Die Neurowissenschaften, also die Erforschung des Gehirns und des Nervensystems, gehören zu den Forschungsbereichen in der Schweiz, die in hohem Maße auf Tierversuchen basieren, wie unsere Analyse der Entwicklung der Tierversuchszahlen in den letzten 27 Jahren zeigt.
Mit dem Fortschritt wissenschaftlicher Methoden ergeben sich neue Möglichkeiten, Tierversuche zu ersetzen und die Anzahl der benötigten Tiere zu reduzieren. Von zentraler Bedeutung für diesen Fortschritt ist die Entwicklung von Modellen auf Basis menschlicher Zellen, die sowohl biologische Relevanz als auch einen ethischeren Ansatz für die Erforschung komplexer Hirnerkrankungen bieten.
Im Folgenden stellen wir die neuesten Arbeiten und Fortschritte von drei Forschungsgruppen vor. Gemeinsam zeigen sie, wie neuartige In-vitro-Methoden eingesetzt werden, um wichtige Fragen der öffentlichen Gesundheit zu beantworten, von der Bewertung, ob Umweltchemikalien das sich entwickelnde Gehirn schädigen können, über das Verständnis von neurologischen Entwicklungsstörungen wie ADHS bis hin zur Suche nach besseren Methoden zur Erforschung aggressiver Hirntumoren im Kindesalter.
WUSSTEN SIE SCHON?
Der menschliche Körper besteht aus Billionen winziger Bausteine, die als Zellen bezeichnet werden. Verschiedene Zelltypen haben unterschiedliche Aufgaben, vom Transport von Sauerstoff (Blutzellen) bis zur Übertragung von Signalen (Nervenzellen).
Was bedeutet „in vitro“?
In vitro (lateinisch für „im Glas“) bezieht sich auf Experimente, die außerhalb eines lebenden Organismus durchgeführt werden, typischerweise in einem Labor. Diese Methoden ermöglichen es Forschern, biologische Prozesse unter kontrollierten Bedingungen anhand von Zellen und Geweben zu untersuchen.
Sind Sie mit den -oids vertraut?
Sphäroide, Tumoroide und Organoide sind winzige dreidimensionale Zellklumpen, die im Labor aus menschlichen (oder nicht-menschlichen) Zellen künstlich gezüchtet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen flachen Zellkulturen ahmen diese 3D-Modelle die Architektur und die Zell-Zell-Interaktionen in lebendem menschlichem Gewebe besser nach. Sie reichen von einfacheren, leichter herzustellenden Modellen (Sphäroiden) ohne räumliche Differenzierung bis hin zu komplexeren Strukturen, die funktionelle Teile von Organen (Organoide) genauer nachahmen.
- Sphäroide sind sich selbst organisierende Zellverbände, die die Struktur und Funktion kleiner Gewebeteile, beispielsweise eines Teils des Gehirns, nachbilden.
- Tumoroide werden direkt aus der Tumorprobe eines Patienten gezüchtet, wobei die zelluläre Vielfalt und die Eigenschaften des ursprünglichen Krebses erhalten bleiben.
- Organoide sind vereinfachte Versionen funktioneller Teile von Organen, die häufig aus Stammzellen (Zellen, die sich zu vielen verschiedenen Zelltypen entwickeln können) gezüchtet werden und Wissenschaftlern die Untersuchung der menschlichen Entwicklung und von Krankheiten ermöglichen.
Durch die Bereitstellung neuer, für den Menschen relevanter Technologien, die es Forschern ermöglichen, spezifische Fragen zur menschlichen Biologie zu untersuchen, unterstützen diese Modelle den Ersatz von Tierversuchen und die Reduzierung der Tierzahlen in der biomedizinischen Forschung.
Ersatz für Tierversuche bei der Prüfung von Chemikalien auf ihre Auswirkungen auf die Gehirnentwicklung
Forschung unter der Leitung von Dr. David Pamies, Leiter der Abteilung für Stammzellen und Organoide an der Universität Lausanne.
Es gibt substanzielle Hinweise darauf, dass Chemikalien in unserer Umwelt die Entwicklung des Gehirns beeinträchtigen können, insbesondere während der Entwicklungsphase vom frühen Stadium der Schwangerschaft bis zum Alter von etwa 25 Jahren. Dennoch wurde die überwiegende Mehrheit der im Handel erhältlichen Chemikalien nie auf diese Auswirkungen getestet.
Warum? Herkömmliche Tests zur Entwicklungsneurotoxizität (Schädigung des sich entwickelnden Gehirns) erfordern eine große Anzahl von Tieren und erhebliche Ressourcen. Dies stellt für viele Chemikalien ein großes Hindernis für routinemäßige Sicherheitstests dar.
Die Herausforderung
Es gibt erhebliche Bestrebungen seitens der Aufsichtsbehörden wie der EFSA (Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit), der EPA (US-Umweltschutzbehörde) und der OECD (Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung), neue alternative Methoden (NAMs) einzuführen . Dabei handelt es sich um ergänzende Ansätze zur Verwendung von Tieren in der Forschung, darunter Methoden wie Organ-on-a-Chip (kleine Geräte mit Kanälen, durch die Flüssigkeiten an menschlichen Zellen vorbeifließen und so Aspekte von Organen simulieren), die Verwendung von -oiden und Computermodelle.
Der 3R-Ansatz
Dr. Pamies und sein Team haben menschliche Gehirn-Sphäroide entwickelt, winzige 3D-Mikrogewebe, die aus menschlichen Stammzellen gewonnen werden. Nach acht Wochen Entwicklung im Labor enthalten diese Sphäroide drei wichtige Arten von Gehirnzellen:
- Neuronen, die elektrische Signale übertragen
- Astrozyten, die Neuronen unterstützen und schützen
- Oligodendrozyten, die Myelin produzieren (die isolierende Schicht, die dazu beiträgt, dass Signale schneller entlang der Nervenfasern übertragen werden)
Das Vorhandensein von Myelin ist besonders wichtig. Die Myelinisierung, also der Prozess der Bildung dieser isolierenden Schicht, ist ein entscheidender Teil der Gehirnentwicklung. Während Tiere Myelin auf natürliche Weise produzieren, ist die Nachbildung von Myelin in vitro in Zellkulturmodellen technisch schwierig, was es erschwert, ohne Tierversuche zu testen, ob Chemikalien die Myelinisierung beeinflussen.
In diesem sphäroidalen Modell können Forscher Gehirnzellen Chemikalien in definierten Konzentrationen aussetzen und unter kontrollierten Bedingungen die Auswirkungen auf die Gesundheit, Funktion und Myelinisierung der Zellen messen.
Relevanz der 3Rs
Während die Aufsichtsbehörden eine Reihe von Labortests vorgeschlagen haben, um zu beurteilen, ob Chemikalien die Gehirnentwicklung schädigen, fehlt noch immer eine zuverlässige Methode, um die Auswirkungen auf die Myelinisierung zu testen. Das Sphäroidmodell des Teams von Dr. Pamies, das Myelin produziert, hilft, diese Lücke zu schließen.
Sphäroide des menschlichen Gehirns unterstützen die Reduktion, indem sie eine Alternative bieten, mit der viele Chemikalien mit weniger Tieren untersucht werden können. Diese Sphäroide sind besonders wertvoll für Ersatzansätze in der Forschung zur Entwicklungsneurotoxizität, wo Unterschiede zwischen den Arten hinsichtlich des Zeitpunkts und der Prozesse der Gehirnentwicklung, wie beispielsweise der Myelinisierung, die Übertragung von Erkenntnissen aus Tierversuchen auf den Menschen erschweren können.
Ersatz für Tierversuche in der Hirntumorforschung bei Kindern
Forschung durchgeführt von Prof. Dr. med. Javad Nazarian, Professor an der Universität Zürich, Leiter des DIPG/DMG-Forschungszentrums am Universitätsspital Zürich.
Die Herausforderung
Das diffuse Mittelliniengliom (DMG) ist eine hochaggressive Form von Hirntumor, von der vor allem Kinder im Alter zwischen 5 und 9 Jahren betroffen sind. Da der Tumor im Hirnstamm (dem Teil des Gehirns, der lebenswichtige Funktionen wie Atmung und Herzfrequenz steuert) wächst, ist eine operative Entfernung nicht möglich.
Herkömmliche Ansätze basieren auf der Analyse einer einzigen Tumorprobe, wobei deren DNA auf Mutationen (Veränderungen in der DNA) untersucht wird, die mit bestimmten Medikamenten behandelt werden könnten, um die Behandlung zu steuern. Diese Tumore verändern sich jedoch schnell. Innerhalb weniger Monate können sich diese Mutationen dramatisch verändern, was bedeutet, dass Behandlungsentscheidungen, die auf der ersten Probe basieren, möglicherweise nicht mehr wirksam sind. Die Entwicklung von Laborzelllinien für Arzneimitteltests mit traditionellen Methoden dauert 8 bis 10 Wochen, und vielversprechende Medikamente werden dann in der Regel in Tiermodellen getestet, indem Tumorzellen in Mäuse implantiert werden (Xenotransplantate). Dieser Prozess ist oft zu spät, um klinische Entscheidungen für Patienten zu treffen, die nur noch begrenzt Zeit haben.
Der 3R-Ansatz
Um dieses Problem anzugehen, entwickelt die Gruppe um Dr. Nazarian aus kleinen Proben, die während der Operation entnommen wurden, patientenspezifische Tumoroide und Organoide. Diese 3D-Minitumoren behalten die wichtigsten Merkmale des ursprünglichen Krebses bei, darunter die Zusammensetzung der Zelltypen und ihre Wachstumsgeschwindigkeit. Innerhalb von zwei bis vier Wochen können die Forscher viele Medikamente oder Kombinationen parallel an den Zellen desselben Patienten testen und beobachten, wie der Tumor darauf reagiert. Sie verwenden auch mikrofluidische Geräte (kleine Plattformen, die winzige Flüssigkeitsmengen verarbeiten und eine präzise Kontrolle über die Zellumgebung ermöglichen), mit denen Patientenzellen als Sphäroide gezüchtet werden . Mit diesen Geräten können Forscher in Echtzeit visuell beobachten, wie die Zellen auf Medikamente reagieren. Dies beschleunigt den Prozess von der Entnahme der Tumorprobe bis zur Behandlungsempfehlung erheblich.
Relevanz der 3Rs
Von Patienten stammende Tumoroide und Organoide unterstützen den Ersatz und die Reduzierung, indem sie ein auf dem Menschen basierendes Modell bieten, mit dem sich frühe Forschungsfragen beantworten lassen, ohne sofort Tiere einsetzen zu müssen. Selbst wenn Tierversuche weiterhin erforderlich sein sollten, können die mit diesem Modell gewonnenen Tumoroid-Daten dabei helfen, die vielversprechendsten Behandlungsoptionen einzugrenzen, sodass in Folgeversuchen weniger Tiere verwendet werden müssen.
Ersatz für Tierversuche in der ADHS-Forschung
Forschung durchgeführt von Prof. Dr. Edna Grünblatt, Professorin an der Universität Zürich, Leiterin der Abteilung für translationale molekulare Psychiatrie am Departement für Kinder- und Jugendpsychiatrie und -psychotherapie, Psychiatrische Universitätsklinik Zürich.
Die Herausforderung
Die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) betrifft etwa 7 % der Bevölkerung und ist durch eine verzögerte Reifung des Gehirns gekennzeichnet.
ADHS wird häufig mit Methylphenidat behandelt, der in Europa am häufigsten angewendeten Therapieform. Bei Menschen ohne ADHS kann Methylphenidat als Psychostimulans wirken und die Aktivität und Wachsamkeit steigern. Bei vielen Menschen mit ADHS hat es jedoch den gegenteiligen Effekt auf das Verhalten, verbessert die Konzentration und reduziert Hyperaktivität. Dieser offensichtliche Widerspruch wirft Fragen darüber auf, wie sich ADHS-Gehirne auf zellulärer Ebene unterscheiden und wie Methylphenidat in diesem Zusammenhang wirkt.
Um diese Fragen zu untersuchen, benötigen Forscher Modelle, die die Entwicklung und Genetik des menschlichen Gehirns genauer widerspiegeln, als dies allein mit traditionellen Tierversuchen möglich ist.
Der 3R-Ansatz
Die Gruppe um Prof. Grünblatt verwendet induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die von Patienten und gesunden Kontrollpersonen entnommen und im Labor in einen frühen Entwicklungszustand zurückversetzt werden, aus dem sie zu bestimmten Zelltypen heranwachsen können. Aus diesen iPSCs erzeugt das Team patientenspezifische neurale Stammzellen und kortikale Neuronen (Gehirnzellen aus der äußeren Schicht des Gehirns).
Dieser Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, Gehirnzellen von einzelnen Patienten mit ADHS direkt im Labor mit denen gesunder Kontrollpersonen zu vergleichen.
Das Team beobachtete Veränderungen im Wnt-Signalweg in den Zellen von ADHS-Patienten. Ein Signalweg ist eine Reihe molekularer Ereignisse, die das Verhalten von Zellen steuern. In diesem Fall spielt der Wnt-Signalweg eine zentrale Rolle dabei, wie Gehirnzellen wachsen, sich teilen, spezialisieren und Verbindungen bilden.
Vorläufige Ergebnisse zeigten, dass Methylphenidat die Proliferation (Teilung) und Differenzierung (Reifung zu Neuronen) neuronaler Stammzellen beeinflusst. In den Zellen von ADHS-Patienten erhöhte Methylphenidat die Zellproliferation im Vergleich zu unbehandelten ADHS-Zellen. In den gesunden Kontrollzellen wurden keine Veränderungen beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass der Wnt-Signalweg dazu beiträgt, wie Methylphenidat die Zellen von ADHS-Patienten beeinflusst, obwohl weitere Untersuchungen erforderlich sind, um den Mechanismus vollständig aufzuklären.
Relevanz der 3Rs
Durch die Verwendung menschlicher, patientenspezifischer Zellen in einer Petrischale verkörpert diese Forschung das Prinzip der Ersetzung und Reduzierung. Da ADHS einzigartige menschliche Eigenschaften betrifft, können Tierversuche den Bedarf, diese Störung zu untersuchen und neue Behandlungsansätze zu identifizieren, nicht vollständig abdecken.
Diese Forschungsprojekte veranschaulichen den derzeitigen Wandel in der Durchführung neurowissenschaftlicher Forschung. Nicht-tierische Methoden am Menschen sind nicht mehr nur vielversprechende Ideen: Sie werden aktiv weiterentwickelt und angewendet, um wichtige Fragen zur Gesundheit und zu Erkrankungen des Gehirns zu beantworten. Dieser Fortschritt zeigt, dass die 3Rs als Leitprinzipien zunehmend in die Praxis umgesetzt werden. Mit zunehmender Reife dieser Ansätze ebnen sie den Weg für eine Zukunft der Neurowissenschaften, die sowohl ein effektiveres Verständnis des Gehirns als auch mehr Humanität verspricht.
Dieser Artikel basiert auf Forschungsergebnissen, die im Rahmen des Schweizer 3RCC-Webinars „Replacement in Neuroscience”(Ersatz in den Neurowissenschaften) am 13. November 2025 vorgestellt wurden.