Die chemische Belastung der Umwelt ist neben Erderwärmung und Verlust der Artenvielfalt eine weitere große Herausforderung für das zukünftige Leben auf der Erde. Gesetzlich vorgeschriebene toxikologische Prüfungen helfen zwar, potenzielle Gefahren für den Menschen und die Umwelt zu erkennen und vermeiden. Doch die Anhäufung von Chemikalien in der Umwelt und ihr Einfluss auf komplexe Ökosysteme sind bisher nur ansatzweise erforscht.
Prof. Henner Hollert, seit 2019 Professor für Evolutionsökologie und Umwelttoxikologie an der Goethe-Universität, gehört zu der Gruppe Forscher, die die Environmental Pollution, also die Kombination aus der besorgniserregenden chemischen Verschmutzung und auch Krankheitserregern in ihren Auswirkungen untersuchen. In Frankfurt forschen dazu auch seine Kollegen Prof. Jörg Oehlmann (Aquatische Ökotoxikologie), Prof. Sven Klimpel (Integrative Parasitologie und Tierphysiologie) und Prof. Alexander Vogel (Institut für Atmosphäre und Umwelt) sowie die Kolleg:innen am Institut für Sozialökologische Forschung (ISOE). Des Weiteren bestehen enge Kooperationen mit Prof. Werner Brack vom Helmholz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig und zu Prof. Miklós Bálint und Prof. Markus Pfenninger von Senckenberg SBiKF und LOEWE TBG.
Wie robust ist die Natur?
An der Goethe-Universität beschäftigt sich die von Prof. Henner Hollert und Prof. Ernst Stelzer koordinierte Exzellenzcluster-Initiative RobustNature (Robustheit und Resilienz von Natur-Gesellschaftssystemen im sich entwickelnden Anthropozän) mit über 40 Wissenschaftler: innen aus verschiedenen Fachbereichen der Universität und aus zahlreichen außeruniversitären Forschungseinrichtungen mit diesen Themen. In einem interdisziplinären Ansatz werden in den Forschungsfeldern Wasser, Interaktionen von Organismen und Systemische Risiken untersucht, welche Folgen Umweltverschmutzung, Biodiversitätsrückgang und Klimawandel auf das System Mensch-Umwelt haben.
Wie komplex diese drei großen Themen miteinander verwoben sind, zeigen verschiedene Fallbeispiele: So wird z.B. unter Leitung des Nachwuchswissenschaftlers Dr. Jonas Jourdan in RobustNature in einer Kooperation der Abteilungen Oehlmann, Brack, Klimpel, Hollert untersucht, wie die multiplen Stressoren chemische Belastung, Klimawandel und Parasitierung das Verhalten von Bachflohkrebsen beeinflussen. Die Gruppe von Hollert untersucht mit Kolleg:innen von UFZ und Partnern in Kenia den Einfluss von Pflanzenschutzmitteln auf die Verbreitung der Bilharziose – nach Malaria eine der häufigsten parasitären Infektionskrankheiten. Sie wird von einem Egel verursacht, der eine bestimmte Art von Süßwasserschnecke als Zwischenwirt nutzt und dann den Menschen befällt, was zu schwerwiegenden Symptomen führt. Pestizide begünstigen die Ausbreitung der Bilharziose, weil diese nicht nur Schädlinge bekämpfen, sondern auch die Fressfeinde des Zwischenwirts. So sind mehr Süßwasserschnecken als Reservoir für die Bilharziose-Erreger verfügbar. „Das ist ein relativ komplexer Zusammenhang, an den man zuerst nicht denkt“, erläutert Hollert. „Aber hier zeigt sich, wie die chemische Belastung auf aquatische Ökosysteme und auch die Gesundheit des Menschen wirken kann.“
Wider die weltweite chemische Verschmutzung
Aus diesem Grund engagiert sich Henner Hollert auch im neu gegründeten Welt-Chemikalienrat (International Panel on Chemical Pollution IPCP). Nach dem Vorbild des Weltklimarats und des Weltbiodiversitätsrats soll dieses Gremium die Folgen der weltweiten Verschmutzung durch Chemikalien und Abfälle bewerten und als Schnittstelle zwischen Forschung und Politik dienen. Bei der fünften UN-Umweltversammlung in Nairobi wurde Anfang März 2022 eine Resolution verabschiedet, mit der der „Welt-Chemikalienrat“ auf den Weg gebracht wurde.
In seinem Arbeitskreis untersucht Hollert schon seit 30 Jahren Umweltchemikalien und natürliche Stressoren vom Molekül bis zum Ökosystem. Seine Schwerpunkte sind die Ökotoxikologie des Wassers, die „grüne Toxikologie“ und Alternativen zum Tierversuch für toxikologische Prüfungen. Bei der grünen Toxikologie geht es darum, toxikologische Aspekte schon bei der Entwicklung und Produktion neuer Materialien und Chemikalien zu berücksichtigen. Das heißt: Nicht nur die neuen Produkte sollten weniger umweltschädlich sein, sondern auch ihre Herstellung. Und es sollte dabei weniger Abfall entstehen. So arbeitet seine Gruppe am Exzellenzcluster „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse – FuelScienceCenter“ der RWTH Aachen daran mit, neue maßgeschneiderte biobasierte Kraftstoffe zu entwickeln und auf eine möglichst geringe toxische Wirkung gegenüber Menschen und Umwelt zu optimieren.
Erfolgsgeschichte Wasserqualität
Die Fortschritte der Umwelttoxikologie im Bereich der Wasserqualität illustriert Hollert am Beispiel der Flussverschmutzung. In den 1970er-Jahren war an schmutzig gelben Schaumkronen auf dem Wasser auch für das bloße Auge sichtbar, wo Abwasser ungeklärt in die Flüsse geleitet wurde. Das massenhafte Fischsterben führte schließlich 1978 zur Verabschiedung des Abwasserabgabengesetzes. Für die ökotoxikologische Untersuchung von Abwasser aus Kläranlagen war der Fischtest mit der Goldorfe der Standard. Man setzte die Fische in große Bechergläser mit Abwasserproben, die zunehmend verdünnt wurden. Das Wasser galt als ungefährlich, wenn die Fische darin 48 Stunden überlebten. Durch die Abwasserverordnung, die Gebühren nach dem Verursacherprinzip erhebt, hat sich die Gewässerqualität in Deutschland in den letzten Jahrzehnten enorm verbessert. „Allerdings mussten dafür mehrere Hunderttausend Fische pro Jahr sterben“, bedauert Hollert.
Tierschutz in der Toxikologie
Deswegen suchten Toxikologen schon früh nach Alternativen zu Tierversuchen. Ein erster Ansatz mit Zelllinien erwies sich als zu unempfindlich. In einem zweiten Schritt waren sie mit den Eiern des Zebrabärblings (Danio rerio) erfolgreich. Die Eier des bis zu fünf Zentimeter langen, gestreiften Fischs reagieren genauso empfindlich auf Umweltgifte wie der ausgewachsene Fisch. Prüfungen an den Eiern gelten bis zu 120 Stunden nach dem Laichen in der EU nicht als Tierversuche und sind daher auch nicht genehmigungspflichtig. Dieser 2004 gesetzlich festgeschriebene Ersatz für den Fischtest mit der Goldorfe ist ein großer Fortschritt nicht nur für den Umwelt-, sondern auch im Tierschutz. Ein Rundgang durch das Labor – im Kittel, da es sich um Sicherheitsstufe 1 handelt – zeigt, wie die etwa Stechnadelkopf großen, durchsichtigen Eier in Lösungen mit Chemikalien untersucht werden. Dazu werden sie in durchsichtige Platten mit vielen Vertiefungen gegeben und unter dem Mikroskop untersucht. Neben der Toxizität gegenüber den Fischeiern, können auch viele andere Aspekte mit frühen Lebensstadien der Zebrafische untersucht werden. Ein Schwerpunkt in der Abteilung von Prof. Hollert sind auch Untersuchungen zur Neurotoxizität. In dem großen Verbundprojekt Neurobox mit Förderung des BMBF wurde zum Beispiel gemeinsam mit dem Umweltbundesamt, dem UFZ und vielen anderen Partnern überprüft, welche Chemikalien im Grund- und Trinkwasser neurotoxisch wirken können und wie ein entsprechendes Bewertungskonzept erarbeitet werden kann. Dazu werden Verhaltensänderungen der frühen Lebensstadien der Zebrafische untersucht. Diese weisen oft auf neurotoxische Wirkungen hin. Die zugrunde liegenden molekularen Prozesse kann man dann mit modernen Methoden wie Transcriptomics, Lipidomics und Metabolomics weiter untersuchen.
Weg vom Tierversuch
Alternativen zum Tierersuch fordert auch die 2006 von der Europäischen Kommission verabschiedete Chemikalienverordnung (REACH). Hierbei unterstütz die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) die die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) bei der Entwicklung und Förderung von alternativen Methoden, die als internationale Standards für toxikologische Prüfungen festgelegt werden. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt ist hier die Weiterentwicklung von In-vitro-Methoden auf Basis von Zellkulturen. Im vergangenen Jahr hat das Team von Hollert die erste sechsmonatige Phase des „CRACK IT“-Innovationswettbewerb des britischen nationalen Zentrums für die Ersetzung, Verbesserung und Verringerung von Tieren in der Forschung (NC3Rs) gewonnen. In der ersten Phase des Wettbewerbs mit dem Titel „Animal-free In-vitro-Methoden“ wurden drei internationale Teams von AstraZeneca und Unilever gesponsert. „Wir sind die Gruppe, die sich in Phase eins am meisten vorgenommen hatte“, erklärt Dr. Andreas Schiwy, Projektleiter von NC3R an der Goethe-Universität. Sein Team und seine Projektpartner beschäftigten sich mit allen Fragestellungen des Wettbewerbs.
Andreas Schiwy holt eine Kunststoff-Flasche mit einer fleischfarbenen, gefrorenen Flüssigkeit aus dem Tiefkühlschrank. Das ist das Kälberserum. Es ist eine Komponente tierischen Ursprungs, die dem Zellkulturmedium für das Wachstum der Zellen zugesetzt wird. Es wird aus dem Blutserum ungeborener Kälber (FKS) gewonnen. Diese fallen als trauriges „Abfallprodukt“ bei der Schlachtung freilaufender Rinderherden ab.
Der chemisch definierte Ersatz basiert auf einer Lösung aus Salzen, Aminosäuren und Zucker, der man Wachstumsfaktoren, Bindungsfaktoren, Insulin und andere Bestandteile hinzugibt, so dass die Zellenkulturen wachsen können. Alle sind in ausreichender Menge im natürlichen Serum enthalten, allerdings in stark variierender Menge. Im chemisch-definierten Ersatz werden sie hingegen maßgeschneidert für die jeweiligen Zellkulturen zugesetzt. Schiwy zeigt eine goldene und eine rote Flüssigkeit, die er von verschiedenen Herstellern für seine Tests bezogen hat. Diese chemisch definierten Nährmedien haben den Vorteil, dass sie die Ergebnisse toxikologischer Tests reproduzierbar machen. In der ersten Phase des Projekts gelang es, eine chemisch definierte Nährlösung als Ersatz für das Kälberserum für einen bestimmten toxikologischen Test zu finden.
Das Projekt geht nun in die zweite dreijährige Phase, in der die Frankfurter Toxikologen unter der Führung ihres ehemaligen Wettbewerbers, der britischen Firma ImmuOne, ihre Kompetenzen bündeln, um die tierkomponentenfreie Zellkultur für oben genannten OECD-Richtlinien zu etablieren.
Tests für krebserregende und hormonell aktive Substanzen
Für zwei Testverfahren konnten die Frankfurter Toxikologen zeigen, dass sie zumindest prinzipiell in den chemisch definierten Nährlösungen funktionieren. Der Test OECD 487 prüft, ob eine Substanz genotoxische Schäden verursacht und damit das Potenzial hat, langfristig Krebs auszulösen. Unter dem Mikroskop sieht man, nach Färbung der Zell-DNA, entweder vom Zellkern abgespaltene Mikrokerne oder Störungen bei der Zellteilung. In Phase eins gelang es der Frankfurter Gruppe, Zelllinien aus der menschlichen Lunge in einem chemisch definierten Nährmedium wachsen zu lassen. Gute Ergebnisse lieferte der Ersatz für den OECD-455-Test, der fragt: Ist eine Substanz hormonell wirksam? Die Zelllinien wuchsen gut in der chemisch definierten Lösung, allerdings war der Test noch nicht so effizient und die Antwort der Zellen auf die Testsubstanz war schwächer. Beide OECD-Tests sollen nun in Phase zwei von den britischen Partnern mit anderen Zelllinien weiter verbessert werden.
In Phase zwei wird sich die Frankfurter Gruppe nun darauf konzentrieren, den menschlichen Leberstoffwechsel biotechnologisch nachzubilden. Aktuell werden in den beiden OECD-Testsystem in Tierversuchen gewonnene Leberhomogenate aus Rattenlebern – kurz S9 – genutzt. Es handelt sich um einen Brei aus fein zerkleinerten Leberzellen, die bei toxikologischen Tests die Funktion der Leber bei der Verstoffwechselung chemischer Substanzen imitieren. Hier haben Schiwy und sein Team schon in Phase eins ein biotechnologisches System entwickelt, das auf einer tierkomponentenfreien Rattenzelllinie basierte. Das heißt, es mussten dafür keine Laborratten sterben. „Das biotechnologische System reproduzierte die Stoffwechselprozesse fast so, wie wir sie vom Leberhomogenat kennen.“ Nun will er in Phase zwei das System mit Partnern auf dem Riedberg wie der Gruppe von Prof. Rolf Marschalek für humane Leberzelllinien weiterentwickeln.
Generell, sagt Schiwy, habe sich sein Blick für den Einsatz von Tierkomponenten in der Zellkultur durch das Projekt geschärft. Als Beispiel nennt er den Einsatz von Kälberserum für die Kultivierung von In-vitro-Fleisch. Dieses kann nur dann Erfolg haben, wenn auch hier keine Tierkomponenten verwendet werden. „Hier gibt es tolle Fortschritte und diese sollten auch in der toxikologischen Forschung passieren“, findet er.
Anne Hardy
