Von transgenen Tieren auf den Menschen übertragbare Erkenntnisse

Von der Grundlagenforschung mit Maus-Modellen zu neuen Therapieformen in der Medizin

Gentechnisch veränderte Mäuse werden in der Forschung in Indikationsgebieten wie der Creutzfeldt-Jacob Krankheit, Rinderwahnsinn, Aids und Krebs eingesetzt. Auch bei der Entwicklung neuer Therapien gegen Autoimmunkrankheiten wie juveniler Diabetes oder Multipler Sklerose spielen sie eine wichtige Rolle. Bei Roche kommen sie vorrangig bei der Suche nach Arzneimitteln gegen die Alzheimererkankung zum Einsatz. Mit Zell-, Gewebe- oder Bakterienkulturen sowie Computersimulationen können wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden. Inwieweit sich diese aber für die Medizin umsetzen lassen, zeigt sich erst am lebenden Gesamtorganismus im Zusammenhang mit den biologischen Stoffwechselprozessen. Auch wenn Tiere keine idealen Modelle für die menschlichen Krankheitsbilder verkörpern, so stellen sie doch noch immer die beste Alternative zum Versuch am Menschen dar. Als Versuchstiere werden vorrangig Mäuse verwendet, da sie eine kurze Generationszeit haben und ihr Erbgut bereits gut charakterisiert ist.

1. Zwei Möglichkeiten zur Veränderung des Erbgutes

Unter der Bezeichnung „transgene" Tiere werden im allgemeinen alle gentechnisch veränderten Tiere verstanden. Es existieren zwei grundsätzlich verschiedene Methoden, das Erbgut von Tieren gezielt zu verändern: Durch das Einfügen eines zusätzlichen Gens in den Zellkern einer befruchteten Eizelle entstehen transgene Tiere mit neuen Eigenschaften. Wird dagegen gezielt ein vorhandenes Gen ausgeschaltet, kommen sogenannte Knock-out-Tiere zustande, denen jeweils die durch dieses Gen hervorgerufene Eigenschaft fehlt. Diese Methode lässt sich auch so abwandeln, dass das betreffende Gen nur geringfügig verändert, aber nicht völlig ausgeschaltet wird.

Entwickelt ein Tiermodell eine Krankheit, die jener beim Menschen sehr ähnlich ist, lassen sich Ursachen, Entstehung und Bekämpfungsmechanismen sowie die Wirksamkeit von neuen Arzneimitteln an diesen Tieren nachvollziehen. Da aber für viele schwere Krankheiten kein natürlich vorkommendes Tiermodell existiert, kann in transgenen Tieren gentechnisch eine Erkrankung hervorgerufen werden, die der menschlichen entspricht. Beispiele dafür sind die Alzheimersche Krankheit, die Multiple Sklerose, Diabetes oder Chorea Huntington (Veitstanz), die sich bei der Maus auslösen lassen.
Sowohl die Züchtung als auch die Arbeit mit transgenen Tieren im Rahmen von Versuchen ist in der Schweiz bewilligungspflichtig, es gelten die Bestimmungen des schweizerischen Tierschutzgesetzes. Registrierung und Bewilligung erfolgen durch die kantonalen Tierschutzkommissionen, zu denen auch Vertreter des Tierschutzes gehören.

2. Die zwei Verfahren der Zellkern- und Blastozysten-Injektion

Zur Herstellung gentechnisch veränderter Mäuse kommen üblicherweise zwei Verfahren zur Anwendung: die Mikroinjektion von Genen in die befruchtete Eizelle und die Mikroinjektion genetisch veränderter embryonaler Stammzellen in die Blastozyste. Als Blastozystenstadium wird die Stufe der Embryonalentwicklung bei Mensch und Tier bezeichnet, die nach Abschluss der ersten Zellteilungen erreicht ist, bevor sich der Embryo in die Gebärmutterschleimhaut einnistet.

Die Mikroinjektion in den Vorkern befruchteter Eizellen wurde zu Beginn der achtziger Jahre eingeführt. Wenige Stunden nach der Befruchtung der Eizelle wird eine Lösung, die zahlreiche Kopien des gewünschten Gens enthält, in den mütterlichen oder väterlichen Vorkern injiziert. Daraufhin wird dieses Gen in das Erbgut der Eizelle nach dem Zufallsprinzip eingebaut und bei den folgenden Zellteilungen an die Tochterzellen weitervererbt. Damit sich der entstehende Embryo entwickeln kann, wird die befruchtete Eizelle in eine auf die Schwangerschaft vorbereitete Maus implantiert. Etwa ein Viertel der neugeborenen Mäusen weist das Transgen in seinem Erbgut auf. Die Methode ist auch bei zahlreichen anderen Tierarten wie beispielsweise Ratte, Kaninchen, Schwein, Schaf und Rind angewendet worden.

Für die Mikroinjektion in die Blastozyste werden embryonale Stammzellen verwendet, die dazu in einem Kulturgefäss gezüchtet werden. Sie sind in ihrer Entwicklung noch nicht auf ein bestimmtes Gewebe festgelegt und können sich daher zu allen in der Maus vorkommenden Zelltypen ausdifferenzieren. In diesen Stammzellen wird die gezielte Veränderung eines bestimmten Gens durchgeführt und ausgewählte Zellen, deren Erbgut diese gewünschte Veränderung enthält, in die mehrzellige Blastozyste injiziert und diese anschliessend in ein Empfängertier implantiert. Daraus entstehende Nachkommen sind aus einem Gemisch gentechnisch veränderter als auch normaler Zellen zusammengesetzt. Durch Weiterzucht solcher als Chimären bezeichneten Individuen werden in den nachfolgenden Generationen Tiere erhalten, die die gewünschte genetische Veränderung in der Gesamtheit ihrer Zellen tragen. Im Unterschied zur Mikroinjektion in den Kern einer befruchteten Eizelle können mit dieser Methode vorhandene Gene gezielt ausgeschaltet oder verändert werden. Dieses Verfahren ist bisher nur bei Mäusen gelungen.

3. Weniger Tierversuche mit gezielt erzeugten Mutanten

Die Vielfalt der Lebewesen geht im wesentlichen auf Individuen mit verbesserten Eigenschaften zurück, welche die weniger vorteilhaft ausgestatteten Lebewesen allmählich verdrängten. Die künstliche Selektion derartiger Mutanten hat nicht nur Züchter, sondern auch Wissenschafter beschäftigt, die sich Rückschlüsse von den veränderten Eigenschaften auf die Funktion der Gene erhofften. Wegen der Zufälligkeit spontaner Mutationen, die meist wahllos eines oder wenige der vielen Genen betrafen, stand jedoch zunächst die Beobachtung einer grossen Zahl von Lebewesen im Vordergrund, aus denen dann diejenigen mit Besonderheiten herausgesucht wurden. Aus diesem Grund wurden für genetische Tests vorrangig sich schnell vermehrende Lebewesen, wie Bakterien und Taufliegen verwendet und dabei die Mutationsrate der Gene durch Bestrahlung oder Chemikalien künstlich erhöht. Seit einiger Zeit ist es aber möglich, mit Hilfe der Gentechnik Mutationen gezielt an ausgewählten Genen in einem spezifischen Organ zu einem bestimmten Zeitpunkt vorzunehmen.
Der vermehrte Einsatz geeigneter transgener Tiere als auswertbare Krankheitsmodelle im Vergleich zu herkömmlich gezüchteten Mäusen oder solchen mit unerwünschten zufälligen Mutationen leistet daher auch einen Beitrag zur Reduktion der Anzahl benötigter Versuchstiere. Gentechnisch veränderte Mäuse können bei Impfstofftests gegebenenfalls auch andere Versuchstiere wie beispielsweise Affen ersetzen.

4. Noch immer viele Rätsel um die Alzheimersche Krankheit

Die seit etwa hundert Jahren bekannte Alzheimersche Erkrankung verursacht bei den betroffenen Patienten innerhalb weniger Jahre einen fortschreitenden geistigen Verfall, der meist zum vollständigen Verlust eines selbständigen Lebens führt. Durchschnittlich betrifft dies etwa 15 Prozent aller über 65-jährigen Personen, in der Schweiz erkranken jährlich etwa 5000 Menschen neu.

Noch immer fehlen effektive Therapien, da der bei dieser Krankheit auftretende zunehmende Ausfall von Nervenzellen in der Hirnrinde und anderen Teilen des Grosshirns bis heute nicht ausreichend erklärt werden kann. Inzwischen ist jedoch bekannt, dass zwei Prozesse bei der Entstehung eine wichtige Rolle spielen: Bei dem einen handelt es sich um die übermässige Ansammlung eines bestimmten Eiweisses (Beta-Amyloid), welches sich ausserhalb der Nervenzellen zu Klumpen zusammenlagert. Bei dem anderen steht das t-Protein im Mittelpunkt, welches innerhalb der Zellen zu Faserbündeln verklebt. Die entstehenden Strukturen beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit der Nervenzellen und führen zu deren Absterben.
Bis vor kurzem wurde die Krankheit hauptsächlich an Hirngewebsmaterial Verstorbener studiert. Inzwischen stehen der Wissenschaft zwei Mausmodelle zur Verfügung, die solche krankhaften Veränderungen des Gehirns aufweisen, wie sie für Alzheimer Patienten typisch sind. Der erste Typ der transgenen Alzheimer-Maus enthält zusätzlich die menschliche Erbinformation eines krankhaft veränderten Amyloid-Vorläufer-Proteins. Im Gehirn dieser Mäuse entwickeln sich daraufhin ebenfalls Amyloidklumpen (Plaques) aus Bruchstücken dieses Vorläuferproteins. Im Erbgut des zweiten Typs der Alzheimer-Mäuse befindet sich das Presenilin-Protein, das den Abbau des Amyloid-Vorläufer-Proteins beeinflusst. Das Ziel der Roche Forschung ist es nun, beispielsweise mit Hilfe von Tiermodellen, deren Erbgut ein defektes Gen des Amyloid-Vorläufer- oder Presenilin-Proteins aufweist, Arzneimittel zu entwickeln, die diese Plaquebildungen unterdrücken. Damit könnte die mit der Ablagerung des Beta-Amyloids verbundene Patholgie verhindert werden.

5. Therapieansätze im Kampf gegen Krebs

Auch wenn heute eine Reihe der etwa 200 verschiedenen Krebsarten behandelt oder sogar geheilt werden kann, so existiert doch für die Mehrheit bis jetzt noch keine effiziente Therapie. Immerhin ist inzwischen eine grosse Zahl der Gene bekannt, die bei der Krebsentstehung eine Rolle spielen. Zur Umsetzung in neue therapeutische Konzepte ist es daher wichtig, die Über- oder Unterfunktion dieser Gene sowohl in normalen als auch in Krebszellen aufzuklären. Transgenen Tiermodellen kommt dabei eine steigende Bedeutung zu, da mit ihnen Krebsentstehungsvorgänge beim Menschen nachgebildet werden können.

Bei dem juvenilen Diabetes, der Jugendliche zwischen 12 und 24 Jahren trifft, reagiert das Immunsystem fälschlicherweise gegen die körpereigenen, Insulin produzierenden Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse. Ein solcher Angriff des Abwehrsystems auf körpereigene Zellen wird als Autoimmunreaktion bezeichnet. Dadurch gelangt zuwenig Insulin in die Blutbahn, was einen erhöhten Zuckergehalt im Blut zur Folge hat. Auslöser der Krankheit ist meist eine Virusinfektion, beispielsweise durch Mumps-Viren. Die gentechnische Veränderung bei der Diabetes- Maus bewirkt, dass das Immunsystem der transgenen Maus im Zusammenhang mit einer bestimmmten Virusinfektion die insulinproduzierenden Zellen gezielt angreift und zerstört. Auf diese Weise konnte erkannt werden, wie das Abwehrsystem zwischen körpereigenen, wie denen der Zellen der Bauchspeicheldrüse, und körperfremden Eiweissen, wie jenen von Viren, unterscheidet. Wurden bei diesen Mäusen die für die Zerstörung verantwortlichen Zellen eliminiert werden, konnte die Entwicklung von Diabetes verhindert werden. Diese Untersuchungsergebnisse zeigen einen möglichen Weg auf, wie die Krankheit auch beim Menschen behandelt werden könnte.

Die frühe Phase der Multiplen Sklerose ist gekennzeichnet durch eine fehlgeleitete Abwehrreaktion des menschlichen Immunsystems gegen Nervenzellen des Gehirns und des Rückenmarks. Dabei greifen weisse Blutkörperchen die Eiweisse der Nervenfaserhüllen an und stören die Leitung elektrischer Impulse. Ziel der Behandlung der Multiplen Sklerose ist es daher, einerseits die Zerstörung der Nervenfaserzellen aufzuhalten und andererseits bereits entstandene Defekte zu reparieren. Transgene Tiere dienen dazu, diese gegen eigenen Körperzellen gerichteten Autoimmunreaktionen zu untersuchen.

Auch bei der Suche nach neuen Therapiewegen wie beispielsweise gegen HIV/Aids oder zum Aufspüren und Erforschen des Erregers des Rinderwahnsinns können Mausmodelle herangezogen werden.

Transgene Mäuse