Warum In-vitro-Alternativen Tierversuchen ebenbürtig sind

Die Sicherheit neuer Chemikalien wird unter anderem geprüft, indem Ratten über mehrere Tage einen Stoff über Futter oder Trinkwasser erhalten. Es wird beobachtet, ab welcher Dosis sich Gewicht, klinischer Zustand oder Verhalten der Tiere verändert. Aus den Ergebnissen leiten die Prüfer ab, welche Dosis für den Menschen unbedenklich ist. Für dieses Verfahren gibt es Alternativen: Wir können direkt an menschlichen Zellen untersuchen, wie Chemikalien wirken und welche Schäden sie verursachen. Moderne Testverfahren ermöglichen solche Untersuchungen schnell, systematisch und in großer Zahl. Dennoch gelten sie häufig als zu einfach, um Tierversuche zu ersetzen. Zu Unrecht, wie unsere Forschung zeigt.

Jede toxische Wirkung hat eine molekulare Ursache: Chemikalien können Hormonrezeptoren fehlsteuern, an DNA oder Proteine binden, die zelluläre Redoxbalance stören oder reaktive Sauerstoffspezies erzeugen. Werden solche Effekte auch quantitativ erfasst, lässt sich das Gefährdungspotenzial bestimmen. Toxikokinetische Modelle helfen abzuschätzen, wie viel einer Chemikalie nach der Aufnahme über Nahrung, Atemluft oder Haut tatsächlich im Blut ankommt. Diese Werte vergleichen wir mit den Konzentrationen, bei denen die Substanz in Zelltests schädliche Wirkungen zeigt.

Da Chemikalien vielfältige Zellprozesse beeinflussen, müssen die wichtigsten messbaren Effekte systematisch ausgewählt werden. Auch das lässt sich heute mit Modellen sehr gut abbilden. Wir haben nahezu 500 schädliche Wirkpfade aus der Literatur sechs Krankheitsclustern zugeordnet: Krebs, Fortpflanzungsstörungen, metabolische, immunologische und kardiovaskuläre Erkrankungen sowie Neurotoxizität. Daraus entwickelten wir eine einfache, robuste Testbatterie. Robotergestützter Hochdurchsatz ermöglicht viele Proben, Konzentrationen und Replikate bei geringem Materialverbrauch und strenger Qualitätskontrolle. Die Tests funktionieren aber auch manuell in weniger entwickelten Laboren. Hochauflösende Mikroskopie („High-Content Imaging“), zunehmend KI-gestützt, erweitert ihre Aussagekraft.

Unser „One Health“-Ansatz beruht darauf, dass viele zelluläre Prozesse im Menschen und Umweltorganismen konserviert sind. Während die Ökotoxikologie vor allem Populationen schützen soll und die Humantoxikologie einzelne Menschen, lassen sich grundlegende Wirkungen wie Zytotoxizität, Genotoxizität, endokrine Störungen und adaptive Stressantworten in menschlichen und tierischen Zellen untersuchen. So können dieselben tierversuchsfreien Methoden zum Schutz von Mensch und Umwelt beitragen.

Natürlich können Zelltests nicht alle Vorgänge im menschlichen Körper abbilden. Das Zusammenspiel verschiedener Organe, langfristige Wirkungen oder der Abbau von Chemikalien stellen weiterhin Herausforderungen dar. Doch moderne Testverfahren und Computermodelle helfen zunehmend, solche Grenzen zu überwinden. Es ist an der Zeit die Zulassungsverfahren von Chemikalien weiterzuentwickeln -  von klassischen Tierversuchen, die im letzten Jahrtausend entwickelt wurden, zu modernen In-vitro-Alternativen.