Mit laserbasiertem Abbildungsverfahren Tierversuche vermeiden
21.02.2020 - Neue Methode misst die Wirkung entwicklungsneurotoxischer Chemikalien ohne Versuche an Säugetieren.
Das Gehirn von Säuglingen reagiert empfindlicher auf Chemikalien als das erwachsener Menschen. Daher können Industriechemikalien, Pflanzenschutzmittel, Inhaltsstoffe von Kosmetika oder Arzneimittel das sich entwickelnde Nervensystem während der Schwangerschaft oder auch nach der Geburt schädigen. Die Anzahl bisher untersuchter Chemikalien ist gering, da die erforderlichen Testverfahren sehr aufwändig sind und eine hohe Anzahl von Tierversuchen mit Labornagern erfordern. Ein Zellkulturtest würde Zeit sparen, kostengünstiger sein – und viel wichtiger: Tierversuche ersetzen. Forscher der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover und des Laser-Zentrums Hannover haben ein bildgebendes Verfahren entwickelt, mit dem chemische Substanzen am Insektenembryo der Wanderheuschrecke auf eine entwicklungsneurotoxikologische Wirkung getestet werden können.
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Abb.: 3D-Ansicht der Pionierneuronen in den Extremitätenknospen. In Rot dargestellt ist ein Paar parallel verlaufender Ti1-Pionierneuronen. Die beiden Zellkörper scheinen verschmolzen zu sein. (Bild: TiHo Hannover)
Ein essenzieller Aspekt der Gehirnentwicklung ist die präzise Verknüpfung zwischen den Nervenzellen. Das Testsystem erfasst, nachdem eine Chemikalie zugefügt wurde, die Störungen der neuronalen Verschaltung von Pionieraxonen zum zentralen Nervensystem. Pionieraxone sind im sich entwickelnden Organismus die Nervenzellen, die die ersten Zellfortsätze ausbilden. Die auswachsenden Zellfortsätze dieser Pionierneuronen bahnen sich entlang von Wegweisermolekülen ihren Weg zum zentralen Nervensystem. „Die zellulären Mechanismen dieser Navigation neuronaler Fortsätze sind zwischen wirbellosen Tieren und der Hirnrinde von Säugetieren während der Evolution nicht verändert worden“, erläutert Gerd Bicker von der TiHo Hannover. „Daher erlaubt die Sensitivität auf gefährliche Chemikalien im Insektenembryo-Test auch Aussagen über die Entwicklungsneurotoxizität beim Menschen.“
Bicker und seine Kollegen haben die anatomische Form der Pionierneuronen dreidimensional visualisiert und exakt vermessen. Dazu haben sie Embryos der Heuschrecken mit dem CRISTAL-Verfahren optisch durchsichtig gemacht und stabil eingebettet. Die Bildgebung erfolgte mit der Scanning Laser Optical Tomography, einer in der Abteilung für industrielle und biomedizinische Optik des LZH entwickelten Methode, bei der ein transparentes Objekt mit einem Laserstrahl abgerastert und das entstandene Fluoreszenzlicht von einem hochempfindlichen Photodetektor erfasst wird.
Ein Algorithmus aus der medizinischen Röntgencomputertomographie errechnet dann das 3D-Bild. Anschließend können die Wissenschaftler die Pionierneuronen durch eine digitale Bildanalyse mit einem halbautomatischen Segmentierungsverfahren darstellen und in ihrer Wuchsform vermessen. So identifizierte das Segmentierungsverfahren beispielsweise die Testsubstanzen Methylquecksilber oder Natriumarsenit in Übereinstimmung mit epidemiologischen Daten und Tierversuchen als entwicklungsneurotoxisch. „Jetzt validieren wir den Insektenembryo-Test mit einem Trainingsset von bekannten entwicklungsneurotoxischen und Kontroll-Substanzen auf seine zuverlässige Aussagekraft“, erklärt Bicker.
TiHo Hannover / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
K. Bode et al.: Scanning laser optical tomography resolves developmental neurotoxic effects on pioneer neurons, Sci. Rep. 10, 2641 (2020); DOI: 10.1038/s41598-020-59562-7 - AG Zellbiologie (G. Bicker), Institut für Physiologie und Zellbiologie, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
- Abt. für industrielle und biomedizinische Optik, Laser-Zentrum Hannover
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