AG Fritsche

Entwicklung von Alternativmethoden zur umwelttoxikologischen Testung

Forschungsprofil

Die AG Fritsche ist spezialisiert auf die Entwicklung und wissenschaftliche Validierung von Alternativmethoden zu Tierversuchen und deren Einsatz zur Analyse der Wirkungsweise von Substanzen. Die Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklungs- und Erwachsenenneurotoxizität, schließt aber auch andere toxikologische Endpunkte wie Embryotoxizität und Entwicklungsimmuntoxizität ein. Wir haben ein speziesübergreifendes (Mensch, Maus, Ratte, Kaninchen) 3D-Neurosphären-Testsystem zur qualitätskontrollierten, standardisierten und weitgehend automatisierten Charakterisierung der Entwicklungsneurotoxizität (DNT) aufgebaut, das ein integraler Bestandteil der von der EFSA und der OECD unterstützten DNT-In-vitro-Batterie ist. In Zusammenarbeit mit Prof. Axel Mosig (RUB) wurde eine auf künstlicher Intelligenz basierende Zellidentifikation aus High-Content-Imaging-Analysen etabliert. Eine Datenbank (RUB) und eine biostatistische Pipeline (github.com/ArifDoenmez/CRStats) wurden für die vergleichende biostatistische Datenverarbeitung eingerichtet. Diese DNT-Plattform wird derzeit für die Prüfung expositionsrelevanter Chemikalien für das US-National Toxicology Program verwendet. Die mechanistischen Studien der Gruppe fließen in das Adverse Outcome Pathway (AOP)-Konzept ein, und wir haben mehrere Neurotoxizitäts-AOPs etabliert. Die DNT-Arbeiten werden auf die durch endokrine Störungen vermittelte DNT ausgeweitet, und einer unserer etablierten Assays wird derzeit von der französischen Plattform PEPPER validiert. Unsere Daten tragen auch zu dem neuartigen toxikologischen Konzept der Ontologien "für kognitive Funktionsstörungen" mit dem Ziel einer regulatorischen Anwendung bei. All diese Instrumente sowie unser neuestes BrainSphere-Modell zur Bewertung der akuten Neurotoxizität tragen zur Risikobewertung der nächsten Generation im Rahmen des EU-PARK-Projekts bei. Die BrainSphere-Modelle werden auch für die Untersuchung der Krankheitsmechanismen des Cockayne-Syndroms B verwendet. Dieses Projekt wird im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs, Förderlinie kollaborative Exzellenz gefördert.

Arbeitsgruppenleiterin:
Ellen Fritsche

ENDpoiNTs – Entwicklung innovativer Testmethoden für endokrine Disruption-vermittelte Entwicklungsneurotoxizität

Das von der Europäischen Union geförderte Horizon 2020 ENDpoiNTs Projekt entwickelt neuartige Testmethoden zur Identifizierung endokrin-aktiver Substanzen (endocrine-disrupting chemicals, EDCs) welche die menschliche Gehirnentwicklung negativ beeinflussen. Obwohl der Zusammenhang zwischen EDC-Exposition und Störungen der Gehirnentwicklung weltweit anerkannt ist, decken die regulatorischen Richtlinien für die Testung von potenziellen EDCs keine entwicklungsneurotoxischen (developmental neurotoxic, DNT) Endpunkte ab. Ein Grund ist der Mangel an Daten über den Zusammenhang zwischen EDC Exposition und DNT. ENDpoiNTs hat es sich zur Aufgabe gemacht diese Datenlücke zu schließen und eine Testbatterie zu entwickeln, welche, basierend auf in vivo, in vitro und in silico Modellen, Chemikalien auf ihr Potenzial testet das Hormonsystem zu stören und DNT auszulösen. Diese Batterie soll final in die europäischen und internationalen regulatorischen Richtlinien integriert werden. Das Konzept von ENDpoiNTs basiert auf den folgenden zwei Modulen:

  • Module 1: Entwicklung von Testmethoden. Es sollen die Zusammenhänge zwischen der Modulation hormoneller Signalwege und DNT Endpunkten herausgearbeitet werden.
  • Module 2: Humane und regulatorische Relevanz der entwickelten Testmethoden. Humanrelevanz soll durch die enge Zusammenarbeit mit regulierenden Behörden und anderen Interessenvertretern sichergestellt werden.

ONTOX – ONTology-driven and artificial intelligence-based repeated dose TOXicity testing of chemicals for next generation risk assessment

Die Vision des ONTOX-Konsortiums ist es, eine funktionale und nachhaltige Lösung für die Weiterentwicklung der Risikobewertung von Chemikalien für den Menschen ohne den Einsatz von Tieren zu schaffen, die den Grundsätzen der Toxizitätstests des 21. Jahrhunderts und der Risikobewertung der nächsten Generation entspricht. ONTOX wird eine generische Strategie zur Entwicklung innovativer neuer Methoden (NAMs) entwickeln, die sich mit Schädigungen der Leber (Steatose und Cholestase), der Nieren (tubuläre Nekrose und Kristallopathie) und des sich entwickelnden Gehirns (Schließung des Neuralrohrs und Defekte der kognitiven Funktionen) befassen, die durch eine Vielzahl von Chemikalien verursacht werden. Jedes NAM wird aus einem auf modernster künstlicher Intelligenz (KI) basierenden Computersystem bestehen und in erster Linie aus verfügbaren biologischen/mechanistischen, toxikologischen/epidemiologischen, physikalisch-chemischen und kinetischen Daten gespeist werden. Die Daten werden nacheinander in physiologische Karten, quantitative Netzwerke für unerwünschte Wirkungen und Ontologie-Rahmenwerke integriert. Die von der KI ermittelten Datenlücken werden durch gezielte In-vitro- und In-silico-Tests auf dem neuesten Stand der Technik geschlossen. NAMs werden zur Vorhersage systemischer Toxizitätseffekte bei wiederholter Verabreichung verwendet, die in Verbindung mit einer maßgeschneiderten Expositionsbewertung eine Risikobewertung für den Menschen ermöglichen. Sie werden in Zusammenarbeit mit industriellen und behördlichen Interessengruppen bewertet und angewandt, um die Akzeptanz beim Endverbraucher und das Vertrauen der Behörden zu maximieren. ONTOX wird durch das EU-Förderprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 gefördert.

European partnership for the assessment of risks from chemicals (PARC)

Das von der Europäischen Kommission finanzierte Horizon Europe Projekt "European partnership for the assessment of risks from chemicals (PARC)" zielt darauf ab das Methoden-Feld der Risikobewertung von Chemikalien in Europa für das nächste Jahrzehnt zu gestalten. Mit mehr als 200 Partnern aus ganz Europa und einem Budget von 400 Millionen Euro ist PARC eines der größten Projekte seiner Art weltweit. Zwischen 2022 und 2027 wird die AG Fritsche einen Beitrag zum Arbeitspaket 5 leisten, dessen Gesamtziel darin besteht, die Gefahrenabschätzung für die Gesundheit von Mensch und Umwelt aus drei verschiedenen Richtungen zu verbessern: Schließen von Datenlücken, die von den wichtigsten Steakholdern identifiziert wurden, Entwicklung und/oder Verbesserung von Methoden für die Gefahrenabschätzung, um Fortschritte im Bereich des „Next Generation Risk Assessments“ (NGRA) zu erzielen.

NTP Screening project

Das US-amerikanische National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) Division of the National Toxicology Program (DNTP) hat die Entwicklungsneurotoxizität (DNT) und die Zunahme von neurologischen Entwicklungsstörungen als ein gesellschaftliches Gesundheitsrisiko identifiziert. Die Exposition gegenüber Chemikalien wird dabei als ein relevanter Risikofaktor angesehen, und das DNTP möchte genauer untersuchen, wie Chemikalien DNT auslösen. Dafür hat das DNTP die Testung von 115 Chemikalien in Alternativmethoden, welche auf alternativen Modellorganismen (z. B. Zebrafisch) oder zellbasierten Methoden beruhen, in Auftrag gegeben. In diesem Projekt testen wir ein Set aus 115 Chemikalien im humanen "Neurosphären Assay". Dieser Assay basiert auf menschlichen neuralen Vorläuferzellen, die in dreidimensionalen Sphäroiden wachsen, und wesentliche Schlüsselprozesse der menschlichen Gehirnentwicklung, nämlich Zellproliferation, Migration, neuronale Differenzierung und Morphologie sowie Oligodendrozytendifferenzierung abbildet. Der Assay wird in einem halb automatischen Medium-Throughput-Setup angewandt und kann das Potenzial einer Chemikalie zur Störung eines der oben genannten Prozesse ermitteln. Das Projekt wird durch das National Toxicology Program (NTP) gefördert.

Weitere Informationen: https://ntp.niehs.nih.gov/ 

CEFIC-LRI-AIMT11: Enhancing in vitro DNT testing strategy

Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit zur Verfeinerung der bisherigen Testmethoden zur Einschätzung der Entwicklungsneurotoxizität (DNT) von Chemikalien, wurde kürzlich eine DNT-in vitro-Batterie unter Aufsicht der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) zusammengestellt. Trotz der weitreichenden Abdeckung elementarer Schlüsselprozesse in der Gehirnentwicklung konzentriert sich die derzeitige DNT-in vitro-Batterie vornehmlich auf Neurone und Oligodendrozyten. Die innerhalb dieses Projektes angestrebte Implementierung von Endpunkten basierend auf radialen Gliazellen, Astrozyten und Mikroglia soll die Aussagekraft der bisherigen Testbatterie weiter verbessern. Das Projekt wird in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Marcel Leist an der Universität Konstanz durchgeführt und durch das durch das Long-Range Research Initiative (LRI)-Programm des Verbandes der Europäischen chemischen Industrie (CEFIC) gefördert.

GRK2578 – Projekt 1c: Molekulare und zellbiologische Untersuchungen der Entwicklungsstadien-spezifischen Effekte von Mutagenen auf die Funktionen von neuralen Stamm-/Vorläuferzellen in vitro

Das Graduiertenkolleg (GRK) 2578 kombiniert Expertisen aus der Toxikologie und Stammzellforschung, um den Einfluss von Genotoxinen auf die Differenzierungseffizienz muriner und humaner Stamm- und Progenitorzellen, sowie die Funktionalität von daraus abgeleiteten differenzierten Zelltypen zu untersuchen. Im Rahmen des Teilprojektes 1c, wird der Einfluss von Genotoxinen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen auf die humane Gehirnentwicklung untersucht. Im Fokus steht dabei die DNA Schadensantwort und Reparaturkapazität, abhängig von dem Entwicklungsstadium und den Zelltypen. Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Etablierung von Assays auf der Basis humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) zur Prüfung der Entwicklungsimmunotoxizität in vitro

Das Immunsystem von Säugetieren ist ein hochkomplexes, interaktives Netzwerk von Zellen, das angeborene und adaptive Immunreaktionen ermöglicht. Das Immunsystem von Neugeborenen kann viel anfälliger für chemische Störungen sein als das von Erwachsenen, weshalb die Auswirkungen von Immuntoxika während der Entwicklung in Toxizitätsstudien an erwachsenen Tieren möglicherweise nicht vollständig erfasst werden. Darüber hinaus verlangen die meisten Aufsichtsbehörden weltweit keine routinemäßigen Entwicklungsimmunotoxizitäts (DIT)-Tests für Chemikalien und Pharmazeutika. DIT-Studien sind ressourcenintensiv, da sie fast ein Jahr dauern, hohe Kosten verursachen und eine große Anzahl von Tieren benötigen. Außerdem sind die Unterschiede in der Entwicklung des Immunsystems zwischen den Spezies im Vergleich zum Menschen offensichtlich, was eine Extrapolation von Nagetieren auf den Menschen schwierig macht. Ziel dieses Projekts ist es daher, einen ersten Schritt auf dem Weg zur Entwicklung einer zellbasierten In-vitro-DIT-Batterie für den Menschen zu machen, die auf der Entwicklung verschiedener Immunzellen auf der Grundlage von hiPSC basiert und die folgenden Aspekte des sich entwickelnden Immunsystems abdeckt: (i) primitive Hämatopoese und (ii) definitive Hämatopoese in Richtung der T-Zell-Linie. Die neu etablierten Assays werden dann verwendet, um Substanzen auf ihr DIT-Potenzial hin zu testen. Das Projekt wird durch die Clariant AG, Schweiz gefördert.

Für weitere Informationen: https://www.leibniz-alternatives.de/

Speziesübergreifende Charakterisierung der molekularen und zellulären Auswirkungen von Schilddrüsenhormonen auf die Entwicklung neuraler Vorläuferzellen in vitro

Die Schilddrüsenhormone (Thyroid Hormones – TH) Thyroxin (T4) und das aktivere 3,3',5-Triiodthyronin (T3) sind für eine normale Gehirnentwicklung unerlässlich und können zahlreiche neurologische Prozesse beeinflussen. Es besteht jedoch ein hochgradiger Datenmangel bezüglich des Verständnisses von TH Transport und der spezifischen TH Wirkung innerhalb individueller Gehirnzelltypen. Innerhalb dieses Projektes untersuchen wir unter anderem mit Hilfe von Single Cell RNA Sequencing die Zelltyp-spezifische Regulation von TH-abhängigen Genen im Spezies-spezifischen Zusammenhang. Ziel ist es, ein Verständnis der molekularen und zellulären Wirkungen sowie der Verteilungskinetik von TH in menschlichen und Ratten-Neurosphären zu erlangen und letztendlich den TH-Transport und die molekularen sowie zellulären TH-Wirkungen in silico zu modulieren. Mithilfe existentieller in vivo Ratten Daten ist es möglich eine in vitro zu in vivo Extrapolation durchzuführen, was zur Bildung eines quantitativen Adverse Outcome Pathway (AOP) Netzwerkes bezüglich der Gehirnentwicklung führt. Das Projekt wird gefördert durch Syngenta United Kingdom Limited - Jealott’s Hill International Research Centre.

Leibniz-Alternatives: Kooperation zwischen Industrie und akademischer Forschung zur Entwicklung und Anwendung von Alternativmethoden zu Tierversuchen

Die weitestgehende Vermeidung von Tierversuchen ist ein gesamtgesellschaftlich relevantes Ziel und daher auch von großem Interesse für die führenden Chemieunternehmen. Die Leibniz-Forschungsplattform Leibniz Alternatives wurde daher im Juli 2020 vom IUF gegründet und wird als Public-Private-Partnership betrieben, um die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Behörden im Bereich der Alternativmethoden zu optimieren.

Leibniz Alternatives nutzt und validiert in vitro Assays für spezifische toxikologische Fragestellungen mit Humanrelevanz. Die verwendeten Methoden entsprechen dem neuesten Stand der Technik und sind teilweise weltweit einzigartig. Durch die Automatisierung der Anwendungs- und Auswertungsprozesse stellen wir sicher, dass die Ergebnisse reproduzierbar, überprüfbar und damit regelkonform eingesetzt werden können. Leibniz Alternatives bietet praxisnahe Schulungen für den Methodentransfer bereits etablierter In-vitro-Assays an. Darüber hinaus unterstützt sie Industrie und Behörden bei Fragen zur Anwendung und Interpretation von Alternativen zu Tierversuchen. Geleitet wird die Plattform von Ellen Fritsche. Ihr derzeitiger Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklungsneurotoxizität und adulter Neurotoxizität, der embryonalen Toxizität, der Störung des Hormonsystems und deren Beteiligung an unerwünschten Wirkungen. Für ihre Arbeit wurde sie im Laufe der Jahre mehrfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Ursula M. Händel-Tierschutzpreis der DFG. Sie berät auch die Industrie und europäische Behörden.

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IUF-Intern:
AG Esser
AG Haarmann-Stemmann
AG Krutmann
AG Schins
LG Ventura

National:
Prof. James Adjaye, Universitätsklinikum Düsseldorf
Prof. Orhan Aktas, Universitätsklinikum Düsseldorf
Prof. Karl Köhrer, BMFZ, Universitätsklinikum Düsseldorf
Prof. Kai Stühler, BMFZ, Universitätsklinikum Düsseldorf
Prof. Axel Mosig, Ruhr Universität Bochum
Prof. Monika Schäfer-Korting, FU Berlin
Prof. Marcel Leist, UKON
Prof. Bettina Seeger, TiHo Hannover
Prof. Moritz Roßner, LMU Klinikum München
Prof. Andreas Blaeser, TU Darmstadt
Prof. Burkhard Kleuser, FU Berlin
Prof. Tamara Tal, UFZ Leipzig

International:
Prof. Jean-Marc Egly, IGBMC Straßburg, Frankreich
Prof. Pamela J. Lein, UC Davis, California, USA
Dr. Oddvar Myhre und Hubert Dirven, Norwegian Institute of Public Health
Dr. Helena Hogberg, NIEHS, USA
Dr. Marie-Gabrielle Zurich und David Pamies, Universität Lausanne
Prof. Klara Hilscherova, Masaryk University Czech Republic
Dr. Timothy Shafer, US-EPA
Dr. Magdalini Sachana, OECD
Dr. Andrea Terron, EFSA
Prof. Ola Spjuth, University Uppsala

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