasser, eine Schlundsonde, inhalativ oder dermal verabreicht worden war, je nach Substanzeigenschaft (43). Er werden pro Substanz und Testspezies wenigstens 680 bis 1.000 Tiere verbraucht. (Zum Vergleich: in der Zwei-Generationen-Studie sind es rund 3.200 (44). Die Fortpflanzung: ein kompliziertes Zusammenspiel zwischen Organen und Hormonen Das Fortpflanzungssystem besteht aus mehreren Organen, die aus verschiedenen Gewebe- und Zelltypen zusammengesetzt sind. Diese produzieren verschiedene Faktoren und Hormone. Hormone kontrollieren nicht nur die Organe und Gewebe des Fortpflanzungstraktes, die Produktion von Keimzellen und bestimmen die Fruchtbarkeit, sondern sie kommunizieren auch mit Organen und Geweben verschiedener Systeme im ganzen Körper. Dabei gibt es geschlechtsspezifische Unterschiede hinsichtlich Krankheitsentstehung und Reaktion auf Arzneimittel (30). Übersicht über die Drüsen, die Hormone über das Blutsystem abgeben (endokrines System): 1= Zirbeldrüse, 2= Hypophyse, 3= Schilddrüse und Nebenschilddrüsen, 4= Thymus, 5= Nebenniere, 6= Pankreas, 7= Theka- und Granulosazellen in Ovarfollikeln bzw. Geldkörper im Eierstock, 8= Leydig-Zwischenzellen im Hoden. Grafik: Wikipedia commons, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=266176 Die Fruchtbarkeit ist die Fähigkeit, ein Kind zu zeugen oder zu empfangen. Es werden dafür u.a. befruchtungsfähige, aktiv bewegliche Spermien, ein günstiges Empfangsmilieu und eine zyklische Hormonproduktion gebraucht. Störungen können anatomischer oder hormoneller Art oder durch das Immunsystem bedingt sein. Ein Verlust von Steroidsignalen in produzierenden Geweben führt beispielsweise zu schlechter Samenqualität und beeinträchtigt die Fruchtbarkeit. Ein gestörtes Zusammenspiel der Hormone im Monatszyklus der Frau kann die Fruchtbarkeit ebenfalls beeinträchtigen. Eine Schilddrüsenüber- oder Unterfunktion reicht beispielsweise aus, um den Eisprung zu verhindern, ein Übermaß an Androgenen kann die Eizellreifung verhindern (45, 46). Die Gliedmaßen des Embryos sind zwischen dem 29. und 46. Tag für Störungen und folgende Fehlentwicklungen besonders anfällig. In der gesamten Entwicklungszeit des Embryos bzw. Fötus kann eine Vielzahl an Störungen auftreten, die z.B. zu verkleinerten Organen, fehlenden oder deformierten Gliedmaßen und anderen Fehlbildungen führen können. Angeborene Fehlbildung der Füße. Auswirkungen des Arzneimittels Thalidomid, das die Mutter während der Schwangerschaft eingenommen hatte. Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ANCP14053.jpg Diese Fehlbildungen können sowohl durch Krankheitserreger (Zika-Virus) (47) als auch durch Medikamente (Bsp. Thalidomid) oder Chemikalien verursacht werden (48). Substanzen, die Fehlbildungen auslösen können, nennt man teratogene. Im Nachhinein können auch Krebs oder auch endokrine Störungen bis hin zu Verhaltensauffälligkeiten auftreten. Es wird allgemein angenommen, dass z.B. Umweltchemikalien auch für Verhaltensauffällig-keiten wie das Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom (ADHS) verantwortlich sein könnten (49). Eine zentrale Rolle spielt die Plazenta, über die die Nährstoffe und Antikörper von der Mutter übertragen werden. Es gibt zwar eine Schranke zwischen mütterlichem und kindlichem Blutkreislauf (Plazenta-Schranke), dennoch können einige Substanzen, wie Viren, Alkohol, Medikamente und Hormone hindurch gelangen (50). Bislang werden die schädigenden Einflüsse auf Reproduktionsorgane, -verhalten und die Entwicklung der Nachkommen an Tieren untersucht. Arzneimittelentwicklung Auskunft über durchzuführende Tierversuche geben zwei Richtlinien, die ICH Richtlinien S5(R2) und S5(R3). Die S5(R3) untersucht in mehreren Schritten die weibliche und männliche Fortpflanzungsfunktion über drei Generationen. Studien sollen gemäß Vorschrift an Säugetierarten (vor allem Ratte) durchgeführt werden. Nur In Embryotoxizitätsuntersuchungen ist eine zweite Säugetierart vorgesehen (Kaninchen). Der Grund ist ein anderer Stoffwechsel von Nagern: So konnte beispielsweise die Organschädlichkeit von Contergan bei sich entwickelnden Nachkommen in der Nager-Spezies Ratte nicht entdeckt werden. Aber auch bei den Kaninchen gibt es Einschränkungen: Von ihnen fehlen oft kinetische und toxische Daten, sie sind anfällig für einige Antibiotika und für Störungen des Verdauungstraktes. Außerdem können klinische Anzeichen schwer zu interpretieren sein. (51). Für die Impfstoffentwicklung werden zudem Kaninchen eingesetzt. Bei der Produktion vieler monoklonaler Antikörper sind nicht-humane Primaten (NHPs) die einzig pharmakologisch relevante Spezies (vgl. ICH S6(R1) (52). NHPs finden nur dann Verwendung, wenn keine andere relevante Tierart verfügbar ist. Wissenschaftler versuchen jedoch, NHPs durch gentechnisch veränderte Mäuse zu ersetzen (52). Regulationsmühlen mahlen langsam Im Oktober 2017 gab es einen Workshop der European Medical Agency zu "non-animal approaches" mit dem Ziel einer Revision der ICH Richtlinie S5(R3). Die European Medicines Agency (EMA) als Regulationsbehörde scheint demnach verhalten aufgeschlossen gegenüber "alternativen Assays" zu sein (53), die Bestandteil einer integrierten Teststrategie werden sollen. Unter "alternativen Assays" werden hier allerdings nicht nur in-vitro-, sondern auch ex-vivo- und nicht-Säugetier-in-vivo-Assays verstanden, wie Zellsysteme, Gewebe, Organe oder Organismen (z.B. Whole Embryo Culture mit Ratten- Kaninchen- und Zebrafisch-Embryonen). Einige dieser Assays werden zurzeit unter definierten Szenarien für einen Einsatz zu regulatorischen Zwecken untersucht. Die Assays werden als wichtiger Beitrag zur Bewertung bei uneindeutigen Tierversuchsergebnissen gesehen. Durch die Revision der ICH S5(R3) ist nicht zu erwarten, dass mit den neuen Methoden der Tierversuch per se beendet wird, sondern unter bestimmten Umständen soll zu einem vollständigen Ersatz einer (der beiden) Tierspezies kommen können. 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In dieser Ausgabe präsentieren wir das Start-up Hesperos aus Orlando in Florida, USA. Hesperos entwickelt pumpenlose mikrophysiologische Multi-Organ-Systeme (Human-on-a-Chip-Systeme), die nicht nur in der Toxizitätsprüfung und Medikamentenentwicklung, sondern auch zur Erforschung seltener Krankheiten eingesetzt werden können. Arbeitsgruppe von Hesperos in Orlando, Florida. Hintere Reihe in der Mitte: Chief Scientist Prof. Dr. James Hickman. Foto: Hesperos Inc. In Deutschland leiden rund vier Millionen Patienten an einer seltenen Krankheit. Nur die wenigsten von ihnen profitieren von einer medikamentösen Therapie. Ein Grund dafür ist, dass die Wirkmechanismen bei seltenen Krankheiten oft unbekannt sind. Solche Krankheiten werden traditionell an Mäusen, seltener an Zebrafischen oder Ratten erforscht. Doch die Tiere entwickeln solche Krankheiten gar nicht, sondern in einem Tier kann nur ein ähnliches Krankheitsphänomen gentechnisch erzeugt werden. Dementsprechend werden selten neue Behandlungsmethoden gefunden. Organ- und Human-on-a-Chip-Entwicklungen wie die des Start-ups Hesperos Inc. machen vor allem deshalb Sinn, weil die Entwicklung von Tiermodellen teuer ist und die Kosten für die Entwicklung eines Medikaments aufgrund der geringen Patientenzahl sehr hoch sind. Seltene Erkrankungen Es wird geschätzt, dass europaweit etwa 30 Millionen Patienten an einer seltenen Krankheit leiden. Eine Krankheit gilt als selten, wenn sie nicht mehr als fünf Menschen pro 10.000 Einwohner betrifft; in den USA darf die Gesamtzahl 200.000 nicht überschreiten. 6.000 bis 8.000 seltene Krankheiten sind bekannt, wobei sich die Wissenschaftler über die Zahl nicht einig sind (1). Die schlechte Nachricht: Nur für gut 100 der 8.000 Erkrankungen gibt es eine medikamentöse Therapie (2). Die schlechte Nachricht ist, dass es nur für 100 der 8.000 Krankheiten eine medikamentöse Therapie gibt (2). Einer der Gründe dafür ist, dass die Krankheitsmechanismen oft unbekannt sind. Seltene Krankheiten sind extrem vielfältig und komplex. Es kann sich um bestimmte Formen von Krebs, Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems, der Nerven, des Stoffwechsels oder um Autoimmunerkrankungen handeln (3). Da sie überwiegend genetischen Ursprungs sind, können sie bereits im Kindesalter auftreten, führen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen und verkürzen häufig die Lebenserwartung (2). Beispiel: Die Neuronale Ceroid-Lipofuszinose (NCL) bündelt eine Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen mit ähnlichen klinischen Symptomen wie Demenz, Sehverlust sowie Epilepsie im Kindes- und Jugendalter. Typische Anzeichen der Erkrankung treten zwischen dem zweiten und vierten Lebensjahr auf (4). Dabei lagert sich in den Zellen des ZNS eine fettige, bräunliche Substanz (Ceroidlipofuszin) ab, die zum Absterben neuronaler Zellen führt (5, 6). Solche Zellen des Zentralnervensystems können zu einem patientenspezifischen Modell entwickelt werden, das alle Merkmale der Krankheit trägt, um Medikamentenwirkungen zu erforschen. Patienten mit der seltenen Erkrankung Neuronale Ceroid-Lipofuszinose (NCL) sind oft schon im späten Kindesalter auf einen Rollstuhl angewiesen. Fotoquelle: iStockphoto. Weil die Erkrankungen der Patienten so selten sind, sind Pharmaunternehmen unter normalen Marktbedingungen nicht bereit, in diese Forschung zu investieren. Daher sind Anreize nötig, um erfolgreich Medikamente zu entwickeln (7). Ermutigt werden die Medikamentenentwickler durch die europäische Verordnung zu Orphan Drugs, die seit dem Jahr 2000 in Kraft ist. In den USA gibt es seit 1983 den Orphan Drug Act (ODA), der ebenfalls Anreize für die Erforschung vernachlässigter Krankheiten bietet, die sonst die Entwicklungskosten nicht decken würden (8). Deutschland hat im August 2013 einen Nationalen Aktionsplan für seltene Krankheiten verabschiedet (1). In der Europäischen Union (EU) sind derzeit 121 Medikamente für die Behandlung seltener Krankheiten verfügbar (9). Umstrittene Tiermodelle zur Erforschung seltener Erkrankungen Die Grundlagen seltener Erkrankungen sowie mögliche Arzneimittel werden traditionell mit Mäusen untersucht, seltener mit Zebrafischen oder Ratten. Ist eine Substanz gefunden, so folgen gesetzlich vorgeschriebene Tierversuche unter anderem auch mit nicht-humanen Primaten (z.B. Javaneraffen). Die Grundlagen seltener Krankheiten sowie mögliche Medikamente werden traditionell mit Mäusen, seltener mit Zebrafischen oder Ratten untersucht. Ist eine Substanz gefunden, folgen gesetzlich vorgeschriebene Tierversuche, auch mit nichtmenschlichen Primaten (z. B. Javaneraffen). Hauptsächlich werden gentechnisch Mäuse für die Erforschung seltener Erkrankungen eingesetzt. Nicht-humane Primaten (Javaneraffen) werden in gesetzlich vorgeschriebenen Tierversuchen der präklinischen Entwicklung von Arzneimitteln eingesetzt. Quelle: www.Animaltestinfo.de (10) Allerdings können Tiermodelle die im menschlichen Körper beobachteten Reaktionen auf Medikamente aufgrund von Speziesunterschieden oft nicht nachbilden. Tiere entwickeln diese Krankheiten gar nicht; es kann nur ein ähnliches Krankheitsphänomen im Tier gentechnisch erzeugt werden - mit entsprechenden Ungenauigkeiten. Tierversuche sind zudem oft mit schwerem Stress für die Tiere verbunden. Die Sandhoff-Krankheit zum Beispiel beruht auf einer Mutation am HEXB-Gen, die dazu führt, dass zwei Untereinheiten eines wichtigen Enzyms (Hexosaminidase) fehlen oder mangelhaft sind. In der Folge reichern sich wasserunlösliche Fette vor allem in den Nervenzellen an. Die Folge ist eine Stagnation in der Entwicklung des Kindes, wobei erlernte Fähigkeiten später wieder verloren gehen. Es kann auch zur Erblindung kommen. Betroffene Kinder sterben meist im Alter von 4 Jahren (11, 12). Zur Erforschung der hirnendothelspezifischen Gentherapie wird ein gentechnisch verändertes Mausmodell der Sandhoff-Krankheit verwendet. Allerdings ist es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht unumstritten: Die gentechnisch veränderte (hexb-/-) Sandhoff-Maus zeigt z. B. schwere motorische Funktionsstörungen und eine kurze Lebenserwartung, was im Gegensatz zum Menschen durch einen alternativen Abbauweg von GM2-Gangliosid im Mausmodell erklärt werden kann. Außerdem wird hier im Gegensatz zum Menschen eine Hyperaktivität des Immunsystems mitverantwortlich gemacht (13, 14, 15, 16). Eine Chance für tierversuchsfreie Verfahren Für Entwickler von Organ-on-a-Chip- oder Human-on-a-Chip-Modellen ist die Simulation seltener Krankheiten eine Chance. Denn sie hat das Potenzial, patientenindividuelle Behandlungsmöglichkeiten zu entdecken, was Kosten und Zeit reduzieren sowie die Zulassungsrate von Medikamenten erhöhen kann (17). In einzelnen Fällen ist dies bereits gelungen: Die seltene Kardiomyopathie Leigh-Syndrom konnte bereits erfolgreich behandelt werden, nachdem an einem personalisierten In-vitro-Krankheitsmodell ein geeignetes Medikament gefunden wurde (18, 19, 20). Wissenschaftler von Hesperos untersuchten kürzlich die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) unter Verwendung von aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) abgeleiteten Motoneuronen, um eine ganzheitliche Behandlung in einem neuromuskulären Kreuzungsmodell zu evaluieren (21). Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die durch einen selektiven Verlust motorischer Neuronen im Rückenmark und in den Hirnnervenkernen des Hirnstamms und des motorischen Kortex des Gehirns gekennzeichnet ist (24). Es kommt zu Muskelatrophie, Muskelschwäche, Spastiken und Lähmungen, die zum Tod durch fortschreitende Atrophie der Atemmuskulatur führen. Die Ursache der Krankheit ist, mit Ausnahme seltener erblicher Formen, noch unbekannt. In einer weiteren Studie verwendeten die Hesperos-Wissenschaftler ein In-vitro-Modell mit menschlichen Skelettmuskeln auf einem Muskelfunktions-Chip. Die Skelettmuskeln wurden aus induzierten pluripotenten Stammzellen von ALS-Patienten entwickelt. Die Wissenschaftler verglichen die Eigenschaften der Skelettmuskeln der Patienten mit denen von gesunden Probanden. Die Skelettmuskeln der ALS-Patienten hatten Mutationen in einem Gen, das für ein wichtiges Enzym (Superoxid-Dismutase 1) kodiert. In ihrem Modell konnten sie zeigen, dass dies zu einer verminderten Fusionsfähigkeit des Muskels, einer Verkürzung der Myotubuslänge und der verminderten Bildung wichtiger Acetylcholinrezeptoren führt. ALS-Muskeln zeigten beispielsweise auch eine verminderte kontraktile Kraft und einen gestörten Muskelfaserstoffwechsel (21). Hesperos Inc. hat die Erforschung seltener Krankheiten zu einem seiner Hauptschwerpunkte gemacht. Das in Orlando ansässige Start-up-Unternehmen entwickelt pumpenfreie mikrophysiologische Multi-Organ-Systeme (Human-on-a-Chip-Systeme), die für die Erforschung seltener Krankheiten geeignet sind, da sie für einzelne Krankheiten maßgeschneidert werden können. Gegründet wurde das Unternehmen von den Professoren Dr. Michael Shuler und Dr. James J. Hickman, die über langjährige Erfahrung in der Body-on-a-Chip-Forschung verfügen, wobei Dr. Shuler als Erfinder dieses Bereichs gilt. Hesperos hat bereits mikrofluidische Systeme mit menschlichen Herz-, Muskel-, Glia-, Endothel-, Hepatozyten-, Knochenmark-, Krebs-, Immun- und Epithelzellen gebaut und Validierungsstudien mit der Industrie durchgeführt (22). Das Design ihrer mikrofluidischen Chipsysteme ist pumpenlos, um den Bedarf an Pumpen und Schläuchen zu eliminieren, was die Plattformen vereinfacht, die Blasenbildung eliminiert und es zu einem System mit geringem Volumen macht, das die Analyse sowohl der Mutterzelle als auch ihrer Metaboliten ermöglicht, wenn ein Lebermodell einbezogen wird. Beispiel für ein entwickeltes Multiorgan-System. A) 5-Kammer-Multiorgan-System in der Übersicht. B) Kammer 1 enthält Leberzellen, Kammer 2 und 4 sind Herzzellen auf Cantilevern bzw. auf Multielektrodenarrays (MEAs), Kammern 3 und 5 wurden in diesem Fall für zwei unterschiedliche Krebszelllinien verwendet. Testsubstanzen werden dem Medium in Port A hinzugegeben und durchlaufen als erstes die Leber, um den first-Pass-Metabolismus zu simulieren. Quelle: McAleer et al. (2019). Science Translational Medicine 11/497, DOI: 10.1126/scitranslmed.aav1386. (Mit freundlicher Genehmigung von AAAS.)** Ein Beispiel für die Fülle der Entwicklungen des Start-ups Hesperos ist der sogenannte Cantilever-Chip: Er besteht aus 32 mikroskopisch kleinen Silizium-Auslegern, auf deren Oberfläche Herz- oder Muskelzellen kultiviert werden können. Mit einem Laser- und Photodetektorsystem wird die Zellkontraktion an den Cantilevern aufgezeichnet, die bei der kleinsten Zellbewegung in Beugung versetzt werden. Wenn eine Testsubstanz auf eine Muskelzelle einwirkt, wird die Kontraktionsabweichung in Größe, Zeit und Dauer genau erfasst. In einem kombinierten Modell werden Multielektroden-Arrays zur Messung der elektrischen Aktivität von Zellen, vor allem von Herz- und Nervenzellen, und das Cantilever-Modell zur Messung von Stresskontraktionen von Herzmuskelzellen sowie von Skelettmuskeln mit dem Photodiodenlaser- und Detektorsystem verwendet (23). "... eine einfache, effektive und auch relativ kostengünstige Möglichkeit, seltene Krankheiten zu erforschen..." Die Erforschung seltener Krankheiten ist für Pharmaunternehmen unattraktiv. Wegen des hohen Aufwands und der geringen Zahl der betroffenen Patienten stehen Kosten und Nutzen für die Unternehmen einfach nicht im Verhältnis. Hinzu kommt, dass für die Forschung nur wenig Geld zur Verfügung steht - und wenig oder keine so genannten Tiermodelle, an denen man sie untersuchen kann. Deshalb ist das Forschungsgebiet der seltenen Krankheiten ein ideales Beispiel, um die Vorteile aufzuzeigen, die komplexe tierfreie Methoden wie die Human-on-a-Chip-Technologie bieten. Wir sprachen mit Chief Scientist Prof. Dr. James J. Hickman über das Potenzial dieser tierfreien Techniken für die Erforschung seltener Krankheiten und darüber hinaus. InVitro+Jobs: Zur Erforschung von Krankheiten und Therapien werden immer noch hauptsächlich Tiermodelle eingesetzt. Wie ist die Situation bei seltenen Krankheiten? Prof. Hickman: Es gibt über 7.700 bekannte seltene Krankheiten, denen nur etwa 400 aktive Forschungsprogramme gegenüberstehen. Das liegt daran, dass aufgrund der geringen Patientenzahl in den meisten Fällen nur minimale Mittel für die Erforschung seltener Krankheiten zur Verfügung stehen. Daher gibt es nur wenige Tiermodelle für seltene Krankheiten, und in vielen Fällen sind sie, weil es sich um humanisierte Modelle handelt, unerschwinglich teuer. Darüber hinaus gibt es für die meisten seltenen Krankheiten aus technischen Gründen überhaupt keine Tiermodelle. InVitro+Jobs: Können Sie in einfachen Worten erklären, wie die Human-on-a-Chip-Technologie auf diesem Gebiet funktioniert? Prof. Hickman: Es ist ein einfacher Prozess, Stammzellen von Patienten mit einer seltenen Krankheit zu erzeugen, die Zellen in die am stärksten betroffenen Zellen zu differenzieren oder Serumproben von Patienten zu verwenden, um phänotypische Modelle zu entwickeln, die sich vom gesunden Probanden (Wildtyp) in einigen Schlüsselfunktionen unterscheiden. Alle Moleküle*, die die Leistung verbessern und sie näher an den Wildtyp heranbringen können, hätten das Potenzial, die Krankheit zu behandeln. InVitro+Jobs: Also ist die Wissenschaft in diesem Bereich praktisch gezwungen, diese Krankheiten mit tierfreien Methoden zu untersuchen? Prof. Hickman: Die Human-on-a-Chip-Technologie ist eine einfache, effektive und relativ kostengünstige Möglichkeit, seltene Krankheiten zu erforschen. Das führt automatisch zu einer Reduzierung der Tierversuche in diesem Bereich durch die Chip-Technologie. InVitro+Jobs: Könnte man im Umkehrschluss sagen, dass die Existenz von tierischen Krankheitsmodellen die Forschung und die effektive Entwicklung bestimmter Therapien sogar behindert? Denn wenn ein Tiermodell existiert, wird die Chiptechnologie gar nicht genutzt und kann sich als Methode nicht bewähren. Prof. Hickman: Nein, selbst wenn ein Tiermodell existiert, kann die HoaC-Technologie helfen, diese Experimente zu reduzieren und zu verfeinern und sich während solcher Experimente möglicherweise als besseres Modell als die Versuchstiere erweisen. Wenn also ein Tiermodell existiert, schließt das die Anwendung einer HoaC-Technologie auf die seltene Krankheit nicht aus. InVitro+Jobs: Welche seltenen Krankheiten können bereits mit der Human-on-a-Chip (HoaC) Technologie erforscht werden? Prof. Hickman: Bei Hesperos haben wir eine Reihe von vielversprechenden Medikamentenkandidaten für verschiedene seltene Krankheiten, die mit der HoaC-Technologie erforscht wurden, und wir glauben, dass die Mehrzahl der seltenen Krankheiten mit der HoaC-Technologie angegangen werden kann. Wir haben bereits einen Antrag auf Zulassung eines neuen Medikaments für eine seltene Krankheit mit dieser Methode eingereicht und zahlreiche weitere in der Entwicklung. InVitro+Jobs: Welche weiteren Vorteile bieten die HoaC-Methoden für die Erforschung seltener Krankheiten? Prof. Hickman: Die meisten Tiermodelle für seltene Krankheiten existieren derzeit nicht oder sind aus technischen oder finanziellen Gründen nicht machbar. Außerdem ist es wahrscheinlich ein besseres Modell für die Erforschung der Wirksamkeit von Medikamenten im Vergleich zu anderen Techniken, weil wir phänotypische Modelle mit echten Patientenproben erstellen können. Das Aufkommen der Stammzelltechnologie macht es einfach, Patientenzellen in Stammzellen umzuwandeln, die dann zu den betroffenen Zellen differenziert werden können. Bei anderen seltenen Krankheiten wird nur Plasma aus Blutproben ausreichen, zum Beispiel bei einigen Immunkrankheiten, bei denen sich die Antikörper, die die Krankheit verursachen, im Blut befinden. InVitro+Jobs: Welche seltenen Krankheiten können bei Hesperos bereits mit HoaC untersucht werden? Prof. Hickman: Hesperos konzentriert sich derzeit hauptsächlich auf neurologische seltene Krankheiten, sowohl auf Erkrankungen des zentralen Nervensystems als auch des peripheren Nervensystems. Wir erforschen auch lysosomale Speicherkrankheiten sowie Leber- und Herzphänomene. InVitro+Jobs: Könnte man sagen, dass mehr Mittel für die Chiptechnologie auch zu mehr Therapien für betroffene Patienten führen würden? Prof. Hickman: Ja, ich glaube, das ist der Fall, vor allem, wenn die Förderung auf seltene Krankheiten ausgerichtet ist. InVitro+Jobs: Wie werden Entwickler bei der Erforschung seltener Krankheiten unterstützt, z.B. durch den Orphan Drug Act (ODA)? Prof. Hickman: Hesperos konnte sich zur Zeit nicht direkt bei diesem Programm bewerben. Es arbeitet aber mit Firmen zusammen, die diesen Weg genutzt haben, um Kapital zu beschaffen oder Mittel zu erhalten, die ihnen sonst für die Forschung an seltenen Krankheiten nicht zur Verfügung gestanden hätten. InVitro+Jobs: Was sind die Schwierigkeiten bei der Entwicklung einer Chip-Technologie für seltene Krankheiten? Prof. Hickman: Die Hauptbeschränkung bei der Erforschung seltener Krankheiten ist zur Zeit die Finanzierung und der Zugang zu Patientenproben. Es gibt auch einige seltene Krankheiten, bei denen der Einsatz der HoaC-Technologie nicht optimal ist. Aber da wir vernetzte Multi-Organ-Systeme individuell aufbauen können, haben wir ein breites Spektrum an Krankheitsindikationen, die wir angehen können. InVitro+Jobs: Haben die Ergebnisse der Erforschung einer seltenen Krankheit mit HoaC bereits zur Entwicklung eines Medikaments geführt? Prof. Hickman: Ich kann nicht für andere Firmen oder Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der seltenen Krankheiten sprechen, aber mir sind bisher keine Anstrengungen bekannt, die zu einem zugelassenen Medikament geführt haben. Das liegt aber nicht an der Leistungsfähigkeit der Technologie, sondern daran, dass sie erst seit kurzem kommerzialisiert wird. Die Erforschung seltener Krankheiten mit Hilfe von Chiptechnologien wächst rasant. Bei Hesperos haben wir eine Reihe von vielversprechenden Kandidaten für verschiedene seltene Krankheiten, und wir haben ein Molekül, an dem wir mit dem Pharmaunternehmen Bioverativ gearbeitet haben, das in einem unserer Funktionsmodelle hervorragende Ergebnisse erzielte. Das ermöglichte die Einreichung eines Zulassungsantrags für ein neues Medikament bei der FDA, der hauptsächlich auf diesen Ergebnissen basiert. InVitro+Jobs: Haben die Entwicklungen zu Kooperationen mit der Pharmaindustrie geführt? Prof. Hickman: Ja, wir haben Kooperationen mit kleinen, mittleren und großen Pharmaunternehmen sowie mit staatlichen, akademischen und gemeinnützigen Organisationen aufgebaut. InVitro+Jobs: Gibt es an Ihrer Universität UCF bereits Kurse, in denen Studierende die In-vitro-Modellierung von seltenen Krankheiten erlernen können? Prof. Hickman: Leider ist die Technologie noch zu neu, um bei der Verwaltung der UCF ein Interesse zu wecken, das die Einrichtung von Kursen auf diesem Forschungsgebiet ermöglichen würde. InVitro+Jobs: Worin sehen Sie das Potenzial der Chip-Technologie über die Forschung an seltenen Krankheiten hinaus? Prof. Hickman: Wir konzentrieren uns auf seltene Krankheiten, weil wir glauben, dass hier ein ungedeckter Bedarf besteht, aber wir und andere Firmen, die mikrophysiologische Systeme anbieten, arbeiten auch an allgemeineren Krankheiten wie Herzkrankheiten, Alzheimer und Diabetes. InVitro+Jobs: Wir danken Ihnen für das Gespräch. * Molekül: Potenziell pharmazeutisch aktive Substanz, die untersucht wird. ** Die Leser dürfen das Material nur zu vorübergehenden Kopierzwecken ansehen, durchblättern und/oder herunterladen, vorausgesetzt, dass diese Verwendungen für nichtkommerzielle persönliche Zwecke erfolgen. Außer in den gesetzlich vorgesehenen Fällen darf dieses Material ohne vorherige schriftliche Genehmigung des Herausgebers weder ganz noch teilweise weiter vervielfältigt, verteilt, übertragen, verändert, angepasst, aufgeführt, angezeigt, veröffentlicht oder verkauft werden. Literatur: (1) Bundesministerium für Gesundheit (2020). Seltene Erkrankungen. https://www.bundesgesundheitsministerium.de/themen/praevention/gesundheitsgefahren/seltene-erkrankungen.html (2) Gelbe Liste Online (2021). Seltene Erkrankungen. https://www.gelbe-liste.de/seltene-erkrankungen/seltene-erkrankungen-haeufiger-als-gedacht (3) Verband der forschenden Pharma-Unternehmen (2019). Was sind seltene Erkrankungen? https://www.vfa.de/de/arzneimittel-forschung/seltene-erkrankungen/was-sind-seltene-erkrankungen (4) MedLine plus (2020). CLN2 disease. https://medlineplus.gov/genetics/condition/cln2-disease/ (5) Kohlschütter, A, Goebel, H.-H., Schulz, A. & Lukacs, Z. (2005). Die neuronalen Ceroid-Lipofuszinosen: De-menzerkrankungen bei Kindern und Jugendlichen. https://www.aerzteblatt.de/archiv/45242/Die-neuronalen-Ceroid-Lipofuszinosen-Demenzerkrankungen-bei-Kindern-und-Jugendlichen. Dtsch Arztebl 2005; 102(5): A-284 / B-232 / C-219 (6) https://flexikon.doccheck.com/de/Lipofuszin (7) Verordnung (EG) Nr. 141/2000 über Arzneimittel für seltene Leiden. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/HTML/?uri=LEGISSUM:l21167&from=DE (8) Pires de Mello, C. P., Rumsey, J., Slaughter, V. & Hickman, J. J. (2019). A human-on-a-chip approach to tackling rare diseases. Drug Discov Today 24/11 :2139-2151. doi: 10.1016/j.drudis.2019.08.001. 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Grafik: Pixabay. In dieser Ausgabe thematisieren wir Dr. Ignacio Tripodi vom Unternehmen Sciome LLC. mit Sitz in Research Triangle Park, North Carolina. Der Bioinformatiker entwickelt Computerprogramme für eine zeitgemäße Risikobewertung, die zur Reduktion und hoffentlich langfristig zu einem Ersatz von Tierversuchen führen wird. Der Wissenschaftler hat ein Computersystem entwickelt, mit dem die akute Toxizitätsmechanismen ohne Tierversuche aufgeklärt werden können. Das System heißt MechSpy. Es erzeugt die wahrscheinlichsten Toxizitätsmechanismen, indem Daten der Humanbiologie, Toxikologie und Biochemie mit solchen der Genexpressionen aus Zellen menschlichen Gewebes kombiniert werden. Das Modell ist in der Lage, einfache, übersichtliche Toxizitätsmechanismen sowohl für gut untersuchte Verbindungen als auch für andere Chemikalien, für welche der Toxizitätsmechanismus nicht so bekannt war, vorherzusagen. Das Computermodell MechSpy kann um zusätzliche Toxizitätsmechanismen oder um andere Mechanismen der Humanbiologie erweitert werden.(1) Auf dem EUSAAT-Kongress in Linz hat der Wissenschaftler eine weitere aktuelle Arbeit vorgestellt. Dafür nutzt er Informationen von sogenannten Adverse Outcome Pathways und lässt den Computer die Auswirkungen von Chemikalien auf den Organismus analysieren. Beim Konzept der Adverse Outcome Pathways (AOP) führen biologische Vorgänge wie Zellrezeptorbindungen von Molekülen über mehrere Teilschritte zu schädlichen Effekten im Organ, Organismus oder einer Population. Schematische Darstellung eines Adverse Outcome Pathways mit hypothetischen Ereignissen. Nach AOP-Wiki, CC BY-SA 3.0. Ein AOP beschreibt eine Abfolge von Ereignissen, die mit einer anfänglichen Interaktion eines Stressors mit einem Biomolekül in einem Organismus beginnt, das eine Störung in seiner Biologie verursacht (d. h. ein molekulares auslösendes Ereignis, MIE), die durch eine abhängige Reihe von dazwischenliegenden Schlüsselereignissen (KE) fortschreiten und in einem schädlichen Ergebnis (AO) kulminieren kann. Dieser Vorgang wird für die Risikobewertung oder die Entscheidungsfindung bei der Regulierung als relevant angesehen. Dabei muss die biologische Veränderung messbar und die Störung in Bezug auf Stärke, Dauer und Häufigkeit schwer genug sein, um den Weg bis zum schädlichen Ergebnis zu beschreiten. Das AOP-Konzept beschreibt nicht jedes Detail der Biologie, sondern nur die kritischen Schritte oder Kontrollpunkte auf dem Weg zur Störung. Mit dem Konzept lassen sich die sogenannten Molekularen auslösenden Ereignisse (molecular initiating events, MIE) sowie die Schlüsselereignisse (Key events, KE) in Zellen, Geweben oder Organen identifizieren, um die Reaktion von Chemikalien z.B. zu verstehen. Ein molekulares auslösendes Ereignis ist eine spezielle Art von Schlüsselereignis, das den Ausgangspunkt einer Interaktion zwischen einer Chemikalie und einem Stressor auf molekularer Ebene innerhalb des Organismus darstellt, die zu einer Störung führt, die einen AOP in Gang setzt. Das Key Event dagegen ist eine Veränderung des biologischen oder physiologischen Zustands in der Zelle oder im Gewebe, die gemessen werden kann und wesentlich für das Fortschreiten einer definierten biologischen Störung ist, die zu einem bestimmten schädlichen Ergebnis (Adverse outcome) führt. Die Identifizierung der AOPs basiert auf einer internationalen Zusammenarbeit von Wissenschaftler:innen, hiernach werden die gefundenen Pathways von der Extended Advisory Group on Molecular Screening and Toxicogenomics (EAGMST) der OECD einer Revision unterzogen. Die bereits erforschten Daten sind über AOP-Wiki(2) frei zugänglich. Die AOP-Konzeption ist auch eine wichtige Grundlage für die derzeit erarbeitete neue Vorgehensweise für die Risikobewertung und wird als einer der größten wissenschaftlichen Fortschritte der letzten 10 Jahre betrachtet. Sie soll auch zu einer stärkeren Nutzung tierfreier Methoden wie Zellkulturen, Organoide, Organ-on-a-Chip-Modelle oder in silico-Verfahren am Computer führen. In silico Unter in silico versteht man Vorgänge, die im Computer ablaufen. Computerprogramme sollen hier bei der Aufklärung von biochemischen Prozessen lebender Organismen, vor allem des Menschen, helfen. Derartige Methoden sind zunehmend auch geeignet, um Tierversuche zu reduzieren oder gar zu ersetzen. War früher der Computer nur ein Datenspeicher, so können heutzutage neue Einsichten über die Funktionalität der Natur, der Physiologie der Zellen, Organe, lebenden Systeme gewonnen werden, die sich so ohne Weiteres nicht beobachten oder entdecken ließen. Computergestützte Simulationen werden mit dem Ziel durchgeführt, z.B. ablaufende Prozesse in Zellen zu finden, die dann in vitro nachgebildet und möglichst bestätigt werden können. Umgekehrt werden Befunde in Zellen im Computer entweder bestätigt oder widerlegt. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl an verschiedenen Computermodellen. Der klassische Fall aus der Bioinformatik sind Sequenzanalysen, bei denen eine DNA-Sequenz z.B. mit Hilfe von Sequenzdatenbanken zunächst durch Vergleich identifiziert werden kann, z.B. BLAST.(3) So will die Computerchemie z.B. mit Hilfe von Computern die Eigenschaften von Molekülen berechnen. Dafür werden Softwareprogramme entwickelt.(4) Ziel ist es, mit Hilfe von Computermodellen nach einer Behandlungsmethode o.ä. zu suchen. Mit Hilfe dieser Identifizierung und weiterer, wie z.B. durch die sogenannte QSAR-Toolbox(5) lassen sich dann die Eigenschaften ähnlicher Chemikalien finden, ohne auf den Tierversuch zurückgreifen zu müssen. Die QSAR Toolbox ist eine frei zugängliche Software, die die Identifizierung und Schließung von Datenlücken bei der (Öko-)Toxizität zur Gefahrenbewertung von Chemikalien unterstützt. Chemikalien werden dabei in Kategorien eingeordnet. Chemikalien können auf der Grundlage vom Benutzer ausgewählter Interaktionsmechanismen oder molekularer Merkmale identifiziert werden. Der Bioinformatiker Dr. Ignacio Tripodi nutzt derartige Datenbanken und lässt, damit der Computer die richtigen Schlussfolgerungen zieht, den Computer die natürliche Sprache des Menschen mit dem sogenannten Natural Language Processing (NLP) verarbeiten. NLP ist ein Teilbereich der Künstlichen Intelligenz (KI). Der Rechner wird dadurch in die Lage versetzt, alle bereits erforschten und als richtig bestätigten Adverse Outcome Pathways in testbare Hypothesen umwandeln zu können. Ziel ist es, das Informationspotenzial der AOPs zu maximieren. Grafik: Gerd Altmann, Pixabay. Dies ist eine realistische Perspektive, um mit der Vielzahl an Substanzen umgehen zu können, die im Rahmen des europäischen „Green Deal“ nachgeprüft werden sollen. Dies könnte aufgrund der zeitlichen Ressourcen, der Kosten, des Umfanges und aus ethischen Gründen niemals an Tieren geschehen. Europäischer Green Deal Die Europäische Kommission hat am 14. Oktober 2020 ihre Chemikalienstrategie für Nachhaltigkeit verabschiedet. Die Strategie ist Teil des Null-Schadstoff-Ziels der EU – eine zentrale Verpflichtung des European Green Deals. Es zielt darauf ab, die Bürgerinnen und Bürger sowie die Umwelt besser vor schädlichen Chemikalien zu schützen und Innovationen durch die Förderung der Verwendung sichererer und nachhaltigerer Chemikalien voranzutreiben. Die Umstellung auf Chemikalien und Produktionstechnologien, die weniger Energie benötigen, soll zu einer Begrenzung der Emissionen führen. Das bedeutet, dass der Grüne Deal die „richtige“ Chemie benötigt.(6) Eines ihrer ehrgeizigen Ziele der Chemikalienstrategie ist es, die Menge der verfügbaren Informationen über potenziell gefährliche Chemikalien zu erhöhen und gleichzeitig innovative Methoden ohne Tierversuche bestmöglich zu nutzen. Dazu gehören Techniken, die menschliche Zellen, Computermodelle und Organ-on-Chip-Geräte verwenden.(7) Überhaupt werden die nächsten Jahre ganz im Zeichen der sogenannten Computational Toxicology stehen. Davon ist nicht nur Dr. Tripodi überzeugt, sondern dem stimmen viele Forscher:innen weltweit zu. Zunächst sind aber noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern hinsichtlich der Qualität der entwickelten Modelle und der Verfügbarkeit von Informationen in Datenbanken. So stammen die meisten Daten in Datenbanken traditionell aus früheren Tierversuchen. Auf der Basis der molekularen auslösenden Ereignisse entwickeln Forscher:innen Plattformen, die sie mit anderen Wissenschaftler:innen teilen und deren Qualität überprüfen. So gibt es auch verfügbare Datenbanken in den USA wie z.B. das CompTox Chemicals Dashboard. Deren Entwickler:innen sind sich sicher, dass sie aus den Giftigkeitsprüfungen am Tier aussteigen können und statt dessen das CompTox Chemicals Dashboard nutzen können.(8) Man habe genügend Daten zusammen, hieß es in einem im Herbst zum Thema durchgeführten Webinar. CompTox bietet einfachen Zugang zu Informationen über Chemie, Toxizität und Exposition für über 900.000 Chemikalien. Über das Dashboard können die Nutzer auf hochwertige chemische Strukturen, experimentelle und vorhergesagte physikalisch-chemische Eigenschaften von Chemikalien, Umweltverhalten und -transport sowie Toxizitätsdaten zugreifen. Die Daten stammen sowohl aus traditionellen Tierversuchen als auch aus dem Hochdurchsatz-Screening. Letztgenannte Informationen basieren auf Untersuchungen mit lebenden Zellen oder Proteinen, die den Chemikalientests unterzogen worden waren. Das Dashboard kann nach Chemikaliennamen oder anderen Identifikatoren, Verbraucherproduktkategorien oder auch nach den Hochdurchsatz-Screening-Daten suchen. CompTox ist für Informationen über Toxizitäten von Chemikalien gedacht und nicht für Informationen über die Wirksamkeit von Arzneimitteln. Je intensiver mit Expertensystemen, Datenbanken oder KI gearbeitet wird, desto notwendiger ist es, dass junge Wissenschaftler:innen auch in Informatik geschult sind und möglichst auch diese Disziplin beherrschen lernen. Daher sind Entwickler wie der junge Wissenschaftler Ignacio Tripodi dringend notwendig. Ein wesentliches Problem besteht derzeit noch darin, den Laien den Umgang mit derartigen Programmen zu erklären. "... KI kann die Beziehungen heute mit beeindruckenden Präzisions- und Erinnerungswerten ableiten." InVitro+Jobs führte ein Interview mit Dr. Ignacio Tripodi über seine Arbeit und Perspektiven der Computertoxikologie. InVitro+Jobs: Welche Erfahrungen haben Sie dazu gebracht, Bioinformatiker zu werden? Dr. Tripodi: Ich habe mit einer Informatikkarriere begonnen, in der ich das Glück hatte, an immer anspruchsvolleren und komplexeren Problemen zu arbeiten, aber obwohl ich mich in einer sehr angenehmen Position befand, hatte ich am Ende des Tages das Gefühl, dass ich nicht alles, was ich gelernt hatte, zur Lösung großer, globaler Probleme nutzen konnte. Ich war auch neugierig auf Biologie, aber nach einer etablierten Karriere in der Informatik dachte ich, das Schiff sei abgefahren. Nachdem ich mich jedoch zunehmend für örtliche Tierschutzvereine und Tierschutzfragen im Allgemeinen (z. B. Umfang und Art des Einsatzes von Tieren in der Forschung) engagierte, entdeckte ich die Welt der Bioinformatik und der computergestützten Modellierung zur Beantwortung von Fragen in der Biologie und Chemie, und meine Karriere nahm einen Umweg über die Wissenschaft, um einen Beitrag zur Reduzierung und zum Ersatz von Tiermodellen zu leisten. Ich hatte das große Glück, zum interdisziplinären PhD-Programm für quantitative Biologie an der University of Colorado zugelassen zu werden, wo ich neben meiner Informatik-Forschung und den Anforderungen auch Kurse wie z.B. Molekularbiologie, Genetik oder Mikroskopie belegen und ein zehnwöchiges Praktikum im Nasslabor absolvieren musste. All das gab mir die Möglichkeit, mich sowohl in der Welt der Computertechnik als auch in der Welt der Biologie "zweisprachig" zu bewegen, gab mir das Rüstzeug, um etwas über Toxikologie zu lernen, und befähigte mich, die Nuancen der Probleme, die ich zu lösen versuche, weit über die rechnerischen Details hinaus zu verstehen. InVitro+Jobs: An welcher Forschungsfrage arbeiten Sie derzeit? Dr. Tripodi: Es gibt mehrere Fragen, mit denen ich mich derzeit beschäftige, aber ich könnte sagen, dass die allumfassende Frage lautet: Wie weit können wir die automatische Generierung einer mechanistischen Hypothese aus einer Kombination von experimentellen Ergebnissen und unserem vorhandenen kuratierten Wissen vorantreiben? Wie weit kann uns eine Kombination aus modernsten Techniken des maschinellen Lernens und traditioneller semantischer künstlicher Intelligenz bringen, um unsere Beobachtungen zu erklären? InVitro+Jobs: Welche regulatorischen Prozesse werden mit Ihrer Entwicklung unterstützt, welche Endpunkte werden angesprochen? Dr. Tripodi: Für regulatorische Anwendungen befasse ich mich sowohl mit der Entwicklung von neuen Adverse Outcome Pathways (AOPs) als auch mit der Verifizierung/Anwendung dieser AOPs. Wir geben Toxikologieforschern ein Werkzeug an die Hand, mit dem sie auf reproduzierbare Weise ein quantitatives Messverfahren für die Anreicherung eines AOP (und einzelner AOP-Ereignisse) im Gewebe erhalten und auf der Grundlage ihrer experimentellen Daten eine mutmaßliche Erklärung für dieses Ergebnis liefern können. Diese Werkzeuge helfen sowohl bei der Hypothesenbildung als auch bei der Erforschung neuer kleiner Moleküle, um besser zu verstehen, warum eine bestimmte Art der Exposition zu einem nachteiligen Ergebnis in bestimmten Geweben führt. Dieser mechanistische Inferenzrahmen ist nicht auf einen bestimmten Endpunkt beschränkt und lässt sich über AOPs hinaus auch auf andere Pathway-Definitionen übertragen. InVitro+Jobs: Automatisierte Arbeitsabläufe in Kombination mit menschlicher Kontrolle sind doch eher Expertensysteme als KI, oder wie sehen Sie das? Dr. Tripodi: Heutzutage wird der Begriff "KI" in sehr unterschiedlichen Kontexten als Schlagwort verwendet, mit einer sehr großen Bandbreite an Interpretationen. Expertensysteme sind auch eine Art von KI, ebenso wie die Methoden des maschinellen Lernens, die ich anwende, um eine computerfreundliche Darstellung von Konzepten aus riesigen semantischen Wissensgraphen(a) zu extrahieren, oder die Methoden der Computerlinguistik zur Abbildung von AOP-Ereignissen auf diese Konzepte. Man könnte sagen, dass es sich um eine Kombination verschiedener Arten von KI-Techniken handelt, die von traditionellen Wissensrepräsentations-Frameworks bis hin zu Sprachmodellen und Deep Learning reichen. Die menschliche Kontrolle wird immer vorhanden sein, es handelt sich nicht um ein Werkzeug, das den Forscher ersetzen soll, sondern eher um einen "virtuellen Assistenten", mit dem man zusammenarbeiten kann. InVitro+Jobs: Wer kontrolliert die Qualität der Daten in den Datenbanken? Kann die KI dies im Vergleich dazu selbst tun? Dr. Tripodi: Verschiedene öffentliche Ressourcen haben unterschiedliche Annotationskriterien.(b) Viele der offenen biomedizinischen Ontologien(c), die wir verwenden, stützen sich beispielsweise auf die Zustimmung mehrerer menschlicher Kuratoren, um Verbindungen zwischen Proteinen und den in ihrer Ontologie dargestellten Konzepten zu annotieren. Viele verwenden auch rechnerisch abgeleitete Beziehungen, die aus einem breiten Spektrum von Methoden abgeleitet werden (z. B. rechnerische Vorhersagen von Wechselwirkungen zwischen Proteinen, Beziehungen zwischen Genen und Phänotypen, die aus dem Parsing(d) der Literatur unter Verwendung natürlicher Sprachverarbeitung abgeleitet werden, usw.). Es wird zwar nie möglich sein, eine perfekte Genauigkeit und Unvoreingenommenheit der von der KI abgeleiteten Beziehungen zu gewährleisten (dasselbe gilt allerdings auch für die manuellen Annotationen!), aber die KI kann dies heute mit beeindruckenden Präzisions- und Erinnerungswerten leisten. Für die Wissensrepräsentationssysteme, die wir aufbauen, verwende ich nur Annotationen, die von Menschenhand überprüft wurden, und verfeinere sie mit unseren eigenen datengesteuerten Methoden nur auf einem sehr hohen Vertrauensniveau, statistisch gesehen. InVitro+Jobs: Wie kann sichergestellt werden, dass die KI am Ende nur leicht daneben liegt? Dr. Tripodi: Es ist immer hilfreich, mit menschlichen Validierern zu arbeiten, die die Ergebnisse zumindest stichprobenartig überprüfen können, soweit es die Datenmenge zulässt. Die Berechnungsmethoden selbst bieten auch Möglichkeiten, um eine "Überanpassung" des Modells an einen bestimmten Trainingsdatensatz zu verhindern und es so verallgemeinerbar wie möglich zu machen. InVitro+Jobs: Nach meinen Informationen werden inzwischen immer noch Tierdaten verwendet, weil es nicht genügend Humandaten gibt, um die Modelle zu erstellen. Wie gehen Sie mit der Tatsache um, dass die meisten Daten immer noch von Tieren stammen (Stichpunkt: Artenunterschiede)? Dr. Tripodi: Wie der Statistiker George Box, der schrieb, "alle Modelle sind falsch, aber einige sind nützlich". Wir machen einfach das Beste aus den vorhandenen Daten von nichtmenschlichen Tieren, indem wir das, was wir können, aus der Homologie herausholen. Die Annahme, dass unsere Beobachtungen aus Tiermodellen in 'omics'-Daten durch Homologie direkt auf den Menschen übertragbar sind, ist angesichts unserer vielen Unterschiede in der Physiologie ein großer Irrtum. Wir verlieren immer Informationen, wenn wir diese Ergebnisse auf die menschliche Biologie projizieren. Es gibt jedoch auch eine Menge menschlicher Daten, die für eine Vielzahl von Gewebetypen in öffentlichen Quellen verfügbar sind, und meine gesamte Arbeit im Bereich der mechanistischen Inferenz(e) konzentriert sich seit Jahren auf humanspezifische Daten. In der Toxikologie zum Beispiel stammen viele Expositionsdaten traditionell aus In-vivo-Tiermodellen, doch die Zahl der verfügbaren In-vitro-Daten aus menschlichem Gewebe nimmt jedes Jahr zu. Die Qualität von Organoid- und "Tissue-on-a-Chip"-Modellen hat sich in nur wenigen Jahren enorm verbessert, und sie liefern Daten, die zuverlässig, physiologisch relevant und direkt auf den Menschen anwendbar sind. InVitro+Jobs: Was sind die kommenden Herausforderungen in der computergestützten Toxikologie? Dr. Tripodi: Ich denke, der wichtigste nächste Schritt ist vielleicht nicht technischer Natur, sondern eher ein Paradigmenwechsel: Für jede Art von Computermodell ist eine der wichtigsten Komponenten ein "Goldstandard"-Datensatz, auf den man sich verlassen kann, um die Leistung des eigenen Modells zu bewerten und mit anderen zu vergleichen. Jahrelang wurden die Daten von Tiermodellen als Goldstandard verwendet, trotz der Probleme bei der Übertragung auf die Humanbiologie und der Tatsache, dass sie sich oft nicht einmal zwischen verschiedenen Labors reproduzieren lassen. Daher besteht die Notwendigkeit, einen qualitativ hochwertigen, öffentlichen, auf den Menschen ausgerichteten "Omics"-Standarddatensatz für verschiedene Arten von Störungen unter Verwendung der richtigen Gewebe zu kuratieren, der von Informatikern zur Erstellung und Bewertung von Modellen verwendet werden kann. In einem idealen Szenario würden diese Experimente auch als Zeitreihen durchgeführt, um den mechanistischen Schlussfolgerungsprozess zu unterstützen, und - unter Verwendung von Organoiden. InVitro+Jobs: Vielen Dank für das Gespräch. Dr. Tripodi: Vielen Dank für die Gelegenheit, über diese Forschung mit einem breiteren Publikum zu sprechen! Literatur: 1 Tripodi, I.J., Callahan, T.J., Westfall, J.T., Meitzer, N.S., Dowell, R.D. & Hunter, L.E. (2020). Applying knowledge-driven mechanistic inference to toxicogenomics. Toxicol In Vitro. Aug;66:104877. doi: 10.1016/j.tiv.2020.104877. Epub 2020 May 6. PMID: 32387679; PMCID: PMC7306473. 2 https://aopwiki.org/ 3 Dandekar, T. & Kunz, M. (2021). Bioinformatik. 2. Auflage, Springer Verlag. 4 http://www.chemgapedia.de/vsengine/glossary/de/computerchemie.glos.html 5 https://www.oecd.org/chemicalsafety/risk-assessment/oecd-qsar-toolbox.htm 6 Europäische Chemikalienagentur (ECHA). Chemikalienstrategie für Nachhaltigkeit. https://echa.europa.eu/de/hot-topics/chemicals-strategy-for-sustainability 7 https://joint-research-centre.ec.europa.eu/jrc-news/jrc-supporting-alternatives-animal-testing-2022-04-07_en 8 https://www.epa.gov/chemical-research/comptox-chemicals-dashboard Anmerkungen: (a) Ein Wissensgraph (Knowledge Graph) ist im Kern ein wissensbasiertes System, das aus einer Wissensdatenbank und einer Maschine besteht, die deduktive Logik über die Wissensdatenbank ausführen kann, um Wissen abzuleiten, das sonst verborgen wäre (https://blog.vaticle.com/what-is-a-knowledge-graph-5234363bf7f5). (b) Im Annotationsprozess werden einige Oberbedeutungen durch Entscheidungsbäume repräsentiert. Diese Entscheidungsbäume dienen einerseits dazu, durch die Anwendung einzelner Kriterien zu spezifischen Unterbedeutungen zu gelangen, ermöglichen aber durch diese Entscheidungen gerade auch die Festlegung auf die Oberbedeutung. (aus: Kiss, Tibor et al. 2020. Ein Handbuch für die Bestimmung und Annotation von Präpositionsbedeutungen im Deutschen. ISSN: 2700-8975) (c) Eine Ontologie im Datenmanagement ist die meist sprachlich gefasste und formal geordnete Darstellung einer Menge von Begriffen und deren Beziehungen zwischen ihnen. (d) Parsing: Syntaxanalyse. (e) Inferenz: Wird mithilfe bereits bekannter Fakten etwas über noch unbekannte Sachverhalte ausgesagt, spricht man von einer Inferenz.

In dieser Ausgabe stellen wir ein junges Spin-off aus Jena vor. Die Dynamic42 GmbH ist im März 2018 aus dem „Center of Sepsis Control and Care“ (CSCC) des Universitätsklinikums Jena ausgegründet worden. Das Unternehmen mit Sitz im BioInstrumentezentrum auf dem Beutenberg Jena, entwickelt und vermarktet dreidimensionale, humane Organmodelle (sog. Organ-on-Chip-Technologie bzw. mikrophysiologische Systeme) für die präklinische Forschung und Entwicklung sowie die Prüfung pharmazeutischer Substanzen, Chemikalien und Lebensmittelzusätze. Die Gründer sind die Biologin Dr. Nancy Blaurock-Möller und die Biochemiker PD Dr. Alexander S. Mosig, Martin Raasch und Dr. Knut Rennert. Sie besitzen umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von menschlichen, mikrofluidisch unterstützten in-vitro-Organmodellen auf Biochips. Team von Dynamic42. Quelle: Dynamic42. Vor der Gründung des Unternehmens haben Martin Raasch und Dr. Knut Rennert in der Arbeitsgruppe 'INSPIRE' unter der Leitung von Privatdozent Dr. A. S. Mosig am Universitätsklinikum Jena (UKJ) bereits humane Blutgefäß-, Leber-, Darm- und Alveolen-Modelle entwickelt. „Die Nutzung dieser Modelle als vermarktungsfähige Alternativen zum Tierversuch in der präklinischen Phase der Wirkstoff-Entwicklung war von Anfang an in Betracht gezogen worden“ beschreibt Knut Rennert die Motivation. Sie konnte nach der Gründung der Dynamic42 GmbH stetig vorangetrieben werden. Das Unternehmen wird von Knut Rennert und Martin Raasch geleitet. Das Team von Dynamic42 entwickelt und vermarktet dreidimensionale Organmodelle in mikrofluidisch-unterstützten Biochips (Organ-on-a-Chip). Dynamic42 entwickelt zudem in vitro-Krankheits- und Infektionsmodelle für die Grundlagen- und angewandte Forschung. Damit können mechanistische Studien durchgeführt oder pharmazeutisch wirksame Stoffe z.B. für die personalisierte Medizin getestet werden. Das Unternehmen bietet neben ihren Organ-on-a-Chip-Entwicklungen bevorzugt Testservices an (1). Für ihre Entwicklungen haben die Wissenschaftler und Gründer in den letzten Jahren viel Anerkennung erfahren. So belegten sie z.B. 2018 beim Thüringer Gründerpreis den dritten Platz in der Kategorie „Businessplan“ (2) und haben soeben eine Start-up-Finanzierungsrunde in siebenstelliger Höhe erfolgreich abgeschlossen (3). Kein Modell ohne Immunzellen Die Modelle der Dynamic42 GmbH unterscheiden sich von denen anderer Entwickler und konkurrierender Unternehmen dadurch, dass in ihnen die für die Aufdeckung von Wirkstoff-Nebenwirkungen wichtigen Immunzellen gewebeseitig als auch über den nachgestellten Blutfluss integriert werden können. Für ihre Plattform und das Konzept haben Sie mehrere Auszeichnungen erhalten (EY Public Value Award (4), Thüringer Gründungspreis (5) sowie noch unter dem Gründungsprojektnamen „OrganiX“ Preisträger beim bundesweiten Businessplanwettbewerb Science4Life Venture Cup 2017 (6) und beim 6. Thüringer Strategiewettbewerb für innovative Gründungen 2017 (7). Der modulare Charakter der Chip-Modelle erlaubt zudem die Kombination zweier verschiedener Organmodelle, z.B. Lunge und Leber für vertiefte Studien zur Toxizität inhalierbarer Therapien. Auf Basis dieser Organmodelle kann vor Durchführung von Tierversuchen festgestellt werden, ob ein neuer Wirkstoffkandidat beim Menschen Nebenwirkungen haben könnte oder nicht. Somit lässt sich durch Nutzung dieser Organmodelle einerseits bereits in der präklinischen Phase die Arzneimittelsicherheit erhöhen, andererseits lassen sich auch Kosten und Zeit in der Arzneimittelentwicklung reduzieren, indem Studienabbrüche in humanen klinischen Phasen reduziert werden könnten. Zudem ist es höchstwahrscheinlich, dass die Zahl der Tierversuche in der Wirkstoffentwicklung durch diese Modelle reduziert wird. Organ-on-Chip-Modelle sind die Testsysteme der Zukunft Auf menschliche Organnachbildungen, kultiviert auf mikrofluidischen Chipsystemen (siehe Abb. 1), werden große Hoffnungen gelegt, dass sie zukünftig Tierversuche bei der Chemikalientestung, Arzneimittelentwicklung und anderen Forschungsfragestellungen reduzieren und langfristig auch ersetzen können. Dabei werden häufig adulte Zellen, z.B. Bindegewebszellen der Haut mit Hilfe von bestimmten Faktoren zu Stammzellen reprogrammiert (a), dann in einen gewünschten Zelltyp weiterentwickelt und kultiviert. Die so erhaltenen Zellen tragen die Erbinformation des Spenders, was bei der Erforschung von Erkrankungen und daraus zu entwickelnden personalisierten Therapien einen großen Vorteil bietet. Aus den Zellanordnungen bilden sich Organ-ähnliche Gewebe, die zur Untersuchung durch mehrstufige Prozesse in kleinste Vertiefungen des mikrofluidischen (b) Chips eingebracht und mit einer Blut-ähnlichen Flüssigkeit (Nährmedium mit Zusätzen zum zellulären Funktionserhalt) umspült werden. Abb. 1: Links: Aufbau der Dynamic42 Chip-Plattform. Rechts: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme des Dynamic42 Lebermodells; Blau: Zellkern, Grün: Leberzell-Marker, Orange: Gallenkanälchen-Marker. Fotos: Dynamic42. Begonnen vor rund 20 Jahren, gibt es inzwischen weltweit eine Vielzahl an etablierten Miniorgan-Nachbildungen. Sie werden auf Einzelchips oder in Kombination als Zwei-, Vier- oder weit mehr Organ-Chips kultiviert. Das Wyss-Institut in Boston hat vor kurzem über einen 10-Organ-Ansatz berichtet. In der Studie verknüpften die Wissenschaftler seriell die Gefäßkanäle von acht verschiedenen Organ-Chips, darunter Darm, Leber, Niere, Herz, Lunge, Haut, Blut-Hirn-Schranke und Gehirn, unter Verwendung eines optimierten gemeinsam verwendeten Blutersatzes. Die Blutkanäle der Einzelchips waren dabei von organspezifischen Zellen ausgekleidet. Die Organ-ähnlichen Gewebe und ihre Funktionen waren länger als drei Wochen lebensfähig und ermöglichten, die Wirkung einer Testchemikalie quantitativ vorherzusagen (8). Auch andere Forscher berichteten bereits von einem 10-Organ-Chip (9). Diese Studien skizzieren die langfristige Vision vom „Human-on-a-Chip“ und stellen momentan hochgradig experimentelle Arbeiten da. Es bedarf hier noch umfangreicher Entwicklungsarbeiten bis die für die Wirkstoffprüfung interessanten Grundfunktionen eines menschlichen Organismus nahezu komplett und fehlerfrei im Zusammenspiel abgebildet werden können. Die kleinen, häufig kugeligen oder mehrschichtigen Zellanordnungen simulieren dabei je ein menschliches Organ-ähnliches Gewebe im Miniaturformat. Die wichtigsten Zelltypen wie im echten Organ sind dabei meist vorhanden. Dass derartige Minisysteme (als Ein-Organ-Modell) funktionieren, konnte bereits in unzähligen Machbarkeits- und Validierungsstudien gezeigt werden – an Details muss jedoch noch gearbeitet werden. Dazu gehört die Integration des Immun- und des Hormonsystems. In Zeiten, in denen die Menschheit weltweit durch das Coronavirus (SARS-CoV-2) bedroht wird und alle Hintergründe für eine Impfstoffentwicklung dringend benötigt werden, kann derartigen immunkompetenten Organ-on-a-Chip-Systemen eine hohe Bedeutung zukommen. Das Coronavirus bindet fest an den Rezeptor mit der Bezeichnung ACE2 (Rezeptor-Angiotensin-Converting-Enzyme II) von menschlichen Lungen-, Herz-, Nieren-, Endothelzellen (Zelltyp, der die Blutgefäße auskleidet) und im Magen-Darm-Trakt (10, 11, 12, 13, 14). ACE2 fungiert an den Zellen als Transmembranprotein. Humane in vitro Organ-Modelle können hier als ergänzendes Testungs-Tool für vertiefende Untersuchungen sowohl im Bereich Infektionsbiologie als auch im Bereich präklinische Prüfung neuer Therapeutika dienen. Dynamic42 ist Partner des Forschungscampus InfectoGnostics in Jena. Hier werden Verfahren für die schnelle Vor-Ort-Infektionsdiagnostik entwickelt und Infektionen erforscht, wie z.B. die Lungenentzündung oder Tuberkulose (15). Die Dynamic42 GmbH hat in Kooperation mit weiteren Partnern des Forschungsclusters InfectoGnostics – dem Center for Sepsis Care and Control (CSCC), dem Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie Hans-Knöll-Institut (HKI), dem Universitätsklinikum Jena (UKJ) sowie der Universität Jena – ein künstliches humanes Modell eines Lungenbläschens („Alveolus-on-a-Chip“) entwickelt. Das künstliche Lungenbläschen liefert Ergebnisse für die Infektionsforschung, die näher an der menschlichen Situation sind als ein Tierversuch. Dies kann auch ein wertvolles Forschungstool in der aktuellen Covid-19-Krise werden, um zunächst Funktionsweisen des Virus besser zu verstehen und spätere Therapiemethoden zu evaluieren. Abb. 2: Mikrofluidisch unterstütztes Chipmodell von Dynamic42. Ein Alveolus-on-a-chip wird über eine Pumpe mit blutähnlicher Flüssigkeit versorgt. Der mikrofluidische Chip besteht aus einer oberen (Luft-) und einer unteren (Flüssigkeits-) Kammer, die durch eine poröse Membran voneinander getrennt sind (Abb. unten). In die obere Kammer kommen die Epithelzellen des Alveolus (humane NCI-H441-Zellen), die nach einer Woche Kultur mit (Immunzellen) Makrophagen ko-kultiviert werden. In der unteren Kammer werden Endothelzellen (HUVECS) im Medium kultiviert. Über Mikrokanäle werden die Kompartimente aus einer Flüssigkeitskammer mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe versorgt (Abb. oben). Quelle: Deinhardt-Emmer, S., Rennert, K., Schicke, E. et al. (2020). Biofabrication 12/025012 (16). Creative Commons Attribution 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Mit Hilfe des Alveolen-Chips konnten die Forscher bereits zeigen, dass bei gleichzeitiger Infektion von Viren und Bakterien – Influenza mit bakterieller Superinfektion durch Staphylokokken – die schützende innere Schicht von Blutgefäßen, das Endothel geschädigt wird (16). Auf diese Weise können sich Erreger und ihre giftigen Stoffwechselprodukte schneller in der Lunge verbreiten und führen zu teilweise schweren Lungenentzündungen (15, 16). Die Lunge: Versorgungs- und Entfernungsorgan Der Körper gewinnt Energie durch oxidativen Abbau von Nährstoffen und braucht daher eine ständige Sauerstoffzufuhr (17). Dafür ist die Lunge zuständig. Sie sorgt auch für den Abtransport von Stoffwechselendprodukten, insbesondere von CO2 und die Entfernung von Fremdpartikeln aus der Lunge. Zudem stellt sie eine wichtige Barriere gegenüber der Umwelt dar. Das sogenannte Respirationsepithel kleidet den überwiegenden Teil des Atemtrakts aus. Es besteht aus mehreren Reihen von Epithelzellen. Auf der Innenseite (Lumen-seitig) der Zelloberfläche befinden sich Flimmerhärchen. Zwischen den normalen Epithelzellen gibt es außerdem Drüsenzellen (sogenannte Becherzellen). Sie produzieren Schleim, der an die Epitheloberfläche in das Lumen abgegeben wird. Die Schleimauskleidung ist eine Schutzschicht, die als Barriere gegen Bakterien und Partikel wirkt (18). Mit ihrer Hilfe soll der Durchtritt von Partikeln verhindert werden. Flimmerhärchen transportieren im gesunden Menschen die Partikel wieder nach draußen. Endokrine Zellen scheiden Serotonin und Peptide aus, mit denen die Geschwindigkeit der Schleimsekretion und Zilienschläge beeinflusst werden kann (19). Sogenannte Clubzellen sezernieren Proteine, die dabei helfen, überschießende Entzündungsvorgänge zu dämpfen. Auch Immunzellen sind in der Lunge vertreten: Alveolarmakrophagen - wanderungsfähige Fresszellen – nehmen Fremdstoffe auf, die in den Alveolarbereich vorgedrungen sind, und machen diese unschädlich (20, 21). Anschließend werden die „gefüllten“ Alveolarmakrophagen mit dem Schleim aus der Lunge hinausbefördert (19). Die Oberfläche der Lunge ist zudem mit einer mikrobiellen Flora, der sog. Mikrobiota besiedelt, die durch Umwelteinflüsse verändert werden kann und einen Einfluss auf die Immunabwehr ausübt (22, 23). Beim Einatmen wird die Luft zunächst nur durch ein sich ständig weiter verzweigendes Röhrensystem geleitet, an dessen Ende die Alveolargänge liegen, die den eigentlichen Respirationsbereich darstellen. In den Alveolen (Lungenbläschen) erfolgt der Gasaustausch durch Diffusion (21). Die Lunge ist im Bereich der Alveolen in vielen Fachbüchern noch immer wie Weinreben dargestellt. In Wahrheit soll es sich jedoch um ein schwammartiges Gewebe handeln, über dessen feinste Wände der Austausch zwischen der Luft und dem Blut erfolgt. Die mechanischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Gewebearten, der strömenden Luft und dem Flüssigkeitsfilm auf dem Gewebe sind komplex (24). Die Alveolen sind aus einschichtigen Alveolarepithelzellen des Typs 1 und 2 aufgebaut. Typ 1-Zellen bilden in den Lungenbläschen eine dünne Zellschicht, die an die Wandzellen der Lungenkapillar-zellen grenzen. Sie bilden die Blut-Luft-Schranke. Hier erfolgt der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid. Der Alveolarzelltyp 2 dagegen stellt das Surfactant dar. Das Surfactant besteht aus Lipiden und Proteinen, die die Oberflächenspannung vermindern und das Zusammenfallen und Verkleben der Alveolen beim Ausatmen verhindern (25). Abb. 3 links: Alveolus mit Kapillarnetz. Rechts: Längsschnitt durch eine Alveole. Gasaustausch am Lungenbläschen. Quelle: iStock/ttsz „…Der Fokus zur Weiterentwicklung der humanen Organmodelle sollte immer auf die menschliche Physiologie ausgerichtet werden…“ Fotos: Dynamic42 Martin Raasch und Dr. Knut Rennert sind Biochemiker, die ihre wissenschaftliche Karriere in der Grundlagenforschung begonnen haben. Hier stellten sie alsbald fest, dass viele Fragestellungen nur in Tiermodellen oder in 2D Standard-Zellkultur bearbeitet werden. Alternativen zum Tierversuch, die nah an die menschliche Physiologie angebunden sind und die einen Mehrwert gegenüber den zuvor genannten Modellen hätten liefern können, gab es nicht. Die beiden haben daher zusammen mit PD Dr. A.S. Mosig bereits vor beinahe 10 Jahren begonnen, humane Modelle zu entwickeln, die der menschlichen Physiologie nahekommen. InVitro+Jobs sprach mit den beiden Gründern von Dynamic42. InVitro+Jobs: Was erforscht und entwickelt Dynamic42? Dynamic42: Zunächst ein recht herzliches Dankeschön für die Intervieweinladung! Dynamic42 ist spezialisiert auf die Vermarktung und Weiterentwicklung der sog. „Organ-on-Chip“-Technologie (miniaturisierte menschliche Organmodelle auf Biochips). Wir haben bereits innerhalb der AG „INSPIRE“ am Universitätsklinikum Jena ein humanes Leber-, ein Alveolen- und ein Darmmodell entwickelt, bevor wir uns entschieden haben, auszugründen, und sind dabei, weitere wichtige Organe auf dem Chip zu entwickeln, wie z.B. eine neurovaskuläre Einheit (c). Eines unserer Hauptanliegen stellt dabei die Integration des menschlichen Immunsystems in diese Modelle dar. Dadurch lassen sich Nebenwirkungen von Wirkstoffen wesentlich besser darstellen, da das Immunsystem umgehend auf körperfremde Stoffe reagiert. Wir haben bereits Monozyten bzw. Makrophagen sowie T-Zellen in unsere Modelle integriert, haben jedoch auch die Möglichkeit, die Immunzellen durch die Modelle fließen zu lassen. Ähnlich der Situation im Körper können die Immunzellen durch den Blutfluss in Zielgewebe transportiert werden. Demnächst werden wir Effekte von neutrophilen Granulozyten in unseren Organ-Modellen untersuchen. Dies sind generell langfristig geplante Arbeiten, da sich neben den biologischen Etablierungsarbeiten auch die Analysen in solchen 3D-Modellen komplexer gestalten. Eine Publikation ist vielleicht erst in gut zwei-drei Jahren in Sicht. Deshalb kann hier nicht kurzfristig mit einer Veröffentlichung der Ergebnisse gerechnet werden. Alles in allem sind wir im Bereich Immunkompetenz auf einem guten Weg und bereits weit vorangekommen. InVitro+Jobs: Welche Art Probleme ergeben sich bei der Integration von Immunzellen? Dynamic42: Probleme ergeben sich sowohl bei der Isolation der Immunzellen als auch bei der Integration in die miniaturisierten Organe. Man muss vorsichtig sein, damit sie nicht im Vorfeld aktiviert werden und Zytokine (d) freisetzen, was dazu führen würde, dass das umgebende Gewebe ggf. durch die Immunreaktion geschädigt wird. Bzw. man muss dafür Sorge tragen, dass die Zellen innerhalb eines mehrschichtigen Organmodells nur dahin migrieren, wo sie auch hingehören. InVitro+Jobs: Immunzellen scheinen sehr wichtig für Aussagekraft der Modelle sein. Was soll in diesem Zusammenhang das EU-Konsortium imSAVAR leisten? Dynamic42: Die involvierten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen wollen die vielen Organ-on-Chip-Modelle, die es bereits gibt, immunkompetent machen, weil das menschliche Immunsystem in den auf humanem Gewebe basierenden Organchips bislang in vielen Studien kaum Berücksichtigung fand. Zusätzlich sollen auch neue 3D-Modelle entstehen. Ziel ist es, neue Biomarker zu evaluieren und die Wirkungsweisen („mode of actions“) neuer Wirkstoffe und Behandlungsmethoden studieren zu können. Ein Beispiel ist der Einsatz von gentechnisch veränderten T-Zellen im Rahmen der Car-T-Zell-Therapie zur Behandlung von Krebs (e). Ebenso liegen adverse (d.h. schädigende) Wirkmechanismen (Adverse Outcome Pathways (f) im Fokus dieses EU-Projekts. InVitro+Jobs: Können Sie uns ein Beispiel für beobachtete Nebenwirkungen darlegen, die mit dem herkömmlichen Organ-on-a-Chip-Modell nicht entdeckt worden sind? Dynamic42: Wir untersuchen z.B. Wirkstoffe in unseren Modellen, die im Tierversuch unauffällig waren, deren Weiterentwicklung jedoch aufgrund von Nebenwirkungen in der klinischen Phase am Menschen abgebrochen werden musste. Zusätzlich vergleichen wir die Effekte dieses Wirkstoffs mit denen eines zugelassenen Wirkstoffs ähnlichen Typs, der eine Marktzulassung erhalten hat. Wir sehen hier z.B. einen Unterschied in der Zytokin-Freisetzung durch gewebeständige (g) Immunzellen. InVitro+Jobs: Die Modelle, die derzeit mit der Industrie validiert worden sind: sind die demnach unvollständig? Dynamic42: Die Modelle werden immer unvollständig sein, da wir keinen menschlichen Körper in seiner Gesamtheit im Chip nachbauen werden können, jedoch aber zielgerichtet Schlüsselfunktionen. Die neu entwickelten Modelle werden hinsichtlich der Übertragbarkeit auf den Menschen aussagekräftiger im Vergleich zur derzeitig als Standard geltenden 2D Zellkultur und dem Tierversuch. Im Prinzip werden die Methoden/Modelle, die bislang entwickelt worden sind, immer weiter verfeinert und angepasst. So zeigte sich in den letzten Jahren, dass 3D-Modelle aussagekräftiger sind als 2D-Modelle und Organ-on-a-Chip-Modelle aussagekräftiger als 3D-Modelle von Einzelzellen usw. Sicher haben die entwickelten Modelle auch Nachteile, aber sie sind aussagekräftiger als 2D Zellkulturen unter statischen Bedingungen. Der Fokus zur Weiterentwicklung der humanen Organmodelle sollte immer auf die menschliche Physiologie ausgerichtet werden, das ist unser Antrieb. Besonders das Blut als auch die darin enthaltenen Immunzellen darf man daher in den miniaturisierten Organsystemen auf dem Chip nicht vergessen. InVitro+Jobs: Das klingt sehr kompliziert. Bieten Sie deshalb ihre Entwicklung als Serviceleistung an, um die Qualitätsstandards am Ende garantieren zu können? Dynamic42: Man kann in Form der Dienstleistung die Qualität der Produkte am besten kontrollieren. Wir wollen das mittel- bis langfristig erweitern. Zunächst werden wir eine in-house-Plattform zur Standardisierung bereitstellen. Später wollen wir auch Lösungen anbieten, wie Produkte (Kits) zusammen mit einem Training oder am Ende komplett versandfertige Modelle. Aber das ist noch Zukunftsmusik. InVitro+Jobs: Sie haben, in Kooperation mit weiteren Partnern von InfectoGnostics, ein künstliches Modell eines Lungenbläschens („Alveolus-on-a-Chip“) auf Basis menschlicher Zellen entwickelt. Können Sie das kurz beschreiben? Dynamic42: Wir haben das künstliche Lungenbläschen aus der Kombination einer menschlichen Lungenepithelzelllinie (NCI-H441) mit primären Makrophagen und Endothelzellen entwickelt. Wir nutzen hierfür einen Biochip mit zwei Zellkulturkammern, die durch eine poröse Membran getrennt sind. Sie simulieren die Luft- und die Blutseite eines Lungenbläschens. Beide Seiten werden über kleinste Mikrokanäle mit Nährmedien versorgt. Die Alveolarzellen werden luftseitig auf den Chip aufgebracht und mit gewebeständigen, vordifferenzierten Makrophagen ko-kultiviert. Blutseitig kultivieren wir Blutgefäßendothelzellen auf dem Chip. Als "Blut" verwenden wir Nährmedium, das auf Endothelzellen und Immunzellen des Bluts (Monozyten) abgestimmt ist. Es würde sonst in den kleinsten Kanälchen verklumpen. Es ist jedoch auch mit Spenderserum versetzt, so dass auch wichtige humane Serumproteine enthalten sind. Im publizierten Fall (16) wurden Viren und Bakterien (Staphylokokken) – eine simulierte Influenza mit bakterieller Superinfektion – über die Luftseite dazugegeben und untersucht, ob das erstellte Gewebe des Alveolen-Modells beeinträchtigt wird. Es zeigte sich, dass die schützende innere Schicht der Blutgefäße, das Endothel, geschädigt wird. Schwerpunkt war unter anderem, ob und wie eine Immunreaktion der Alveolarmakrophagen nach Influenza-Prä-Inkubation und anschließender Zugabe von Staphylokokken verläuft. Wenn sie nicht gleich auf der Oberfläche von den Makrophagen abgefangen werden, können Fremdpartikel, wie Viren oder Bakterien, luftseitig in die tiefen Lungenbereiche eindringen. Ein Fremdpartikel würde dabei im Luftbläschen von einer Surfactantschicht umschlossen werden. Diese Surfactantmoleküle mit Partikeln werden dann von den Makrophagen erkannt, was zu deren Aufnahme und Zerstörung der Fremdpartikel führt (26). InVitro+Jobs: Kann man ihr Modell auch für die Covid-19 Forschung nutzen? Dynamic42: Untersuchungen zum Infektionsverhalten des SARS-CoV-2-Erregers sind prinzipiell möglich. Künftig wollen wir auch Wirkstofftestungen in diesem Modell vornehmen. Hierzu haben wir bereits industrielle Interessenten und haben zur Weiterentwicklung der Modelle bereits Anträge gestellt. Jedoch müsste man in einem Labor der biologischen Sicherheitsstufe 3 arbeiten. InVitro+Jobs: Wie viele Immunzelltypen können sie in Ihre Alveolus-on-a-Chip-Modelle einbringen? Dynamic42: Abhängig von der Fragestellung können Einzel- als auch Mischpopulationen an Immunzellen neben den bereits erläuterten Alveolarmakrophagen, wie neutrophile Granulozyten und bestimmte T-Zellen, eingebracht werden. InVitro+Jobs: Welche Schwierigkeit besteht bei der Integration von T-Zellen? Dynamic42: T-Zellen müssen permanent perfundiert (d.h. mit einer Flüssigkeit umströmt) werden und man muss eine hohe Anzahl dieser Zellen vorrätig haben, um Effekte erkennen zu können. Auch braucht es eine ganze Weile, bis sich T-Zellen am Gewebe festhalten bzw. ihre Effekte sichtbar werden. Hinzu kommt, dass man sich am Ende sicher sein muss, dass der beobachtete Effekt auch auf die T-Zellen und nicht auf ein Artefakt zurückzuführen ist. InVitro+Jobs: Ist geplant, die verschiedenen, von Ihnen entwickelten Organ-Chips mit Leber, Darm und Alveolenzellen auch miteinander zu einem Multiorgan-on-a-Chip zu kombinieren? Dynamic42: Ja, im Prinzip schon. Allerdings nur zwei oder drei Organe miteinander. Wir arbeiten z.B. derzeit an einem Leber-Darm-Modell, die über den Blutkreislauf verbunden sind. Das Modell wird gerade standardisiert. Es sollen aber erst einmal nicht mehr als drei Organtypen sein, da sonst zu viele Zufallsvarianzen entstehen, die sich je nach Anzahl der verbundenen Organmodelle anhäufen können. Hierfür müssen mathematische Modelle entwickelt werden, die den Einfluss dieser unbekannten Faktoren berechnen und herausrechnen können. Derzeit verfügen wir jedoch nicht über ein derartiges mathematisches Modell. InVitro+Jobs: Inwieweit kann man den Tierversuch mit Ihren Modellen ersetzen? Dynamic42: Dies ist abhängig vom Einsatzgebiet des Modells. Dies pauschal in Prozentsätzen darzustellen, ist nicht möglich. Wir hoffen, langfristig 10% der präklinischen Tierversuche in der Wirkstoffentwicklung mit unseren Modellen ersetzen zu können, gegebenenfalls wird dies mit fortschreitender Technologieentwicklung auch mehr werden. Wir streben an, dass unsere humanen Modelle als Alternative zum Tierversuch anerkannt werden und einen breiten Einsatz erfahren. Bei der Arzneimittelentwicklung kann man die Organ-on-a-Chip-Technologie bereits jetzt verwenden, um Vorabinformationen zu gewinnen, womit sich der Tierversuch zumindest reduzieren lässt. InVitro+Jobs: Wir danken für das Gespräch. Literatur: (1) https://dynamic42.com/ (2) https://www.cluster-thueringen.de/aktuelles/news/news-details/news/thueringer-gruenderpreis-2018-in-hoehe-von-75-000-euro-vergeben/ (3) https://www.bm-t.de/2020/das-jenaer-biotechnologieunternehmen-dynamic42-wirbt-sieben-stelliges-investment-ein/ (4) https://eypva.com/de/award/award18/dynamic42/ (5) https://www.thex.de/blog/thueringer-gruenderpreis-2018-das-sind-die-gewinner/ (6) https://www.science4life.de/preistraegerarchiv/?preis_year=2017 (7) https://www.thex.de/innovativ/2017/10/18/innovative-unternehmensstrategien-aus-thueringen-praemiert/ (8) Novak, R., Ingram, M., Marquez, S. et al. (2020). Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips. 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T., Ehrhardt, C., Löffler, B. & Deinhardt-Emmer, S. (2020). Staphylococcus aureus Lung Infection Results in Down-Regulation of Surfactant Protein-A Mainly Caused by Pro-Inflammatory Macrophages. Microorganisms 8/577. doi:10.3390/microorganisms8040577 Glossar: (a) Zell-Reprogrammierung:Mit Hilfe von Transkriptionsfaktoren ist es möglich, somatische Zellen in einen Pluripotenz-Zustand umzuprogrammieren, einen Entwicklungszustand ähnlich wie bei embryonalen Stammzellen (https://www.biocompare.com/Understanding-the-Key-Epigenetic-Processes-in-Cellular-Reprogramming-and-Pluripotency-Building-Future-Therapeutics-6/) (b) Mikrofluidik: Verhalten kleiner Mengen von Flüssigkeit auf engstem Raum (https://www.laborjournal.de/editorials/userdoc/585_1.pdf) (c) neurovaskuläre Einheit: Blutkapillaren, bei denen jedes derfeinen Blutgefäße aus Endothelzellen besteht, die durch extrem dichte »Tight Junctions« miteinander verbunden sind, umhüllt von Perizyten und Astrozyten. In ihrer Gesamtheit bilden sie die Blut-Hirn-Schranke (BHS), auch neurovaskuläre Einheit genannt (https://academic.oup.com/neurosurgery/article/82/6/770/3988111) (d) Zytokine: Entzündungsbotenstoffe (e) Car-T-Zell-Therapie: https://www.novartis.de/stories/entdecken/wie-die-car-t-zell-therapie-funktioniert (f) Adverse Outcome Pathways: https://de.wikipedia.org/wiki/Adverse_Outcome_Pathway, https://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/adverse-outcome-pathways-molecular-screening-and-toxicogenomics.htm (g) gewebsständig: dem Gewebe zugeordnet

Die Humane World for Animals hat am 10.6.26 im Europäischen Parlament eine Informationsveranstaltung zum Thema „Funding for Non-Animal Science: Moonshot for NAMs“ organisiert. Sie wurde von den Europaabgeordneten Cristina Guarda (Grüne/EFA) und Sebastian Everding (Die Linke) ausgerichtet. Es handelte sich um ein Rundtischgespräch zur finanziellen Unterstützung der beschleunigten Entwicklung, Validierung und Einführung von NAMs in der biomedizinischen Forschung und bei Sicherheitsprüfungen. Ein Moonshot ist ein extrem ambitioniertes, scheinbar unmögliches Projekt wie die Mondlandung, das auf einen radikalen Durchbruch anstelle kleiner Verbesserungen abzielt. Foto: CristianIS, Pixabay. Die hybride Veranstaltung zielte darauf ab, die Integration von NAMs in „Horizon Europe 2028–2034“ zu unterstützen und die Europäische Union dazu aufzufordern, ein groß angelegtes, gut finanziertes europäisches visionäres Innovations- und Forschungsprogramm ins Leben zu rufen, das der Beschleunigung der Entwicklung, Validierung und Einführung von NAMs in der biomedizinischen Forschung und bei Sicherheitsprüfungen gewidmet ist. Anfang Juni ist die Roadmap zum Ausstieg aus den Tierversuchen für die Chemikalienbewertung von der Europäischen Kommission veröffentlicht worden. So äußerte z.B. Anton Ussi, Geschäftsführer von EATRIS ERIC, der europäischen ESFRI-Infrastruktur für translationale Medizin: „NAMs stammen von den Patienten selbst und können daher die menschliche Umgebung besser nachbilden. Sie können uns dabei helfen, die Ausfallraten zu senken. ‚Moonshot for NAMs‘ könne dazu beitragen, den Validierungsprozess zu koordinieren und zu straffen.“ Der Hauptgrund für eine fehlende Aufnahme der neuen Verfahren ist nicht fehlende wissenschaftliche Evidenz, sondern eine kulturelle und Bildungslücke, hier es in Podiumsdiskussion. Praktische Barrieren seien fehlende hochqualitative Daten, wofür es den Zugang braucht. Hier könnte ein europäisches Investment den Unterschied machen. Zudem könne eine Akzeptanz von NAMs auch die Kosten der klinischen Testung reduzieren. Soweit stehen die meisten hinter der Umsetzung der Roadmap. Jedoch brauche es für dieses Vorhaben ein nachhaltiges Investment. Bislang habe die EU bis 2017 im Rahmen von Horizon Europe insgesamt 15 Milliarden Euro in NAMs investiert, wurde dazu mitgeteilt. Derzeit wird das nächste Programm für 2028 bis 2034 geplant. Das European Innovation Council könnte hier auch eine Rolle spielen. EU im internationalen Vergleich unterfinanziert Eine Basis für die Veranstaltung war das Strategiepapier zur Information von politischen Entscheidungsträgern, "A Moonshot for NAMs: Leveraging non-animal methods to position Europe as global leader in health research". Dieses wurde von der BioMed21 Collaboration verfasst, von einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern, Politik- und Kommunikationsexperten. Ziel der Gruppe ist es, humanrelevante Forschung zu fördern, um dringende Gesundheitsprobleme zu lösen, die Patientenergebnisse zu verbessern, die Wissenschaft voranzubringen und die Abhängigkeit von Tierversuchen zu reduzieren. Unterstützt wird die Organisation von Ombion, DMT10, der Tissuse GmbH, dem 3R-Center Tübingen, Young TPI und weiteren. Die BioMed21 Collaboration kritisiert, dass die EU-Strategie „Choose Europe for life sciences“ lediglich mit 10 Milliarden € jährlich aus verschiedenen EU-Förderprogrammen unterstützt werde. NAMs würden darin zwar erwähnt, deren gezielte Finanzierung sei bislang jedoch gering. Im Horizon Europe 2026–2027 Arbeitsprogramm seien aktuell nur 50 Millionen € für NAMs vorgesehen. Das entspräche einem sehr kleinen Anteil am gesamten Forschungs- und Innovationsbudget (ungefähr 10 Milliarden € pro Jahr). Im internationalen Vergleich sei die EU damit unterfinanziert und die aktuelle Finanzierung reiche nicht aus, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit zu sichern sowie den Impact für Patienten und Industrie zu beschleunigen. Moonshot: Eine Milliarde für NAMs Die BioMed21 Collaboration schlägt ein dediziertes 1-Milliarde-€-Moonshot-Programm für NAMs im Rahmen von Horizon Europe 2028–2034 und dem European Competitiveness Fund vor. Dieses Programm soll alle Entwicklungsstufen (Technology Readiness Levels, TRLs) abdecken: von der Grundlagenforschung über Validierung und regulatorische Qualifikation bis hin zur Markteinführung und breiten Anwendung. Die Finanzierung soll gezielt Validierung, Infrastruktur, Ausbildung, gesellschaftliche Akzeptanz und die Entwicklung eines europäischen NAMs Integration Hub unterstützen. Die Finanzierung soll dabei mit klaren Leistungsindikatoren, Governance-Strukturen und einer Koordination zwischen bestehenden EU-Förderinstrumenten verbunden werden. Die Förderung soll auch gezielt One Health-Forschung und gesellschaftliche Herausforderungen (z.B. Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, antimikrobielle Resistenzen) adressieren. Quelle: BioMed21_MoonShot_PolicyPaper_Dec2025

Am 17. November findet die Jahreskonferenz der European Partnership for Alternative Approaches (EPAA) in Brüssel statt. Thematisch geht es um die Umsetzung der In der EU erarbeiteten Roadmap zum Ausstieg von Tierversuchen in der Chemikalienbewertung. Vertreter aus der Industrie, Europäischen Kommission, Regulierungsbehörden, Wissenschaft, von Forschungsorganisationen, NGOs und internationalen Interessengruppen kommen zusammen, um die die Zukunft der NAMs und deren Einbindung in Wissenschaft und Regulierung zu erörtern. Neben einem Überblick über die Erfolge der EPAA und die Aktivitäten zur Umsetzung der Roadmap wird es eine Verleihung des EPAA 3Rs Science Prize 2026 und zwei Podiumsdiskussion geben, die sich mit der globalen Zusammenarbeit zur Förderung von NAMs und einer Common Data Platform on Chemicals (CDPC) befassen. Genaues Datum: Dienstag, 17. November 2026, 10:00–17:00 Uhr (CET) Lokation: Albert-Borschette-Kongresszentrum, Brüssel, Belgien. Die Teilnahme ist kostenlos, Teilnehmer:innen können sichab September 2026anmelden. Weitere Informationen: https://single-market-economy.ec.europa.eu/sectors/chemicals/european-partnership-alternative-approaches-animal-testing_en