Replace

Wie lassen sich Tierversuche ersetzen? Dafür steht der Grundsatz „Replace“ (=Vermeiden) des 3R-Prinzips.

Das deutsche Tierschutzgesetz erlaubt den Einsatz von Versuchstieren nur, wenn alle geeigneten Alternativmethoden ausgeschöpft sind.

Können Forschende den Versuch beispielsweise auch mit Bakterien oder Zellkulturen durchführen, müssen sie diese verwenden. Erst danach dürfen sie Wirbeltiere wie die Maus nutzen.

Die Forschung entwickelt bereits heute viele Alternativen, um Tierversuche zunehmend zu ersetzen oder die Anzahl der Versuche zu verringern.

Unter Alternativmethoden versteht man alle Methoden, die im Sinne des 3R-Prinzips angewendet werden können. Dazu gehören insbesondere tierversuchsfreie und tierfreie Technologien. Diese Methoden umfassen unter anderem die Forschung an Organvorstufen (Organoiden) beziehungsweise Zellkulturen oder auch Computersimulationen.

Der Begriff Alternativmethode schließt aber auch den Ersatz von belastenden Tierversuchen durch Versuche an weniger empfindungsfähigen Tieren (z.B. Fruchtfliegen oder Fadenwürmern) ein.

Replace
 

Anforderungen an alternative Methoden

Alternativmethoden müssen mindestens eine dieser drei Anforderungen des 3R-Prinzips erfüllen:

  • eine tierversuchsfreie Methode ersetzt den Tierversuch (Replacement)
  • die Anzahl der Versuchstiere sinkt (Reduction)
  • die Methode vermindert Leiden oder Schmerzen der Versuchstiere (Refinement)
Welche Alternativmethoden gibt es bereits? Und welche Tierversuche können sie ersetzen oder ergänzen? In den vergangenen Jahren haben Forschende eine Vielzahl an alternativen Verfahren entwickelt.

Vorteile von Alternativmethoden

Wieso arbeiten Forschende weltweit an neuen Verfahren, um Tierversuche durch andere Methoden zu ersetzen? Zum einen, um ethischen Anforderungen der Gesellschaft zu entsprechen. Zum anderen auch aus Gründen der Effizienz. Denn Alternativmethoden sind oft günstiger als Tierversuche und nehmen häufig weniger Zeit in Anspruch. Tierversuche stellen demnach nicht immer die effizienteste beste Option dar. Vielmehr bilden sie ein Teil im Methodenmix, aus dem Wissenschaftler*innen das Verfahren wählen, das für ihre Fragestellung am besten geeignet ist.

Institutionen wie das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, das Bundesinstitut für Riskobewertung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft oder die Stiftung SET fördern und unterstützen Wissenschaftler*innen dabei, Alternativmethoden zu entwickeln. Forschende arbeiten stetig daran, Alternativen zum Tierversuch zu finden – unter anderem innerhalb des Forschungsverbunds „R2N – Replace und Reduce aus Niedersachsen“.

Replace
Diese Verfahren lassen sich einteilen in In-vivo-Verfahren (= im lebenden Organismus; als Alternativverfahren in niedrig entwickelten Tieren wie Insekten oder beispielsweise in angebrüteten Hühnereiern), In-vitro-Verfahren (= „im Reagenzglas“, meist in Zellkulturen), und Ex-vivo-Verfahren (= außerhalb des lebenden Organismus). In-silico-Verfahren (= am Computer) ermöglichen z.B. die Simulation von Vorgängen oder die Vorhersage bestimmter Wirkweisen von Substanzen aufgrund ihrer Struktur oder der Reaktionsmuster in Zellen.

Alternative Verfahren

In-vivo-Verfahren

Untersuchungen, die im lebenden Organismus stattfinden, heißen In-vivo-Verfahren. Als alternative Verfahren gelten hier nur Versuche, wenn dafür keine Wirbeltiere eingesetzt werden, sondern bestimmte Wirbellose wie Fruchtfliegen und Fadenwürmer. Bei diesen geht man momentan nicht davon aus, dass sie leidensfähig sind. Dies trifft auch auf bestimmte Entwicklungsstadien von Tieren zu (z.B. Larven bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie selbständig Nahrung aufnehmen können).

Microdosing-Verfahren bieten die Möglichkeit, Experimente am Menschen durchzuführen. Freiwillige Personen erhalten Wirkstoffe in so geringer Menge, dass keine gesundheitlichen Auswirkungen auftreten können. Messungen können zeigen, wie die Wirkstoffe aufgenommen und im Körper verteilt, verstoffwechselt und ausgeschieden werden. Dieses Vorgehen steht jedoch wegen des Versuchs am Menschen aus ethischer Sicht in der Kritik. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Wissenschaftler*innen die Wirkstoffe extra für das Microdosing-Verfahren entwickeln müssen.

In-vitro-Verfahren: Versuche „im Reagenzglas“

Ob zweidimensionale Kulturen von Zelllinien oder nachgebildete Organsysteme auf sogenannten Biochips – den In-vitro-Verfahren ist gemein, dass Wissenschaftler*innen statt an Versuchstieren mit menschlichen und tierischen Zellen experimentieren. „In vitro“ bedeutet „im Reagenzglas“. Dementsprechend meinen In-vitro-Verfahren alle Alternativmethoden, bei denen Wissenschaftler*innen biologische und chemische Prozesse im Organismus möglichst realitätsnah außerhalb des tierischen bzw. menschlichen Körpers nachbilden.

Für In-vitro-Verfahren sind i.d.R. Zellkulturen erforderlich. Zellkulturen sind isolierte Zellen, die vermehrt werden. Mit ihnen haben Forschende beispielsweise die Möglichkeit, einen Zellstoffwechsel zu untersuchen. Es besteht ein Unterschied zwischen primären Zellen (siehe Ex-vivo-Verfahren) Zelllinien und Stammzellen. Die beiden letztgenannten haben eine längere Lebensdauer und können unbeschränkt wachsen.

Darstellung von Organ- und Gewebefunktionen in 3D-Modellen

Zelllinien verwenden Forschende meist unverändert als 2D-Zellkulturen, d.h. die Zellen wachsen in nur einer Lage auf einer Kulturoberfläche und haben dementsprechend nur in einer Ebene zueinander Kontakt. Sie arbeiten jedoch zunehmend daran, die Vorgänge innerhalb des Körpers besser widerzuspiegeln. Dies wird z.B. durch 3D-Zellkulturen erreicht. Hierbei haben die Zellen kontakt in zwei Ebenen, also nebeneinander und über-/untereinander.

Diese Kulturen bestehen aus einem oder mehreren Zelltypen. So können komplexe Strukturen wie Herzgewebe oder Blutgefäße mittlerweile in 3D-Zellkulturen abgebildet werden. Ein anderes Beispiel stellt eine in der Petrischale gezüchtete mehrschichtige menschliche Epidermis (äußere Hautschicht) dar. Damit können Wissenschaftler*innen die Wirkung von Chemikalien auf die Haut auch ohne Tierversuche untersuchen.

Auch bei den sogenannten Organoiden handelt es sich um dreidimensionale Modelle, die ein bestimmtes Organ wie die Lunge, den Darm oder auch das Gehirn aus Stammzellen nachbilden. In solchen Organoiden lassen sich Gewebe- und Organfunktionen wesentlich realitätsnäher darstellen als in einfachen 2D-Zellkulturen basierend aus Tumorzellinien.

Allerdings haben auch solche Modelle ihre Grenzen, spätestens wenn das Zusammenspiel unterschiedlicher Organsysteme eine Rolle spielt.

Um sehr komplexe Vorgänge im Organismus nachzubilden, stehen Forschende seit einigen Jahren sogenannte Organ-on-a-chip-Systeme zur Verfügung. Die Forschung sieht großes Potential in dieser noch neuen Technologie, die sich rasant weiterentwickelt. Dabei handelt es sich um Systeme, in denen künstlich erzeugte, organähnliche Zellverbände gezüchtet werden, um bestimmte Organfunktionen nachzubilden. Es lassen sich Wirkstoffe zuführen und verschiedene Bedingungen wie die Sauerstoffkonzentration können automatisiert gemessen werden.

Organ-on-a-chip-Systeme gibt es inzwischen für Organe wie Darm, Leber, Lunge und Niere sowie für Nervenzellen. Außerdem gibt es bereits Multi-Organ-Chips, bei denen mehrere Organ-Systeme miteinander verknüpft sind. Solche Systeme bieten bisher nicht die Funktion, tausende Wirkstoffe gleichzeitig zu testen. Allerdings stellen sie einen großen Vorteil für die zukünftige Testung von Wirkstoffkandidaten dar, indem die Systeme komplexe Funktionen von Organen zeigen sowie automatisierte Abläufe innehaben.

Neben der Medikamentenentwicklung können die Systeme bei Giftigkeitsprüfungen zum Einsatz kommen sowie zur Untersuchung von Krankheitsmodellen und neuen Therapieansätzen.

Ex-vivo-Verfahren

Mit Ex-vivo-Verfahren sind Untersuchungen von lebenden Geweben oder isolierten Organen außerhalb eines lebenden Organismus gemeint. Das Ziel besteht darin, Gewebe oder Organe in ihrem aktuellen Zustand für Analysen zu nutzen, ohne diese zu züchten. Das unterscheidet Ex-vivo-Verfahren von In-vitro-Verfahren. Die Untersuchung geschieht demnach innerhalb eines begrenzten Zeitraumes sowie in einem dafür geeignetem Lebensumfeld.

Gewebe oder Organe für solche Ex-vivo-Tests können entweder durch das Töten eines Tiers und der anschließenden Organentnahme – dies gilt gesetzlich nicht als Tierversuch (TierSchG § 4 Abs. 3) – oder auf Schlachthöfen gewonnen werden. Anschließend werden die isolierten Organe an geeignete Systeme angeschlossen, sodass ihre Funktionen erhalten bleiben und Forschende Untersuchungen durchführen können. So können Wissenschaftler*innen unter anderem Herz, Lunge, Niere oder Leber unter kontrollierten Bedingungen untersuchen.

In Silico
Das Verfahren mittels Computersimulation wurde Ende der 80er-Jahre als „In-Silico-Verfahren“ bekannt. Silico bezieht sich auf das chemische Element Silizium, welches in Computerchips vorkommt. Den Zusatz „in“ hat dieses Verfahren lediglich in Anlehnung an die damals bereits vorhandenen Verfahren „in vitro“ und „in vivo“. Für dieses Verfahren werden hochleistungsfähige Computer mit einer immensen - bereits vorhandenen –Datenmenge aus In-vitro- oder In-vivo-Studien gefüttert. Auf Basis der gespeicherten Ergebnisse lernt der Computer die Funktion der zu simulierenden Zelle oder auch einer Organfunktion kennen. Dies ist der Ansatzpunkt, um eine Vorhersage zu treffen, wie sich ein neuer Wirkstoff auf eben diese Zelle auswirkt. Simuliert werden können unter anderem die Reaktionen und der Wirkstoffabbau. Das Verfahren ist die perfekte Ergänzung zu In-vitro- und In-vivo-Verfahren. Und auch wenn sich mit dem In-Silico-Verfahren Tierversuche nicht vollständig ersetzen lassen, lässt sich die Anzahl der Versuchstiere jedoch verringern. Schwachpunkte dieser Methode:
  • Ganze Organe oder Stoffkreisläufe lassen sich auf Grund der extrem hohen Datenmengen, die der Computer verarbeiten müsste, nicht simulieren.
  • Je komplexer das Organ, desto höher ist die Gefahr von Zufallsereignissen, die sich anhand der Methode nicht simulieren lassen.
Auf der Seite Replace wird Ihnen das Verfahren anhand einer Grafikdarstellung erklärt.

In-silico-Verfahren ergänzen Tierversuche

Computersimulationen oder aufwendige Berechnungen (u.a. mittels künstlicher Intelligenz) stellen eine wichtige Ergänzung zu den oben genannten Methoden dar. Sie heißen auch In-silico-Verfahren. Das bedeutet, dass hochleistungsfähige Rechner bestimmte chemische Vorgänge in Organismen simulieren, die Eigenschaften oder Wirkweisen von Substanzen vorhersagen oder Reaktionsmuster anhand großer Informationsmengen darstellen können. Zum Beispiel können Forscher*innen so herausfinden, wie lange der Körper braucht, um bestimmte Wirkstoffe von Medikamenten abzubauen oder welche Veränderungen an Substanzen notwendig sind, um weniger Nebenwirkungen aufzuweisen.

Allerdings kann dieses Verfahren alleine Tierversuche nicht vollständig ersetzen . Um Versuche simulieren zu können, müssen Forschende diese zunächst einmal durchgeführt haben. Der Computer benötigt also Daten auch aus Tierversuchen. Um die Erkenntnisse aus der Computersimulation zu überprüfen, können wiederum Tierversuche erforderlich sein. Dennoch führt diese Methode dazu, die Anzahl an Tierversuchen zumindest zu minimieren. In Kombination mit anderen Alternativmethoden aber ist es denkbar, dass ein vollständiger Verzicht auf Tierversuche in bestimmten Forschungsbereichen erzielt werden kann.

Welche Grenzen haben In-vitro-Verfahren?

Da für In-vitro-Versuche menschliche Zellen verwendet werden können, sind die Ergebnisse mit diesen Methoden teilweise relevanter für Patient*innen als die Ergebnisse aus Tierversuchen. Allerdings können Tests in der Kulturschale das komplexe Zusammenwirken von Organen und Geweben nicht vollständig abbilden. Aus dem Grund muss man davon ausgehen, dass es in absehbarer Zeit nicht möglich sein wird, Tierversuche vollständig durch In-vitro-Verfahren zu ersetzen.

Außerdem müssen Tiere zumeist getötet werden, um Organ- und Zellkulturen aus tierischen Zellen zu züchten. Wenn Forschende ein Tier töten, um Materialien zu beschaffen, die daraufhin untersucht werden, gilt dies rechtlich gesehen nicht als Tierversuch. Forschende verwenden auch menschliche Zellen (Primärzellen oder Stammzellen), um weiter an In-vitro-Verfahren zu forschen. Dafür müssen Patient*innen ihre Einwilligung geben.

Sowohl die Zellen als auch die Technologie stehen nicht überall unbegrenzt zur Verfügung. Die fortschreitende Stammzelltechnologie sowie die Erstellung sehr komplexer menschlicher Organsysteme werfen dabei auch neue ethische Fragen auf.

Zellen für In-vitro-Verfahren

Woher stammen die Zellen, die Wissenschaftler*innen für In-vitro-Verfahren verwenden können? Früher wurden unendlich vermehrbare Zelllinien (häufig isoliert aus Tumoren) verwendet. Diese permanenten Zelllinien besitzen jedoch häufig kaum noch Eigenschaften der ursprünglichen Zellen.

Daher versucht man heute außerdem aus Tieren oder dem menschlichen Körper isolierte primäre Zellen zu verwenden. Diese haben allerdings meist ein sehr begrenztes Vermehrungspotential und teilweise sind die Isolierungsverfahren dabei aufwendig. Außerdem stellen verfügbare Blutproben oder in ohnehin erforderlichen Operationen entferntes Gewebe die Voraussetzung dar, um menschliche Zellen zu gewinnen.

Werden aus diesem Material hingegen adulte Stammzellen isoliert, d.h. Zellen, aus denen sich auch im Körper bestimmte Gewebe entwickeln, so können daraus unbegrenzt weitere Zellen gezüchtet werden. Diese weisen dann typische Eigenschaften der entsprechenden Zellen im Organismus auf. Sie werden inzwischen für viele Fragestellungen verwendet.

Die größten Möglichkeiten sieht die Wissenschaft in sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen. Auch wenn die für deren Vermehrung verwendeten Verfahren aktuell noch sehr aufwendig und teuer sind, können Forschende pluripotente Stammzellen tatsächlich unbegrenzt in großer Menge produzieren. Da diese Zellen noch nicht auf einen bestimmten Gewebetyp festgelegt sind, lassen sie sich in jeden erdenklichen Zelltyp des Körpers verwandeln.

Wie trägt die Forschung zum Replacement bei?

Dank der Forschung können Wissenschaftler*innen heute bereits einige Tierversuche durch alternative Methoden ersetzen oder ergänzen. Auch der Forschungsverbund „R2N – Replace und Reduce aus Niedersachsen“ wirkt an der Entwicklung von Alternativmethoden mit. Ziel des Projektes ist, Protokolle und Ansätze, mit denen sich Tierversuche verringern oder vermeiden lassen, weiterzuentwickeln, zu etablieren und anzuerkennen. So entsteht beispielsweise die „The Niedersachsen Live-Tissue and primary cell Bio-Bank“ (NLTB). Die NLBT soll die Verfügbarkeit von Gewebe- und Zellmaterial verbessern. Und damit dazu beitragen, In-vitro-Verfahren im Forschungsverbund zu ermöglichen (siehe dazu Projekt T1). Weitere Beispiele für aktuelle Projekte aus den Forschungsverbünden finden Sie in den Factsheets.

Der Unterschied zwischen regulatorischer und Grundlagenforschung

Trotz der großen Forschungsbemühungen ist es unwahrscheinlich, dass die medizinische Forschung in Zukunft vollständig auf Tierversuche verzichten kann. Denn alternative Verfahren können meist nur Teilaspekte der komplexen Vorgänge im Körper abbilden.

Basierend auf dem derzeitigen Stand der Technik schreiben außerdem nationale und internationale Vorschriften wie Chemikaliengesetze, Arzneimittelrichtlinien und Umweltgesetze Tierversuche explizit vor. Unter anderem, um die Giftigkeit von Substanzen zu überprüfen und die Zulassung von Medikamenten zu erlangen – zum Schutz von Mensch und Umwelt.

Regulatorische Forschung
Gesetzlich vorgeschriebene Tierversuche heißen regulatorische Tierversuche, sie verfolgen einen genauen Zweck. Zum Beispiel zu untersuchen, ob ein neuentwickeltes Medikament Nebenwirkungen aufweist, oder eine in die Umwelt freigesetzte Chemikalie giftig für Mensch, Tiere oder Pflanzen ist. Auch für regulatorische Versuche gilt die Umsetzung des 3R-Prinzips. Vorgeschriebene Tests laufen in der Regel nach einem standardisierten Verfahren ab. Dabei müssen Alternativmethoden offiziell anerkannt sein, um den speziellen Versuch am Tier ersetzen zu können.

Die Anerkennung erfolgt nur, wenn eine Alternativmethode so zuverlässige und vergleichbare Ergebnisse für behördlich vorgeschriebene Tests liefert wie der Tierversuch. Die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) erkennt unter anderem Tests von Chemikalien auf akute Giftigkeit, Augen- oder Hautreizung an. In Europa dürfen diese Versuche dann nicht mehr im Tierversuch durchgeführt werden.

Grundlagenforschung
Neben der regulatorischen Forschung führen Wissenschaftler*innen Tierversuche auch in der Grundlagenforschung durch.

Damit ist jene Forschung gemeint, die sich mit grundsätzlichen Aspekten der Biologie, der (Tier)medizin oder auch des Umweltschutzes befasst.

Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung bilden – wie der Name bereits andeutet – die Grundlage für die weitere angewandte Forschung. Tierversuche in der Grundlagen- und angewandten Forschung unterliegen der Genehmigungspflicht, jedoch keinem standardisierten Verfahren.

Sie werden durchgeführt, um sehr umfangreiche Fragestellungen zu beantworten. Daraus ergeben sich Unterschiede in der Entwicklung und Anwendung von Alternativmethoden in der Grundlagen- und angewandten Forschung, auch wenn die oben vorgestellten Prinzipien der Methoden identisch sind.