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Alternativmethoden – Druckversion

Forschung nach Alternativ- und Ergänzungsmethoden zu Tierversuchen

 

Das deutsche Tierschutzgesetz [1] legt fest, dass Tierversuche nur durchgeführt werden dürfen, wenn keine Alternativmethoden genutzt werden können. Die zuständigen Behörden und ihre externen Kommissionen genehmigen einen Tierversuchsantrag nur dann, wenn der Wissenschaftler nachweisen kann, dass sein Forschungsvorhaben nicht ohne Tierversuche auskommt und der zu erwartende Nutzen des Experiments das mögliche Leiden des Tieres ethisch rechtfertigt.

Gegenwärtig sind bereits eine Vielzahl Alternativ- und Ersatzmethoden im Einsatz. Zudem unterstützen und fördern sämtliche Institutionen die Entwicklung und Umsetzung weiterer Alternativmethoden. Dazu zählen unter anderen das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Auch die Forschungsinstitute und Wissenschaftler selbst haben ein Interesse daran, neue Alternativ- und Ergänzungsmethoden zu entwickeln. Zum einen aus ethischen Gründen, zum anderen aber auch aus Gründen der Effizienz: Gibt es geeignete Alternativen, sind diese häufig billiger als Tierversuche und in der Regel dauern Experimente an Tieren länger als Experimente, die auf alternative Methoden zurückgreifen.

 

 

Zu den etablierten Alternativ- und Ergänzungsmethoden in der Forschung zählen aktuell:

 

Zellkulturen werden in der Forschung häufig verwendet. Normale Zellkulturen (sogenannte primäre Zellkulturen), die direkt aus einem Gewebe entnommen werden, sind jedoch häufig kurzlebig und die Zellen sterben nach einer gewissen Zeit ab (sogenannte Hayflick-Grenze). Um Zellen dauerhaft in Kultur halten zu können, werden permanente Zellkulturen verwendet (sogenannte immortalisierte Zellen). Diese teilen sich ähnlich einer Krebszelle immer weiter und sind so praktisch unbegrenzt lebensfähig. Permanente Zellkulturen ermöglichen eine Untersuchung ohne Versuchstiere, allerdings ändern diese Zellen bei der Immortalisierung häufig ihre ursprünglichen Eigenschaften. Experimente die in Zellkulturen durchgeführt werden, bezeichnet man auch als in vitro-Experimente – im Gegensatz zu in vivo-Experimenten, die im Organismus gemacht werden.

Zellkulturen werden in Petrischalen angelegt und mit Nährlösung (rot) versorgt. Die Petrischalen werden dann in Brutschränken aufbewahrt um Temperatur und Sauerstoff- bzw. Kohlendioxidgehalt in der Kultur zu regeln. Foto: Umberto Salvagnin, "Cell culture", https://www.flickr.com/photos/34745138@N00/3075268200, CC-BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode [2]

Zellkulturen werden in Petrischalen angelegt und mit Nährlösung (rot) versorgt. Die Petrischalen werden dann in Brutschränken aufbewahrt um Temperatur und Sauerstoff- bzw. Kohlendioxidgehalt in der Kultur zu regeln. Foto: Umberto Salvagnin, “Cell culture [3]“, CC-BY 2.0 [4]

 

Unterschiedliche Zellen (Muskel, Nerven, Knochen, Haut, Darm, Immunsystem etc.) kommunizieren miteinander und tauschen Informationen aus. Für ihre normale biologische Funktion benötigen Zellen in den meisten Fällen Signale von benachbarten oder auch entfernt liegenden Zellen eines anderen Typs. Um diese Interaktionen zwischen Zellen zu untersuchen, können Forscher verschiedene Zellen gemeinsam kultivieren (sogenannte Co-Kulturen).

Mit solchen Co-Kulturen lassen sich manche biologischen Prozesse im in vitro-Modell nachstellen und bestimmte Tierversuche ersetzen. So kann zum Beispiel beim EPISKIN®-Test die Ätzwirkung von Chemikalien auf einer in der Petrischale gezüchteten menschlichen Epidermis (äußere Hautschicht) untersucht werden. Eine Vielzahl von Tierversuchen wurde dadurch ersetzt.

Bislang ist es aber aus verschiedenen Gründen nicht möglich ganze Organe (Herz, Lunge, Niere, Haut etc.) durch „Züchtung im Reagenzglas“ herzustellen. Für die Medizin von Bedeutung sind aber beispielsweise bereits durch Gewebezüchtung (tissue engineering) hergestellte Gefäßprothesen und Herzklappen.

 

Für die meisten Experimente ist es im Interesse des Forschers Untersuchungsmethoden zu verwenden, die das Tier nicht oder möglichst wenig belasten. So werden Einflüsse, die das Ergebnis verändern könnten, vermieden. Forscher entwickeln zu diesem Zweck sogenannte nicht-invasive Verfahren, die keinen Eingriff am Tier erfordern. Häufig sind diese innovativen Methoden dann der Ausgangspunkt für die Anwendung solcher Methoden beim Menschen. Beispiele für nicht-invasive Methoden sind moderne bildgebende Verfahren, Atemgasanalysen, oder Messungen von Energiegehalt und Stoffwechselprodukten im Kot oder Urin.

 

Bildgebende Verfahren: Dieser Bereich hat sich in jüngster Zeit enorm entwickelt und eröffnet vielversprechende Perspektiven. Bildgebende Verfahren wie die Computertomographie (CT) oder die Magnetresonanztomographie (MRT) liefern dreidimensionale Darstellungen von Geweben und Organen – schmerzfrei und in Echtzeit. So können Forscher die Leistungen bestimmter Hirnareale oder das Verhalten von Wirkstoffen bei Gesunden und Patienten beobachten und vergleichen. Experten erwarten, mit Hilfe von bildgebenden Verfahren die Zahl der Versuche und die Belastung für die verwendeten Tiere stark vermindern zu können. Aber nicht alle Fragen der Neurowissenschaft lassen sich mit diesen Verfahren beantworten. So sind Wissenschaftler beispielsweise für die Erforschung der komplexen Funktionen einzelner Nervenzellen im Gehirn oder im Wechselspiel mit dem Hormonsystem nach wie vor auf Tierversuche angewiesen.

MRT-generiertes Modell des Gehirns eines Rhesusaffen. Die Farbintensität entspricht der Aktivität der Nervenzellen in dieser Hirnregion. Foto: Lydia Gibson [5]

MRT-generiertes Modell des Gehirns eines Rhesusaffen. Die Farbintensität entspricht der Aktivität der Nervenzellen in dieser Hirnregion. Foto: Lydia Gibson

Der Siemens Prisma Magnetresonanztomograph erreicht eine Magnetstärke von 3 Tesla und hat einen Röhrendurchmesser von 60 Zentimetern. Damit ist er für größere Primaten einschließlich des Menschen geeignet. [6]

Der Siemens Prisma Magnetresonanztomograph erreicht eine Magnetstärke von 3 Tesla und hat einen Röhrendurchmesser von 60 Zentimetern. Damit ist er für größere Primaten einschließlich des Menschen geeignet. Foto: Karin Tilch

Atemgasanalysen: In der ausgeatmeten Luft lassen sich nicht nur die Anteile an Sauerstoff und Kohlendioxid messen. Über die Atemluft gibt der Körper außerdem sogenannte flüchtige organische Moleküle (volatile organic compounds, VOCs) ab, die sich durch neue Methoden der Massenspektrometrie messen lassen. Diese Messmethoden sind so sensibel, dass sie sich auch bei kleinen Nagetieren anwenden lassen. Bestimmte Muster der Zusammensetzung von organischen Molekülen in der Atemluft sind charakteristisch für Stoffwechselfunktionen und Erkrankungen. Bei diesen Untersuchengen müssen die Tiere weder betäubt noch fixiert werden – sie halten sich für die Dauer der Analyse lediglich frei in einem Käfig auf, bei dem die Zu- und Abluft genau kontrolliert wird. Neue Erkenntnisse die bei Untersuchungen an Tieren gewonnen werden und technische Innovationen bei der Weiterentwicklung der Methodik, kommen bei Atemgasanalysen des Menschen zum Einsatz.

 

Ein Wunschziel der Forscher wäre es, alle Funktionen des Körpers in einem Computermodell simulieren zu können. Daran könnte man dann testen, wie ein neuer Wirkstoff vom Körper aufgenommen und im Stoffwechsel verarbeitet wird. Tierversuche wären dann kaum noch erforderlich. Tatsächlich ist es aber bis heute noch nicht möglich den Zustand auch nur einer einzigen Säugetierzelle zu einem einzigen Zeitpunkt in einem Computer Modell – also in silico – vollständig abzubilden. Dennoch lassen sich inzwischen vereinzelte Organ- und Zellfunktionen am Computer nachbilden. Dadurch können sie unter anderem das Verhalten bestimmter Arzneimittel nachvollziehen – beispielsweise wie lange es dauert, bis der Körper einen Wirkstoff abbaut.

 

Die Biomedizinische Forschung entwickelt in silico Modelle ständig weiter. Bislang müssen die Beobachtungen am Modell aber immer wieder auch mit Tierversuchen überprüft werden, um zu testen für welche Bereiche die Modelle stimmen und wo die Grenzen sind.

 

Zu den aktuellen großen Forschungsprojekten aus diesem Bereich zählt das EU-geförderte „Human Brain Project [7]“. Hier arbeiten Wissenschaftler daran, Teile des Gehirns mit computerbasierten Modellen zu simulieren. Ihr Ziel ist es, das Gehirn und seine grundlegenden Funktionen besser zu erforschen. Dadurch könnte in der Zukunft die Zahl der Tierversuche für die Neurowissenschaft reduziert werden.

Um Teile des Gehirns zu simulieren benutzt das Blue Brain Projekt unter anderem solche Magerit Supercomputer, wie hier am Supercomputing and Visualization Center of Madrid (CeSViMa). Foto: CeSViMa, CC-BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode [8]

Um Teile des Gehirns zu simulieren benutzt das Blue Brain Projekt unter anderem solche Magerit Supercomputer, wie hier am Supercomputing and Visualization Center of Madrid (CeSViMa). Foto: CeSViMa, CC-BY-SA 3.0 [9]

 

Beim Microdosing handelt es sich um Experimente am Menschen. Dabei werden freiwilligen Probanden Wirkstoffe in so geringen Mengen verabreicht, dass man davon ausgehen kann, dass sie keinen gesundheitlichen Schaden verursachen sollten. Mit hochempfindlichen Methoden wird dann gemessen, wie sich ein Wirkstoff im Körper bei der Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung der Substanz verhält. Positive oder heilende Effekte auf den Menschen lassen sich beim Microdosing allerdings nicht bestimmen. Neben der ethischen Problematik des Versuchs am Menschen (Hippokratischer Eid und ärztliche Ethik), müssen aber auch die Wirkstoffe die im Microdosing getestet werden zunächst entwickelt werden. Insofern ist das Microdosing eher als erster Schritt vom Versuch im Tier zur Anwendung am Menschen zu verstehen.

 

Darüber hinaus können Bevölkerungsstudien, Untersuchungen an niederen Organismen wie Bakterien, Pilze oder Hefezellen und durchaus auch an Leichen wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse liefern.

 

Zahlreiche Institutionen unterstützen und fördern die Entwicklung von Alternativ- und Ergänzungsmethoden zu Tierversuchen.

 

 

Obwohl zahlreiche Alternativmethoden schon im Einsatz sind, können sie noch nicht sämtliche Tierversuche in der Grundlagenforschung ersetzen. Die meisten Alternativmethoden basieren auf Erkenntnissen, die auf vorherige Tierversuche zurückgehen. Zudem können Alternativmethoden bisweilen häufig nur Teilaspekte der äußerst komplexen Vorgänge im menschlichen Körper simulieren. Aus diesem Grund wird in absehbarer Zeit auf Untersuchungen am lebenden Tier nicht völlig verzichtet werden können.

 

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