Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Maus-Stammzellen auf Chip könnten Tierversuche ersetzen

28.02.2017

Forschende des Instituts für Infektionskrankheiten der Universität Bern haben auf einem Chip einen Test entwickelt, der auf Maus-Stammzellen basiert und fähig ist, das Nervengift Botulinum nachzuweisen. Bisher benötigte man dafür hauptsächlich Tierversuche. Der neue Test könnte nun einerseits diese Tierversuche reduzieren und andererseits dazu dienen, weitere gefährliche Stoffe nachzuweisen.

Das Nervengift Botulinumtoxin, auch unter dem handelsüblichen Namen Botox® bekannt, wird vom Bakterium Clostridium botulinum produziert und ist von allen heute bekannten natürlich vorkommenden Toxinen das stärkste.


Neuronen, die auf einem MEA gewachsen sind und ein Netzwerk gebildet haben (grün). Die einzelnen Elektroden der MEA sind mit weissen Quadraten hervorgehoben.

Stephen Jenkinson, Institut für Infektionskrankheiten.


Vergrösserung der neuronalen Kultur. Die gelben und roten Punkte zeigen die «Angriffspunkte» des Botulinumtoxins (Rezeptoren), an denen es andockt, um in die Nervenzelle zu gelangen.

Stephen Jenkinson, Institut für Infektionskrankheiten.

In kleinen Dosen eingesetzt, verursacht es eine lokale Lähmung, was für die Behandlung von zahlreichen Krankheiten genutzt werden kann, zum Beispiel für verschiedene Formen der Distonie (Überdehnung von Organen), chronische Schmerzen, Kopfschmerzen, übermässige Schweissbildung oder starkes Schielen. Am häufigsten wird es gegenwärtig jedoch für ästhetische Behandlungen eingesetzt, um etwa Zornesfalten zu mindern. Diese Art der Verwendung ist in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen.

Da das Botulinumtoxin von Bakterien hergestellt wird und somit eine natürliche Substanz ist, können sowohl die Konzentration als auch die Aktivität des Toxins in pharmazeutischen Produkten stark variieren. Da diese pharmazeutischen Präparate bei den nationalen Gesundheitsbehörden als Arzneimittel zugelassen sind, muss jedes Endprodukt getestet werden, um die Patientensicherheit zu gewährleisten.

Bislang wurden hauptsächlich Mäuse eingesetzt, um die Stärke von biologisch aktivem Botulinumtoxin zu testen. In einem sogenannten Mouse Bioassay (MBA), der in den 1920er Jahren eingeführt wurde, werden den Mäusen unterschiedliche Konzentrationen des Botulinomtoxin injiziert und Lähmungserscheinungen über 4 Tage beobachtet.

Auf Grund der enormen Nachfrage nach pharmazeutischen Mitteln, die Botulinumtoxin enthalten, gehen Schätzungen von rund 600'000 Mäusen aus, die jährlich in den USA und Europa für diese Tests eingesetzt werden. Die grosse Anzahl der Tiere und ihr Leiden rufen grosse ethische Bedenken hervor. Daher wird intensiv nach einer Möglichkeit gesucht, diese MBA zu ersetzen.

Nun gibt es eine vielversprechende Alternative, die von Stephen Jenkinson, einem Doktoranden im Labor von Prof. Stephen Leib am Institut für Infektionskrankheiten der Universität Bern, und in Zusammenarbeit mit dem Labor Spiez des Bundesamts für Bevölkerungsschutz, entwickelt wurde.

Nervenzellen gezüchtet

In ihrer Studie setzten die Forscher sogenannte Multielektrodenarrays (MEA) ein, mit denen die elektrische Aktivität von Nervenzellen gemessen werden kann. Dabei gelang es ihnen,

aus embryonalen Stammzellen von Mäusen in vitro (ausserhalb des lebenden Organismus) Nervenzellen auf den MEA-Chips zu züchten. Diese Kulturen bildeten funktionale Netzwerke mit einer heterogenen Mischung aus signalübertragenden und signalunterdrückenden Nervenzellen. Nach einer 24-stündigen Behandlung mit Botox® kam es zu einem totalen Stillstand der Signalübermittlung in den Zellen. Damit haben die Forscher eine physiologisch relevante, zellbasierte Methode geschaffen, um das Botulinumtoxin und ähnlich strukturierte Nervengifte nachzuweisen.

«Der Nachweis der biologischen Aktivität des Botulinumtoxin in pharmazeutischen Präparaten ist sehr schwierig, da es einen mehrstufigen Mechanismus der zellulären Vergiftung gibt und das Toxin sehr potent ist», sagt Stephen Jenkinson, Erstautor der Studie. Bisherige Methoden konnten zwar ebenfalls mittels zellbasierten Tests das Botulinumtoxin nachweisen und somit als Alternative zu Tierversuchen dienen. Die meisten dieser Tests benötigen jedoch aufwendige Schritte, um das Nervengift nachzuweisen. Da sie auch zusätzliche Hilfsmittel brauchen dauern die Tests dadurch länger. «Mit diesen Methoden war es zudem nicht möglich, die neuronale Aktivität während einer Behandlung mit Botulinumtoxin kontinuierlich zu beobachten», erklärt Stephen Leib.

Einfach einzusetzen und ausbaufähig

Der Hauptvorteil der neuen Methode laut den Forschenden ist, dass durch das Kultivieren von stammzellbasierten Nervenzellen auf MEAsTierversuche überflüssig werden könnten. Ausserdem ermöglichen es die MEA-Aufnahmetechniken, die neuronale Aktivität laufend und nicht-invasiv zu beobachten. Dieser neue Ansatz kann laut den Forschern auch eingesetzt werden, um in sogenannten Hochdurchsatz-Screenings das Aufspüren von anderen neuroaktiven Substanzen zu ermöglichen. «Ein weiterer Vorteil unserer Methode ist, dass im Handel erhältliche MEA-Chips einfach zu handhaben sind und es dafür kein hochqualifiziertes Personal braucht», sagt Jenkinson.

Obwohl die neue Methode eine hohe Empfindlichkeit aufweist und das Botulinumtoxin bis hinunter zu einem Pikomolar (einem Billionstel Molar) nachgewiesen werden kann, braucht es weitere Untersuchungen, um die Empfindlichkeit noch weiter zu erhöhen. Dennoch sind Stephen Jenkinson und Stephen Leib überzeugt, dass der neue Test ein hohes Potenzial hat, Tierversuche zu reduzieren. Zudem kann er ausgeweitet werden, um weitere neuroaktive Substanzen, die einen Effekt auf die synaptische Übertragung haben, nachzuweisen. Die Studie wurde nun im Journal «Frontiers in Pharmacology» publiziert.


Publikationsangaben:

Jenkinson, S.P., Grandgirard, D., Heidemann, M., Tscherter, A., Avondet, M.-A., and Leib, S.L. (2017): Embryonic Stem Cell-Derived Neurons Grown on Multi-Electrode Arrays as a Novel In vitro Bioassay for the Detection of Clostridium botulinum Neurotoxins. Frontiers in Pharmacology 8(73). doi: 10.3389/fphar.2017.00073.

Weitere Informationen:

http://www.unibe.ch/aktuell/medien/media_relations/medienmitteilungen/2017/medie...

Nathalie Matter | Universität Bern

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen
20.11.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Wie sich ein Kristall in Wasser löst
20.11.2018 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

Max-Planck-Forscher entdecken die Nanostruktur von molekularen Zügen und den Grund für reibungslosen Transport in den „Antennen der Zelle“

Eine Zelle bewegt sich ständig umher, tastet ihre Umgebung ab und sendet Signale an andere Zellen. Das ist wichtig, damit eine Zelle richtig funktionieren kann.

Im Focus: Nonstop Tranport of Cargo in Nanomachines

Max Planck researchers revel the nano-structure of molecular trains and the reason for smooth transport in cellular antennas.

Moving around, sensing the extracellular environment, and signaling to other cells are important for a cell to function properly. Responsible for those tasks...

Im Focus: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Für eine neue Generation organischer Leuchtdioden: Uni Bayreuth koordiniert EU-Forschungsnetzwerk

20.11.2018 | Förderungen Preise

Nonstop-Transport von Frachten in Nanomaschinen

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie sich ein Kristall in Wasser löst

20.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics