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Genmanipulierte Ratte (GM)

Labortiere werden schon seit Langem in der medizinischen Forschung als genetischen Prozesse aufzuzeigen, die bei Humankrankheiten eine Rolle spielen. Die demütige Laborratte wurde tatsächlich bereits Mitte des 19. Jahrhunderts für diesen Zweck genutzt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die ersten Inzuchtstämme von Henry Donaldson am Wistar Institute in Philadelphia entwickelt. Diese Kolonie, die für Forschungszwecke der Genetik, Neurowissenschaft und KrebsANCHOR gezüchtet wurde, war der Anfang einer jahrhundertlangen (und noch andauernden) Beziehung zwischen dem Wissenschaftler und dem Nagetier. Der Nutzen dieses Unternehmens über die vergangenen einhundert Jahre hat sich als unschätzbar für viele Bereiche der Medizin herausgestellt, von Modellen für kardiovaskuläre KrankheitenANCHOR, über TransplantationANCHOR, DepressionANCHOR, und in letzter Zeit auch das Potential der Zelltherapie zur Wiederherstellung der Körperfunktionen nach RückenmarksverletzungenANCHOR ANCHOR.

Geschichte der Transgenik

Die Transgentechnologie ermöglicht die Einfügung eines bestimmten Gens in das Genom eines Labortieres und ist ein extrem machtvolles Instrument, um die molekularen Grundlagen von Krankheiten aufzubrechen. Die Transgenik wurde in den 1980er Jahren an Mäusen entwickelt, ursprünglich um ein existierendes Gen zu inaktivieren (Knock-out-Modelle). Die Technologie wurde dann weiterentwickelt, um ein neues Gen einzufügen, oder einem Gen eine stärkere Expressionskraft zu geben als normal (Knock-in-Modelle), oder zu bewirken, dass ein Gen sich in einem bestimmten Gewebe oder zu einer bestimmten Zeit exprimiert (konditionales transgenes Modell) ANCHOR. Bei Mäusen benötigt man dazu embryonische Stammzellen. Diese Zellen werden aus dem Inneren eines frühen EmbryosANCHOR entnommen und zeichnen sich durch drei besondere Eigenschaften aus:

i) die Fähigkeit, sich selbst unbegrenzt zu erneuern und das Potential, sich zu jeglicher Art von Körperzelle zu entwickeln (Pluripotenz)
ii) die Fähigkeit, in einen Organismus eingefügt zu werden
iii) die Fähigkeit, sich zu Keimzellen zu entwickeln und ihre Eigenschaften an die Nachkommen weiterzugebenANCHOR.

Bei Mäusen werden die ES-Zellen isoliert und in einer Zelllinie gehalten, wo die DNA durch Einfügen, Entnehmen oder Verändern genetischen Materials relativ einfach modifiziert werden kann. Diese Zellen können dann wieder in den Embryo eingefügt werden, wo sie sich zu vielen verschiedenen Körperzellen entwickeln. Sollten sie sich zu Keimzellen entwickeln und diese Tiere sich später fortpflanzen, werden die Nachkommen heterozygot sein, also ein Exemplar des eingefügten Gens besitzen. Wenn sich dann zwei heterozygote Tiere paaren, werden einige ihrer Nachkommen zwei Exemplare des eingefügten Gens besitzen (homozygot).

Transgene Mausmodelle haben sich als sehr nützlich herausgestellt, ganz besonders für genetisch bedingte Störungen, wie zum Beispiel Muskeldistrophie Duchenne und zystische Fibrose. Heutzutage wird eine breite Palette von Krankheiten an Mausmodellen erforscht. In einer Einschätzung des Nutzens von Tiermodellen für die einhundert meistverkauften Medikamente meinen Zambrowics & SandsANCHOR "Eine rückblickende Einschätzung…lässt erkennen, dass diese Phänotypen in enger Verbindung mit der Wirksamkeit der Medikamente stehen und einen produktiven Weg vorwärts weisen, um neue Wirkstoffziele zu entdecken".

Transgene Ratten?


Obwohl die Idee unter Wissenschaftlern für Aufregung und Hoffnung sorgt, gibt es einige Nachteile. Mäuse haben weniger physiologische Gemeinsamkeiten mit Menschen als Ratten, sie sind also als Modell für Humanerkrankungen im Prinzip weniger attraktivANCHOR. Auch verhaltenstechnisch sind Ratten dem Menschen, in ihrer Fähigkeit zu lernen und verschiedene experimentelle Aufgaben zu erfüllen, ähnlicher. Durch ihre Größe ist es bei Ratten viel einfacher, chirurgische Verfahren durchzuführen und die Körperkonstanten zu überwachenANCHOR. Allerdings waren alle bisher bei Ratten unternommenen Versuche, ES-Zellen zu isolieren, vergeblich. Bei Mäusen werden die ES-Zellen durch Kälberserum und sogenannte 'Feeder-Zellen', die eine Chemikalie namens Leukämie-Inhibitor-Faktor (LIF)ANCHOR freigeben, in ihrem pluripotenten Zustand erhalten. Diese Methode schlägt jedoch bei Ratten fehlANCHOR. Bei anderen Tieren, wie Schafen und Schweinen umging man dieses Problem durch KlontechnikenANCHOR, aber auch das stellte sich bei Ratten als sehr schwierig heraus. Das Verhalten der Zellen war sehr unstabil und jede kleinste Störung führte zu deren Aktivierung, sodass sie nicht wieder in einen Embryo implantiert werden konnten.

Rückschläge

Das bedeutet nicht, dass man noch nie transgene Ratten für Experimente verwendet hat. Allerdings war dies nur unter Einsatz bestimmter Techniken möglich, die für den Zweck der Experimente nicht ideal waren, denn alle dieser Techniken bringen fundamentale Nachteile mit sich.
 
 
Es ist beispielsweise eine übliche Methode, zufällige Mutationen in die Zellen einzufügen. Dazu werden entweder die Chemikalie ENUANCHOR oder RetrotransposonsANCHOR verwendet, was mobile genetische Elemente sind, die sich an unbestimmter Stelle in ein Gen einfügen und dadurch seine Aktivität unterbinden. Das Problem bei beiden Varianten ist, dass die entstehenden Mutationen zufälliger Natur sind. Der Wissenschaftler muss also eine enorme Anzahl von Tieren mutieren und die entstandenen Phänotypen screenen. Dann wird eine genetische Analyse durchgeführt, um zu überprüfen, ob eine Veränderung im Verhalten durch eine Mutation in einem der gewünschten Gene erfolgt ist. Das ist offensichtlich ein sehr teures Verfahren.

Eine andere Taktik wäre es, das gewünschte Gen zu entnehmen und es direkt in den Nukleus eines einzelligen Embryos zu injizierenANCHOR oder die Zelle mit Hilfe eines Lentivirus mit dem Gen zu infizierenANCHOR. Diese Methode dient nur zur Übertragung kleiner Mengen genetischen Materials mit einer Länge bis zu 10kb, was zu klein für die meisten Gene  ist. Das Gen wird nun in einer zufälligen Position in das Genom eingegliedert, was man als „Positionseffekt“ bezeichnet, und wird von dort aus das umliegende genetische Material beeinflussen und auch von ihm beeinflusst werden.

Dieses Problem kann man umgehen, indem künstliche Chromosomen eingesetzt werden (von Bakterien, Hefe), da diese die Einfügung einer bedeutend größeren Mengen genetischer Information ermöglichen. Außerdem kann auf diese Weise eine 'Pufferregion' ANCHOR um das betreffende Gen geschaffen werden, um es vor dem Einfluss des umliegenden Materials abzuschirmen. Leider ist diese Methode viel weniger effizient und es müssen viele Linien transgener Tiere geschaffen werden, um den gewünschten Erfolg zu erzielen. All diese Komplikationen haben zur Folge, dass transgenen Ratten bisher nur eine sehr beschränkte Bedeutung in der biomedizinischen Forschung zugemessen werden konnte.

Aktuelle Erfolge

Ende des Jahres 2008 wurden zwei spannende Studien in der Zeitschrift Cell veröffentlicht, die eine radikale Veränderung dieser Situation versprechen. Zwei Gruppen entwickelten unabhängig voneinander ähnliche Techniken, um pluripotente embryonische Ratten-Stammzellen zu isolieren und zu erhalten: Professor Austin Smiths Labor im britischen CambridgeANCHOR und Professor Qi-Long Yings Labor an der Universität von SüdkalifornienANCHOR.

Das Serum, das bei den Methoden zur Isolierung und Züchtung von ES-Zellen von Mäusen verwendet wird, enthält eine Substanz, die ES-Zellen von Ratten und auch S-Zellen einiger Mausstämme negativ beeinflusst. Darum entfernten die Forscher diese Substanz aus dem Serum.

Jedoch ist die Entfernung dieser Substanz allein nicht ausreichend, um die Stammzellen der Ratten zu erhalten, da die Zellen auch selbst ein Protein absondern, das als Fibroplast Wachstumsfaktor 4 (FGF4) bekannt ist und die Zellen über das Signalsystem, das man unter der Bezeichnung MEK/ERK Signalweg kennt, unstabil macht. Vielversprechende Forschungsergebnisse bei Mäusen, die 200621 veröffentlicht wurden, bewiesen, dass die Unterbrechung dieser Signalbahn die Selbsterneuerung der Stammzellen ermöglichte. Demzufolge wendeten beide Forschungsgruppen eine '3 Inhibitoren' (3i)-Strategie an, unter Nutzung:

i) einer Inhibitoren-Substanz zur Reduzierung der Aktivität von FGF4

ii) eines Inhibitors des MEK-Signalweges zur Unterbrechung der Signale

iii) eines Inhibitors einer weiteren Substanz mit Namen Glycogen Synthasekinase 3 (GSK3), die zur Inhibition der biosynthetischen Kapazität der Zelle verwendet wird

iv) des Leukämie-Inhibitor-Faktors (LIF)

Spannenderweise fanden beide Studien heraus, dass diese Technik zur Erhaltung der pluripotenten Fähigkeit der embryonischen Stammzellen auf unbegrenzte Zeit führt. Bei einer der Studien traten leichte Probleme auf (Verzerrung durch Geschlecht und Mutationen), eine geringe Verfahrensänderung führte jedoch zu einem stabilen und zuverlässigen Ergebnis der Studie.

Man erwartet gewaltige Auswirkungen dieser Ergebnisse auf die zukünftige wissenschaftliche Arbeit. Nun können erstmals ES-Zellen genutzt werden, um transgene Rattenmodelle zu schaffen, bei denen das veränderte Gen direkt das normale Gen ersetzt, wodurch man die bisher aufgetretenen Probleme bezüglich der Transgenik bei Ratten überwindet. Mit dieser Methode sollte die Technik der Transgenik bei Ratten ebenso präzise und machtvoll werden, wie es bei der Maus bereits der Fall ist, wodurch bessere Modelle für Humankrankheiten geschaffen werden können. Während wir uns dem chinesischen Jahr der Ratte nähern, scheint die Bedeutung der Laborratte neue Dimensionen anzunehmen.


Quellen

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** Of special interest
* Of some interest


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