Weniger Versuchstiere Muskelzellforschung mit neuer Anwendung der Genschere

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Für bestimmte Forschungsfragen kommt man bis heute nicht um Tierversuche herum. Eine neue Methode mit Einsatz der Genschere CRISPR/Cas9 soll nun die Zahl der benötigten Versuchstiere für die Muskelzellforschung reduzieren und zugleich schnellere Ergebnisse liefern.

Wissenschaftler benötigen noch immer Versuchstiere für bestimmte Forschungsfragen. Sie nutzen etwa Mäuse als Modellorganismen, um die Struktur und Funktion der Skelettmuskulatur, neuromuskulären Erkrankungen sowie Alterungsprozesse im Muskel zu erforschen. Solche Experimente finden aber nicht leichtfertig statt, sondern unter Einhaltung des so genannten 3R-Prinzips – Replacement, Reduction, Refinement – dem sich auch die Wissenschaftler an der Universität Basel verpflichtet haben.

Nun ist einem Team um Prof. Dr. Markus Rüegg am Biozentrum der Universität Basel ein weiterer Schritt gelungen, um die Zahl der Versuchstiere zu reduzieren. Für die Forschung eröffnet die neu entwickelte Methode Wege, um schnell, kostenreduziert und effizient mehrere Gene gleichzeitig oder sogar ganze Signalwege in Muskelfasern zu untersuchen.

Einsatz der Genschere CRISPR/Cas9

Die Untersuchung von Genen im Muskel birgt einige Herausforderungen. Zum einen sind Muskelfasern sehr groß und leicht zerbrechlich, wenn man sie isoliert. Zum anderen können sie im Menschen bis zu einem halben Meter lang sein und tausende von Zellkernen beinhalten. Möchte man die Gene in diesen Zellkernen verändern und untersuchen, müssen dazu alle Zellkerne verändert werden.

Seit einigen Jahren Nutzen Wissenschaftler für solche Untersuchungen die CRISPR/Cas9-Methode. Dabei wird mithilfe eines Virus das so genannte Cas9-Protein sowie eine speziell designte Guide-RNA in den Organismus und damit in die Zellkerne eingeschleust. Das Cas9-Protein sorgt dafür, dass das Erbgut der Zellkerne an der von der Guide-RNA erkannten Stelle zerschnitten und verändert wird. Diese Kombination aus Cas9-Protein und Guide-RNA ermöglicht es, die Funktion von Genen zu verändern.

Genetisches Mosaik in Labormäusen

Dutzende Genveränderungen gleichzeitig untersuchen

Speziell gezüchtete Mäuse sind der Schlüssel

Damit das Virus aber nur die Zellkerne der Muskelfasern verändert und nicht auch die Zellkerne anderer Organe, hat das Forschungsteam die CRISPR/Cas9-Methode mit einer weiteren Methode kombiniert: Zunächst gelang es den Forschenden Mäuse zu züchten, in deren Muskelzellen das Cas9-Protein bereits vorhanden ist – und zwar nur in Muskelzellen, nirgends sonst. Anschließend schleusten sie die gewünschte Guide-RNA in den Organismus ein, indem sie ein Adeno-assoziiertes Virus nutzten, das speziell die Muskelzellen befällt.

Diese Kombination führt dazu, dass die Guide-RNA in den Muskelfasern auf das Cas9-Protein trifft und das Erbgut wie gewünscht verändert wird. „Die Methode ermöglicht uns, dass tatsächlich nur die Muskelfasern ihr Erbgut verändern“, sagt Erstautor Marco Thürkauf.

Weniger Versuchstiere und effizientere Resultate

Da das Adeno-assoziierte Virus auch mehrere Guide-RNA-Stränge gleichzeitig transportieren kann, lässt sich mit der neuen Methode nun die Funktion mehrerer Gene gleichzeitig erforschen, sogar vollständige Signalwege in Muskelfasern können untersucht werden. Zudem reduziert die Methode die Anzahl der Tiere, die für einen Versuch benötigt werden, deutlich, wie die Forscher betonen. „Alle eingesetzten Tiere sind zur Untersuchung der Gene geeignet und müssen nicht erst über Jahre gezüchtet werden. So können die Muskelfasern und neuromuskuläre Erkrankungen erforscht werden, ohne dass eine Vielzahl von Mäusen zum Einsatz kommen“, führt Thürkauf aus.

Andere Forschungsgruppen haben bereits ihr Interesse signalisiert. „Wir haben schon jetzt mehrere interessierte Gruppen in unserer Forschungsgemeinschaft, die unsere Methode gerne einsetzen würden“ sagt Gruppenleiter Rüegg. „Das ist sowohl für die Muskelforschung an sich als auch für unser Ziel, Tierversuche zu reduzieren, ein großer Gewinn.

Originalpublikation: Marco Thürkauf, Shuo Lin, Filippo Oliveri, Dirk Grimm, Randall J. Platt & Markus A. Rüegg: Fast, multiplexable and efficient somatic gene deletions in adult mouse skeletal muscle fibers using AAV-CRISPR/Cas9, Nature Communications 14, Article number: 6116 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-41769-7

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