Wie viel Mensch ist die Maus? - Chancen von Nutztiermodellen · Maus lymphozytäres Blutbild (10-25 % neutrophile Granulozyten; 75-90 % Lymphozyten) keine Defensin-Expression in neutrophile

Institut für Molekulare PathogeneseJena

PD Dr. Dr. Petra ReinholdPD Dr. Dr. Petra Reinhold

Kontakt: [email protected] – 804 2269

Wie viel Mensch ist die Maus? Wie viel Mensch ist die Maus? -- Chancen von Nutztiermodellen Chancen von Nutztiermodellen --

39. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 14. - 15. September 2010, Berlin

mailto:[email protected]

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1.0 Mio

1.2 Mio

1.4 Mio

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1.8 Mio

Maus

Ratte

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Kaninch

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Meersc

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Katzen

HundeFret

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andere

Flfr.

Pferde

Schwein

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Neuwelt

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Altwelt

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[Quelle: BMELV]

Tierversuchszahlen: Tierversuchszahlen: 2.692.8902.692.890 (2008)(2008)

Frage 1Frage 1

Weshalb werden ungleich mehr Weshalb werden ungleich mehr MMääuse als andere Tierarten in der use als andere Tierarten in der

medizinischen Forschung eingesetzt ?medizinischen Forschung eingesetzt ?

Die Die üübliche Meinung bliche Meinung ……..

genetisch charakterisiert & gentechnisch verändertimmunologische Tools

zeitaufwändig [Projektlaufzeit vs. Dauer Experiment]

genetisch heterogen

CONSPROS

wenig immunologische Kits

Kosten

Daten schnell verfügbar[und publizierbar… !]

kostengünstig

ethische Akzeptanz

geringe Reproduktionszeit

einfache Handhabung

Repr.dauer / Nachkommen

Die Die üübliche Meinung bliche Meinung ……..

„Laut Tierschutzgesetz muss der Experimentator die am niedrigsten entwickelte Spezies auswählen … „

Tierschutzgesetz Tierschutzgesetz §§9 (2)9 (2)

Tierversuche sind auf das unerlässliche Maß zu beschränken.

Bei der Durchführung ist der Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse zu berücksichtigen.

1. Versuche an sinnesphysiologisch höher entwickelten Tieren, insbesondere warmblütigen Tieren, dürfen nur durchgeführt werden, soweit Versuche an sinnesphysiologich niedriger entwickelten Tieren für den verfolgten Zweck nicht ausreichen.

2. Für den Tierversuch dürfen nicht mehr Tiere verwendet werden, als für den verfolgten Zweck erforderlich ist.

Last 20 years, emphasis on basic science & molecular biology rather than whole organ physiology, leading to a lack of

fundingexpertiseeducationunderstandingenthusiasm

[Coates & Bush (2003) Ped. Pulm 36:175-177 ]

“There is an urgent need to revitalize physiological & pathophysiological research” .

Consequence: major pitfalls in physiological researchConsequence: major pitfalls in physiological research…… !!

Die aktuelle Situation Die aktuelle Situation ……. .

Frage 2Frage 2

Welche Relevanz haben aus Welche Relevanz haben aus Mausmodellen abgeleitete Informationen ?Mausmodellen abgeleitete Informationen ?

Die kritische Meinung Die kritische Meinung ……..

Vereinfachung versus biologische Komplexität ?

[Walker M.J.A.: Functionalism still has a significant role in drug discovery and biomedical research. ERS-Congress 2007 - oral presentation]

“Unexpected results and the failure to translate reductionistichypotheses into the biological reality of humans have shown that

oversimplification of biological complexity isbecoming a problem in medical research

there is an urgent need to re-open the area offunctional research in complex biological systems”

“… the use of inexpensive and convenient animal models with vast ‘tool-kits’ cannot compensate for biological irrelevance.”

“Animal research that focuses excessively on one laboratory species will not succeed to transfer information from basic discovery to clinical application.”

Die kritische Meinung Die kritische Meinung ……. .

Biologische Relevanz ?

[Hein & Griebel (2003) Nat. Rev. Immunol. 3: 79-84]

Die kritische Meinung Die kritische Meinung ……..

Persistenz & Chronizität ?

“There is, however, no model in smaller laboratory animals that demonstrates both chronic remodelling and long-term AHR …”

“… current models of asthma are limited by their lack of chronicity which must be taken into account when interpreting results of mechanistic and interventional studies before extrapolating the findings to humans.”

WievielWieviel MenschMensch istist die die MausMaus ?

Frage 3Frage 3

The Journal of Immunology 2004, 172: 2731-2738

ImmunbiologieImmunbiologie

Menschleukozytäres Blutbild(30-70 % neutrophile Granulozyten; 30-50 % Lymphozyten)

neutrophile Granulozyten bilden Defensine (= antimikrobielle Peptide)

Interleukin-8 (IL-8) ist bedeutender Faktor in Entzündungsantwort iNOS Induktion in Makrophagendurch IFN-αβ, IL-4+ anti-CD23, (sowie evtl. weitere Zytokine)

Mauslymphozytäres Blutbild(10-25 % neutrophile Granulozyten; 75-90 % Lymphozyten)

keine Defensin-Expression in neutrophile Granulozyten

Il8-Gen nicht vorhanden

iNOS (inducible NO synthase) Induktion in Makrophagen durch IFN-γ und LPS

Insgesamt bislang > 80 bekannte Unterschiede zwischen Maus und Mensch bzgl. der angeborenen und adaptiven Immunantwort ! [Mestas & Hughes 2004]

GenetikGenetik

~ 30 000 Gene ~ 30 000 Gene

99 % verwandt

(Stand 2002)

Genomanalyse 2009Genomanalyse 2009

So richtig ähnlich sind sich Mensch und Maus nicht, dennoch sind die Nager die wichtigsten Labortiere für die Erforschung menschlicher Krankheiten. US-amerikanische, schwedische und britische Forscher haben nun das Erbgut von Mäusen erneut und viel exakter entziffert – und mit dem des Menschen verglichen ... (Tagesspiegel vom 27.05.2009)

19 042 Gene 20 210 Gene

nur 15 178 Genesind funktional

verwandt

( 80 % ) ( 75 % )

19 042 Gene ~ 22 000 Gene

auch bei anderen Säugetieren vorkommend

( ~ 80 % )


2009 Apr 24; 324(5926): 522-528

The genome sequence of taurine cattle: a window to ruminant biology and evolution

Bovine Genome Sequencing and Analysis Consortium

… ein Genomvergleich zeigte, dass das Rindergenom dem menschlichen Erbgut wesentlich ähnlicher sei als dem Erbgut von Mäusen oder Ratten.

Im Verlaufe der Evolutionsgeschichte . . . hätten Rinder im Vergleich zum Menschen mehr Schutzgene gegenüber Krankheitserregern entwickelt; dies könne bei der Erforschung menschlicher Krankheiten Bedeutung gewinnen. (Deutsches Tierärzteblatt 6/2009; 819-820)

19 042 Gene ~ 22 000 Gene

auch bei anderen Säugetieren vorkommend

( ~ 80 % )


CysticCystic FibrosisFibrosis ((MukoviszidoseMukoviszidose))

Erbkrankheit, bei der durch einen genetischen Defekt die Sekrete von exokrinen Drüsen verdickt sind.

Das Mukoviszidose-Gen (CFTR-Gen für cystic fibrosistransmembrane regulator) wurde 1989 entdeckt.

• Lunge: Verlegung der Bronchien mit zähflüssigem Schleim• Magen-Darm-Trakt: Verdickung des Darminhaltes• Bauchspeicheldrüse: Verstopfung der Ausführungsgänge • Galle: Verstopfung der Gallengänge. • Samenleiter: Verklebung und Verödung der Samenleiter

Are pigs more human than mice?Elferink & Beuers: J. Hepatol. 2009, 50: 838-841

Rogers et al.: Science. 2008, 321(5897):1837-41.

• Mice with a disrupted CFTR gene have greatly facilitated CF studies, but themutant mice do not develop the characteristic manifestations of human CF, including abnormalities of the pancreas, lung, intestine, liver, and other organs.

Are pigs more human than mice?Elferink & Beuers: J. Hepatol. 2009, 50: 838-841

• Newborn pigs lacking CFTR exhibited defective chloride transport and developed meconium ileus, exocrine pancreatic destruction, and focal biliarycirrhosis, replicating abnormalities seen in newborn humans with CF.

• The pig model may provide opportunities to address persistent questions aboutCF pathogenesis and accelerate discovery of strategies for prevention and treatment.

Chancen von Chancen von ‘‘domestic animal modelsdomestic animal models’’

‘Natürliche’ Erkrankungen bzw. Erreger-Wirt-Interaktion:Ähnlichkeiten in der Pathogenese

Langzeitstudien:Mechanismen von Persistenz & Chronizität

Diagnostische Verfahren aus Humanmedizin sind direkt anwendbar (Vergleichbarkeit der Daten)

Intra-individuelle Erfassung von funktionellen, inflammatorischen und morphologischen Veränderungen ( inter-individuelle Variabilität; Tierzahlen)


‘Natürliche’ Erkrankungen bzw. Erreger-Wirt-Interaktion:Ähnlichkeiten in der Pathogenese




Institute of Molecular Pathogenesis

NatNatüürlich vorkommende respiratorische rlich vorkommende respiratorische Erkrankungen bei Tieren alsErkrankungen bei Tieren als

‘‘alternativealternative’’ ModelleModelle

Asthma – Katzen

Ski-Asthma - Schlittenhunde

COPD / Asthma – Pferde

Chronische AtemwegserkrankungenChronische Atemwegserkrankungen

ExerciseExercise--inducedinduced AsthmaAsthma

Am J Respir Crit Care Med. 2002 Sep 15;166(6):878-82.

Davis et al. (2005) Medicine & Science in Sports & Exercise 37: 337-341

„Racing Alaskan sled dogs have airway dysfunction similar to "ski asthma" that persists despite having 4 months of rest.”

AsthmaAsthma

Institute of Molecular Pathogenesis

NatNatüürlich vorkommende respiratorische rlich vorkommende respiratorische Erkrankungen bei Tieren alsErkrankungen bei Tieren als

‘‘alternativealternative’’ ModelleModelle

INFEKTIONEN: natINFEKTIONEN: natüürliche Erreger rliche Erreger -- Wirt Wirt -- SystemeSysteme

Tuberkulose – Rind Mycobacterium bovis

MRSA – Schwein Staphylococcus aureus

RSV – Kalb Respirat. Syncytial Virus

Mykoplasmen – Kalb Mycoplasma bovis

Chlamydien – Rind, Pferd, Schwein, …

Microbes and Infection 10 (2008) 711-715

Bovine tuberculosis may prove to be an excellent model forhuman tuberculosis when aspects like

pathogenesis, pathology, the development of a latent state of the infection, and immune responses to tuberculosis(like innate immunity, group 1 CD1-restricted T cell responses,and phosphoantigen-reactive gamma-delta T cells)

are considered.

Small Small animalanimal modelsmodels (murine models)

Although small animals offer the advantages of low cost,genetic malleability and high throughput, they cannot reproducemany aspects of human pulmonary pathophysiology. For this reason, it is very important to use physiologically relevant large animal models whenever possible.

RSVRSV

humanes RSV (HRSV) & bovines RSV (BRSV) sind genetisch eng verwandt

RSV-Infektion bei Kindern und Kälbern sind vergleichbar:Erstinfektion im Alter von 1–3 Monaten (trotz vorhandener passiv erworbener Antikörper !) Bronchiolitis & Hyperreagibilität der Atemwege

Das Kalb repräsentiert den besten natürliche Wirt für RSV

BRSV als Modell fBRSV als Modell füür humanes RSVr humanes RSV

„Impact for Human Medicine — Infection of humans with respiratory syncytial virus early after birth is associated with subsequent development of allergic asthma. Results for BRSV infection in these calves suggested a supportive mechanism for this scenario.“

Effect of infection with bovine respiratory syncytial viruson pulmonary clearance of an inhaled antigen in calves

Laurel J. Gershwin et al.

American Journal of Veterinary Research (2008) 69: 416-422

Infektionen als CoInfektionen als Co--Faktor chronischer Faktor chronischer AtemwegserkrankungenAtemwegserkrankungen ?

Kraft, M.: The role of bacterial infections in asthma. (2000) Clin. Chest Med. 21: 301-313

„An animal model … would be ideal, but at present no model exists in which chronicinfection with these organisms results in bronchial hyperresponsiveness.“

Natürliche Modelle chronischer Infektionen ?

„The atypical bacteria -- specifically, Chlamydia pneumoniae and Mycoplasma pneumoniae –deserve special attention.“

• sub-klinische Veränderungen• persistierend für mindestens 6 Monate

Natürliches Modell einer chronisch-persistierendenrespiratorischen Chlamydien-Infektion

Respiratorische MycoplasmaMycoplasma bovisbovis Infektionen des Rindes weisen pathogenetische Ähnlichkeiten mit derMycoplasma pneumoniae Infektion des Menschen auf.

Experimentelle MycoplasmaMycoplasma bovisbovis Infektion derLunges des Kalbes resultierte in Th2-Immunantwort.

Persistenz of MycoplasmaMycoplasma bovisbovis Infektionen!Infektionen!


‘Natürliche’ Erkrankungen bzw. Erreger-Wirt-Interaktion: Ähnlichkeiten in der Pathogenese




FazitFazit (1)(1)

Kein Tiermodell wird in der Lage sein, alle Charakteristika einer respiratorischen

Erkrankung des Menschen widerzuspiegeln.

Fazit (2)Fazit (2)

Auswahl der am besten geeigneten Spezies (entsprechend der spezifischen Fragestellung)

Etablierung von biologisch relevanten Modellen

durch kompetente Zusammenarbeit zwischen Human- und Veterinärmedizin

Verantwortung der Wissenschaftler: Verantwortung der Wissenschaftler:

Charakterisierung mit geeigneten Methoden

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