Charité 3<sup>R</sup>: Maus in Röhre

Forschungsförderung zum Thema "Refinement"

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Förderziel

Die Verminderung von Leiden, Stress und Schmerzen in der Haltung von Versuchstieren und während eines Tierversuchs sind zentraler Baustein im 3R-Konzept. Das 'Refinement' tritt neben den Bereichen ‚Reduce‘ und ‚Replace‘ oft in den Hintergrund, ist aber für das Tierwohl von Versuchstieren von entscheidender Bedeutung. Mit einer Anschubfinanzierung von bis zu 100.000 Euro pro Projekt unterstützt Charité 3R mit dieser Förderung deshalb Forschungsprojekte, die unmittelbar dem Aspekt des Refinements an der Charité dienen.

Aktuell geförderte Forschungsprojekte

Das isolierte Großtierherz für die kardiovaskuläre Forschung

Schematische Darstellung des Kreislaufs (links). Das isolierte Großtierherz im Versuch (rechts). (Bildquelle: C3R)

Tierversuche und insbesondere Experimente mit Schweineherzen sind für die kardiovaskuläre Forschung von essentieller Bedeutung. Um das Tierleid und gleichzeitig die Versuchsanzahl zu reduzieren, wollen die Charité-Forscher Dr. Marcus Granegger und PD Dr. Simon Sündermann das „isolierte Großtierherz“ etablieren. Hierfür verwenden sie Herzen von Schweinen, die im Rahmen anderer Versuche ohnehin zur Verfügung stehen. Ähnlich wie bei einer Organtransplantation werden die Herzen unter Vollnarkose explantiert. Die schnelle Entnahme des Herzens ist für ein Tier mit weniger Leid verbunden als der bisher übliche komplexe Eingriff. Nach der Organentnahme wird das Herz sofort an einen künstlichen Blut-Kreislauf angeschlossen: Das Herz beginnt zu schlagen und pumpt Blut unter exakt definierten Bedingungen. Diese Methodik erlaubt die genaue Quantifizierung der Herzmechanik, des Sauerstoffverbrauchs und der Blutströmung innerhalb der Herzkammern, und zwar viel besser als an lebenden Organismen, wo natürliche Abweichungen in der Durchblutung des Herzens bestehen. Dadurch wird vermieden, dass Experimente durch nicht standardisierte Bedingungen oder schlechte Datenqualität unbrauchbar sind und wiederholt werden müssen. Die Anzahl der notwendigen Tierversuche wird also in doppelter Hinsicht drastisch reduziert: Einmal, weil Forscher an einem isolierten Herzen etliche Versuche durchführen können, wofür sie herkömmlicherweise eine Vielzahl von Tieren benötigt hätten. Zum anderen werden Organe, die sonst weggeworfen würden, der kardiovaskulären Forschung zugeführt und somit sinnvoll weiterverwendet.

Bessere Schmerztherapie für Labormäuse in der Knochenforschung

Störungen in der Frakturheilung treten bei etwa 5 bis 10 Prozent der Patienten mit Knochenbrüchen auf. Folglich wird intensiv an neuen therapeutischen Strategien geforscht – vor allem im Tiermodell. Die Nutzung von Tieren in der Forschung ist an Voraussetzungen wie die sorgfältige, schonende und artgerechte Behandlung der betroffenen Tiere gebunden. Die Schmerzerkennung und -behandlung bei Labortieren, insbesondere der Labormaus, ist anspruchsvoll, und auch heute stehen nur wenige wissenschaftlich evaluierte Schmerzbehandlungsprotokolle für Mäuse zur Verfügung. Im Rahmen des geförderten Projektes möchten Dr. Annemarie Lang und Dr. Anna Rapp das derzeitige Regime zur Schmerzbehandlung weiter verbessern und ein neues Buprenorphin-Retard-Präparat testen. Buprenorphin ist ein stark wirksames Schmerzmittel aus der Gruppe der Opioide. Bislang muss es etwa alle 6 bis 8 Stunden gespritzt werden, was eine enorme Stressbelastung für die Mäuse bedeutet. Ein Retard-Präparat setzt dagegen über 24 bis 48 Stunden gleichmäßig den schmerzstillenden Wirkstoff frei. Ein solches Präparat würde nicht nur die wiederholten Injektionen mehrmals täglich ersetzen, sondern aufgrund des kontinuierlichen Wirkstoffspiegels die Tiere vermutlich auch besser vor Schmerzen schützen. Das Projekt zielt also auf eine bessere und stressfreiere Schmerzbehandlung für Labormäuse ab. Die Berliner Forscherinnen arbeiten dabei mit Experten der Universitäten Zürich und Basel, sowie der FU-Berlin zusammen.

Besseres Untersuchungsmodell für Herzmuskelentzündungen

Eine Herzmusekelentzündung, auch Myokarditis genannt, kann durch Viren und Bakterien, toxische Effekte oder durch eine gegen Herzproteine gerichtete Autoimmunerkrankung ausgelöst werden. Ziel der Forschung ist es, Krankheitsprozesse tiefgründig zu verstehen und darauf basierend neue Therapieansätze zu entwickeln. Dazu setzen Forscher ein Mausmodell ein, in dem eine Myokarditis durch Infektion mit spezifischen Viren ausgelöst wird. Diese Viren können neben dem Herz auch andere Organe wie die etwa die Bauchspeicheldrüse befallen. Dadurch werden die Versuchstiere zusätzlichen Belastungen ausgesetzt. Mit diesem Forschungsvorhaben wollen die Forschenden das Tiermodell der viralen Myokarditis soweit optimieren, dass die Infektion auf den Herzmuskel beschränkt bleibt und andere Organe nicht mehr betroffen werden. Gelingt dies, können die Ursachen der entzündlichen Herzmuskelerkrankung besser untersucht werden. Sowohl die Belastung als auch die für die Experimente benötigten Versuchstiere sollen dadurch reduziert werden.

Neue Ex-vivo-Methode "Isoliert-perfundierte Arterie" (IPA)

Erkrankungen der arteriellen Gefäße wie die Arteriosklerose zählen zu den Herz-Kreislauf-Erkrankungen und sind nach wie vor die häufigste Todesursache in Industrieländern. In der Gefäßforschung und Testung von neuen Therapieansätzen werden Tierversuche eingesetzt, da die komplexen Eigenschaften von Arterien mit der Notwendigkeit eines „Blutflusses“ in vitro - also im Reagenzglas oder in der Petrischale - nicht nachgeahmt werden können. Eine Alternative stellen Untersuchungen an Arterien dar, die einem Versuchstier entnommen und im Labor kultiviert, aber nicht durchblutet werden. Die Methode nennt sich ex vivo (lateinisch für „außerhalb des Lebendigen“). Markus Tölle und Mirjam Tölle-Schuchardt haben daher eine „isoliert-perfundierte Arterie“ entwickelt, die eine Durchblutung (Perfusion mit einem Puffer) der Arterie unter physiologischen Bedingungen über einen längeren Zeitraum ermöglicht. Im geförderten Projekt wollen die beiden Forscher die neue Ex-vivo-Methode nun so optimieren und vereinfachen, dass sie in der Gefäßforschung breite Anwendung finden kann. So soll das neue Verfahren insbesondere in der vorklinischen Testphase von Medikamenten Tierversuche mit hohem Belastungsgrad weitgehend ersetzen.

Abgeschlossene Projekte

Messung der Herzleistung – ohne Katheter

Herz-Untersuchungen, bei denen die Leistungsfähigkeit des Herzens exakt bestimmt werden soll, sind aufwändig: häufig muss ein Herzkatheter verwendet werden. Bei Versuchstieren wie Mäusen verursacht der Katheter Schäden an den Blutgefäßen, so dass Forschende das Tier anschließend töten müssen. Nicht nur, dass die Maus damit verloren ist – auch Verlaufsuntersuchungen sind ausgeschlossen. Mittlerweile gibt es auch Methoden, bei denen die exakte Leistungsfähigkeit des Herzens nicht-invasiv, sondern rechnerisch bestimmt wird. Dabei spielen Daten zum Blutdruck und aus Ultraschall-Untersuchungen eine wichtige Rolle. Auch die Konzentration von Inhaltsstoffen des Blutserums (Biomarker) kann Aufschluss geben. Während das Verfahren für den Menschen bereits etabliert ist, fehlen entsprechende Erfahrungen für Mäuse.

Hier wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Abhilfe schaffen. Ihr Team hat große Erfahrung bei Herzuntersuchungen an Mäusen mit Ultraschall und verfügt über eine hochmoderne technische Ausstattung dafür. Diese Technik wollen die Forschenden bei gesunden Mäusen ebenso einsetzen wie bei Tieren mit Herzschäden. Die Ergebnisse werden dann mit weiteren Messdaten zu Blutdruck oder Biomarkern kombiniert und so die Druck-Volumen-Beziehung nicht-invasiv bestimmt. Für eine Bestätigung ihrer Berechnungen müssen die Wissenschaftler die Tiere in diesem Vorhaben zwar letztlich invasiv, also mit Herzkathetern untersuchen und anschließend töten. Die Ergebnisse könnten allerdings dazu beitragen, dass künftig Tiere bei Herz-Untersuchungen weniger leiden weil kein Herzkatheter mehr benötigt wird. Zudem erhofft sich das Team eine Reduktion der Versuchstierzahlen: Ist das nicht-invasive Verfahren etabliert, bleiben die Tiere in Zukunft nach den Untersuchungen am Leben.

Klinische Überwachung ohne Stress

Versuchstiere müssen ständig überwacht werden. Nur dann können Wissenschaftler feststellen, ob die Tiere ausreichend fit für einen Versuch sind – oder ob sie im Versuch unzumutbar leiden.Die meisten Methoden zur Kontrolle des Gesundheitszustandes sind jedoch für die Versuchstiere selbst belastend: So werden Mäuse oder Ratten zur Sichtkontrolle aus dem Käfig herausgehoben, was mit Stress verbunden ist. Eine andere Methode besteht darin, das Nestbauverhalten der Tiere zu überwachen; bauen sie ihre Nester nachlässig, ist das ein Indiz dafür, dass es ihnen schlecht geht. Gerade Tiere, die frisch operiert worden sind, brauchen aber ein gut gebautes, wärmendes Nest mit Eigengeruch, um sich erholen zu können – und keinen anstrengenden Nestbau.

Ziel dieses Projekts ist es, eine kontinuierliche und stressfreie Kontrolle der Versuchstiere zu ermöglichen. Dazu wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene moderne Techniken kombinieren: So sollen Laufräder zum Einsatz kommen, die die individuelle Laufleistung von Mäusen und Ratten messen können. Eine Apparatur zur Messung der Griffstärke stellt fest, wenn die Tiere Muskelkraft verlieren. Und ein Aufenthaltssensor misst kontinuierlich, wo sich die Tiere im Käfig befinden: Bewegen sie sich regelmäßig zum Wasserspender und nehmen genug Flüssigkeit auf? Bleiben sie zu lange im Nest, was auf Unwohlsein schließen lässt? Eine Sensorplatte im Käfig kann solche Bewegungsmuster aufzeichnen.

Aus der Fülle der vom kombinierten Kontrollsystem automatisch gelieferten Daten wollen die Forschenden Kriterien ableiten, die sichere Rückschlüsse auf das Wohlbefinden der Tiere zulassen. Damit soll es möglich werden, Handling-Stress und Schmerz zu reduzieren und Versuche datenbasiert beendet werden können, bevor Versuchstiere unzumutbar leiden.

Osteoarthrose: Schmerzen genau erfassen – und gezielt behandeln

Schmerzen in den Gelenken sind für viele Menschen tägliches Los: Weltweit leiden nahezu ein Fünftel aller Frauen und knapp ein Zehntel aller Männer über 60 Jahren unter Osteoarthrose. Da sich die Behandlung bisher fast ausschließlich auf die Schmerzlinderung beschränkt, suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler intensiv nach neuen Therapien, mit denen sich die Ursachen der Krankheit bekämpfen lassen. Dabei sind sie auf den Einsatz von Tieren wie Mäusen und Ratten angewiesen, bei denen die Degeneration von Knorpelsubstanz in den Gelenken künstlich ausgelöst wird. In der Folge kommt es zur Einschränkung der Bewegungsfähigkeit; die Tiere entwickeln die für Osteoarthrose typischen Schmerzsymptome. Diese Schmerzen müssen möglichst genau festgestellt und überwacht werden, um ein übermäßiges Leiden der Versuchstiere verhindern und den Erfolg neuer Therapieansätze bestimmen zu können.

Zwei Wissenschaftlerinnen der Charité wollen mit ihrem aktuellen Refinement-Vorhaben dafür sorgen, dass die Schmerzen von Tieren, an denen Osteoarthrose erforscht wird, genauer gemessen werden können. Dazu planen sie die Einrichtung eines sogenannten Refinement-Bereichs in der Tierhaltung: Er wird mit moderner Ausrüstung ausgestattet, die eine sehr detaillierte Verhaltensanalyse von Mäusen zulässt: Ihre Gangeigenschaften können genauso bestimmt werden wie ihr Nestbau- und Grabeverhalten oder ihre Mimik. Vorrichtungen zur stressfreien Handhabung der Tiere reduzieren störende äußere Einflüsse.

In ihrem Refinement-Bereich wollen die Forschenden Parameter identifizieren und möglichst genau bestimmen, mit deren Hilfe der Schmerzzustand der Versuchstiere und Erfolge bei der Schmerzbehandlung spezifisch in der Osteoarthroseforschung gemessen werden können. Sie wollen aber auch das dabei gewonnene Wissen an andere Wissenschaftler weitergeben. So soll das Leiden der Tiere ebenso wie die Zahl der benötigten Tiere reduziert werden.

Berührungslos Veränderungen der Körpertemperatur messen

Bei der Therapie von Patienten, ebenso wie in der klinischen und präklinischen biomedizinischen Forschung ist die engmaschige Überwachung des Gesundheitszustandes der Patienten unabdingbar. Dabei stellt die Körpertemperatur einen überaus wichtigen, objektiv messbaren und bei unterschiedlichen Pathologien regulierten Vitalparameter dar. Besonders bei Infektionen sind Veränderungen der Körpertemperatur, wie sie sich beim Mensch als Fieber, bei kleinen und sehr stoffwechselaktiven Säugetieren in Form von Hypothermie äußern, zudem aufschlussreich für die Beurteilung des aktuellen Krankheitszustandes und des Krankheitsverlaufes.

In der tierexperimentellen Forschung erfordern die derzeit verwendeten Messmethoden den direkten Tierkontakt oder die chirurgische Implantation von Microchip-Temperaturtranspondern. Diese Maßnahmen provozieren aber nicht nur Stress und Belastung für das Tier, sondern können auch ihrerseits zu einer Veränderung der Körpertemperatur führen. In diesem Projekt wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern den Einsatz einer berührungsfreien Methode unter Verwendung einer speziellen Wärmebildkamera evaluieren, mit der Veränderungen der Körpertemperatur bei der Maus bestimmt werden können, während sich das Tier ungestört in seiner gewohnten Gruppe und Käfigumgebung aufhält. So soll es möglich werden, krankheitsbedingte Veränderungen der Körpertemperatur bei der Maus valide und stressfrei zu messen und gleichzeitig die Belastung, die zusätzlich durch die herkömmliche Temperaturmessung verursacht wird, im Sinne des Refinements deutlich zu reduzieren. Darüber hinaus ist geplant, mittels Videoaufzeichnungen mehrere Tiere einer Gruppe gleichzeitig aufzunehmen und so die Untersuchungszeit direkt am Tierkäfig noch weiter zu reduzieren.

Objektive Belastungstest sollen unbemerktes Leid verhindern

Um das Immunsystem zu erforschen, arbeiten Immunologinnen und Immunologen mit Mäusen, die genau definierte genetische Veränderungen in ihrem Abwehrsystem haben. Es gibt gegenwärtig keine Hinweise darauf, dass solche Tiere, wenn sie pathogenfrei gehalten werden, in irgendeiner Weise belastet sind. Dennoch ist es auf Grund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Immunsystem und Nervensystem nicht auszuschließen, dass Immundefekte indirekt eine Belastung verursachen. Allerdings sind solche subklinischen Belastungen, die bei genetisch veränderten Tiere auftreten können, schwierig zu beurteilen, da es an objektiv messbaren Größen zur Beurteilung fehlt.

Dieses durch Charité 3R geförderte Forschungsvorhaben will daran etwas ändern. Die Belastungsmessung soll nicht mehr im Analogieschluss vom Menschen auf das Tier erfolgen, sondern aufgrund von tierbasierten wissenschaftlichen Daten.

Dafür will das Team ein an der Berlin-Brandenburger Forschungsplattform entwickeltes Verfahren für operierte Tiere auf die Beurteilung von immun-defizienten Mäuse übertragen. Das Verfahren umfasst verschiedene Methoden, die tierbasierte Aussagen über das Wohlbefinden der Mäuse möglich machen: Das Verhalten der Tiere wird protokolliert und die Ausschüttung von Stresshormonen in Fell- und Kotproben gemessen. Untersucht werden sollen zwei verschiedene Stämme mit unterschiedlichen Immundefekten. Die gewonnen Ergebnisse sollen mit Messungen bei Wildmäusen verglichen werden. Das Team hofft, so eine objektive Belastungseinschätzung für gentechnisch veränderte Mäuse unter Standardbedingen zu ermöglichen – damit diese Mäuse nicht unbemerkt leiden.

Allein – aber nicht isoliert

Mäuse sind soziale Lebewesen. Deshalb werden sie in Gruppen gehalten. Ausnahmen gibt es, wenn einzelne Tiere – meist Männchen – sich nicht in den Verband eingliedern oder aggressiv gegen ihre Artgenossen werden. Diese Tiere müssen zur Schutz der individuellen Gesundheit einzeln in Käfigen gehalten werden und können so nicht mehr sozial interagieren.

In diesem Refinement-Vorhaben wollen die Forschenden eine neue Haltungsmethode für Tiere in Einzelhaltung erproben: Sie sollen in Partnerhaltung vergesellschaftet werden. Dazu werden spezielle Käfige angeschafft, in denen einzelne Segmente durch sicht-, gehör- und geruchsdurchlässige Elemente voneinander abgetrennt werden. So können mehrere Tiere in einem Käfig leben, die sich auch wahrnehmen und einen gewissen Austausch haben können – ohne sich gegenseitig zu verletzen oder zu stören.

Das neue Käfigsystem muss selbstverständlich den üblichen Vorschriften entsprechen; die Tiere müssen ausreichend Platz, Nistmaterial, Nagehölzer und ständigen Zugang zu Wasser und Futter haben. Auch die hygienischen Standards dürfen nicht unterschritten werden. In dem Vorhaben werden männliche und weibliche Mäuse in dem neuen Käfigsystem gehalten. Analysiert werden Indikatoren für das Wohlbefinden und den Stress der Tiere. So will das Team feststellen, ob die separierte Partnerhaltung mit Kontaktmöglichkeit auf das Wohlbefinden von Mäusen einen positiven Einfluss hat.

Ein besseres Untersuchungsmodell für Herzmusekelentzündungen

Eine Herzmusekelentzündung, auch als Myokarditis bezeichnet, kann durch Pathogene wie Viren und Bakterien, durch toxische Effekte oder durch eine gegen Herzproteine gerichtete Autoimmunerkrankung ausgelöst werden. Um den Krankheitsprozess einer Myokarditis besser zu verstehen und darauf basierend neue Therapieansätze zu entwickeln, setzen Forscher in der Regel ein Mausmodell ein, in dem eine Herzmuskelentzündung durch eine Infektion mit spezifischen Viren ausgelöst wird. Diese Viren können neben dem Herz auch andere Organe wir die Bauchspeicheldrüse befallen, was zu einer zusätzlichen Belastung der Versuchstiere führt.

In dem aktuellen Forschungsvorhaben wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Tiermodell der viralen Myokarditis verbessern, so dass die Infektion auf den Herzmuskel beschränkt bleibt und andere Organe nicht mehr betroffen werden. Gelingt dies, können die Ursachen der entzündlichen Herzmuskelerkrankung besser untersucht werden. Sowohl die Belastung als auch die für die Experimente benötigten Versuchstiere sollen dadurch reduziert werden.