Tiere in der antiviralen Forschung ersetzen – Zelle für Zelle

Für Covid-19 und andere virale Atemwegserkrankungen stehen nach wie vor nur begrenzte Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung – unter anderem, weil bestehende Tiermodelle häufig nicht zuverlässig vorhersagen, wie sich Wirkstoffe im Menschen verhalten. Professorin Caroline Tapparel Vu und ihr Team an der Universität Genf verfolgen deshalb einen anderen Ansatz: Sie testen antivirale Wirkstoffe direkt an im Labor kultiviertem menschlichem Atemwegsgewebe (Human Airway Epithelia, HAE). Im Rahmen des NFP 79 «Advancing 3R» entwickeln sie gemeinsam mit dem Unternehmen Epithelix und akademischen Partnern eine Screening-Plattform, die die Entwicklung antiviraler Medikamente revolutionieren könnte. Wir haben mit Caroline Tapparel Vu über den Fortschritt des Projekts, die wichtigsten Erkenntnisse und die nächsten Schritte gesprochen.

Warum stossen bestehende Tiermodelle in der antiviralen Forschung so häufig an ihre Grenzen? Und weshalb lassen sich die Ergebnisse oft nicht auf den Menschen übertragen?

Dem Problem liegen zwei wesentliche Faktoren zugrunde. Erstens werden für erste antivirale Wirkstoff-Screenings häufig Zelllinien verwendet, die aus Krebszellen bestehen. Diese haben im Laufe der Zeit chromosomale Veränderungen erfahren und unterscheiden sich erheblich von gesunden menschlichen Atemwegszellen. Da respiratorische Viren auf bestimmte Wirtsfaktoren angewiesen sind, um in Zellen einzudringen und sich darin zu vermehren, entsteht bei Tests mit diesen Krebszelllinien eine erhebliche Diskrepanz zur tatsächlichen Situation im Menschen.

Zweitens ergibt sich eine ähnliche Abweichung bei der Validierung potenzieller Wirkstoffkandidaten in Tiermodellen: Die meisten menschlichen Atemwegsviren können Mäuse gar nicht infizieren. Zwar gibt es Möglichkeiten, dieses Problem zu umgehen, doch entfernen sich solche Ansätze noch weiter von der realen Situation einer Infektion menschlichen Gewebes durch ein menschliches Virus. Deshalb werden bei der Auswahl von Wirkstoffen auf zwei Stufen Gewebe verwendet, die biologisch mit menschlichem Gewebe wenig zu tun haben.

Gelangen diese Wirkstoffkandidaten später in klinische Studien, scheitern sie mitunter genau deshalb, weil die Testsysteme ihre Wirkung im Menschen nicht zuverlässig abbilden konnten.

Was macht ein In-vitro-Modell aus wissenschaftlicher und ethischer Sicht zu einer vielversprechenderen Alternative zu Tiermodellen?

Der grösste Vorteil liegt in der biologischen Nähe zum Menschen. Diese Modelle basieren auf Zellen, die direkt aus Biopsien von Betroffenen gewonnen werden. Unter geeigneten Bedingungen entwickeln sich daraus Gewebe, die der Zellzusammensetzung und Gewebearchitektur der menschlichen Atemwege sehr nahekommen. Unser Team nutzt derzeit die Einzelzell-RNA-Sequenzierung – ein Verfahren, mit dem die Genexpression jeder einzelnen Zelle analysiert werden kann. Dieses hilft, das rekonstruierte Gewebe mit publizierten Datensätzen menschlichen Gewebes sowie mit Mausgewebe zu vergleichen. Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses Gewebemodell den oberen Atemwegen des Menschen deutlich ähnlicher ist als Mäuse.

Konkret können wir so Wirkstoffkandidaten rasch erkennen, die in Krebszelllinien vielversprechend wirken, in gesundem menschlichem Gewebe aber gar keine Wirkung zeigen. Solche Kandidaten lassen sich ausscheiden, noch bevor sie überhaupt an Tieren getestet werden. Hydroxychloroquin ist dafür ein gutes Beispiel: Zu Beginn der Covid-Pandemie schien die Substanz in Zelllinienversuchen wirksam, scheiterte dann aber in klinischen Studien. Auch in unserem Modell zeigt sie keine Wirkung – das Modell hätte also schon früh darauf hinweisen können, dass sie kein vielversprechender Ansatz ist. Ethisch bedeutet das unmittelbar weniger Tierversuche: Wirkstoffe, die das menschliche Gewebe bereits als ungeeignet ausweist, werden gar nicht erst weiterverfolgt.

Wo steht das Projekt derzeit? Und welche Herausforderungen waren bislang am grössten?

Die grösste Herausforderung lag in den Sicherheitsvorschriften im Umgang mit SARS-CoV-2. Das Virus ist der biologischen Schutzstufe 3 zugeordnet und darf nur in speziell ausgestatteten Laboren und unter Verwendung vollständiger Schutzausrüstung untersucht werden. Die Universität Genf verfügt zwar über ein solches Labor, dieses ist jedoch nicht für Tierversuche ausgerüstet. Unsere Experimente mussten wir deshalb an der EPFL durchführen. Die Einholung der dafür nötigen interkantonalen Bewilligung nahm erhebliche Zeit in Anspruch, und zusätzlich befindet sich die benötigte Infrastruktur an der EPFL seit über einem Jahr in Wartung – beides hat den Zeitplan des Projekts deutlich verzögert. Um die verbleibenden Mausversuche abschliessen zu können, wurde eine Verlängerung des Projekts um ein Jahr beantragt; die Finanzierung ist weiterhin gesichert.

Das Team hat das HAE-Modell hinsichtlich der Zusammensetzung der Epithelzellen validiert und bestätigt, dass es ein geeignetes Ersatzmodell für menschliches Atemwegsgewebe darstellt. Zudem wurde die Wirksamkeit antiviraler Wirkstoffe sowohl im Ex-vivo-Modell als auch im Mausmodell verglichen. Die Ergebnisse aus den Mausversuchen erwiesen sich als relativ variabel, weshalb zusätzliche Experimente notwendig sind. Die Daten aus der Einzelzell-RNA-Sequenzierung werden derzeit ausgewertet.

Welches sind die wichtigsten Erkenntnisse Ihrer Forschung bisher? Gab es Ergebnisse, die Sie überrascht haben?

Die wichtigste Erkenntnis ist bislang, dass das HAE-Modell tatsächlich ein sehr gutes Ersatzmodell für menschliches Atemwegsepithel darstellt – zumindest auf Ebene der Epithelzellen, die das primäre Ziel des Virus sind. Die Einzelzellanalyse bestätigt, dass die Vielfalt der Zelltypen im rekonstruierten Gewebe mit dem übereinstimmt, was in menschlichen Datensätzen dokumentiert ist.

Interessanterweise erwiesen sich einige Substanzen auf Gewebeebene als unwirksam, lösten in bestimmten Zellpopulationen jedoch deutliche Reaktionen aus. Dies verdeutlicht den Mehrwert von Einzelzellanalysen, mit denen sich zelltypspezifische Wirkstoffeffekte aufdecken lassen, die sonst unentdeckt blieben. Solche Effekte können auf bislang unbekannte Wirkmechanismen oder Nebenwirkungen hinweisen und dazu beitragen, neue antivirale Zielstrukturen zu identifizieren.

Auch die Mausdaten brachten ein bemerkenswertes Ergebnis: Im Nasengewebe der Mäuse liess sich kaum Virusmaterial nachweisen, während das HAE-Modell die bekannten Infektionsmuster beim Menschen gut widerspiegelte. Dies verdeutlicht unmittelbar, weshalb Mausmodelle für Infektionen der oberen Atemwege beim Menschen nur begrenzt geeignet sind.

Sie entwickeln eine Screening-Plattform, mit der sich antivirale Substanzen in grossem Umfang testen lassen. Wie wird diese in der Praxis funktionieren? Wer wird sie nutzen können? Und welche Meilensteine stehen als Nächstes an?

Parallel zum Hauptprojekt haben wir eine Hochdurchsatz-Plattform für antivirale Screenings entwickelt, die auf menschlichen Atemwegsorganoiden basiert. Diese Plattform ist inzwischen vollständig entwickelt und validiert; ein Manuskript, das ihre Etablierung und Validierung beschreibt, befindet sich derzeit in Vorbereitung.

Aus den Hochdurchsatz-Screenings ergab sich eine bedeutsame Erkenntnis. Am Beispiel des Respiratorischen Synzytial-Virus (RSV) verglichen wir die Ergebnisse antiviraler Screenings in menschlichen Atemwegsorganoiden und in herkömmlichen, aus Krebszellen gewonnenen Zelllinien. Mehrere Substanzen, die sich in den Zelllinien als wirksam erwiesen, zeigten im Organoid-Modell keine Wirkung, während einige in den Organoiden wirksame Substanzen in den zelllinienbasierten

Screenings übersehen wurden. Diese Ergebnisse belegen, dass die Organoid-Plattform falsch-positive Kandidaten frühzeitig ausschliessen und vielversprechende antivirale Wirkstoffe identifizieren kann, die sonst übersehen würden.

In einem nächsten Schritt soll die Plattform für weitere Viren validiert werden, beispielsweise für Influenza- und Rhinoviren, um ihre Anwendbarkeit über RSV hinaus zu belegen. Längerfristig könnte die Plattform über unseren Kooperationspartner Epithelix kommerzialisiert werden, ein Genfer Unternehmen, das bereits Dienstleistungen im Bereich antiviraler und toxikologischer Tests für grosse Pharmaunternehmen anbietet und Interesse bekundet hat, dieses biologisch realitätsnahe Screening-Modell als Teil seines Dienstleistungsportfolios anzubieten.

Sie arbeiten mit Epithelix und akademischen Partnern zusammen. Wie wichtig ist diese Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie? Und wie könnte Ihr Projekt die Entwicklung antiviraler Medikamente verändern, wenn es erfolgreich ist?

Die Zusammenarbeit war von Beginn an entscheidend. Epithelix brachte sowohl die wissenschaftliche Grundlage als auch eine wirtschaftlich realistische Perspektive für die spätere Skalierung ein. Die Universität Genf stellte die robotergestützte Infrastruktur für Hochdurchsatzanalysen zur Verfügung, die ein akademisches Labor allein nicht hätte aufbauen können. Ein auf Stammzellen spezialisiertes Unternehmen lieferte die speziellen Nährmedien und Protokolle für die Kultivierung der Organoide und stellte diese zu vergünstigten Konditionen bereit. Dies war angesichts der hohen Kosten von grosser Bedeutung.

Langfristig ist es unser Ziel, dass solche Screenings zu einem festen Bestandteil antiviraler Entwicklungsprozesse werden und nicht lediglich eine optionale Ergänzung darstellen. Das Interesse der Industrie ist bereits sichtbar: Roche hat begonnen, Ex-vivo-Modelle in die eigene Entwicklungsplattform zu integrieren. Eine breitere Anwendung könnte dazu beitragen, vielversprechende Wirkstoffkandidaten früher zu identifizieren, kostspielige Fehlschläge in späten Entwicklungsphasen zu vermeiden und die Zahl unnötiger Tierversuche zu reduzieren.

Doch das Team denkt bereits über die aktuelle Plattform hinaus: In einem ersten Schritt sollen Immunzellen in die Co-Kultur integriert werden. Langfristig könnten Atemwegs-, Leber- und Hirngewebe auf sogenannten Organ-on-a-Chip-Plattformen miteinander verbunden werden. Ziel ist ein Modellsystem, das die systemischen Auswirkungen von Infektionen und Behandlungen deutlich umfassender abbildet.