Neurotoxikologische Gefährdungsbeurteilung ohne Tierversuche

Die Entwicklung unseres Nervensystems im Mutterleib und in den ersten Lebensjahren ist ein hochkomplizierter Prozess: Nervenzellen vermehren sich durch Zellteilung, spezialisieren sich, verändern ihre Position im Gewebe und verbinden sich zu Netzwerken aus unzähligen Zellen.

Diese Komplexität macht die Entwicklung des Nervensystems aber auch anfällig, beispielsweise für die schädliche Wirkung von Umweltgiften. Die negativen Folgen zeigen sich oft erst viel später – im Kindes- oder Erwachsenenalter.

Umso überraschender ist es, dass weltweit weniger als 200 Substanzen nach den offiziellen Richtlinien der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) auf ihre Entwicklungsneurotoxizität (DNT) getestet wurden – trotz der hohen Relevanz solcher Daten für Verbraucher Sicherheit. Offensichtliche Gründe dafür sind die enormen Kosten von mindestens einer Million Euro pro Substanz für DNT-Studien an Tieren.

Eine Alternative zu Tierversuchen

Um den Aufwand für die Gefährdungsbeurteilung zu reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu erhalten oder sogar zu erhöhen, hat ein internationales Forscherteam um Marcel Leist (Universität Konstanz) und Ellen Fritsche (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und IUF) eine tierversuchsfreie Testbatterie zum Nachweis entwickelt DNT und testete damit 120 Substanzen.

„Darunter waren einige Stoffe, die bekanntermaßen für das Nervensystem toxisch sind, wie bestimmte Pestizide oder Flammschutzmittel, aber auch als unbedenklich geltende Substanzen, die als Negativkontrollen dienen“, erklärt Fritsche, Professor am IUF-Leibniz-Forschungsinstitut für Umweltmedizin (IUF) in Düsseldorf.

Die Ergebnisse dieser umfangreichen Studie wurden soeben in der Fachzeitschrift veröffentlicht Chemosphäre und sind äußerst vielversprechend: Sie zeigen, dass die sorgfältig zusammengestellte Testbatterie technisch machbar ist und bereits eine Messempfindlichkeit auf Augenhöhe mit Tierversuchen aufweist. Die Batterie warnte bei mehr als 80 % der bekannten Giftstoffe unter den getesteten Substanzen und bei keiner der als Negativkontrolle verwendeten harmlosen Substanzen.

„Allerdings haben wir auch ‚Lücken‘ in unserer Testbatterie entdeckt. Daher nennen wir in dem Artikel auch Möglichkeiten, welche Testverfahren der Batterie hinzugefügt werden könnten, um diese zu schließen“, sagt Jonathan Blum, Erstautor der Studie und Mitglied von der Forschungsgruppe Leist am Fachbereich Biologie der Universität Konstanz.

Höhere Relevanz für den Menschen

Alle in der Batterie enthaltenen Testverfahren basieren auf Zellkulturen. Das bedeutet, dass sie nicht an lebenden Organismen, sondern „im Reagenzglas“ (in vitro) durchgeführt werden. Noch wichtiger ist, dass für alle Tests menschliche Zellen verwendet werden. „Das erhöht im Idealfall die Aussagekraft der Testverfahren im Vergleich zum Tierversuch, da die jeweiligen Ergebnisse nicht aus einem Tiermodell, etwa Maus oder Ratte, auf die für den Menschen relevanten Prozesse übertragen werden müssen“, beschreibt Fritsche einen der potenzielle Vorteile der Verwendung menschlicher Zellen.

Solche In-vitro-Methoden sowie alle anderen Alternativmethoden zu klassischen Tierversuchen in der Toxikologie werden als „New Approach Methods“ (NAMs) bezeichnet. Weitere generelle Vorteile von NAM sind die vergleichsweise geringen Kosten und die Möglichkeit, im Hochdurchsatzverfahren deutlich mehr Substanzen auf ihre Toxizität zu testen, als dies im gleichen Zeitraum im Tierversuch möglich wäre. Folglich sind NAMs ein wichtiger Bestandteil der aktuellen Konzepte der Risikobewertung der nächsten Generation – sowohl von wissenschaftlichen als auch von behördlichen Stellen.

Dies ist besonders relevant angesichts der tausenden von Industriechemikalien, die noch nicht getestet wurden, aber dennoch in einer Menge von mehr als 1.000 Tonnen pro Jahr produziert werden. Die in der aktuellen Studie gewonnenen Erkenntnisse spielen dabei eine sehr wichtige Rolle, bestätigt Andrea Terron, die für die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) in Parma arbeitet und an der Studie beteiligt war: „Die Studie war ein Eckpfeiler unserer Strategie bei der EFSA DNT-Daten aus humanrelevanten In-vitro-Tests zur Risikobewertung zu gewinnen und zu nutzen.“

Anwendung im regulatorischen Kontext

Eine erste konkrete Anwendung für die Prüfbatterie könnte das Screening der Vielzahl von Pestiziden und Substanzen in der Lebens- und Arbeitsumgebung sein, für die derzeit nur unzureichende oder keine DNT-Daten vorliegen. Tatsächlich unternehmen wichtige internationale Organisationen, einschließlich der OECD, die ersten Schritte zur Implementierung der Testbatterie und ihrer Verwendung für regulatorische Zwecke. „Diese Studie wurde von OECD-Mitgliedsländern ausführlich diskutiert und bildete die Grundlage für einen Leitlinienentwurf zur Interpretation von Daten aus der DNT-In-vitro-Batterie“, sagt Magdalini Sachana von der OECD.

Beispielsweise könnte die Prüfbatterie bei einer erneuten Zulassung eines Pestizids in der EU Gefahrendaten für den zu bewertenden Stoff liefern, die im besten Fall bereits eine abschließende Bewertung in Bezug auf DNT ermöglichen würden. „Sollten die Daten nicht endgültig aussagekräftig sein, könnten Folgetests durchgeführt werden, wie wir beispielsweise Erweiterungen für unsere Testbatterie vorgeschlagen haben“, erläutert Blum ein mögliches Vorgehen.

Eine neue Allianz der Studienautoren mit anderen europäischen Partnern zur Weiterentwicklung der Testbatterie hat Arbeiten geplant, die auch Beiträge der US-Umweltschutzbehörde einbeziehen werden. Um die Tests Endverbrauchern wie der Pestizidindustrie zur Verfügung zu stellen, hat das Team um Ellen Fritsche kürzlich das Start-up DNTOX gegründet.