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Kurzfassung Tierversuchsfreie Methoden

Alle hier vorgestellten Ersatzmethoden basieren auf dem Einsatz humanen Materials, also auf Blutproben oder Zellentnahmen bzw. Biopsien  (Gewebeprobenentnahmen). Hinzu kommen die Entwicklungen physikalischer Testsysteme, computer-gestützter in silico-Methoden sowie bildgebender Verfahren.


1. Der Einfluss von Blutplättchen auf die Funktion bestimmter Immunzellen (Dendritische Zellen), in vitro untersucht in einem Parallelplatten-Flusskammersystem (9)

Bei diesem Verfahren werden die Blutspenden gesunder Probanden verwendet und die Blutplättchen (Thrombozyten) und Immunzellen isoliert. Die Forscher untersuchen dann das Anheftungsverhalten eines bestimmten Immunzelltyps unter statischen und unter dynamischen Fließbedingungen in einem konstruierten Flusskammersystem. Mit diesem Flußkammersystem können die Forscher zeigen, dass die Blutplättchen  eine Vielzahl an „Entzündungsstoffen“ freisetzen, die auf den Reife- und Funktionsprozess der Immunzellen Einfluss haben. Das konstruierte Parallelplatten-Flusskammersystem diene dazu, die Situation im lebenden Körper mit An- und Abtransport von Nährstoffen sowie auftretenden Scherkräften  nachzustellen (9, 10).


2. Dreidimensionales Ko-Kulturenmodell zur Untersuchung der Entstehung Plaques (Ablagerungen) in einem späteren atherosklerotischen Stadium (11)

Mit menschlichen glatten Muskelzellen und Endothelzellen in einer abbaubaren Fibrinmatrix, einer Zwischenzellsubstanz kombiniert mit Fibrin, dem „Klebstoff“ der plasmatischen Blutgerinnung konnten Forscher die innere Wand des Blutgefäßes künstlich nachbilden. Durch einen Überschuss an zugegebenem LDL (low density lipoprotein) und Zugabe eines bestimmten Immunzelltyps konnten sie beobachteten, wie die Bildung eines sogenannten „Schaumzellstadiums“ funktioniert und wie lange die Bildung dieses Stadiums dauerte. Sie studierten zudem den Ablauf einer Entzündungsreaktion.

3.: Humane Endothelzellen in Kultur zur Untersuchung der Endothelphysiologie, Endothelbiopsie (14)

Die Forscher untersuchten den Einfluss zu hohen Blutzuckers auf Endothelzellen. Als Endothel  bezeichnet man die zum Gefäßlumen hin gerichteten Zellen der innersten Wandschicht von Lymph- und Blutgefäßen. In einer Studie  wurden dazu HUVEC-Zellen (humane umbilical vein endothelial cells) eingesetzt, die aus der Nabelschnurvene Neugeborener gewonnen werden (15). Zirkulierende Endothelzellen lassen sich aber auch im menschlichen Blut finden, können aus der Blutprobe isoliert und analysiert werden (16). Forscher nutzten hierzu einen sehr dünnen Draht in J-Form, der durch einen Gefäßkatheter in die Armvene eingebracht wird. So konnten vorsichtig von der Blutgefäßwand Endothelzellen geerntet werden. Das genetische Material wurde aus den Zellen isoliert und analysiert (Genexpressions- und Proteinexpressionanalyse). Weitere Methoden der Endothelbiopsie für die Atheroskleroseforschung werden auch von anderen Wissenschaftler diskutiert (17).

4. Untersuchung zirkulierender Monozyten aus humanem Blut (18), (19)

In einigen Fällen lassen sich Erkenntnisse auch direkt aus dem Blut von Patienten erzielen und der Funktionsmechanismus durch Vergleich mit gesunden Probanden klären. In einem Fall wurde untersucht, ob und wie zwei unterschiedliche Immunzell-Vorläuferzelltypen auf ein künstlich geschaffenes Milieu mit übermäßigem Cholesterin in vitro reagieren. Die Immunzellen wurden dafür aus dem Blut kranker und gesunder Probanden gewonnen. Die Reaktion der Immunzellen wurde analysiert und ein Teil unter dem Laserscanning-Mikroskop untersucht.

5. Arterien-auf-dem-Chip-Modelle (20)

Mittlerweile haben Forscher sogenannte mikrofluidische Chipplattformen entwickelt, in denen kleinste Blutgefäße mit einem Durchmesser von 0,25 Millimeter und 1,5 Millimeter Länge für Testzwecke genutzt werden können. Solche  kleinsten Gefäße künstlich herzustellen, ist derzeit jedoch noch eine große Herausforderung. Die Arterien müssen voll funktionsfähig sein und erlauben möglicherweise in Zukunft eine Reduktion der Tierversuchszahlen, z. B. bei der Wirkstoffentwicklung gegen Atherosklerose. Die Herstellung künstlicher Blutgefäße fällt in den Bereich des Tissue Engineering (engl. Gewebekonstruktion bzw. Gewebezüchtung) (21, 22). Am Hamburger universitären Herzzentrum konnte man Blutgefäße aus Polyurethan künstlich herstellen , die von menschlichen Fibroblasten (Bindegewebezellen) und glatten Muskelzellen erfolgreich besiedelt wurden. Dies war bis zu einem Gefäßdurchmesser von 3 Millimetern erfolgreich. Sie behielten ihre Funktionsfähigkeit hinsichtlich Schwerkräften, Druck und Fluss (21).


5. In silico: Konstruktion eines Atherosklerose-Simulationsmodells aus Magnet-Resonanz-Imaging Bildern (MRI) (23)

Für die Herstellung der Computersimulation entnahmen die Wissenschaftler Beinschlagadern von verstorbenen Patienten. Mit den Gefäßen wurde abschnittsweise eine sogenannte Ballon-angioplastie durchgeführt, mit der sich die Blutgefäße aufblasen lassen. Von den Abschnitten  fertigten sie unter verschiedenen Druckverhältnissen Magnetresonanzaufnahmen an (23). Die produzierten Bilder wurden am Computer zu dreidimensionalen Oberflächen zusammengesetzt.

6. Kinetische Modelle (24)

Es gibt bereits kinetische Modelle auf Computerbasis zur Berechnung der Zeit, die benötigt wird, bis sich ein bestimmtes Atherosklerosestadium (z. B. der Gefäßverschluss) entwickelt hat. Jedoch basieren die Erkenntnisse derzeit noch auf Grundlagen aus dem Tiereinsatz (24). Hier stehen die Arbeiten noch ganz am Anfang.

7. Kleine Einzeltests

Die unter dieser Rubrik erfassten Tests sind kleine Tests und dienen innerhalb einer Untersuchung oft als ein Baustein innerhalb einer Testreihe. Sie untersuchen meist die Eigenschaften und das Verhalten der verwendeten Zellen oder Gewebe. Meist werden sie in Kombination durchgeführt und werden Zelldifferenzierungstest, Prolieferationstest, Zelladhäsionstest, Apoptosetest, Phagozytosetest oder Zielmolekültest genannt.


Fazit

Noch ist der Tiereinsatz trotz der vielfältig geäußerten Kritik an der Übertragbarkeit der Tierversuchsergebnisse nicht beendet worden. Zwischen 2007 und 2010 haben sich Forscher deutlich intensiver mit tierversuchsfreien Verfahren in der Atherosklerose-Forschung auseinandergesetzt als ab 2011. Viele Einzelmethoden wurden bereits entwickelt. Sie werden entweder ergänzend zum Tierversuch eingesetzt, um Detailkenntnisse zu erhalten oder der Tierversuch wird ergänzend eingesetzt, um die Erkenntnisse aus den in vitro-Methoden zu überprüfen.

Da die Einzel-Methoden nicht geeignet sind, den Tierversuch vollständig abzulösen, erscheint es sinnvoll, aus der Gesamtheit der Tierversuchsersatzmethoden mehrere zu kombinieren, wie  in der Toxikologie: Hier zieht die Mehrzahl der Wissenschaftler und forschenden Unternehmen an einem Strang, um den Tierversuch durch humanspezifische Methoden abzulösen. Gleiches muss auch für die Erforschung von Krankheiten, in diesem konkreten Fall der Atherosklerose erfolgen.

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