Veröffentlicht: 14.01.13
Science

Leuchtende Liposomen ersetzen Tierversuche

ETH-Forscher haben eine Methode zum Patent angemeldet, mit der sie die biologische Aktivität eines der stärksten Giftstoffe überhaupt, dem Botulinum-Neurotoxin, testen können. Setzt sich das Verfahren in der Pharmabranche durch, könnte es jährlich einer halben Million Mäusen das Leben retten.

Peter Rüegg
Nervenenden nachempfundene Liposomen könnten künftig anstelle von Mäusen als Testsystem für die Bestimmung der Botox-Aktivität verwendet werden. (Bild: Electron Microscopy ETH Zürich - EMEZ)
Nervenenden nachempfundene Liposomen könnten künftig anstelle von Mäusen als Testsystem für die Bestimmung der Botox-Aktivität verwendet werden. (Bild: Electron Microscopy ETH Zürich - EMEZ) (Grossbild)

Das Botulinum-Neurotoxin (BoNT) ist eines der stärksten bekannten Gifte. Produziert wird es vom Bakterium Clostridium botulinum. BoNT hemmt die Signalübertragung von Nervenenden zu den Muskeln, was zu Lähmungen bis hin zum Atemstillstand führt. Ein Mikrogramm pro Kilogramm Körpergewicht würde reichen, um einen Erwachsenen zu töten.

BoNT ist berüchtigt als Lebensmittelgift, zum Beispiel bei ungenügend sterilisiertem, eingemachtem Gemüse. Auch in Fleisch oder in Würsten kann die Mikrobe gut gedeihen und das Gift herstellen. Die Sporen des Bakteriums kommen fast überall vor, aber nur wenn die Umgebung sauerstoffarm und nicht sauer ist, können sie auskeimen und das Toxin produzieren.

Über 100 medizinische Anwendungen

Botulinum-Neurotoxin hat aber auch Vorzüge. Seit den 1980er Jahren werden damit Dutzende von chronischen Leiden und Gebrechen behandelt, darunter nervlich bedingte Fehlhaltungen wie der Schiefhals, aber auch übermässiges Schwitzen oder Schielen, Migräne oder Tennisellbogen. Seit den 1990er Jahren braucht auch die Kosmetikindustrie das einstmals gefürchtete «Wurstgift» im grossen Stil unter dem Namen Botox, um beispielsweise Falten im Gesicht zu glätten.

Der Einsatz von BoNT ist allerdings ein Spiel mit dem Feuer. Das Toxin ist ein Naturprodukt und wird mittels Bakterien produziert, jedoch eben nicht in konstanter Konzentration und Aktivität. Zulassungsbehörden verlangen deshalb, dass jede Charge eines BoNT-haltigen Therapeutikums mit dem Maus-LD50-Test auf seine Toxizität getestet wird. Damit wird bestimmt, bei welcher Dosis die Hälfte der Tiere stirbt. Für solche Routinetests in der Pharmaindustrie müssen in der EU und den USA jährlich über eine halbe Million Mäuse ihr Leben lassen.

Tierfreies Testsystem entwickelt

Ein neues, von ETH-Forscher Oliver Weingart in Zusammenarbeit mit dem Labor Spiez entwickeltes Testsystem könnte nun diese Mäuseleben retten. Das System ist das Erste, das ohne Versuchstiere oder lebende Zellen auskommt, denn es misst die toxische Aktivität des Nervengifts mithilfe von künstlich hergestellten Lipidmembran-Bläschen, so genannten Liposomen.

So hat der Forscher am Labor für Lebensmittelmikrobiologie winzige, von einer Lipid-Doppelmembran umgebene Bläschen hergestellt, die den Enden von Nervenzellen nachempfunden sind. In die Membran eingebettet sind spezifische Nervenzellrezeptoren, an welche das Botulinum-Neurotoxin nach dem Schloss-Schlüssel-Prinzip bindet. Indem die umgebende Flüssigkeit angesäuert wird, verändert sich die Struktur des Toxins, sodass ein Teil von ihm in das Liposom eingeschleust wird. Dort entfaltet das Toxin eine weitere Aktivität und zerkleinert ein im Bläschen enthaltenes Protein, das nach der Spaltung zu leuchten beginnt. Diese Fluoreszenz ist direkt an die BoNT-Konzentration gekoppelt: Je stärker die Liposomen leuchten, desto höher ist die Konzentration des Giftes.

Günstig und einfach im Unterhalt

Das Testsystem hat handfeste Vorteile. «Die Liposomen lassen sich günstig produzieren, und für das Handling braucht es keine spezielle Schulung des Personals», sagt Weingart. Und noch einen Vorteil hat das neuartige Testsystem: Es liesse sich auch so modifizieren, dass damit die biologische Aktivität anderer Toxine, die wie das BoNT aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt sind, nachgewiesen werden könnten, etwa Tetanus-, Diphterie-, Shiga- oder Cholera-Toxine.

«Das System ist sehr sensitiv», erklärt Weingart weiter. Bei Mäusen liege die Nachweisgrenze von Botulinum-Neurotoxin bei etwa 10 Pikogramm. Das Ziel ist, dass sich mithilfe der Liposomen gar weniger als ein Pikogramm des Giftes - den billionstel Teil eines Gramms - feststellen lassen könnte. Schon nach ein bis drei Stunden erzeugt das Testsystem eine messbare Fluoreszenz. Das endgültige Resultat des Tests ist nach weniger als 24 Stunden erhältlich, bei Mäusen dauert es mindestens ein bis vier Tage.

Man habe nun bewiesen, dass das System fähig ist, BoNT nachzuweisen. «Wir haben gesehen, dass die Idee umsetzbar ist», sagt Martin Loessner, Professor für Lebensmittelmikrobiologie. Die Forscher haben deshalb begonnen, die Testanordnung zu standardisieren. Dabei geht es auch darum, die Liposomen zu verbessern, damit verlässlichere Messungen möglich werden.

Ausbaubare Testanordnung

Beteiligt an diesem Patent sind auch die deutschen Firmen toxogen GmbH in Hannover und die miprolab GmbH in Göttingen sowie das Labor Spiez, wo Weingart dieses Projekt als ETH-Doktorand begonnen hatte. Später wechselte er die Stelle und kam als Postdoktorand in die Gruppe von Professor Martin Loessner. Die Forscher haben nun zusammen mit dem Bundesamt für Bevölkerungsschutz, dem das Labor Spiez angegliedert ist, ihr neues Testsystem weltweit zum Patent angemeldet.

Bis anhin habe man sich auf die Bedürfnisse der Pharmaindustrie konzentriert. Martin Loessner und Oliver Weingart können sich auch vorstellen, das Testsystem für andere Anwendungen auszubauen. Es wäre denkbar, eine vergleichbare Testanordnung für Trinkwasser oder Lebensmittel zu entwickeln, um Neurotoxine aufzuspüren.

Das Projekt wird momentan weitgehend über ein Stipendium der «Stiftung Forschung 3R» an Weingart finanziert. Die Stiftung hat sich die Verminderung, Vermeidung und Verbesserung von Tierversuchen auf die Fahne geschrieben und wird unterhalten vom Tierschutz und der Pharmaindustrie. Sie wählt Projekte nur sehr selektiv aus. Dass Weingart den Zuschlag erhalten hat, ist eine grosse Auszeichnung.

 
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