Neurotoxikologische Gefahrenbewertung Ohne Tierversuche: Testbatterie zur Entwicklungsneurotoxizität

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Manche Substanzen sind für Erwachsene unbedenklich, können bei Babys aber zu Folgeschäden des Nervensystems führen. Die Erfassung der sogenannten Entwicklungsneurotoxizität ist teuer und aufwendig. Nun haben Forscher eine neue Testbatterie entwickelt, die statt Tierversuche kultivierte menschliche Zellen nutzt.

Die Entwicklung unseres Nervensystems im Mutterleib und während der ersten Lebensjahre ist ein komplexer Vorgang: Nervenzellen vermehren sich durch Zellteilung, spezialisieren sich, verändern ihre Position im Gewebe und verknüpfen sich untereinander zu Netzwerken aus unzähligen Zellen. Diese Komplexität macht die Entwicklung des Nervensystems jedoch auch anfällig, zum Beispiel für die schädliche Wirkung von Umweltgiften. Die negativen Folgen für die Funktion des Nervensystems werden dabei häufig erst später offenbar – im Kindes- oder sogar erst im Erwachsenenalter.

Umso erstaunlicher ist, dass weltweit bisher weniger als 200 Substanzen nach den offiziellen Richtlinien der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) auf ihre Entwicklungsneurotoxizität (developmental neurotoxicity; DNT) getestet wurden – trotz einer hohen Relevanz solcher Daten für die Verbrauchersicherheit. Naheliegende Gründe hierfür sind unter anderem die enormen Kosten von wenigstens einer Million Euro pro Substanz für DNT-Studien, die an Tieren durchgeführt werden.

Ebenbürtige Ergebnisse ohne Tierleid

Um bei gleichbleibender oder gar erhöhter Verlässlichkeit den Studienaufwand für die Gefahrenbewertung zu verringern, hat ein internationales Forschungsteam unter Führung von Marcel Leist (Universität Konstanz) und Ellen Fritsche (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) nun eine tierversuchsfreie Testbatterie zur Erfassung der DNT entwickelt und an 120 Substanzen getestet. „Darunter waren einige Stoffe, von denen bekannt ist, dass sie toxisch für das Nervensystem sind, wie bestimmte Pestizide oder Flammschutzmittel. Es waren aber auch als unbedenklich geltende Stoffe als Negativkontrolle dabei“, berichtet Fritsche, Professorin am Leibniz-Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) in Düsseldorf.

Die Ergebnisse der nun veröffentlichten Studie sind äußerst vielversprechend: Sie zeigen, dass die sorgfältig zusammengestellte Testbatterie technisch umsetzbar ist und bereits eine Messempfindlichkeit besitzt, die Tierversuchen ebenbürtig ist. So schlug sie bei über 80 Prozent der bekannten Neurotoxikantien unter den getesteten Substanzen Alarm, jedoch bei keinem der als unbedenklich eingestuften Stoffe, die als Kontrolle dienten. „Wir haben allerdings auch ‚Lücken‘ in unserer Testbatterie entdeckt und nennen in unserem Artikel bereits Möglichkeiten, um welche Testverfahren die Batterie erweitert werden könnte, um diese zu schließen“, ergänzt Jonathan Blum, Erstautor der Studie und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Leist am Fachbereich Biologie der Universität Konstanz.

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Vorteile der neuen Testbatterie

Sämtliche in die Batterie aufgenommenen Testverfahren basieren auf Zellkulturen. Sie finden also nicht am lebenden Organismus statt, sondern „im Reagenzglas“ (in vitro). Mehr noch, alle Tests der Batterie nutzen menschliche Zellen. „Dadurch steigt im Idealfall die Aussagekraft der Testverfahren im Vergleich zum Tierversuch, da die jeweiligen Ergebnisse nicht von einem Tiermodell, wie Maus oder Ratte, auf die für den Menschen relevanten Vorgänge übertragen oder erweitert werden müssen“, erklärt Studienleiterin Fritsche einen der Vorteile der Verwendung menschlicher Zellen.

Weitere allgemeine Vorteile derartiger In-vitro-Verfahren, die gemeinsam mit anderen Alternativmethoden zum klassischen Tierversuch in der Toxikologie als „new approach methods“ (NAMs) bezeichnet werden, sind die vergleichsweise geringen Kosten und die Möglichkeit, in Hochdurchsatzverfahren deutlich mehr Substanzen auf ihre Toxizität zu testen, als dies im selben Zeitraum im Tierversuch möglich wäre. NAMs sind daher ein wichtiger Teil aktueller Konzepte für eine zukunftsfähige Risikobewertung – sowohl von wissenschaftlichen als auch regulatorisch tätigen Stellen.

Anwendung im regulatorischen Kontext

Eine erste konkrete Anwendungsmöglichkeit für ihre Testbatterie sehen die Forscher in deren Verwendung für ein Screening der Vielzahl an Pestiziden und Substanzen aus der Wohn- und Arbeitsumwelt, für die heute nur unzureichende oder gar keine DNT-Daten vorliegen. Tatsächlich gehen auch wichtige internationale Organisationen schon jetzt erste Schritte in Richtung Einbindung und Nutzung der Testbatterie für regulatorische Zwecke – darunter die OECD.

Die Testbatterie könnte beispielsweise bei der Wiederzulassung eines Pestizids in der EU Gefahrendaten für die zu bewertende Substanz liefern, die im besten Fall bereits eine abschließende Beurteilung bezüglich der Entwicklungsneurotoxizität erlauben. „Sind die Daten nicht abschließend aussagekräftig, würde man zusätzliche Tests anschließen, wie die von uns vorgeschlagenen Erweiterungen unserer Testbatterie“, erläutert Erstautor Blum ein mögliches Vorgehen.

Originalpublikation: Jonathan Blum et al.: Establishment of a human cell-based in vitro battery to assess developmental neurotoxicity hazard of chemicals. Chemosphere, Volume 311, Part 2, January 2023; DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.137035

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