3Rs in Aktion: Können Organoide belastende Fastenmodelle in der Forschung mit Tieren ersetzen?
Einige Tierversuche – beispielsweise zur Erforschung, wie bestimmte Zellen auf die Verfügbarkeit von Nährstoffen reagieren – erfordern, dass Versuchstiere fasten müssen. Ein durch den AW&3R Grant der Abteilung Tierwohl und 3R gefördertes Pilotprojekt am Department of Molecular Life Sciences der Universität Zürich untersucht, ob intestinale Organoide diese belastenden Tierversuche ersetzen können. Intestinale Organoide sind kleine, dreidimensionale Zellstrukturen aus Stammzellen, die im Labor gezüchtet werden und sich ähnlich wie der Darm verhalten. Sie helfen, Verdauung, Krankheiten und Medikamente zu erforschen – ohne Tierversuche.
Das Verständnis davon, wie Zellen die Proteinproduktion regulieren, ist essenziell für die Forschung zu Gewebefunktion, Stoffwechsel und Krankheiten. Frühere Studien zeigten, dass im Darm der Maus messenger-RNAs, kleine Moleküle, die Bauanleitungen von der DNA zur Zelle bringen und innerhalb der Zellen so positioniert werden, dass dadurch die Proteinherstellung während des Fastens fein abgestimmt werden könnte. Diese Experimente beruhen jedoch darauf, Mäuse während ihrer natürlichen aktiven Fressphase fasten zu lassen – ein physiologisch belastender Eingriff.
Das Ziel eines Projekts unter der Leitung von Prof. Franka Voigt am Department of Molecular Life Sciences der Universität Zürich war es daher, eine im Labor gezüchtete Alternative zu entwickeln, die diese zellulären Reaktionen ohne den Einsatz fastender Tiere nachbilden kann.
Von Tiermodellen zu Organoiden
Organoide sind miniaturisierte Gewebemodelle, die aus Stammzellen gezüchtet werden und zentrale Eigenschaften echter Organe nachbilden. In diesem Projekt konzentrierten sich die Forschenden auf intestinale Organoide, die die Darmschleimhaut imitieren.
Eine grosse Herausforderung bestand darin, dass handelsübliche Standard-Kulturmedien, in denen diese Organoide gezüchtet werden, keine ausreichend ausgereiften Organoide erzeugten, um die Organisation des natürlichen Darmgewebes realistisch abzubilden. Die Zelldifferenzierung blieb unvollständig, wodurch es schwierig zu untersuchen gewesen wäre, wie bestimmte Zelltypen die Proteinproduktion regulieren.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team von Franka Voigt ein optimiertes Kulturmedium mit einer definierten Kombination von Wachstumsfaktoren. Wachstumsfaktoren sind natürliche Stoffe, die Zellen mitteilen, wann sie wachsen, sich teilen oder verändern sollen. Sie steuern, wie sich Zellen entwickeln und heilen.
Wie das System funktioniert
Unter den verbesserten Bedingungen entwickelten die Organoide eine Zellzusammensetzung, die dem natürlichen Darmepithel deutlich näherkam.
Anschliessend nutzten die Forschenden eine Methode namens „clickable puromycin“ (OPP-Markierung), um neu gebildete Proteine sichtbar zu machen und zu messen, wie aktiv die Proteinherstellung ist – also der Prozess, bei dem Zellen Proteine aus RNA produzieren. Das Signal war sehr spezifisch: Es war vorhanden, wenn Puromycin zugesetzt wurde, und deutlich schwächer, wenn die Ribosomen (die „Eiweissfabriken“ der Zelle) medikamentös blockiert wurden.
Ein Hauptergebnis ist, dass die Muster der Proteinproduktion mit Beobachtungen aus Tierstudien übereinstimmten. Eine hohe Aktivität zeigte sich in Bereichen, die an Darmfalten erinnern und viele Stammzellen enthalten, während reifere Zellbereiche eine geringere Aktivität aufwiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass optimierte Organoide wichtige biologische Unterschiede zwischen Zellzuständen nachbilden können, die bisher an Tieren untersucht wurden.
Förderung der 3R-Prinzipien durch Innovation
Das Forschungsprojekt trägt in erster Linie zum Replacement und Reduction-Prinzip der 3R (Replace, Reduce, Refine) bei:
Replacement (Ersetzen):
Organoide bieten ein vielversprechendes Modell zur Untersuchung fastenbedingter zellulärer Reaktionen. Sie ersetzen Tierversuche an lebenden Tieren. Die hier genutzten Organoide wurden aus Mauszellen gezüchtet.
Reduction (Reduzieren):
Besser vorhersagbare In-vitro-Systeme könnten künftig den Bedarf an explorativen Tierstudien verringern.
Eine vielversprechende Grundlage
Weitere Validierungen unter nährstoffreichen und nährstoffarmen Bedingungen sind weiterhin notwendig und die Ergebnisse sind noch vorläufig. Dennoch schafft das Projekt eine wichtige Grundlage dafür, belastende Fastenmodelle durch robuste organoidbasierte Alternativen zu ersetzen.