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Arbeitsgruppe Synthetische Biologie

Fragen zur Forschung in der Synthetischen Biologie

Die Arbeitsgruppe Synthetische Biologie erforscht die grundlegenden Funktionen des Botenstoffes Serotonin. Dieser Botenstoff kommt im Magen-Darm-Trakt sowie im zentralen Nervensystem vor. Im Gehirn ist Serotonin ein wichtiger Neurotransmitter, der viele Funktionen und Verhaltensweisen beeinflusst. Eine große Rolle scheint Serotonin bei der Regulation unsere Emotionen und Motivation zu spielen. Darüber hinaus sind verschiedene Erkrankungen, wie Depressionen, Angststörungen und auch neurodegenerative Erkrankungen, mit Störungen im Serotoninhaushalt assoziiert.

Das Ziel der Forschung ist es, sowohl die molekularen und zellulären Mechanismen des serotonergen Systems besser zu verstehen, als auch den Einfluss von Serotonin auf komplexe Verhaltensweisen. Die Entschlüsselung serotonerger Signalwege ist essentiell für die Entwicklung von wirksamen und besseren Medikamenten gegen Krankheiten wie Depressionen und Angststörungen.

Neben modernsten Zellkulturtechniken (in vitro), sowie Untersuchungen an Hirnschnitten der Maus (ex vivo), werden von den Forschenden verschiedene Verhaltenstests (in vivo) durchgeführt. Ziel ist es herauszufinden, welche Aufgaben und Funktionen Serotonin im zentralen Nervensystem hat. Die Durchführung von Verhaltenstests ermöglicht es, komplexe Verhaltensweisen wie Lernen und Gedächtnis, Entscheidungsfindungen und Erkrankungen wie Depressionen im Modelsystem der Maus zu untersuchen.

Die Arbeitsgruppe Synthetische Biologie verwendet die Maus als Modellsystem. Aufgrund der Gemeinsamkeiten des Säugetiergehirns können die zu erhebenden Ergebnisse ebenfalls auf andere Säugetierspezies wie den Menschen übertragen werden. Nervenzellen von Mäusen und Menschen sind sehr gleichartig aufgebaut und die Gehirne von Säugtieren ähneln sich in einem hohen Maße. Über 80 Prozent der Gene des Menschen finden sich auch bei Mäusen, insbesondere auf molekularer und zellulärer Eben sind kaum Unterschiede vorhanden. Daher können gewonnen Erkenntnisse sehr gut auf den menschlichen Organismus übertragen werden. Im Laufe eines Jahres werden von den Forschenden, abhängig von der Anzahl der aktuell durchgeführten Studien, etwa 100 bis 200 Mäuse in Tierexperimenten eingesetzt.

Das Tiermodell Maus ist für die Bearbeitung der Fragestellung besonders geeignet, da eine große Anzahl an Daten aus Versuchen in vivo (mit Mäusen) und in vitro (mit Zellkulturtechniken) als Grundlage zur Verfügung stehen – auch aus eigenen Voruntersuchungen. Zusätzlich steht eine hohe Anzahl an genetisch veränderten Mauslinien (also Mäuse mit veränderter Erbinformation) zur Verfügung. Sie ermöglichen eine gezielte methodische Bearbeitung der Fragestellung. Mäuse eignen sich für die Forschung besonders gut, weil sie leicht zu halten sind und selbst von den Wissenschaftler:innen im Labor gezüchtet werden können.

Eine gute Haltung ist eine Grundvoraussetzung für die Durchführung von Tierversuchen, denn nur Tiere, die nicht gestresst sind, können für aussagekräftige Tierexperimente eingesetzt werden. Die Ausschüttung von Stresshormonen würde sich negativ auf den gesamten Organismus auswirken und zu einer Verfälschung der erhobenen Daten führen.

Zurzeit befinden sich rund 300 Mäuse in der Maushaltung der Arbeitsgruppe Synthetische Biologie. Die Tiere sind in Halterungssystemen immer in Gruppen untergebracht – sogenannten „isolated ventilated cages“ (IVC). Dieses System stellt sicher, dass keine Keime über die Luft in die Käfige getragen werden, und stellt somit eine optimale Belüftung, Luftfeuchte und Temperatur in jedem einzelnen Käfigen sicher. Alle Käfige sind mit vielfältigem Nistmaterial und Häuschen zum Verstecken ausgestattet. Der Allgemeinzustand aller Tiere wird täglich durch erfahrene Mitarbeiter:innen und Tierpfleger:innen begutachtet. Bei Mäusen, die sich akut in einem Versuch befinden, wird zusätzlich wöchentlich, bei Bedarf auch täglich, der aktuelle Belastungsgrad bestimmt und das Körpergewicht gemessen.

In der Arbeitsgruppe Synthetische Biologiewerden verschiedene Techniken genutzt, um die Funktionen von Serotonin zu untersuchen. Dazu zählen molekularbiologische, elektrophysiologische und tierexperimentelle Methoden. Wann immer möglich führen die Forschenden ihre Experimente ohne Tierversuche durch und versuchen Alternativmethoden wie Untersuchungen mit Zellkulturtechniken (in vitro) oder an Hirnschnitten (ex vivo) zu verwenden.

Zur gezielten Untersuchung von neuronalen Schaltkreisen verwendet das Labor die Optogenetik – eine relativ junge neurowissenschaftliche Methode, mit der elektrische Signale, die Aktionspotentiale (AP), in Nervenzellen gezielt über Licht an- oder abgeschaltet werden können. Durch den Einbau von bestimmten lichtsensitiven Proteinen, wie Channelrhodopsin (ChR2), in die Nervenzellen der Maus reagieren diese dann mit einem AP bei Belichtung. Das Labor hat gemeinsam mit Kooperationspartner:innen in den letzten Jahren darüber hinaus die Möglichkeit entwickelt, über Licht bestimmte serotonerge Signalwege in Nervenzellen anzuschalten. Mit der Hilfe der Optogenetik können die Forschenden gezielt serotonerge Signalwege in Nervenzellen anschalten und so genau untersuchen, welche Rolle diese Signalwege in bestimmten Hirnregionen bei verschiedene Verhaltensweisen und Erkrankungen haben.

Um die genetische Information dieser lichtaktiverbaren Proteine in die Nervenzellen einzubringen, werden von den Forschenden Adeno-Assoziierte Viren (AAV) als Transportsystem verwendet. AAVs sind nicht pathogen und stellen somit keine Gefährdung für Mensch oder Tier da. Das Einbringen des AAVs geschieht über eine Injektion mit einer sehr dünnen Glaskanüle in das Gehirn einer Maus. (Durchschnittlich 0,001 Millimeter. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ca. 0,1Millimeter dick).

Während dieser kurzen Operation ist die Maus in Narkose und erhält zusätzlich eine Schmerzmedikation. Zur späteren Lichtaktivierung im Verhaltensexperiment wird der Maus eine dünne Glasfaser (Durchmesser 200 Mikrometer) chronisch implantiert. Nach Erwachen aus der Narkose und einer Erholungszeit von mindestens zwei Wochen können die Tiere nun ins Verhaltensexperiment, in dem sie sich frei und ungehindert bewegen können.

In einigen Experimenten wird die Aktivität von Neuronen im wachen Tier gemessen, entweder durch Kalzium Imaging oder elektrophysiologische Methoden. Beim Kalzium Imaging wird ähnlich wie bei den optogenetischen Versuchen ein Virus in das Gehirn der Maus injiziert, welcher zur Expression eines Kalzium Sensors führt. Anschließend wird eine Mini-Mikroskoplinse in dieselbe Hirnregion implantiert. Auch hier sind die Tiere narkotisiert und erhalten Schmerzmedikation. Nach ca. 3 bis 4 Wochen, in denen sich das Tier erholen kann, können dann mithilfe eines Mini-Mikroskops (Gewicht weniger als 2 Gramm) die Aktivität von mehreren hundert Neuronen gleichzeitig aufgezeichnet werden. Diese Technik ermöglicht es im Verhaltenstest spezifisch die Aktivität von einzelnen Neuronen während verschiedener Verhaltensweisen zu analysieren.

Open-Field-Test

Der Open-Field-Test ist in erster Linie ein Verhaltenstest, um die Motorik und das Angstverhalten von Nagern zu untersuchen. Die Arena besteht aus einer quadratischen Plexiglas Box (50 Zentimeter x 50 Zentimeter), in welche die Mäuse für fünf Minuten gesetzt werden. Dabei werden die Distanz, Geschwindigkeit und die Aufenthaltszeit in den verschiedenen Bereichen der Arena gemessen. Da Nager freie Flächen für gewöhnlich meiden, um nicht von Raubtieren erfasst zu werden, halten sie sich möglichst an der Wand oder in den Ecken der Arena auf. Die Zeit, die sich die Tiere im Zentrum der Box aufhalten, kann als ein Parameter für Angstverhalten verwendet werden. Besonders mutige Tiere halten sich mehr im Zentrum auf als besonders ängstliche Tiere.

Die Open-Field-Arena findet aber auch Anwendung bei Versuchen, in denen die Gedächtnis- oder Lernleistung untersucht wird. Bei dem Novel-Object-Recognition-Task wird beispielsweise untersucht, inwiefern sich ein Tier an einen bekannten Gegenstand erinnert, der sich bereits am Tag davor in der Arena befunden hat.

 

Elevated-Plus-Maze-Test

Der Elevated-Plus-Maze-Test ist ein weiterer Angsttest. Das Maze (Labyrinth) besteht aus zwei offenen und zwei geschlossenen Armen. Da Nager sich durch ihren Instinkt vor Raubtieren verstecken, halten sie sich mehr in den geschlossenen Armen auf. Hier kann die Zeit, die die Tiere auf den offenen Armen verbringen, als Parameter für Angstverhalten gemessen werden. Mutige Tiere halten sich vermehrt auf den offenen Armen auf als ängstliche.

 

Novelty-Supressed-Feeding

Ein Verhaltenstest zur Untersuchung von Explorations- und Angstverhalten ist der Novelty-Supressed-Feeding-Test. Damit die Mäuse motiviert sind, erhalten Sie einen Tag lang kein Futter. Wasser steht ihnen jedoch immer unbegrenzt zur Verfügung. In der Open-Field-Arena wird während der Durchführung ein Futterpellet in die Mitte gelegt. Dies dient dazu, um die Tiere in einen Konflikt zu bringen: Das Futter befindet sich in dem gefährlichen Teil der Arena, dem Zentrum. Bei diesem Test wird unter anderem die Zeit gemessen, die die Mäuse benötigen, um tatsächlich mit dem Fressen zu beginnen. Je weniger ängstlich die Mäuse sind, desto schneller beginnen sie mit dem Fressen.

 

Barnes Maze

Beim Barnes-Maze-Test wird das räumliche Gedächtnis und Lernen getestet. Das Labyrinth besteht aus einer runden Plattform, an deren Rand 20 gleich große Löcher verteilt sind. Unter einem Loch befindet sich eine Escapebox. Durch den natürlichen Instinkt sich vor Raubtieren zu verstecken, versucht die Maus schnellstmöglich die Box zu finden. An vier aufeinanderfolgenden Tagen werden die Mäuse trainiert, diese Box zu finden. Am fünften Tag wird die Box entfernt und das Verhalten der Maus untersucht: Je schneller die Maus die Stelle findet, wo sich die Box befunden hat und je mehr sich die Maus an dieser Stelle aufhält, desto besser ist ihr räumliches Gedächtnis.

 

Depressionsmodelle

Um ein möglichst umfassendes Bild von depressiver Symptomatik im Zusammenhang mit Serotonin zu bekommen, werden in der Arbeitsgruppe zwei etablierte Depressionsmodelle angewendet: Der Chronic-Mild-Stress-Test und der Chronic-Social-Defeat-Test. Die Kombination beider Modelle bietet die Möglichkeit, sowohl die Konsequenzen von Stress durch physikalische Umwelteinflüsse als auch die Konsequenzen von sozialem Stress und deren Auswirkung auf depressive Symptomatik und den Einfluss von Serotonin auf diese Symptome zu untersuchen.

Im Chronic-Mild-Stress-Test werden die Versuchstiere über einen festgelegten Zeitraum (sechs Wochen) hinweg täglich unterschiedlichen milden physikalischen Stressoren, wie beispielsweise nasses, oder dreckiges Streu, schief gestellten Käfigen oder Lärm ausgesetzt. Dieser chronische Stress führt bei den Versuchsmäusen langfristig zu depressions-assoziierten Symptomen, wie zum Beispiel Anhedonie oder eine schlechtere Fellpflege. Anhedonie tritt sowohl bei der Maus als auch bei depressiven Menschen als Kernsymptomatik von Depressionen auf. Zur experimentellen Bestimmung von Anhedonie wird der sogenannte Zucker-Präferenz-Test durchgeführt. Da Anhedonie der Verlust von Freude bedeutet, empfindet eine anhedonische Maus keine Freude mehr daran, etwas Süßes zu sich zu nehmen. Bietet man nun einer Maus mit Anhedonie sowohl eine Trinkflasche mit Wasser als auch eine Trinkflasche mit einer Zuckerlösung an, hat diese Maus keine Präferenz mehr für das Zuckerwasser.

Neben der Zuckerpräferenz wird das Körpergewicht und die Fellpflege, also das Putzverhalten und der Zustand des Felles untersucht, da dies auch Indikatoren für depressive Symptomatiken sind.

Der Chronic-Social-Defeat-Test ist hingegen ein Verhaltenstest, der sich eignet, um die soziale Komponente depressiver Symptomatiken zu untersuchen. Menschen, die unter Depressionen leiden, ziehen sich oftmals aus ihrem sozialen Umfeld zurück. Dieses Verhalten tritt ebenfalls nach chronischem sozialem Stress in der Maus auf und wird als depressives Symptom gewertet. In diesem Versuchsmodell wird das Versuchstier über zehn Tage einem sozialen Stress ausgesetzt. Täglich wird die Versuchsmaus mit einer fremden Maus eines aggressiven Mausstamms (Aggressor Maus) konfrontiert. Der Kontakt erfolgt für zehn Minuten physisch und den Rest des Tages nur noch sensorisch. Die beiden Mäuse können in dieser Zeit weiterhin miteinander agieren und sich gegenseitig riechen, die Käfige werden nur durch eine Plexiglaswand, die mit Löchern versehen ist, voneinander getrennt. Diese wird an zehn aufeinanderfolgenden Tagen wiederholt. Am 11. Tag wird das Sozialverhalten der Versuchsmaus im Social-Interaction-Test (SI) untersucht. Dieser Test dauert fünf Minuten und findet in der Open Field Arena statt. Hier wird gemessen, wie lange die Versuchsmaus mit einer ihr unbekannten Maus (Interaktionsmaus) interagiert. Die Interaktionsmaus ist in diesem Versuch durch eine Plexiglaswand, die mit Löchern versehen ist, von der Open Field Arena abgetrennt. Eine depressive Maus würde im Vergleich mit einem gesunden Kontrolltier insgesamt weniger Zeit in sozialer Interaktion verbringen. Bei diesem Depressionsmodell gibt es auch resiliente Tiere, die keine depressiven Symptomatik zeigen. Mit Hilfe dieses Modells können die Forschenden sehr genau untersuchen, was resiliente Mäuse von Mäusen unterscheidet, die anfällig für Depressionen sind.

 

Mouse Gambling Task (MGT)

Der Mouse Gambling Task (MGT) ist ein Verhaltensversuch, in welchem die Entscheidungsfindung von Mäusen analysiert wird. Ausgangskonzept für diesen Test ist der sogenannte Iowa-Gambling-Task, ein experimentelles Paradigma für Menschen, bei welchem die Versuchspersonen Entscheidungen mit hoher Unsicherheit auf positive und negative Ergebnisse treffen müssen.

Für Mäuse wird dies mit verschiedenen Belohnungsstufen umgesetzt. Als Belohnung verwenden die Wissenschaftler:innen einen Erdbeermilchshake, den die Mäuse sehr gerne zu sich nehmen.

Die Maus hat die Wahl zwischen vier Möglichkeiten. Die Wahlmöglichkeiten unterscheiden sich in der Menge an Belohnung und der Wahrscheinlichkeit, eine Belohnung zu erhalten. Es gibt immer zwei vorteilhafte Wahlmöglichkeiten, bei denen zwar die Menge an Belohnung geringer, aber die Wahrscheinlichkeit belohnt zu werden höher ist. Die anderen zwei Wahlmöglichkeiten sind unvorteilhaft, hier ist zwar die Menge der Belohnung höher, jedoch die Wahrscheinlichkeit belohnt zu werden weitaus geringer. Aufgrund der prozentualen Anzahl von vorteilhaften Wahlen, können die Mäuse, die diesen Test durchlaufen, in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Mit Hilfe dieses Verhaltenstests können die Forschenden untersuchen, wie beispielsweise Suchverhalten (wiederholt auftretenden riskanten Entscheidungen) entstehen und wie dieses möglichweise durch Serotonin beeinflussbar ist.

Es gibt bereits Alternativ- und Ersatzmethoden für bestimmte Tierversuche wie Zellkulturen, Organoide, Multi-Organchips, Stammzelltherapien und vieles mehr. Wo immer es möglich ist, werden diese Alternativmethoden von den Forschenden angewandt (Replace). Das deutsche Tierschutzgesetz legt sogar fest, dass Tierversuche nur dann durchgeführt werden dürfen, wenn keine Alternativmetoden vorhanden sind. Viele der Untersuchungen zu molekularen und zellulären Mechanismen des serotonergen Systems führen die Wissenschaftler:innen schon jetzt in Zellkulturen durch. Um jedoch komplexe Verhaltensweisen, wie Entscheidungsfindungen, soziales Verhalten oder Angst und Depressionen zu untersuchen, ist es notwendig Verhaltensexperimente in einem lebenden, sich verhaltenden Tier durchzuführen. Unser Gehirn und das Nervensystem gehören zu den komplexesten Strukturen, die wir kennen. Die Anzahl der Verbindungen, die Nervenzellen miteinander haben, ist größer als die Anzahl sämtlicher Sterne im Universum. Es wird erst möglich sein, diese Schaltkreise und Komplexität zu simulieren, wenn wir in Gänze verstanden haben, wie das Gehirn funktioniert. Hierfür benötigt die Wissenschaft aktuell weiterhin tierexperimentelle Forschung. Noch ist es also nicht möglich, das Gehirn und seine gesamte Komplexität in der Kulturschale zu kopieren oder aber im Computer zu simulieren.

Darüber hinaus versuchen die Forschenden stets die Anzahl der verwendeten Tiere so gering wie möglich zu halten (Reduce). Beispielweise erreichen sie das, in dem sie möglichst viele Parameter in einem Tier analysieren. Auch die Belastung der Tiere wird von ihnen auf ein Minimum reduziert (Refine). Durch die Verwendung von Anästhetika und Schmerzmitteln wird das Schmerzempfinden auf ein minimales Maß reduziert und immer diejenigen Verfahren gewählt, die die geringste Belastung für die Tiere darstellen.

Viele Einrichtungen, Wissenschaftsorganisationen wie das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) oder die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), und viele weitere Forscher:innen arbeiten daran, Alternativmethoden zu finden und zu verbessern.

Einblick in die Forschung und Haltung der Mäuse