Für unsere Publikation Wegweiser Tierversuchsfreie Wissenschaft haben wir mit Dr. Johanna Berg über tierversuchsfreie Methoden im Bereich des Tissue Engineerings (Biodrucks) und den Ersatz tierischer Labormaterialien gesprochen.

Frau Dr. Berg, können Sie unseren Leser*innen einen kurzen Überblick über Ihre Forschung geben?  

Dr. Johanna Berg: Da die Arbeitsgruppe insgesamt etwas größer ist, sollen an dieser Stelle die Arbeiten zum Thema Biodruck in den Vordergrund gerückt werden. Wir beschäftigen uns prinzipiell mit den Strukturen einiger Organe, die wir mittels verschiedener Biodrucktechnologien generieren. Dabei definieren wir den Biodruck derart, dass wir die Zellen direkt mit dem einem Hydrogel mischen, wir bezeichnen das zellhaltige Hydrogel als Bioink, und diesen mit Hilfe des jeweiligen Druckers Schicht für Schicht (additiv) in eine dreidimensionale Form überführen. Diese Formen generieren wir vorab mittels einer CAD-Software entsprechend unserer Anwendungsziele. Hierbei müssen auch die spezifischen technischen und materiellen Eigenschaften der Drucker und der eingesetzten Bestandteile im Bioink berücksichtigt werden. Dabei beschäftigen wir uns hauptsächlich mit den Organen Lunge und Leber, sowie der Generierung verschiedener Tumor-/Metastasenmodelle dieser und anderer Organe. Zum einen sind wir daran interessiert, die Modelle in ihrer Komplexität zu erweitern, das heißt, sie physiologisch relevanter zu gestalten, wie durch das Einbringen verschiedener Zelltypen und Gefäßstrukturen für die Perfusion. Zum anderen wollen wir Modelle erzeugen, die schnell in großer Zahl reproduzierbar sind, um sie für Substanztestungen einsetzen zu können, beispielsweise für Zytostatika in der Krebstherapie oder Toxizitätstest verschiedenster Stoffe an der Leber. Wünschenswert sind komplexe Strukturen, die in hoher Stückzahl produziert werden können. Dabei geht es uns darum, Tierversuche zu reduzieren bzw. bei genügender Relevanz der gedruckten Strukturen, diese sogar ersetzen zu können. Zusätzlich ist es uns ein Anliegen, die tierischen Komponenten, die häufig in humanen 2D- und 3D Kulturen verwendet werden (FKS, Matrigel, Collagen…) durch synthetische bzw. humane Alternativen zu ersetzen, um zum einen chimäre Systeme aus Tier/Mensch zu vermeiden und zum anderen auch das mit der Gewinnung dieser tierischen Komponenten verursachte Tierleid zu reduzieren. Ein weiteres Gebiet, in das wir allerdings erst eingestiegen sind, ist die Erzeugung veganer Fleischalternativen. Dabei kooperieren wir mit zwei anderen Arbeitsgruppen aus dem Bereich der Lebensmitteltechnologie, um Gerüststrukturen aus einem Gemisch von Pflanzenproteinen zu erzeugen, die wir mit tierischen Zellen versetzen und Drucken. In einem alternativen Ansatz wird die Gerüststruktur mit industriellen Extrudern generiert und nachträglich mit den Zellen besiedelt, um Fleischalternativen zu produzieren.   

Welche Vorteile sehen Sie bei der Verwendung von human-basierten, tierversuchsfreien Methoden in der Forschung, insbesondere in Bezug auf den Biodruck von Organmodellen?  

Dr. Johanna Berg: An dieser Stelle möchte ich sagen, dass wir keine absoluten Gegner von Tierversuchen sind, sie führen immer noch zu grundlegenden Erkenntnissen innerhalb der medizinischen und grob zusammengefasst Life-Science Forschung. Dennoch sieht das Prozedere für die Zulassung von Medikamenten prinzipiell so aus, dass Substanzen an zweidimensional kultivierten humanen (bzw. teilweise auch tierischen) Zellen getestet und bei ausreichender Inzidenz ins Tiermodell übertragen werden. Danach geht es dann bei Eignung in die klinischen Studien, wo Medikamente dann zu einem enorm hohen Prozentsatz scheitern. Es gibt also zwei Aspekte, die für uns den Einsatz von human-basierten Alternativverfahren sinnvoll machen. Zum einen das Tierleid, dass durch den Einsatz geeigneter human-basierter Modellsysteme eingegrenzt werden kann, zum anderen erhöht es die Aussagekraft, wenn für Studien über die Wirksamkeit von Substanzen im Menschen dreidimensionale humane Modellsysteme verwendet werden können. An diesen können auch (patho-)physiologische Mechanismen des menschlichen Organismus untersucht werden. Der erste Aspekt bedarf vermutlich keiner weiteren Erläuterung, wenn wir Tierversuche einsparen bzw. ganz ersetzen können, um so das Leid der Versuchstiere zu reduzieren, sollten wir das auch tun. Der zweite Aspekt ist auch aus wissenschaftlicher und ökonomischer Sicht beachtlich. Natürlich bieten Tiermodelle die Möglichkeit systemische Effekte innerhalb eines kompletten Organismus zu analysieren, dennoch unterscheiden sie sich vom menschlichen Organismus. Während humane 2D Kulturen nicht die Komplexität einer räumlichen Anordnung verschiedener Zelltypen innerhalb unterschiedlicher Gewebekompartimente abbilden, gibt es zwischen Menschen und Tieren zwischenartliche Unterschiede, unter anderem auch hinsichtlich zahlreicher Signalwege. Syngene Mausmodelle liefern zwar immer menschlichere Aspekte, dennoch handelt es sich dabei nicht um einen humanen Organismus. Zudem können wir mit dem Biodruck reproduzierbar humane Modelle on demand erzeugen. Der Vorteil ist dabei nicht nur gegenüber Tiermodellen zu sehen, sondern auch gegenüber 2D Kulturen, die einfach nicht die räumliche Anordnung der Zellen abbilden können. Gedruckte Organmodelle sind teilweise schnell adaptierbar, so können Geometrien oder Zelltypen schnell ausgetauscht bzw. angepasst werden, um die jeweilige Fragestellung adäquater adressieren zu können. 

Können Sie unseren Leser*innen ein Beispiel für eine Anwendungsmöglichkeit Ihrer Forschungsergebnisse geben?  

Dr. Johanna Berg: Einige unserer Tumormodelle lassen sich sehr schnell drucken und variieren. In diesen Modellen ist ein Kern aus Tumorzellen von gesunden Zellen umgeben. Daran können Chemotherapeutika in einer dreidimensionalen Umgebung an menschlichen Zellen auf ihre tumorzellspezifische, selektive Wirkung getestet werden. Nur die Tumorzellen sollen durch das Medikament geschädigt werden, nicht die humanen gesunden Zellen. Zudem konnten wir an unserem Lungenmodell nachweisen, dass wir sie mit humanpathogenen Viren (saisonale Influenzaviren, CoV2) infizieren und die Wirksamkeit von Virostatika testen können.  

Auf welches Ihrer Projekte blicken Sie mit besonders viel Begeisterung und Stolz?   

Dr. Johanna Berg: Das ist schwierig, alle Projekte sind spannend und liefern gemessen an dem jeweiligen Stand der Technik/des Wissens in der Gruppe neue Erkenntnisse. Als wir damals mit dem Druck des Lungenmodells angefangen haben, hatten wir keinerlei Erfahrung mit Biodruck, weder mit der Technologie noch mit den zu druckenden Polymeren. Daher war es schon toll, dass wir einen Zelltyp in ein einfaches Hydrogel, bestehend aus 2 bis 3 Komponenten drucken konnten, in dem die Zellen lebten und dass seine vorgegebene räumliche Form behielt. Heute besteht das Lungenmodell aus 4 Zelltypen, mehreren komplexen Biotinten und wird an einem Air-Liquid-Interface (ALI) kultiviert. Darunter versteht man, dass sich ein Teil der Zellen in der Gasphase, der andere in der Flüssigphase befindet. Wir sehen, dass sich die Zellen selbst organisieren und können Modelle zum Teil über Monate hinweg kultivieren. Zudem haben wir Projekte, in denen wir gedruckte Modelle perfundieren, also einen Medienstrom über ein Mikropumpensystem anlegen und so eine Art vereinfachte Vaskularisierung abbilden können, was eine große Herausforderung für den Biodruck darstellt. Im Laufe der Jahre sind sowohl die Biodrucker als auch die Biotinten immer besser und spezialisierter geworden. Innerhalb des Fachgebietes konnten wir die Ausstattung bezüglich beider Kategorien immer weiter optimieren und unser Knowhow erweitern, so dass jedes Projekt wichtig war und ist.   

Was müsste sich aus Ihrer Sicht ändern, um tierversuchsfreie Methoden hierzulande verstärkt zu etablieren?  

Dr. Johanna Berg: Sie müssten zum einen stärker gefördert werden und damit meine ich nicht, aus ideeller Sicht. Ich denke, dass der generelle Zuspruch für Tierversuchsalternativen sehr groß ist, aber damit die Umsetzung und Etablierung dieser erfolgreich ablaufen kann, muss es nicht nur mit Worten, sondern auch finanziell und politisch Unterstützung finden. Natürlich können die Alternativen nicht mit einem Schlag alle Tierversuche ersetzen, dennoch müssen sie die Chance bekommen, sich weiterzuentwickeln, und das geht nur, wenn sie gefördert werden. Auch wenn die Akzeptanz und Förderungssummen zunehmen, fließt ein Großteil der Forschungsförderung in Tierversuche. Das macht es Alternativmethoden nicht einfach, sich zu etablieren. Auch die Kriterien/Anforderungen an Alternativforschung sind sehr hoch in Relation zu bestehenden Tierversuchen. Natürlich ist es wichtig und richtig, Anforderungen zu erfüllen und Maßstäbe und Kriterien für die Validierung zu haben, dennoch sollten diese auch für alle, auch für bestehende Tierversuche, gelten. Zudem müssen wir auch die Akzeptanz der Personen gewinnen, die ausschließlich Tierversuche machen. Dazu muss die Außenwirkung, also das Werben für Alternativmethoden und das Sichtbarmachen unserer Forschung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, Öffentlichkeit und auch Politik verstärkt werden, damit wir zum einen überhaupt auf die Alternativstrategien aufmerksam machen und zum anderen, damit wir zeigen können, was wir erreicht haben und noch erreichen wollen.   

Welche aktuellen Entwicklungen im Bereich der tierversuchsfreien Erforschung im Bereich des Biodrucks von Organmodellen halten Sie für besonders vielversprechend?  

Dr. Johanna Berg: Da der Biodruck in sehr vielen Anwendungsbereichen eingesetzt wird, sind wir vermutlich nicht in allen Gebieten auf dem aktuellen Stand, wie zum Beispiel Knochen- oder Zahnmedizin. Faszinierend sind die Möglichkeiten für die schnelle Testung vieler Substanzen, seien es Therapeutika jeglicher Art oder potenzielle Umweltgifte. Da durch den Biodruck reproduzierbar dreidimensionale Modelle geschaffen werden können, die skalierbar in Anzahl und Größe sind, ist das Anwendungsfeld für High Throughput Verfahren groß. Zudem besteht die Möglichkeit, Untersuchungen personalisiert durchzuführen, indem man mit Zellen des Patienten kleinste Strukturen druckt und die Wirksamkeit der Medikation vorab testen kann, um eine auf spezielle Bedürfnisse abgestimmte optimale Therapie zu entwickeln. Bereits der Einsatz weiblicher/männlicher Zellen bzw. Kind/junger Erwachsener/Senioren etc. kann Unterschiede hinsichtlich zahlreicher Aspekte aufzeigen und so gezielt untersucht werden. Da Tiere nicht die gleichen Krankheiten wie Menschen erleiden, bietet der Biodruck auch die Möglichkeit, humane Krankheitsmodelle abzubilden, da gerade bei der Therapeutikaentwicklung nicht der gesunde humane Proband Zielperson der Behandlung ist. 

Außerdem sehen wir große Erfolge durch die immer komplexer werdenden Modelle. So werden Modelle gedruckt, die unterschiedliche Kompartimente mit verschiedenen Zelltypen haben, die Modelle können vaskularisiert werden, und intelligente Polymere kommen zum Einsatz, die beispielsweise auf bestimmte Stimuli oder Formen reagieren, um gewünschte biomechanische Eigenschaften auszubilden. Der Biodruck ist ein interdisziplinäres Feld, daher ist es entscheidend, dass es auch so entwickelt wird, und es freut uns, dass die Vernetzung diesbezüglich immer stärker wird. Materialwissenschaftlich, technologisch, zellbiologisch, medizinisch etc. ergeben sich viele Herausforderungen, die bedacht und implementiert werden müssen. Genauso müssen auch Bildgebungsverfahren bzw. Validierungstools und -richtlinien auf derartige Modelle angepasst bzw. diese entwickelt werden, um eine Standardisierung zu ermöglichen.   

Was sind die größten Herausforderungen, mit denen Sie bei der Übertragung Ihrer Forschungsergebnisse auf klinische Anwendungen konfrontiert sind?  

Dr. Johanna Berg: Zum einen natürlich, dass es keine Validierungsrichtlinien bzw. Standardisierung für die Modelle gibt. Es sind Modelle, die eine bestimmte Fragestellung unter genau den gegebenen Umständen adressieren. Auch wenn wir durch den Einsatz menschlicher (personalisierter, geschlechtsspezifischer, ...) Zellen die Diversität vergrößern können, sind und bleiben es Modelle. Zum anderen fehlt bislang die Möglichkeit systemischer Analysen, da wir meist auf ein oder zwei Organe reduziert sind. Hier wäre es denkbar, den Einsatz verschiedener Alternativmethoden zu koppeln. Organ-on-a-Chip-Technologien ermöglichen die Überprüfung potenzieller systemischer Effekte und können mit den jeweiligen gedruckten organspezifischen Modellen kombiniert werden, um Befunde in einem komplexeren Setup zu überprüfen. Doch auch wenn wir es nicht schaffen, den Einsatz von Versuchstieren abzulösen, können unsere Modelle dazu beitragen, die Versuchstieranzahl zu reduzieren. Viele der im Tierversuch getesteten Therapeutika scheitern innerhalb der klinischen Phasen am Menschen daran, dass sich Tier und Mensch voneinander in vielerlei Hinsicht (immunologisch, zellspezifisch, biomechanisch, …) unterscheiden. Durch eine Vorselektion der Therapeutika in den humanen dreidimensionalen Modellsystemen, könnten ungeeignete Wirkstoffe schon vorab ausgeschlossen werden und müssten im Tier gar nicht mehr getestet werden.   

Können Sie bereits vollständig auf tierische Materialien, wie z. B. Fetales Kälberserum oder Matrigel verzichten? Und wenn nein, planen Sie dies für die Zukunft Ihrer Forschung?  

Dr. Johanna Berg: Das ist eines unserer großen Anliegen. Wir versuchen seit mehreren Jahren, xenofreie Modelle zu erzeugen, das heißt Modelle, die humane Zellen in einer komplett tierfreien Umgebung beinhalten. Dabei dürfen sowohl das Kultivierungsmedium als auch die Biotinte keinerlei tierische Zusätze enthalten. Mit rein synthetischen Materialien ist uns das bislang nicht gelungen, aber mit humanen Komponenten konnten wir Erfolge erzielen. Gerade für die Reduktion zur Verwendung von FCS in den gedruckten Modellen bzw. in der allgemeinen Zellkultur (auch für die, die nicht für den Druck von Zellen verwendet wird) haben wir in geförderten Projekten bzw. „nebenher“ Medien für die FCS-freie Kultivierung bestimmter Zelltypen finden können bzw. die Menge an zugesetztem FCS zumindest deutlich reduzieren können. Auch hier ist es schwer, derartige Projekte finanziert zu bekommen. Der Einsatz der humanen oder synthetischen Ersatzsubstanzen ist teuer und die Adaption der Zellen an die FCS-freie Kultivierung ist zeit- und arbeitsintensiv, so dass es kaum Kapazitäten gibt, solche Projekte nebenher anzugehen. Den Einsatz von Matrigel, dessen Gewinnung mit besonders viel Tierleid verbunden ist, konnten wir erfolgreich in vielen Projekten ersetzen. Bei strukturell und mechanisch für den Druck wichtigen Polymeren wie Gelatine ist uns das jedoch bislang nur in wenigen Projekten gelungen. Wir sind stets bemüht, den Einsatz tierischer Komponenten in unseren Modellen zu vermeiden bzw. zu reduzieren, sowohl aus tierethischer als auch aus wissenschaftlicher Sicht, da die tierischen Bestandteile die Aussagekraft humaner Modelle beeinflussen.   

Wo sehen Sie (politisch) den größten Handlungsbedarf, um die tierversuchsfreien Methoden weiter voranzubringen?  

Dr. Johanna Berg: Bislang ist es immer noch so, dass unterschiedlichste Substanzstoffklassen vor der Vermarktung im Tierversuch getestet werden müssen. Das ist gesetzlich verankert. Aber viele der Tierversuche existieren schon sehr lang und haben eher „historischen Bestand“, und werden nicht entsprechend dem heutigen wissenschaftlichen oder medizinischen Stand auf ihre Aussagekraft überprüft. Es muss eine gesetzliche Regelung dafür geben, dass diese Tierversuche eine gültige Anwendungsberechtigung unter heutigen Standards besitzen, der sich zurecht auch alle anderen Versuchsmethoden unterziehen müssen. Dabei sollte auch einbezogen werden, wie aussagekräftig sich der Tierversuch auf die klinische Lage im Menschen gezeigt hat. Erst dann wird ersichtlich, um wie viel erfolgsversprechender ein Tierversuch gegenüber einem Tieralternativansatz ist, und Genehmigungsverfahren können entsprechend angepasst werden. Die Lobby hinter Tierversuchen ist sehr stark, so dass ein Wegfall vieler Versuche diese finanziell schädigen würde. Daher ist es sehr wichtig, dass sich gesetzlich etwas ändert, um tatsächlich die bestmögliche Methode zu fördern und anzuwenden. Dass Tierversuche nicht durch einen Schlag abgeschafft und ersetzt werden können ist klar, dennoch sollte eine kontinuierliche Prüfung erfolgen, um eventuell unnötige Tierversuche, zumindest Schritt für Schritt zu erkennen und abzuschaffen. Zudem müssen wir uns öffentlich, wie bereits beschrieben, stärker präsentieren, uns entsprechend unserer Expertisen organisieren/unterstützen und Werbung machen um das Wissen über uns, und unsere Forschung auszuweiten, die Akzeptanz zu erhöhen und die Notwendigkeit des Umdenkens und der Förderung deutlich zu machen.   

Wie sehen Sie die derzeitige finanzielle Förderung der Forschung zu Alternativmethoden?   

Dr. Johanna Berg: Es wird besser, ist aber dennoch unverhältnismäßig. Unseres Wissens wird die Tierversuchsalternativforschung nur mit einem verschwindend geringen Prozentsatz des Budgets gefördert, das für Tierversuche zur Verfügung steht. Das wiederum führt dazu, dass weniger Forschung in diesem Bereich betrieben werden kann als es wünschenswert wäre, da einfach keine finanziellen Kapazitäten da sind, sowohl auf personeller Ebene als auch hinsichtlich der Verbrauchsmaterialien. Dennoch muss man sagen, dass es immens ist, was trotz der geringen Finanzierung bereits erreicht wurde. Es ist fraglich, wie gut sich beispielsweise neu in diesem Feld arbeitende Gruppen in den Förderkreis etablieren können. Es ist wünschenswert, dass mehr NAM-Forschung betrieben wird, aber die immer noch schwierige Finanzierbarkeit hält wohlmöglich Forscher davon ab, sich dahin zu orientieren, da diese bei allem Idealismus auch finanzierbar sein muss. Würde sich das zur Verfügung stehende Gesamtbudget erhöhen, könnte auch mehr Forschung betrieben werden, ohne, dass diese Projekte nur nebenher umgesetzt werden können.