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Schutz im Mutterleib dank Stammzell-Tests

Die Entwicklung des Kindes kann schon im Mutterleib durch Schadstoffe aus Umwelt, Lebensmitteln und Medikamenten beeinträchtigt werden, denen die Mutter ausgesetzt ist. Um solche Schädigungen des Kindes vermeiden zu können, sind aussagekräftige Toxizitätstests unerlässlich. Die begrenzte Zuverlässigkeit von Tierversuchen zur Gefahrenanalyse ist spätestens seit dem Contergan-Skandal bekannt, weshalb viele Hoffnungen stattdessen auf menschlichen Zellkultursystemen liegen. Die Konstanzer Biologin Dr. Tanja Waldmann entwickelt solche Testsysteme mit humanen embryonalen Stammzellen, was zu verbessertem Verbraucherschutz und gleichzeitig weniger Tierversuchen in der Toxikologie beiträgt.

Dr. Tanja Waldmann (rechts) entwickelt mit ihrer Doktorandin Nina Balmer Zellkultursysteme mit humanen embryonalen Stammzellen. © BioLAGO

Warnungen vor schädlichen Inhaltsstoffen für Schwangere sind bereits auf Weinflaschen und in Beipackzetteln zu finden, doch für viele Substanzen, denen wir im Alltag begegnen, fehlen klare Daten zur Gefahrenanalyse, da die Untersuchung chronischer Exposition mit geringen Dosen im Tierversuch schwierig und beim Menschen oft nur post mortem möglich ist. Selbst wenn größere Fehlbildungen ausbleiben, können doch bereits kleine Veränderungen über die Zeit akkumulieren und in späteren Lebensphasen deutliche Auswirkungen zeigen. „Darum brauchen wir geeignete Zellkultursysteme, die einzelne Prozesse der menschlichen Entwicklung modellieren“, erklärt Dr. Tanja Waldmann, Gruppenleiterin am Lehrstuhl für In-vitro-Toxikologie und Biomedizin von Professor Leist an der Universität Konstanz.

In einem von Dr. Waldmann und ihren Kollegen entwickelten Testsystem werden humane embryonale Stammzellen Schritt für Schritt zu sogenannten neuroektodermalen Vorläuferzellen, also frühen Nervenzellvorläufern differenziert. „Die Differenzierung im Testsystem entspricht in etwa dem Zeitpunkt der Schließung des Neuralrohrs während der Embryonalentwicklung“, erläutert Dr. Waldmann. Werden die Stammzellen während dieser Differenzierung mit zu testenden Substanzen behandelt, so können anschließend dadurch hervorgerufene Veränderungen in den Zellen und der Entwicklung untersucht werden.

Die Forscherin hat sich auf epigenetische Veränderungen in den Zellen spezialisiert, also auf Veränderungen von (Zell-) Eigenschaften, die nicht in der DNA-Sequenz festgelegt sind. Dabei spielen Modifikationen der DNA oder der Histone, unter anderem Methylierungen und Acetylierungen, eine große Rolle. Neben genetischen Veränderungen wie Mutationen können auch solche epigenetischen Veränderungen zu Langzeitfolgen wie Entwicklungsstörungen führen. „Sie sind sehr dynamisch reguliert und dadurch vermutlich besonders anfällig für akkumulierte Effekte“, begründet Tanja Waldmann. Einzelne Veränderungen können reversibel sein. Wenn sie aber gehäuft auftreten, führt das zu negativen Effekten wie beispielsweise der veränderten Regulation eines Gens. „Epigenetische Modifikationen könnten somit als Warnzeichen für Langzeiteffekte in der Entwicklungstoxikologie genutzt werden“, schildert die Forscherin weiter.

Epigenetik zur Gefahrenprognose

Die große Datenmenge aus den Toxizitätstests wird mit Hilfe der KNIME-Software analysiert, die ebenfalls an der Universität Konstanz entwickelt wurde. © BioLAGO

Von einigen Giftstoffen ist bereits bekannt, dass sie das gesamte Spektrum der Epigenetik beeinflussen können. Ein Beispiel ist Arsen, das sowohl Methylierungen und Acetylierungen der Histone sowie Methylierungen der DNA verändert - vermutlich durch direkte biochemische Einwirkung auf verantwortliche Enzyme. „Insgesamt steht aber die Erforschung des Einflusses von Giftstoffen auf die Epigenetik noch am Anfang und klare Muster oder Erklärungen fehlen“, erklärt Tanja Waldmann. Erschwerend kommt hinzu, dass die Auswirkungen epigenetischer Veränderungen durch Schadstoffe sehr divers sein können. Grundsätzlich führen sie zu einer veränderten Genexpression, die über viele Schritte zu bestimmten Krankheiten führen kann, je nachdem, welche Gene betroffen sind. Darum untersucht Dr. Waldmann zusammen mit der Doktorandin Nina Balmer außer Histonmodifikationen auch Veränderungen der Genexpression.

Die entwickelten Testsysteme wurden bereits zur Untersuchung verschiedener Substanzen auf deren Entwicklungstoxizität eingesetzt. Eine dieser Substanzen ist Valproinsäure (VPA), die zur Therapie von Epilepsie verwendet wird. Die Einnahme in der Schwangerschaft kann unter anderem zu verminderter Intelligenz, Autismus oder Schizophrenie, aber auch zu Missbildungen wie Spina bifida (Wirbelspalt) oder zum Tod des Kindes führen. Ursache dafür ist eine Störung der Schließung des Neuralrohrs durch Valproinsäure.

„Da wir genau diesen Zeitraum der Entwicklung auch in unserem Testsystem modellieren, wollten wir VPA in unserem System untersuchen“, erläutert Tanja Waldmann die Auswahl. In ihrem Testsystem bestätigt sich der negative Effekt auf die Entwicklung des Nervensystems. Die Behandlung der Stammzellen während der Differenzierung mit ähnlichen Konzentrationen von Valproinsäure, wie sie bei der therapeutischen Einnahme im Menschen vorkommen, führt im Testsystem zu einer Veränderung der Histonmodifikationen, einer veränderten Genexpression und einer beeinträchtigten Entwicklung zu Nerven-Vorläuferzellen. „Die Ergebnisse bestätigen die Aussagekraft unseres Testsystems“, urteilt Dr. Waldmann.

Sicherheit durch Vielseitigkeit

Anhand der Erkenntnisse aus den Zellkulturtests versuchen die Forscher Rückschlüsse auf die Situation beim Menschen zu ziehen, um das Gefahrenpotenzial einer Substanz einschätzen zu können. Ein Ziel für Entwicklungstoxizitäts-Tests ist die Etablierung von Testbatterien, bestehend aus vielen einzelnen Tests, die bestimmte Aspekte der Entwicklung modellieren. Ziel ist, durch die Kombination dieser Tests eine Gefahrenanalyse für die gesamte Entwicklung vornehmen zu können. „Eine solche Testbatterie wäre auch den aktuellen Tierversuchen deutlich überlegen, da sie neben den Auswirkungen auf die gesamte Entwicklung auch eine mechanistische Untersuchung giftiger Substanzen erlauben würde“, erklärt Dr. Waldmann die Vorteile. Das Tier dagegen stellt meist eine Art „black box“ dar, bei der oft nur die Folgen, nicht aber die Mechanismen einer Schädigung betrachtet werden können.

Allzu große Hoffnungen auf eine baldige breitangelegte Anwendung in der Industrie dämpft Dr. Waldmann allerdings. „Epigenetische Untersuchungen sind zu aufwändig für automatisierte Screenings und damit zumindest bisher nicht für Hochdurchsatzverfahren geeignet“, relativiert sie. Hier würden sich Genexpressionsprofile mit Gen-Chips und funktionelle Endpunkte wie das Wachstum von Nervenfortsätzen deutlich besser eignen, da sie bereits für die Automatisierung angepasst seien. „Die epigenetischen Untersuchungen sind aber trotzdem sehr wertvoll, da sie zur Aufklärung von Wirkmechanismen beitragen können und die frühzeitige Untersuchung kleiner Veränderungen ermöglichen, bevor sich diese im Phänotyp deutlich manifestieren“, schließt Dr. Waldmann.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/schutz-im-mutterleib-dank-stammzell-tests