By Elizabeth Burke

Dienstag, 9. August 2016

Wissenschaftler verwenden eine Vielzahl von Labortechniken, um die genetischen Ursachen menschlicher Krankheiten zu untersuchen. In der Forschung werden oft Zellen oder Gewebeproben von Patienten verwendet, aber um festzustellen, ob eine Mutation in einem bestimmten Gen die Symptome eines Patienten verursachen kann, benötigen wir oft experimentelle Tiermodelle.

Während Mäuse und Ratten in der Vergangenheit häufig für die Modellierung menschlicher Krankheiten verwendet wurden, gewinnt die Verwendung von Zebrafischen schnell an Beliebtheit. Überrascht Sie das? Lassen Sie mich das erklären.

Was sind Zebrafische?

Zebrafische sind tropische Süßwasserfische aus der Familie der Elritzen. In freier Wildbahn kommen sie in Flüssen und Teichen Indiens vor, sind aber inzwischen auch häufig in Zoohandlungen erhältlich. Der Name „Zebrafisch“ kommt von den horizontalen blauen Streifen auf jeder Seite ihres Körpers.

Zebrafische, so benannt wegen ihrer Streifen, bevorzugen es, in großen Gruppen zu leben, die Schwärme genannt werden.

Wie kann man eine menschliche Krankheit in Fischen modellieren?

Auch wenn der Mensch extrem anders zu sein scheint als der Zebrafisch, so sind wir ihm doch viel ähnlicher, als man vielleicht denkt. Tatsächlich sind 70 % der menschlichen Gene im Zebrafisch zu finden.

Zudem haben Zebrafische zwei Augen, einen Mund, ein Gehirn, ein Rückenmark, einen Darm, eine Bauchspeicheldrüse, eine Leber, Gallengänge, eine Niere, eine Speiseröhre, ein Herz, ein Ohr, eine Nase, Muskeln, Blut, Knochen, Knorpel und Zähne. Viele der Gene und kritischen Signalwege, die für die Entwicklung dieser Merkmale erforderlich sind, sind zwischen Mensch und Zebrafisch weitgehend konserviert. Daher könnte theoretisch jede Art von Krankheit, die beim Menschen Veränderungen in diesen Körperteilen verursacht, im Zebrafisch nachgebildet werden.

Warum Zebrafische verwenden, wenn man auch Mäuse verwenden könnte?

Während Mäuse dem Menschen evolutionär ähnlicher sind, weil sie Säugetiere sind, haben Zebrafische mehrere Vorteile gegenüber ihren pelzigen Konkurrenten.

Ein wichtiger Vorteil der Zebrafische ist, dass die erwachsenen Tiere klein sind und es vorziehen, in großen Gruppen oder „Schwärmen“ gehalten zu werden. Daher benötigen sie viel weniger Platz und sind billiger in der Haltung als Mäuse.

Das NIH Zebrafish Core beherbergt Hunderttausende von Zebrafischen in einer hochmodernen Einrichtung.

Ein weiterer Vorteil ist, dass erwachsene Zebrafische sich schnell fortpflanzen (etwa alle 10 Tage) und 50 bis 300 Eier auf einmal produzieren können. Das ist ganz anders als bei Mäusen, die in der Regel Würfe von einem bis 10 Jungtieren produzieren und nur etwa drei Würfe in ihrem Leben gebären können. Wissenschaftliche Experimente werden in der Regel mehrfach wiederholt, um zu beweisen, dass die Ergebnisse korrekt sind. Daher ist es hilfreich, ein Tier zu haben, das immer wieder eine große Anzahl von Nachkommen produzieren kann.

Zebrafisch-Embryonen werden auch extern gelegt und befruchtet, wodurch sie leicht auf verschiedene Weise manipuliert werden können. Bei Bedarf kann eine In-vitro-Fertilisation durchgeführt werden. Die befruchteten Eizellen im Ein-Zell-Stadium können leicht mit DNA oder RNA injiziert werden, um ihr Erbgut dauerhaft zu verändern und so transgene oder Knock-out-Zebrafischlinien zu erzeugen. Die Arbeit mit Mäusen ist auf diese Weise viel komplizierter. Mausembryonen entwickeln sich im Inneren der Mutter, und um an sie heranzukommen und sie zu manipulieren, müsste die Mutter geopfert werden. Um die Embryonen nach der Befruchtung oder Injektion am Leben zu erhalten, müssten sie außerdem in eine andere weibliche Maus verpflanzt werden.

Zebrafischlarven, das Entwicklungsstadium zwischen drei und dreißig Tagen nach der Befruchtung, werden etwa 3,5 bis 8 Millimeter lang.

Zudem sind Zebrafischembryonen durchsichtig, so dass die Wissenschaftler die befruchteten Eier unter dem Mikroskop zu voll ausgebildeten Babyfischen heranwachsen sehen können. Ihre Transparenz ermöglicht auch die Sichtbarmachung von fluoreszenzmarkierten Geweben in transgenen Zebrafischembryonen. Embryonen von Mäusen sind nicht durchsichtig und entwickeln sich im Inneren der Mutter, so dass die Beobachtung der Entwicklung eines lebenden Embryos wie beim Zebrafisch nicht möglich ist.

Es gibt jedoch eine Grenze, welche Arten von Krankheiten im Zebrafisch untersucht werden können. Menschliche Krankheiten, die durch Gene verursacht werden, die es im Zebrafisch nicht gibt, erfordern ein anderes Tiermodell. Außerdem sind Zebrafische keine brauchbaren Modelle für menschliche Krankheiten, die hauptsächlich in einem Gewebetyp oder Körperteil auftreten, den Zebrafische nicht haben (z. B. Prostata, Brustdrüsen, Lungen).

Wie genau verwenden Sie Zebrafische, um menschliche Krankheiten zu untersuchen?

Oft wird die DNA eines Patienten sequenziert, um eine Mutation in einem Gen zu finden, das möglicherweise seine Krankheitssymptome verursacht. Um festzustellen, ob ein Funktionsverlust dieses Gens die bei dem Patienten beobachteten Symptome verursachen könnte, wird dasselbe Gen bei Zebrafischen mutiert oder „ausgeschaltet“, und dann werden die Fische auf ähnliche Symptome untersucht. Obwohl dies sehr viel schwieriger zu bewerkstelligen ist, kann die exakte Mutation, die der Patient hat, auch in den Zebrafisch eingebracht werden – dies wird als „Knock-in“ bezeichnet.

Wenn eines oder mehrere der Symptome des Patienten im Zebrafisch-Knock-out- oder Knock-in-Modell beobachtet werden, kann der Zebrafisch für weitere Studien verwendet werden, um herauszufinden, warum die Mutation in diesem Gen die Krankheit verursacht. So kann beispielsweise die Struktur der Muskelfasern unter dem Mikroskop auf Anomalien untersucht werden, wenn der Patient eine Muskelerkrankung hat. Oder wenn die Krankheitssymptome des Patienten während der Entwicklung im Mutterleib begannen, können Knock-out- oder Knock-in-Zebrafisch-Embryonen auf Veränderungen der Genexpression (im Vergleich zu Embryonen ohne die Mutation) untersucht werden, die zu einer abnormalen Entwicklung führen könnten. Bei Patienten mit einer neurologischen Krankheit können die Neuronen von Knock-out-Embryonen fluoreszierend markiert werden, um zu sehen, ob sie sich falsch entwickeln.

Neben der Verwendung von Zebrafisch-Krankheitsmodellen zur Charakterisierung menschlicher Krankheiten können Forscher auch neue Medikamente zur Behandlung der modellierten Krankheiten identifizieren und testen. Die Fähigkeit von Zebrafischen, bei jeder Fortpflanzung viele Embryonen zu erzeugen, macht sie besonders nützlich für das Screening von Medikamenten mit hohem Durchsatz.

Was sind einige Beispiele für menschliche Krankheiten, die erfolgreich in Zebrafischen modelliert wurden?

Die Erzeugung eines Knock-outs des Dystrophin-Gens in Zebrafischen ähnelt nachweislich der Schwere und dem Verlauf der menschlichen Krankheit Duchenne-Muskeldystrophie. Bei Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie wurden Mutationen im Dystrophin-Gen gefunden, und sie zeigen eine Muskelschwäche in der Kindheit, die sich immer mehr verschlimmert. Sowohl beim Menschen als auch beim Zebrafischmodell führt der Verlust von Dystrophin allmählich zu nekrotischen Muskelfasern, die durch Entzündungszellen, Fibrose und abnormal große Muskelfasern ersetzt werden.

Diese Abbildung zeigt visuelle Unterschiede im Muskel zwischen Wildtyp-Zebrafischlarven (A, B, C) und distrophischen Larven (A‘, B‘, C‘). Quelle: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3484855/

Auch das menschliche Melanom wurde erfolgreich in Zebrafischen modelliert. Die am häufigsten identifizierte Mutation in menschlichen Melanomen – eine einzelne Aminosäureveränderung im Gen BRAF – wurde in Zebrafischen erzeugt, um ein Knock-in-Modell herzustellen. Da Krebserkrankungen durch eine Kombination mehrerer genetischer Veränderungen verursacht werden, wurde diese Knock-in-Zebrafischlinie zum Screening anderer potenziell krebserregender Mutationen verwendet. Als dem BRAF-Knock-in-Zebrafisch eine andere häufig beobachtete Melanommutation des Gens SETDB1 hinzugefügt wurde, entwickelte sich rasch ein Melanom. Diese Ergebnisse trugen dazu bei, dass SETDB1 ein wichtiges Gen für das Melanomwachstum ist.

Die Beispiele, die zeigen, dass Menschen und Zebrafische die gleiche Krankheit haben können, obwohl wir so unterschiedlich erscheinen, machen es leicht zu verstehen, warum Zebrafische zu einem anerkannten Tiermodell werden. Im Rahmen des NIH-Programms für undiagnostizierte Krankheiten führen wir Studien mit Zebrafischen als einen von mehreren Ansätzen durch, um die mögliche Beteiligung von veränderten Genen an den extrem seltenen Krankheiten unserer Patienten zu untersuchen. Während Mäuse in der Vergangenheit die vorherrschende Tierbrücke zwischen Labor und Krankenbett waren, haben neuere Studien gezeigt, dass Zebrafische eine Alternative zu Mäusen darstellen. Der Zeitpunkt für die Einführung des Zebrabärblings als aufstrebender Modellorganismus könnte nicht besser sein, da Studien mit Mäusen oft nicht auf den Menschen übertragbar sind. Obwohl kein Tier eine menschliche Krankheit perfekt modellieren kann, glaube ich, dass diese kleinen gestreiften Schwimmer ein großes Potenzial haben, die medizinische Forschung in der Zukunft voranzubringen.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Zebrafische zur biomedizinischen Wissenschaft und zur menschlichen Gesundheit beitragen, besuchen Sie die Websites der Trans-NIH Zebrafish Initiative und des NICHD Zebrafish Core.