Botulinum-Test mit Mäuse-Stammzellen

Stammzellbasiertes Verfahren kann Tests an Mäusen ersetzen

Um die Qualität des Nervengifts Botulinumtoxin (kurz: Botox) in pharmazeutischen Produkten garantieren zu können, muss die Wirksamkeit zunächst in Test nachgewiesen werden. Dazu waren bislang Tierversuche erforderlich. Nun entwickelten Forscher eine Nachweismethode auf Basis von murinen Stammzellen, also Stammzellen der Maus. Damit ließe sich einerseits viel Tierleid verhindern, andererseits könnten sich auch andere gefährliche Stoffe einfacher nachweisen lassen.

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An Labormäusen wurde bislang die Wirkung des Nervengiftes Botulinumtoxin für die medizinische Anwendung getestet. Ein neues Verfahren basierend auf aus Stammzellen der Maus gezüchteten Nervenzellen könnte Tierversuche überflüssig machen.

 

Das Bakterium Clostridium botulinum produziert das Nervengift Botulinumtoxin. Es ist noch immer unter allen bekannten, natürlich vorkommenden Toxinen das Stärkste. Wird es jedoch sehr stark verdünnt und in kleinen Dosen eingesetzt, kann es für therapeutische Zwecke genutzt werden, denn es verursacht lokale Lähmungen. Mit Botox werden heute Formen der Distonie (Bewegungsstörungen), chronische Schmerzen, Kopfschmerzen, starkes Schielen oder übermäßige Schweißbildung behandelt. In den letzten Jahrzehnten stieg der Einsatz von Botox vor allem für ästhetische Behandlungen stark an. Als Faltenkiller ist das Nervengift ein wahrer Renner.

 

Gleichbleibende Qualität des von Bakterien produzierten Botulinumtoxins muss für medizinische Anwendungen gewährleistet werden

Bakterien stellen Botulinumtoxin her. Es ist somit eine ganz natürliche Substanz, die allerdings sowohl in ihrer Konzentration als auch in der Wirkung des Giftes stark variieren kann. Jedoch muss gerade in pharmazeutischen Produkten eine gleichbleibende Qualität gewährleistet sein. Präparate auf Basis von Botulinumtoxin werden von den nationalen Gesundheitsbehörden als Arzneimittel zugelassen. Allein schon deswegen muss jedes Endprodukt aufwändige Tests durchlaufen, um die größtmögliche Patientensicherheit zu garantieren.

Für die Tests, wie stark das Botulinumtoxin ist, kamen bislang hauptsächlich Mäuse zum Einsatz. Das Testverfahren nennt sich Mouse Bioassay (MBA) und wurde in den 1920er Jahren entwickelt. Dabei werden den Mäusen verschieden starke Konzentrationen des Nervengiftes verabreicht und die einsetzenden Lähmungserscheinungen über vier Tage hinweg beobachtet.

Die steigende Nachfrage nach Botox lässt auch die Anzahl der erforderlichen Tests in die Höhe schnellen. Experten schätzen, dass allein in den USA und Europa jährlich 600.000 Mäuse das Testverfahren über sich ergehen lassen müssen. Das Leid der Tiere löst nicht nur bei Tierschützern große ethische Bedenken aus. Wissenschaftler suchen daher nach Alternativen, diese MBA-Tests an Mäusen zu ersetzen.

 

Multi-Elektroden-Arrays gekoppelt mit aus Stammzellen gezüchteten Nervenzellen könnten eine Alternative sein

Nun scheint ein wichtiger Durchbruch gelungen zu sein, wie Forscher des Instituts für Infektionskrankheiten an der Universität Bern berichten. Gemeinsam mit dem Labor Spiez des Bundesamtes für Bevölkerungsschutz entwickelten sie eine vielversprechende Alternative.

Sie setzen dabei auf sogenannte Multi-Elektroden-Arrays (MEA). Diese sind in der Lage, die Aktivität von Nervenzellen zu messen. Im nächsten Schritt gelang es, aus embryonalen Stammzellen murinen Ursprungs in vitro Nervenzellen zu züchten und diese auf den MEA-Chips anzusiedeln. Die angelegten Kulturen bilden funktionale Netzwerke, die aus einer heterogenen Mischung aus signalübertragenden und signalunterdrückenden Nervenzellen bestehen.

Wurden die MEA-Chips nun einer 24-stündigen Behandlung mit Botox ausgesetzt, erlosch die Signalübermittlung in den Zellen völlig. Die Folge: Ein totaler Stillstand, d. h. keine Nervenimpulse konnten mehr gemessen werden.

Die Forscher haben nun eine auf Stammzellen basierende Methode zur Hand, die einerseits nachweislich physiologisch relevante Messergebnisse liefert. Andererseits kann damit nicht nur der Nachweis des  Botulinumtoxins erfolgen, sondern auch andere Nervengifte mit ähnlicher Struktur können entsprechend auf Konzentration und Wirksamkeit untersucht werden.

 

Der neue stammzellbasierte Test hat großes Potenzial

Die biologische Aktivität von Botulinumtoxin in pharmazeutischen Präparaten nachzuweisen, gestaltet sich sehr schwierig, denn es gibt einen mehrstufigen Prozess der zellulären Vergiftung. Die Potenz des Toxins ist sehr hoch. Bisherigen zellbasierten Tests gelang der Nachweis von Botulinumtoxin zwar auch schon, doch benötigten sie aufwendige Schritte, um die Bestätigung zu erbringen. Die zusätzlichen Hilfsmittel verursachten nicht nur Kosten. Sie brauchten außerdem Zeit und verlängerten somit die Testdauer. Als Alternative zu Tierversuchen waren sie bisher nur bedingt geeignet.

Experten brachten zusätzlich noch einen weiteren Kritikpunkt an den Tests an. Mit ihrer Hilfe ließ sich nicht die neuronale Aktivität während der Botulinumtoxin-Behandlung über die Zeit hinweg beobachten.

Die MEA-Aufnahmetechniken ermöglichen es jetzt jedoch, die neuronale Aktivität der kultivierten, stammzellbasierten Nervenzellen auf den Chips nicht-invasiv zu überwachen. Die Forscher sehen neben dem Ersatz der Tierversuche noch ein weiteres Anwendungsfeld: Bei sogenannten Hochdurchsatz-Screenings könnten die MEAs helfen, andere neuroaktive Substanzen aufzuspüren. Der Einsatz der Chips ist recht günstig, denn für die Handhabung der MEAs wird kein hochqualifiziertes Personal benötigt.

 

Weitere Optimierung des neuen Testverfahrens angestrebt

Die neue Methode weist bereits jetzt schon eine sehr hohe Empfindlichkeit auf und kann das Botulinumtoxin bis zu einer Verdünnung von einem Pikomolar nachweisen. Zur Verdeutlichung: Ein Molar enthält 1.000.000.000.000 Pikolmolar. Es handelt sich also um eine milliardstel Verdünnung. Die Wissenschaftler wünschen sich jedoch eine noch größere Empfindlichkeit und wollen daher die MEAs weiter optimieren. Bereits heute kann der Test, die Anzahl von Tierversuchen reduzieren. In Zukunft ließen sich mit ihm weitere Nervengifte und neuroaktive Substanzen nachweisen, die Effekte auf die synaptische Übertragung haben.

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