Nanobody-Projekt mit Alpakas, Diabetes-, Alzheimer- und Biorhythmusforschung mit Mäusen – vier ausgewählte Forschungsvorhaben.

Nanobody-Projekt mit Alpakas, Diabetes-, Alzheimer- und Biorhythmusforschung mit Mäusen – vier ausgewählte Forschungsvorhaben.

Wir ersetzen Tierversuche, wann immer möglich, durch Alternativen wie Zellkulturen und Computersimulationen. Allerdings sind Zellkultur-Versuche in der Petrischale oder Simulationen am Computer nicht ausreichend, um komplexe biologische Vorgänge im Organismus zu verstehen. In unserer Forschung zu Diabetes oder neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson, sowie zu den Folgen von verschobenen Hell-Dunkel-Rhythmen bleiben Tierversuche unverzichtbar; die Maus ist dabei für Säugetiere und speziell den Menschen ein wichtiger Modellorganismus. Seit Langem können einzelne Gene der Maus durch Mutationen gezielt verändert werden. Dies hat Auswirkung auf die Produktion des zugehörigen Proteins, für welches das Gen den Bauplan enthält. Das Protein kann in seiner Aktivität verstärkt werden, gehemmt werden oder sogar ganz fehlen. Wissenschaftler können darüber wichtige Erkenntnisse über die Funktion des Proteins erhalten.

Nachfolgend stellen wir Ihnen vier Projekte aus unserer Forschung vor, in denen wir Versuchstiere einsetzen.


Nanobodies aus Alpakas

Alpakas haben besondere Antikörper, die sich zu Nanobodies verkleinern lassen. Diese könnten zukünftig die meistgenutzten Antikörper ersetzen und die Tierzahlen in der Antikörper-Produktion drastisch reduzieren.

Alpakas als „Entwicklungshelfer“ bei der Herstellung von Antikörpern

Antikörper schützen uns wirkungsvoll vor Krankheiten. Aber auch in der Forschung und in der medizinischen Diagnostik sind sie ein unverzichtbares Werkzeug. Antikörper werden dabei so ausgewählt, dass sie beispielsweise ein Krebsprotein oder ein für die Forschung interessantes Molekül spezifisch binden.

„Normale“ Antikörper erkennen ihre Antigene (zum Beispiel bestimmte Molekülstrukturen von Viren oder Bakterien) mithilfe zweier Proteinketten, der schweren und der leichten Kette. Alpakas und andere Kamele produzieren jedoch auch einfachere Antikörper, die sich durch molekularbiologische Verfahren zu sogenannten Nanobodies verkleinern lassen. Fluoreszenz- oder Gold-markiert lassen sich solche Nanobodies einsetzen, um ein gewünschtes Protein mit höchster Genauigkeit innerhalb einer Zelle zu lokalisieren.

Bei der Herstellung von Nanobodies wirken derzeit 19 Alpaka-Stuten am Institut als „Entwicklungshelfer“ mit. Die Belastung für die Tiere bei einem solchen Nanobody-Projekt ist minimal. Zunächst wird ein Alpaka mit dem gewünschten Antigen (einem gereinigten Protein) geimpft, was unserer herbstlichen Grippeschutzimpfung entspricht. Den kleinen „Piks“ spüren die Tiere kaum. Die Antigene werden dabei so präpariert, dass sie für das Alpaka ungefährlich sind. Daraufhin bildet sein Immunsystem Antikörper, um den Fremdkörper abzuwehren. Aus einer kleinen Menge Blut, die dem Alpaka etwa ein Vierteljahr später abgenommen wird, können dann die Baupläne dieser Antikörper isoliert werden. Sowohl die Impfung als auch die vierteljährliche Blutspende dauern für das Alpaka nur wenige Minuten. Danach hat es seine Aufgabe erledigt und kann zur Herde auf die Weide zurückkehren. Tatsächlich ist die Belastung so gering, dass ein Tier im Laufe seines Lebens an mehreren Nanobody-Projekten mitwirken kann, und das bei guter Lebensqualität und hoher Lebenserwartung. Dies alles sind für uns sehr wichtige Tierschutzaspekte.

Die eigentliche Arbeit findet dann im Labor mithilfe von Enzymen und Bakterien statt. Aus der Blutprobe, die zunächst noch Baupläne für Millionen unterschiedlicher Antikörpervarianten enthält, werden diejenigen heraussortiert, die das gewünschte Molekül erkennen. E. coli-Bakterien produzieren dann im nächsten Schritt die gewünschten Nanobodies in beliebiger Menge. Da die Nanobody-Baupläne dann bekannt sind, kann die Produktion auch jederzeit wiederholt werden, und das ohne weiteres Zutun eines Alpakas. Noch ein großer Vorteil ist: Aus einer einzigen Blutprobe lassen sich sehr viele verschiedene Nanobodies gewinnen.

Unsere 19 Alpaka-Stuten werden auf einem großzügigen Freigelände gehalten, das mit Weide- und Schotterflächen, Ställen und Sandspielplatz von einem Experten für Tiergartengestaltung artgerecht gestaltet wurde. Die zutraulichen Tiere können am frei zugänglichen Gehege neben unserer Kindertagesstätte jederzeit gern besucht werden.


Diabetes: Die Kontroll-Gene Pax4 und Arx

Diabetes ist eine der häufigsten Stoffwechselkrankheiten westlicher Industrienationen. Ursache ist das Absterben der Insulin-produzierenden Zellen in unserer Bauchspeicheldrüse. Forscher unseres Instituts haben zwei Gene namens Pax4 und Arx identifiziert und entschlüsselt, die entscheidend für die embryonale Entwicklung der Bauchspeicheldrüse sind. Dazu wurden die beiden Gene getrennt voneinander in Maus-Stämmen ausgeschaltet, sodass die Mäuse das jeweilige Protein nicht mehr herstellen konnten. Fehlte das Pax4-Protein, wurden in der Maus keine Insulin-produzierenden Zellen entwickelt, beim Fehlen des Arx-Proteins dagegen bildeten sich bei den Nagern keine Glucagon-produzierenden Zellen aus. Beide Gene sind also grundlegend daran beteiligt, den Blutzuckerspiegel zu regulieren. Ihre Funktionen während der Embryonalentwicklung und im adulten Organismus sind heute zum Teil entschlüsselt. Mit Hilfe dieser Ergebnisse könnten zukünftig wirksame Therapien zur Behandlung von Diabetes entwickelt werden.


Alzheimer und Co: Ansätze für neue Behandlungsmöglichkeiten

Eine häufige Ursache neurodegenerativer Erkrankungen sind Proteinablagerungen, die Nervenzellen schädigen. Bei Parkinson werden unter dem Mikroskop auffallende Ablagerungen verklumpter Synuclein-Proteine im Gehirn sichtbar. Die Vorstufen dieser Synuclein-Ablagerungen, sogenannte Oligomere, sind schädlich für Nervenzellen. Muskelzittern, Bewegungsstörungen und Muskelstarre beim Menschen sind die Folge. Auch bei der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit sind krankmachende Ablagerungen nachweisbar, die durch das sogenannte Prion-Protein verursacht werden.

Forschern am Institut ist es gemeinsam mit Kollegen an der LMU München gelungen, einen aussichtsreichen Kandidaten für ein Medikament zu entwickeln. Anle138b hat in Tests an Mäusen, die Symptome der Parkinson-Krankheit haben, die Entstehung der schädlichen Oligomere verhindert. Die Substanz hat die Zerstörung der Nervenzellen verzögert und die krankheitsfreie Phase verlängert. Die mit anle138b behandelten Mäuse lebten signifikant länger und sie konnten ihre Bewegungen deutlich besser koordinieren als unbehandelte Tiere.

Zurzeit wird der Wirkstoff von der MODAG AG weiterentwickelt, um hoffentlich zukünftig ein wirksames Medikament für den Menschen zu bieten.


Schichtarbeit und Jetlag: Vorbeugung gegen Erkrankungen

Schichtarbeit, aber auch eine Reise über mehrere Zeitzonen führt dazu, dass die „inneren Uhren“ in allen Zellen unseres Körpers aus dem Takt geraten. Dies stört auf Dauer nicht nur unseren Schlaf-Wach-Rhythmus, sondern kann auch zu Krankheiten wie Diabetes, Arteriosklerose und Krebs führen.

Die zellulären Uhren in allen Geweben und Organen unseres Körpers stehen unter der Kontrolle eines zentralen Taktgebers, des sogenannten Nucleus suprachiasmaticus (SCN) in unserem Gehirn. Der SCN synchronisiert alle anderen Uhren in unseren Organen miteinander und mit der Außenwelt, doch wie diese Synchronisation genau funktioniert, ist bisher kaum bekannt.

Um die molekularen und biochemischen Prozesse, die den inneren Uhren zugrundliegen, zu untersuchen, setzen Forscher am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie – nicht zuletzt auch aus Tierschutzgründen – Zellkulturen ein. Die physiologischen Prozesse allerdings, die bei inneren Uhren eine Rolle spielen und organübergreifend wirken, lassen sich nur im lebenden Tier in einem realistischen Kontext untersuchen. Solche Prozesse untersuchen Forscher unseres Instituts daher am Modell der Maus, da die inneren Uhren der Nager nach denselben Prinzipien funktionieren wie in unserem Körper.

Mithilfe von Maus-Experimenten erforschen Physiologen unseres Instituts beispielsweise, wie unsere inneren Uhren gesteuert werden und welche Rolle der zentrale Taktgeber SCN dabei spielt. Dazu haben sie den SCN-Taktgeber im Gehirn von Mäusen genetisch ausgeschaltet. Überraschenderweise war der Rhythmus der inneren Uhren in den Organen dieser Mäuse nicht gestört. Sie konnten sich sogar schneller an einen verschobenen Hell-Dunkel-Rhythmus, wie er etwa bei einer Reise über mehrere Zeitzonen vorkommt, anpassen. Wurden Mäuse ohne SCN-Funktion jedoch für eine Woche in ständiger Dunkelheit gehalten, waren die inneren Uhren in ihren Organen nach wenigen Tagen desynchronisiert. Die Ergebnisse der Forscher legen nahe, dass es einen SCN-unabhängigen zweiten lichtgesteuerten Weg gibt, der die inneren Uhren mit einem Licht-Dunkel-Rhythmus synchronisiert.  Dieser neu entdeckte Signalweg könnte künftig zur Entwicklung von Therapien genutzt werden, um ernsten Erkrankungen bei Schichtarbeitern und Vielreisenden vorzubeugen.

In ähnlichen Experimenten konnte bereits vor einigen Jahren ein möglicher Ansatz zur Behandlung von Jetlag mithilfe des Medikaments Metyrapon beschrieben werden. Dieser wird zurzeit in Folgeexperimenten auf den Menschen adaptiert.

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