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Tierversuche

Forschung an Alternativen

24.11.2008
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Tierversuche

Forschung an Alternativen

Von Bettina Sauer

 

Weltweit suchen Forscher nach Ersatzmethoden für Tierversuche. Die meisten dieser Tests arbeiten mit Zellen, und einige sind bereits europa- oder sogar weltweit zugelassen. Doch ganz ohne Tiere wird die Forschung wohl nie auskommen.

 

Die Zellen unter dem Lichtmikroskop ziehen sich zusammen und lassen wieder locker, alle im selben Rhythmus, unermüdlich, bereit für ihre gemeinsame Aufgabe: Blut durch den Körper zu pumpen. Diese aktiven Herzmuskelzellen lassen sich in zehn Tagen im Brutschrank züchten, und zwar aus embryonalen Stammzellen der Maus. Auf dieser Entdeckung beruht ein Test, um die giftige Wirkung von Arzneimitteln, Kosmetika, Industriechemikalien und Pflanzenschutzmitteln auf Embryonen nachzuweisen. Dazu bringen Forscher die Stammzellen in Zellkultur, wobei sie dem Nährmedium Testsubstanzen in verschiedenen Konzentrationen zusetzen. Nach zehn Tagen lässt sich das Ausmaß der Umwandlung in Herzmuskelzellen mikroskopisch beurteilen und mit dem von unbehandelten Stammzellen vergleichen. Normalerweise erfolgt die Bestimmung der Embryotoxizität an schwangeren Nagetieren.

 

Diese Alternative zu Tierversuchen, der Embryonale Stammzelltest (EST), stammt von Forschern der »Zentralstelle zur Erfassung und Bewertung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden zum Tierversuch« (ZEBET). Die Zentrale besteht seit 1989 und gehört zum Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) in Berlin. Die Basis für ihre Arbeit bilden das deutsche Tierschutzgesetz und die entsprechende EU-Richtlinie 86/609EWG. Beide akzeptieren Experimente am lebenden Tier nur, wenn es dafür keine Alternative gibt.

 

Mehr als 2,6 Millionen Wirbeltiere wurden 2007 in Deutschland für Versuchszwecke verwendet. Das besagen die aktuellen »Tierversuchsdaten« des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz. Auf Platz eins dieser Liste stehen die Nager mit rund 82 Prozent. Mit weitem Abstand folgen Fische mit 8 Prozent sowie Kaninchen und Vögel mit je 4 Prozent. Auf alle anderen Tierarten entfallen zusammen weniger als 2 Prozent. Die eingesetzten Tiere dienten zur Entwicklung, Herstellung und Qualitätskontrolle von Produkten für die Human-, Zahn- und Tiermedizin, für toxikologische und andere Sicherheitsprüfungen und für die biologische Grundlagenforschung. Zunehmend kommen genetisch veränderte Tiere zum Einsatz, was offenbar stark zum Anstieg der Tierversuchszahlen seit einigen Jahren beiträgt. Zur Entwicklung von Tabakerzeugnissen, Waschmitteln und Kosmetika sind Tierversuche in Deutschland grundsätzlich verboten.

 

Als Begründer der Tierversuche gilt der französische Physiologe Claude Bernard (1813 bis 1878). In einem 1865 veröffentlichten Buch erhob er sie zum Prüfstein jeglicher medizinischer Erkenntnis. Bis heute folgen Wissenschaftler weltweit dieser Prämisse, vor allem in der Grundlagenforschung. Zudem schreiben Behörden umfangreiche Sicherheitsprüfungen an Tieren beim Einsatz von Arzneimitteln, Pestiziden und weiteren chemischen Substanzen vor. Erst im Juni 2007 trat die neue europäische Chemikalienverordnung REACH in Kraft, die die nachträgliche Bewertung der Gesundheitsrisiken von bis zu 30.000 Chemikalien verlangt. Das könnte nach Berechnungen des BfR europaweit bis zu 45 Millionen zusätzliche Versuchstiere erfordern.

 

»Immer mehr Wissenschaftler fragen sich, ob sich Tierversuche im großen Stil ethisch vertreten lassen, und arbeiten an Ersatzmethoden«, sagt ZEBET-Leiter Dr. Manfred Liebsch im Gespräch mit der PZ. »Deutschland spielt dabei eine herausragende Rolle. Bei uns fließen für dieses Forschungsgebiet europaweit die meisten Fördergelder.« Die Suche nach Alternativen laufe seit etwa 1980, sei vor allem Protesten der Tierversuchsgegner zu verdanken und erfolge nach dem Prinzip »Refine, Reduce, Replace« (3R). Dieses stammt aus einem Buch der britischen Wissenschaftler William Russell und Rex Burch von 1959. Dabei steht »Replace« für einen Ersatz von Tierversuchen, »Reduce« für eine Verminderung der benötigten Tiere und »Refine« für weniger belastende Experimente.

 

Den letztgenannten Ansatz verfolgt derzeit Dr. Kay Brune, Professor für Pharmakologie am Universitätsklinikum Erlangen und Leiter der Doerenkamp-Stiftungsprofessur für Innovationen im Tier- und Verbraucherschutz. Er und seine Kollegen haben ein nicht-invasives Verfahren entwickelt, um die Chronifizierung von Schmerz im Mäusegehirn sichtbar zu machen. Dazu narkotisieren sie die Tiere, versetzen ihnen leichte Schmerzreize und untersuchen sie im Kernspintomografen. Dabei zeigt sich, dass regelmäßige Schmerzreize typische Erregungsmuster im Gehirn erzeugen, die für eine Schmerzchronifizierung sprechen. Nun testen die Forscher, ob sich diese Muster durch Arzneimittel oder nicht-medikamentöse Maßnahmen normalisieren lassen. »Durch den Einsatz der Kernspintomografie erhalten wir qualitativ besonders gute Ergebnisse, die Versuchstiere leiden nicht und wir müssen viel weniger einsetzen«, sagt Brune im Gespräch mit der PZ.

 

Als Beispiel für »Reduce« nennt Liebsch die Abschaffung des LD50-Tests. Dieser definiert als »letale Dosis« (LD) die Menge einer Substanz, nach deren oraler Gabe die Hälfte der Versuchstiere stirbt. »Meist kamen mindestens 40 Tiere pro Test ums Leben«, sagte Liebsch. Ende 2002 strich die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) den LD50-Test aus ihren Prüfrichtlinien für chemische Substanzen, die überall auf der Welt gelten. Stattdessen führte die OECD drei alternative Prüfrichtlinien ein, die alle deutlich weniger Tiere erfordern. »Womöglich gelingt diese Bestimmung sogar bald durch Methoden ohne Versuchstiere«, sagt Liebsch.

 

Eine neue »Replace«-Methode überprüfen die ZEBET-Wissenschaftler zurzeit. Sie dient zur Bestimmung der Toxizität von gasförmigen Substanzen auf das Lungengewebe. Bislang müssen dazu Tiere die Testsubstanzen einatmen. In einem ihrer Labore installierten die Forscher eine gläserne Apparatur mit mehreren Rohren und Schläuchen. Darin lassen sie nun Testsubstanz-haltige Gase an der Oberfläche menschlicher Lungen-Epithelzellen entlangströmen. Anschließend testen sie die Zellen fluoreszenzmikroskopisch auf DNA-Schäden, also auf eine mögliche krebsauslösende Wirkung der Testsubstanz. Liebsch hält die Methode für vielversprechend. »Schließlich testen Firmen daran schon erfolgreich die Toxizität von Tabakprodukten, da sie dazu keine Tiere mehr verwenden dürfen.«

 

Einige »Replace«-Methoden haben OECD sowie EU schon zugelassen und in die Prüfrichtlinien aufgenommen. Dazu zählt ein Zellkulturtest auf Phototoxizität, den ZEBET und Industrie entwickelt haben und der zeigt, ob Medikamente oder Kosmetika die Haut für Sonnenlicht sensibilisieren und deshalb zu Verbrennungen führen. Anerkannt ist auch ein Test zum Nachweis, ob und in welchem Ausmaß Chemikalien die Haut überwinden. Er arbeitet mit menschlicher Haut, die meist von Schönheitsoperationen stammt. An künstlichen Hautmodellen, wie etwa EpiSkinTM und EpiDermTM, dürfen Forscher weltweit die ätzende Wirkung von Chemikalien testen, also eine dauerhafte Hautschädigung. Diese Modelle bauen aus menschlichen Keratinozyten die mehrschichtige Epidermis mitsamt ihrer Barrierefunktion nach und dürften bald noch mehr Kaninchen die Haut retten: Anfang November einigte sich eine OECD-Expertengruppe darauf, die Modelle auch zum Test auf hautreizende Wirkungen, also Kurzzeitschäden, zuzulassen. In der EU gilt die entsprechende Prüfrichtlinie ab sofort, weltweit voraussichtlich ab März 2009.

 

Der Weg einer neuen Ersatz- oder Ergänzungsmethode bis zur offiziellen Anerkennung dauert Jahre und erfordert fünf Schritte. Die Koordination auf europäischer Ebene übernimmt das »European Center for the Validation of Alternative Test Methods« (ECVAM) im italienischen Ispra. Schritt eins besteht in der Entwicklung eines Testverfahrens, das dann eine erste Überprüfung, die Prävalidierung, durchläuft. Danach erst folgt die eigentliche Validierung durch Ringversuche, die ZEBET und Referenzlabors in anderen Ländern durchführen. Dabei findet meist ein Vergleich mit dem herkömmlichen Tierversuch statt. »Schließlich darf die Einführung einer neuen Methode nicht den bekannten Sicherheitsstandard gefährden«, sagt Liebsch.

 

Im vierten Schritt erfolgt die Auswertung der Ergebnisse durch unabhängige Experten. Wenn die neue Methode dabei positiv abschneidet, bemüht sich ECVAM um ihre behördliche Anerkennung. Das erfordert nochmals Geduld und viele Konferenzen. In Warteposition befindet sich etwa der zu Anfang des Artikels erwähnte EST. »Die Industrie nützt aber auch nicht offiziell zugelassene, aber positiv bewertete Ersatzmethoden«, sagt Liebsch. »Die Unternehmen kombinieren sie mit gesetzlich vorgeschriebenen Tierversuchen und sparen so eine Menge Tiere ein.«

 

Sogar »massiv Verwendung« fänden 3R-Methoden bei der Suche nach neuen Medikamenten, ergänzt Brune: »Die Pharmaforschung hat sich in den vergangenen 20 Jahren stark verändert. Früher fand die Suche nach neuen Arzneistoffen meist an Tiermodellen der entsprechenden Krankheit statt.« Heute dagegen dienten dazu automatisierte Massentests an Zellkulturen, Rezeptoren, Enzymen oder anderen möglichen Zielstrukturen im Körper. Wichtige Ergänzungen zu diesem sogenannten High-Throughput-Screening stellen Wirkstoffbibliotheken und Computersimulationen dar. »Selbst Untersuchungen auf Nebenwirkungen und Bioverfügbarkeit finden zunehmend an Zellkulturen statt«, sagte Liebsch. So lasse sich mit sogenannten Caco-2-Zellen die Dünndarmbarriere nachahmen, was viele Generikahersteller für die gesetzlich vorgeschriebenen Bioäquivalenztests mit dem Originalpräparat nutzten. »Und meist testen Pharmaunternehmen zunächst an Leberzellen, welche Abbauprodukte aus einem Wirkstoff entstehen.« Grundsätzlich gelangten nur noch Erfolg versprechende Arzneimittelkandidaten zur Testung an Tieren. »So hat die Pharmaindustrie die Zahl der Tierversuche dramatisch reduziert. Während sie 1977 noch mehr als 4,5 Millionen Tiere benötigte, liegt der Verbrauch heutzutage bei jährlich rund 500.000.«

 

Die Umsetzung des 3R-Prinzips rettet aber nicht nur Tierleben. Meist lassen sich die Alternativverfahren zudem deutlich schneller und kostengünstiger durchführen als Tierversuche und womöglich sogar besser auf Menschen übertragen. »Zum Beispiel bildet die Haut von Kaninchen eine schwächere Barriere als die menschliche«, sagte Liebsch. »Denn über die vielen Haarwurzeln dringen chemische Substanzen viel leichter ein als beim Menschen.« Auch andere Beispiele zeigen, dass Tiere nicht immer in gleicher Weise auf Testsubstanzen reagieren wie Menschen. Ein immunologischer Unterschied hätte fast sechs junge, gesunde Männer das Leben gekostet. Sie nahmen 2006 an einer klinischen Phase-1-Studie teil und erlitten wenige Stunden nach Injektion des monoklonalen Antikörpers TGN1412 einen Zytokinsturm, der ein Multiorganversagen bewirkte. Diese Wirkung der Substanz war zuvor in Versuchen an Ratten nicht aufgefallen und ließ sich auch nachträglichen nicht in dieser Spezies nachweisen. Das berichteten der Immunologe Professor Dr. Holger Reichardt vom Universitätsklinikum Göttingen und Kollegen vergangenen April im »Journal of Clinical Investigation«. »Bei der Vorhersage unerwünschter Abwehrreaktionen des menschlichen Immunsystems helfen uns langfristig nur komplexe Kultursysteme menschlicher Zellen weiter«, kommentiert Liebsch.

 

»Bestimmte Wirkungen von Testsubstanzen auf Organsysteme lassen sich allerdings nicht in Zellkulturen erkennen«, sagt Brune, »ebenso wenig wie die Stoffwechselwege und Abbauprodukte im menschlichen Körper.« Auch für gesetzlich vorgeschriebene Langzeituntersuchungen, etwa die Bestimmung der Toxizität über 90 Tage, eigneten sich Zellkulturen nicht. Daher sagt Brune: »Tierversuche lassen sich wohl nie ganz ersetzen. Doch können Forscher die erforderliche Tierzahl auf das absolute Minimum reduzieren, indem sie Tierversuche geschickt mit Ersatzmethoden kombinieren.« Zudem sollte seiner Ansicht nach jedem Experiment diese Frage vorausgehen: Rechtfertigt die möglicherweise zu gewinnende Erkenntnis tatsächlich das Leid von Tieren?

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