Kleine Gehirnmodelle, grosse Wirkung: neue Methode zur Prüfung der Chemikaliensicherheit

Wir sind ständig von Chemikalien umgeben – zu Hause, am Arbeitsplatz und in unserer Nahrung. Viele von ihnen können die Entwicklung des Gehirns beeinträchtigen, insbesondere bei Kindern und ungeborenen Babys während der Schwangerschaft. Chemikalische Sicherheitsstudien sind jedoch teuer, zeitaufwendig und stark von Tierversuchen abhängig. David Pamies und sein Team an der Universität Lausanne entwickeln eine schnellere, präzisere und stärker auf den Menschen ausgerichtete Alternative: ein dreidimensionales Gehirnmodell aus menschlichen Stammzellen, das aufzeigen soll, wie Chemikalien die schützende Isolierschicht der Nervenzellen schädigen. Im Rahmen des NFP 79 «Advancing 3R» könnte das Projekt die Beurteilung der Chemikaliensicherheit grundlegend verändern. Wir haben mit David Pamies über den Stand des Projekts, die wichtigsten Erkenntnisse und die nächsten Schritte gesprochen.

Von Farben bis zu Pestiziden: Wir sind tagtäglich Chemikalien ausgesetzt, von denen viele die Gehirnentwicklung beeinträchtigen können. Weshalb werden diese Substanzen noch immer so selten umfassend auf ihre Sicherheit geprüft? Und welche Rolle spielen die Grenzen heutiger Tiermodelle dabei?

Ein wesentlicher Grund ist, dass die derzeitigen Prüfverfahren äusserst langsam und teuer sind und nach wie vor stark auf Tierversuchen beruhen. Eine einzelne Sicherheitsstudie kann mehrere Monate dauern, mehr als eine Million Dollar kosten und den Einsatz zahlreicher Tiere erfordern. Deshalb wurden viele Chemikalien in Alltagsprodukten bislang nie umfassend auf ihre Auswirkungen auf die Gehirnentwicklung untersucht.

Hinzu kommt ein wissenschaftliches Problem: Tierische und menschliche Gehirne entwickeln sich nicht identisch, weshalb Ergebnisse aus Tierstudien nicht immer zuverlässig auf den Menschen übertragbar sind. Aus diesem Grund entwickeln Forschende heute vermehrt Methoden auf Basis menschlicher Zellen, die für den Menschen relevantere Erkenntnisse liefern sollen.

Ihr Team hat mit den sogenannten BrainSpheres ein dreidimensionales Gehirnmodell auf Basis menschlicher Stammzellen entwickelt. Was macht dieses Modell aus wissenschaftlicher und ethischer Sicht zu einer vielversprechenden Alternative zu Tierversuchen?

BrainSpheres sind winzige, dreidimensionale, gehirnähnliche Gewebe, die aus menschlichen Stammzellen hergestellt werden. Sie enthalten mehrere wichtige Zelltypen des Gehirns und bilden zentrale Phasen der menschlichen Gehirnentwicklung nach. Besonders bemerkenswert ist ihre Fähigkeit, Myelin zu bilden – die schützende Isolierschicht um Nervenzellen, die sich im Labor nur sehr schwer nachbilden lässt. Da BrainSpheres auf menschlicher Biologie beruhen, können sie möglicherweise aussagekräftigere Informationen liefern als Tiermodelle. Gleichzeitig tragen sie dazu bei, den Bedarf an Tierversuchen zu reduzieren.

Wo steht das Projekt derzeit, und welche wissenschaftlichen oder technischen Herausforderungen waren bislang am grössten?

Wir konnten bereits zeigen, dass das Modell Chemikalien erkennt, von denen bekannt ist, dass sie Myelin schädigen. Aktuell konzentrieren wir uns darauf, das System stärker zu automatisieren und die Auswertung weniger von manuellen Analysen abhängig zu machen. Konkret bedeutet dies, die Methode für automatisierte Wirkstoff- und Substanz-Screenings anzupassen. Wir haben bisher rund 20 Substanzen getestet und bereiten derzeit die Veröffentlichung der Ergebnisse vor.

Wenn Sie auf die bisherige Projektarbeit zurückblicken: Welche Erkenntnisse waren besonders wichtig? Und welche haben Sie am meisten überrascht?

Eine der grössten Herausforderungen bestand darin, hochauflösende Mikroskopietechniken so anzupassen, dass sie in komplexen Gehirnmodellen wie den unseren zuverlässig funktionieren. Diese Verfahren wurden ursprünglich für einfachere Zellkulturen entwickelt. Ihre Anwendung auf dreidimensionale Strukturen erwies sich als deutlich anspruchsvoller als wir zunächst erwartet hatten.

Am meisten überrascht hat mich, wie rasant sich das Forschungsfeld in den letzten Jahren entwickelt hat. Inzwischen gibt es zahlreiche Plattformen und Kultursysteme, die speziell für die 3D-Biologie konzipiert wurden und völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Wir haben erkannt, dass die Wahl der richtigen Plattform die Bildqualität, die Automatisierung und die Zuverlässigkeit der Messungen in Organoiden erheblich verbessern kann. Das zeigt eindrücklich, wie schnell die Technologie rund um diese Modelle voranschreitet.

Ihr Projekt untersucht gezielt Myelin, die schützende Isolierschicht um Nervenzellen. Weshalb ist Myelin ein besonders empfindlicher und aussagekräftiger Indikator, um die Auswirkungen von Chemikalien auf das sich entwickelnde Gehirn zu beurteilen?

Myelin ist für die normale Funktion des Gehirns unverzichtbar. Es entsteht in einem komplexen Prozess, an dem verschiedene Zelltypen beteiligt sind. Deshalb reagiert es empfindlich auf Störungen: Beeinträchtigt eine Chemikalie einen Teil des Prozesses, kann sich dies auf die Bildung von Myelin auswirken. Da Myelin eine zentrale Rolle für Denken, Bewegung und Entwicklung spielt, sind Veränderungen ein wichtiger Indikator dafür, dass etwas nicht richtig verläuft. Gleichzeitig war der Nachweis von Myelinschäden bisher technisch anspruchsvoll. Unsere Arbeit schliesst eine wichtige Lücke.

Sie stehen in regelmässigem Austausch mit europäischen Behörden, damit die Methode langfristig validiert und anerkannt wird. Was umfasst dieser Prozess? Und welche Meilensteine stehen als Nächstes an?

Für eine behördliche Anerkennung genügt es nicht, ein interessantes Modell zu entwickeln. Die Methode muss zuverlässig, reproduzierbar und für behördliche Entscheidungen geeignet sein. Dazu gehören mehrere Schritte: die Etablierung eines standardisierten Verfahrens, die Definition der biologischen Veränderungen, die gemessen werden, die Prüfung von Substanzen mit bekannten Wirkungen sowie der Nachweis, dass die Methode in verschiedenen Laboratorien konsistente Ergebnisse liefert. Sobald die Datenauswertung abgeschlossen ist, hoffen wir, gemeinsam mit der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) die nächsten Schritte hin zu einer behördlichen Anerkennung einzuleiten.

Wenn Ihre Methode künftig Teil der Standardtests zur Beurteilung der Chemikalientoxizität wird, wie könnte dies die Bewertung von Chemikalien für Industrie, Behörden und Konsumierende verändern?

Bereits heute haben laborbasierte Prüfmethoden die Beurteilung der Auswirkungen von Chemikalien auf das sich entwickelnde Gehirn deutlich verbessert. Dennoch bestehen weiterhin Wissenslücken – und die Beeinträchtigung von Myelin gehört dazu. Diese Lücken zu schliessen, ist entscheidend für eine umfassendere Teststrategie.

Für die Industrie bedeuten solche Methoden schnellere und zuverlässigere Prüfverfahren für potenziell schädliche Substanzen. Behörden erhalten ein vollständigeres Bild darüber, wie Chemikalien die Gehirnentwicklung beeinflussen. Für Konsumierende – insbesondere für Kinder und Schwangere – liegt der langfristige Nutzen auf der Hand: sicherere Produkte.