Advanced Animal Models

• Wir forschen, um zu verstehen, was bei einer Krankheit im Körper vorgeht
• Wir möchten neue Ansatzpunkte für fortschrittliche Diagnostika und Therapieoptionen finden und deren Umsetzbarkeit schnellst möglich und effizient überprüfen
• Wir nutzen tierversuchsfreie Methoden wann immer möglich, können jedoch nach derzeitigem Stand der Wissenschaft und den regulatorischen Anforderungen nicht vollständig auf Tierversuche verzichten

Wir gehen mit dem Thema der Tierversuche in der Wissenschaft nicht leichtfertig um. Der Versuchstierschutz nimmt einen sehr hohen Stellenwert ein und alle Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler setzen sich gemeinsam mit den Beschäftigten in der Tierhaltung für die konsequente Umsetzung des 3R-Prinzips ein. Die drei R stehen dabei für die englischen Begriffe Replace, Reduce, Refine und beschreiben ethische Handlungsgrundsätze für die Forschung mit Tieren. Das heisst, wir verwenden tierversuchsfreie Methoden, wann immer möglich. Sind Versuche unvermeidbar, beschränken wir das Tierleid auf ein Minimum.

Dabei werden wir in Berlin unterstützt von

• Charité 3R
• BB3R
• Bf3R

Es gibt viele Fragen zum Thema Tierversuche, Antworten auf einige davon finden Sie hier:

• Tierversuche verstehen, eine Informationsinitiative der Wissenschaft
• Themenportal Tierversuche, Max-Planck-Gesellschaft
• Deutsches Primatenzentrum – häufig gestellte Fragen
• Tierversuche, wie denken Menschen in Europa darüber?
• Bedeutung des Tierversuchs in der Forschung – Deutsches Regerenzzentrum für Ethik in den Biowissenschaften
• Pro-Test Deutschland e.V.: Ihr frag. Wir antworten

Replace:

Zur Zeit gibt es noch keine in vitro Modelle, welches die Komplexität der Knochenheilung oder des zellulären Immunsystems real abbilden können. Allerdings lassen sich einzelne Phasen und Situationen der Knochenregeneration inzwischen in vitro untersuchen. Wir verwenden diese Methoden, um unsere prä-klinische Forschung bestmöglich vorzubereiten und sind aktiv in die Entwicklung weiterer in vitro Modelle involviert. Ebenso werden immunologische Experimente durch umfangreiche in vitro Versuche unterstützt, um insbesondere notwendige Tierversuche besser zu designen.

• In vitro Modell der frühen Knochenheilungsphase, ein künstliches Knochenhämatom (Pfeiffenberger et al., Functional Scaffold-Free Bone Equivalents Induce Osteogenic     and Angiogenic Processes in a Human In Vitro Fracture Hematoma Model, J Bone Miner Res. 2021– 36(6):1189-1201. doi: 10.1002/jbmr.4267)
• In vitro Modell der Knochenhomoeostase (Schon et al., Metal-Specific Biomaterial Accumulation in Human Peri-Implant Bone and Bone Marrow, Adv Sci (Weinh) . 2020 Aug 3;7(20):2000412.doi: 10.1002/advs.202000412.) hier eine Verlinkung zur AG Geissler einbauen (BCRT)
• Nutzung von in silico Modellen (Perier-Metz et al., Initial mechanical conditions within an optimized bone scaffold do not ensure bone regeneration - an in silico analysis. Biomech Model Mechanobiol. 2021 Jun 7. doi: 10.1007/s10237-021-01472-2.; Borgiani et la., Bone morphogenetic protein 2-induced cellular chemotaxis drives tissue patterning during critical-sized bone defect healing: an in silico study. Biomech Model Mechanobiol. 2021 May 28. doi: 10.1007/s10237-021-01466-0.; Orassi et al., Biomechanical Assessment of the Validity of Sheep as a Preclinical Model for Testing Mandibular Fracture Fixation Devices. Front Bioeng Biotechnol. 2021 May 6;9:672176. doi: 10.3389/fbioe.2021.672176.; Borgiani et al., Age-Related Changes in the Mechanical Regulation of Bone Healing Are Explained by Altered Cellular Mechanoresponse. J Bone Miner Res. 2019 Oct;34(10):1923-1937. doi: 10.1002/jbmr.3801.)  hier eine Verlinkung zu AG Checa einbauen (JWI)
• In vitro Modelle zum Verständnis des Zellverhaltens in Biomaterialien (Herrera et al., From macroscopic mechanics to cell-effective stiffness within highly aligned macroporous collagen scaffolds. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019 Oct;103:109760. doi: 10.1016/j.msec.2019.109760.)
• Nutzung von primären Zellen in Zusammenarbeit mit der Core Unit Cell Harvesting für in vitro Test zur u.a. osteogenen Differenzierung
• In vitro Modellierung zellulärer Therapien. (Drzeniek et al, Bio-instructive hydrogel expands the paracrine potency of mesenchymal stem cells; Biofabrication. 2021 Jul 8;13(4). doi: 10.1088/1758-5090/ac0a32.)
• In silico Analysen von immunologischen Zusammenhängen. (Vollmer et al., The intratumoral CXCR3 chemokine system is predictive of chemotherapy response in human bladder cancer; Sci Transl Med. 2021 Jan 13;13(576):eabb3735. doi: 10.1126/scitranslmed.abb3735.)
• Evaluierung möglicher in vitro Tierversuchersatzmethoden. (Wendering et al., The Value of a Rapid Test of Human Regulatory T Cell Function Needs to be Revised;  J Front Immunol. 2019 Feb 5;10:150. doi: 10.3389/fimmu.2019.00150. eCollection 2019.)

Reduce:

Um die Tierzahlen möglichst gering zu halten nutzen wir mehrere Strategien.

• AniMatch – eine Plattform, die es ermöglichst Tiere möglichst optimal einzusetzen
• Share Animals – optimal können mit einem Tier mehrere Fragestellungen beantwortet werden, dies kann nur funktionieren, wenn die Tierversuche gebündelt über wenige Personen durchgeführt werden, die einen Überblick haben und Forscher vernetzen können, was in dieser Unit möglich ist
• Teilen von Kontrollgruppen – ähnliche Fragestellungen und damit Forschungsvorhaben mit verwandten Themen können auf die selben Kontrollgruppen zugreifen
• Wir arbeiten mit Gruppengrößen von 6-8 Tieren – biologisch relevante Ergebnisse werden durch die Verbindung unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Unsere Publikationen und stabilen Projekteinwerbungen und translationalen Erfolge beweisen, dass wir hiermit verlässliche Daten generieren
• Etablierung eines Schafmodells, was bei einer minimalen Belastung für das Tier eine maximale Menge an Probenevaluationen erlaubt (Pobloth et al., Establishment of a preclinical ovine screening model for the investigation of bone tissue engineering strategies in cancellous and cortical bone defects. BMC Musculoskelet Disord. 2016 Mar 1;17:111. doi: 10.1186/s12891-016-0964-4.)

Refine:

• Unsere prä-klinischen Modelle werden von unseren Fachtierärzten der Versuchstierkunde betreut
• Die Protokolle sind standardisiert und sind sorgfältig ausgearbeitet worden
• Um klinisch relevante Fixationsmethoden für kleine Nager zur Verfügung zu stellen arbeiten wir eng mit RISystem (https://risystem.com) zusammen
• Wir kooperieren mit Spezialisten, um unsere Protokolle zu optimieren, z.B. Optimierung unseres Schmerzmanagements (Jirkof et al., Administration of Tramadol or Buprenorphine via the drinking water for post-operative analgesia in a mouse-osteotomy model. Sci Rep. 2019 Jul 24;9(1):10749. doi: 10.1038/s41598-019-47186-5.)

Regeneration ist das ultimative Ziel einer Heilung: das Gewebe soll in Form und Funktion wieder seinen „gesunden“ Zustand erreichen. Daher ist der Knochen ein ideales Modellsystem, da er zur Regeneration fähig ist. Verletzungen können im idealen Fall so Heilen, dass Form und Funktion vollständig wiederhergestellt werden.

•  Wir haben für unsere Modelle die Knochenheilung über den Zeitverlauf dokumentiert:

BILD 1a

Movat Pentachrome Histologie: Knochen gelb, Muskel hellrot, Knochenmark dunkelrot, Knorpel blaugrün, Bindegewebe hellblau

BILD1b

Safranin/ van Kossa Histologie:

Mineralisiertes Gewebe schwarz, Rest rot

• Wir arbeiten vornehmlich mit weiblichen Tiere, da hier die Knochenheilung langsamer erfolgt und sich damit Interventionen zur Heilungsverbesserung besser untersuchen lassen

BILD 2

Bei einem kleinen Defekt findet sich bei den weiblichen Tieren 6 Wochen nach der Osteotomie noch Knorpel (blaugrün) im Spalt, während bei den männlichen Tieren schon gelbes mineralisiertes Gewebe sichtbar ist. Bei einem kritischen Defekt sieht man bei den weiblichen Tiere einen Verschluss der Knochenmarkshöhle, ein Anzeichen dafür, dass der Heilungsvorgang zum Erliegen gekommen ist. Bei den männlichen Tieren hingegen sieht man Knorpelgewebe zwischen den Knochenenden, ein Zeichen dafür, dass die enchondrale Heilung noch aktiv ist und eine Überbrückung noch erfolgen kann.

• Unsere Tiere werden immunologisch charakterisiert. Da das Immunsystem eine Entscheidende Rolle bei der Heilung und Knochenformation spielt ist es essentiell die Immunzellzusammensetzung der Versuchstiere zu kennen (Bucher et al., Experience in the Adaptive Immunity Impacts Bone Homeostasis, Remodeling, and Healing. Front Immunol. 2019 Apr 12;10:797. doi: 10.3389/fimmu.2019.00797.; Schlundt et al, The multifaceted roles of macrophages in bone regeneration: A story of polarization, activation and time. Acta Biomater. 2021 May 8:S1742-7061(21)00298-1. doi: 10.1016/j.actbio.2021.04.052.)

Die Heilung verschlechtert sich, wenn der Anteil der effektor T Zellen zunimmt (Reinke et al. Terminally differentiated CD8⁺ T cells negatively affect bone regeneration in humans. Sci Transl Med. 2013 Mar 20;5(177):177ra36. doi: 10.1126/scitranslmed.3004754.)

BILD 3

Legende: µCt Heilungsergebnis nach 21 Tagen einer 0,7mm Osteotomie in weiblichen Bl6n Mäusen, 16 Wochen alt, LINKS - SPF: Tiere, die unter spezifisch Pathogen freien (SPF) Bedingungen gehalten wurden und ein naives Immunsystem haben; RECHTS - non-SPF: Tiere, die für mindestens 4 Wochen vor der Osteotomie mit Umweltkeimen zusammen waren (nach FELASA Gesundheitsüberwacht) und dadurch Effektor T Zellen gebildet haben (MITTE - Durchflußzytometrie Analyse der CD8+ T Zellen).

• Auch in anderen Modellen spielt das „Immunalter“, d.h. die Erfahrung der adaptiven Immunantwort, eine entscheidende Rolle für den Verlauf und die therapeutische Beeinflussbarkeit:

Front Immunol. 2018 May 28;9:1069. doi: 10.3389/fimmu.2018.01069. eCollection 2018. Cytometry A. 2017 Jan;91(1):85-95. doi: 10.1002/cyto.a.22906. Epub 2016 Jul 12. Am J Transplant. 2012 Sep;12(9):2384-94. doi: 10.1111/j.1600-6143.2012.04143.x. Epub 2012 Jun 15.

BILD 4

Über eine Veränderung der Haltung der Versuchstiere ist es den Tieren möglich, Immunerfahrung aufzubauen, dadurch werden sie Krankheitserregern gegenüber robuster und spiegelt gleichzeitig die Patientensituation besser wieder. Daher gehört eine immunologische Charakterisierung unserer Versuchstiere zu einer Standarduntersuchung.

Rechtliche Grundlagen von Tierversuchen sind unter

https://charite3r.charite.de/forschung/tierversuche_an_der_charite/rechtlicher_rahmen/

Nachlesbar, hier sollten aber ein paar Stichpunkte den Rahmen aufzeigen:

• Grundgesetz Artikel 2: Das Recht jedes Menschen auf Leben und körperliche Unversehrtheit
• Nürnberger Kodex 1947: Verbindliche Grundsätze für Versuche am Menschen festgelegt
• Weltärztebund 1964: Leitlinie für biomedizinische Forschung am Menschen, weltweit verbindlich als „Deklaration von Helsinki“ – hier wird festgelegt, das Forschung am Menschen erst dann stattfinden darf, wenn alle anderen Erkenntnismöglichkeiten (hier sind Tierversuche eingeschlossen) ausgeschöpft sind
• Tierversuchsdurchführungen sind in den Arzneimittelprüfrichtlinien und im Arzneimittelgesetz ausdrücklich vorgesehen
• Grundgesetz Artikel 5 Abs. 3 GG: die Wissenschaftsfreiheit ist als vorbehaltlos gewährleistetes Grundgesetz festgeschrieben
• Tierschutz wurde 2002 als Staatsziel in die Verfassung aufgenommen: Artikel 20a „Der Staat schützt auch in Verantwortung für die künftigen Generationen die natürlichen Lebensgrundlagen und die Tiere im Rahmen der verfassungsmäßigen Ordnung durch die Gesetzgebung und nach Maßgabe von Gesetz und Recht durch die vollziehende Gewalt und die Rechtsprechung.“

Ein zentrales Element jedes einzelnen Tierversuchs ist als Folge dieser Bestimmungen die Abwägung zwischen der Verpflichtung die menschliche Gesundheit zu erhalten und zu verbessern, der Wissenschaftsfreiheit und dem Schutz der Tiere von Schmerzen und Leiden.

Für diese Abwägung gelten gesetzliche Rahmenbedingungen:

• EU-Richtlinie zum Schutz der für wissenschaftliche Zwecke verwendeten Tiere
• Tierschutzgesetz
• Tierschutz-Versuchstierverordnung