Arbeitsgruppe Synthetische Biologie

Die Arbeitsgruppe Synthetische Biologie verwendet die Maus als Modellsystem. Aufgrund der Gemeinsamkeiten des S?ugetiergehirns erlauben die im Zusammenhang mit dem Serotoninhaushalt adressierten Fragestellungen wichtige Hinweise auch auf die Funktion von Serotonin in anderen S?ugetierspezies, einschlie?lich des Menschen. Nervenzellen von M?usen und Menschen sind sehr gleichartig aufgebaut und die Gehirne von S?ugtieren ?hneln sich in einem hohen Ma?e. ?ber 80 Prozent der Gene des Menschen finden sich auch bei M?usen, insbesondere auf molekularer und zellul?rer Ebene sind kaum Unterschiede vorhanden. Daher k?nnen die gewonnen Erkenntnisse gut auf den menschlichen Organismus übertragen werden. Im Laufe eines Jahres werden von den Forschenden, abh?ngig von der Anzahl der aktuell durchgeführten Studien, etwa 100 bis 200 M?use in Tierexperimenten eingesetzt.

Das Tiermodell Maus ist für die Bearbeitung der Fragestellung besonders geeignet, da eine gro?e Anzahl an Daten aus Versuchen in vivo (mit M?usen) und in vitro (mit Zellkulturtechniken) als Grundlage zur Verfügung stehen – auch aus eigenen Voruntersuchungen. Zus?tzlich steht eine hohe Anzahl an genetisch ver?nderten Mauslinien (also M?use mit ver?nderter Erbinformation) zur Verfügung. Sie erm?glichen eine gezielte methodische Bearbeitung der Fragestellung. M?use eignen sich für die Forschung besonders gut, weil sie leicht zu halten sind und selbst von den Wissenschaftler:innen im Labor gezüchtet werden k?nnen.

Eine gute Haltung ist eine Grundvoraussetzung für die Durchführung von Tierversuchen, denn nur Tiere, die nicht gestresst sind, k?nnen für aussagekr?ftige Tierexperimente eingesetzt werden. Die Ausschüttung von Stresshormonen würde sich negativ auf den gesamten Organismus auswirken und zu einer Verf?lschung der erhobenen Daten führen.

Zurzeit befinden sich rund 300 M?use in der Maushaltung der Arbeitsgruppe Synthetische Biologie. Die Tiere sind in Halterungssystemen immer in Gruppen untergebracht – sogenannten ?isolated ventilated cages“ (IVC). Dieses System stellt sicher, dass keine Keime über die Luft in die K?fige getragen werden, und stellt somit eine optimale Belüftung, Luftfeuchte und Temperatur in jedem einzelnen K?fig sicher. Alle K?fige sind mit vielf?ltigem Nistmaterial und H?uschen zum Verstecken ausgestattet. Der Allgemeinzustand aller Tiere wird t?glich durch erfahrene Mitarbeiter:innen und Tierpfleger:innen begutachtet. Bei M?usen, die sich akut in einem Versuch befinden, wird zus?tzlich w?chentlich, bei Bedarf auch t?glich, der aktuelle Belastungsgrad bestimmt und das K?rpergewicht gemessen.

In der Arbeitsgruppe Synthetische Biologie werden verschiedene Techniken genutzt, um die Funktionen von Serotonin zu untersuchen. Dazu z?hlen verhaltensbiologische, molekularbiologische und elektrophysiologische Methoden. Wann immer m?glich führen die Forschenden ihre Experimente ohne Tierversuche durch und versuchen Alternativmethoden wie Untersuchungen mit Zellkulturtechniken (in vitro) oder an Hirnschnitten (ex vivo) zu verwenden.

Zur gezielten Untersuchung von neuronalen Schaltkreisen verwendet das Labor die Optogenetik – eine relativ junge neurowissenschaftliche Methode, mit der die elektrischen Signale der Nervenzellen (Aktionspotenziale) gezielt über Licht an- oder abgeschaltet werden k?nnen. Durch den Einbau von bestimmten lichtsensitiven Proteinen, wie Channelrhodopsin (ChR2), in die Nervenzellen der Maus reagieren diese dann mit einem AP bei Belichtung. Das Labor hat gemeinsam mit Kooperationspartner:innen in den letzten Jahren darüber hinaus die M?glichkeit entwickelt, über Licht bestimmte serotonerge Signalwege in Nervenzellen anzuschalten. Mit Hilfe der Optogenetik k?nnen die Forschenden gezielt serotonerge Signalwege in Nervenzellen anschalten und so genau untersuchen, welche Rolle diese Signalwege in bestimmten Hirnregionen bei verschiedenen Verhaltensweisen und Erkrankungen haben.

Um die genetische Information dieser lichtaktiverbaren Proteine in die Nervenzellen einzubringen, werden von den Forschenden Adeno-Assoziierte Viren (AAV) als Transportsystem verwendet. AAVs sind nicht pathogen und stellen somit keine Gef?hrdung für Mensch oder Tier da. Das Einbringen des AAVs geschieht über eine Injektion mit einer sehr dünnen Glaskanüle in das Gehirn einer Maus (durchschnittlich 0,001 Millimeter; zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ca. 0,1 Millimeter dick).

W?hrend dieser kurzen Operation ist die Maus in Narkose und erh?lt zus?tzlich eine Schmerzmedikation. Zur sp?teren Lichtaktivierung im Verhaltensexperiment wird der Maus eine dünne Glasfaser (Durchmesser 200 Mikrometer) chronisch implantiert. Nach Erwachen aus der Narkose und einer Erholungszeit von mindestens zwei Wochen k?nnen die Tiere nun ins Verhaltensexperiment, in dem sie sich frei und ungehindert bewegen k?nnen.

In einigen Experimenten wird die Aktivit?t von Neuronen im wachen Tier gemessen, entweder durch Kalzium Imaging oder elektrophysiologische Methoden. Beim Kalzium Imaging wird ?hnlich wie bei den optogenetischen Versuchen ein Virus in das Gehirn der Maus injiziert, welcher zur Expression eines Kalzium Sensors führt. Anschlie?end wird eine Mini-Mikroskoplinse in dieselbe Hirnregion implantiert. Auch hier sind die Tiere narkotisiert und erhalten Schmerzmedikation. Nach ca. 3 bis 4 Wochen, in denen sich das Tier erholen kann, k?nnen dann mithilfe eines Mini-Mikroskops (Gewicht weniger als 2 Gramm) die Aktivit?t von 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育eren hundert Neuronen gleichzeitig aufgezeichnet werden. Diese Technik erm?glicht es im Verhaltenstest spezifisch die Aktivit?t von einzelnen Neuronen w?hrend verschiedener Verhaltensweisen zu analysieren.

Open-Field-Test

Der Open-Field-Test ist in erster Linie ein Verhaltenstest, um die Motorik und das Angstverhalten von Nagern zu untersuchen. Die Arena besteht aus einer quadratischen Plexiglas Box (50 Zentimeter x 50 Zentimeter), in welche die M?use für fünf Minuten gesetzt werden. Dabei werden die Distanz, Geschwindigkeit und die Aufenthaltszeit in den verschiedenen Bereichen der Arena gemessen. Da Nager freie Fl?chen für gew?hnlich meiden, um nicht von Raubtieren erfasst zu werden, halten sie sich m?glichst an der Wand oder in den Ecken der Arena auf. Die Zeit, die sich die Tiere im Zentrum der Box aufhalten, kann als ein Parameter für Angstverhalten verwendet werden. Besonders mutige Tiere halten sich 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 im Zentrum auf als besonders ?ngstliche Tiere.

Die Open-Field-Arena findet aber auch Anwendung bei Versuchen, in denen die Ged?chtnis- oder Lernleistung untersucht wird. Bei dem Novel-Object-Recognition-Task wird beispielsweise untersucht, inwiefern sich ein Tier an einen bekannten Gegenstand erinnert, der sich bereits am Tag davor in der Arena befunden hat.

Elevated-Plus-Maze-Test

Der Elevated-Plus-Maze-Test ist ein weiterer Angsttest. Das Maze (Labyrinth) besteht aus zwei offenen und zwei geschlossenen Armen. Da Nager sich durch ihren Instinkt vor Raubtieren verstecken, halten sie sich 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 in den geschlossenen Armen auf. Hier kann die Zeit, die die Tiere auf den offenen Armen verbringen, als Parameter für Angstverhalten gemessen werden. Mutige Tiere halten sich ver澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育t auf den offenen Armen auf als ?ngstliche.

Novelty-Supressed-Feeding

Ein Verhaltenstest zur Untersuchung von Explorations- und Angstverhalten ist der Novelty-Supressed-Feeding-Test. Damit die M?use motiviert sind, erhalten Sie einen Tag lang kein Futter. Wasser steht ihnen jedoch immer unbegrenzt zur Verfügung. In der Open-Field-Arena wird w?hrend der Durchführung ein Futterpellet in die Mitte gelegt. Dies dient dazu, die Tiere in einen Konflikt zu bringen: Das Futter befindet sich in dem gef?hrlichen Teil der Arena, dem Zentrum. Bei diesem Test wird unter anderem die Zeit gemessen, die die M?use ben?tigen, um tats?chlich mit dem Fressen zu beginnen. Je weniger ?ngstlich die M?use sind, desto schneller beginnen sie mit dem Fressen.

Barnes Maze

Beim Barnes-Maze-Test wird das r?umliche Ged?chtnis und Lernen getestet. Das Labyrinth besteht aus einer runden Plattform, an deren Rand 20 gleich gro?e L?cher verteilt sind. Unter einem Loch befindet sich eine Escapebox. Durch den natürlichen Instinkt sich vor Raubtieren zu verstecken, versucht die Maus schnellstm?glich die Box zu finden. An vier aufeinanderfolgenden Tagen werden die M?use trainiert, diese Box zu finden. Am fünften Tag wird die Box entfernt und das Verhalten der Maus untersucht: Je schneller die Maus die Stelle findet, wo sich die Box befunden hat und je 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 sich die Maus an dieser Stelle aufh?lt, desto besser ist ihr r?umliches Ged?chtnis.

Depressionsmodelle

Um ein m?glichst umfassendes Bild von depressiver Symptomatik im Zusammenhang mit Serotonin zu bekommen, werden in der Arbeitsgruppe zwei etablierte Depressionsmodelle angewendet: Der Chronic-Mild-Stress-Test und der Chronic-Social-Defeat-Test. Die Kombination beider Modelle bietet die M?glichkeit, sowohl die Konsequenzen von Stress durch physikalische Umwelteinflüsse als auch die Konsequenzen von sozialem Stress und deren Auswirkung auf depressive Symptomatik und den Einfluss von Serotonin auf diese Symptome zu untersuchen.

Im Chronic-Mild-Stress-Test werden die Versuchstiere über einen festgelegten Zeitraum (sechs Wochen) hinweg t?glich unterschiedlichen milden physikalischen Stressoren, wie beispielsweise nassem, oder dreckigem Streu, schief gestellten K?figen oder L?rm ausgesetzt. Dieser chronische Stress führt bei den Versuchsm?usen langfristig zu depressions-assoziierten Symptomen, wie zum Beispiel Anhedonie oder schlechterer Fellpflege. Anhedonie tritt sowohl bei der Maus als auch bei depressiven Menschen als Kernsymptomatik von Depressionen auf. Zur experimentellen Bestimmung von Anhedonie wird der sogenannte Zucker-Pr?ferenz-Test durchgeführt. Da Anhedonie der Verlust von Freude bedeutet, empfindet eine anhedonische Maus keine Freude 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 daran, etwas Sü?es zu sich zu nehmen. Bietet man nun einer Maus mit Anhedonie sowohl eine Trinkflasche mit Wasser als auch eine Trinkflasche mit einer Zuckerl?sung an, hat diese Maus keine Pr?ferenz 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育 für das Zuckerwasser.

Neben der Zuckerpr?ferenz wird das K?rpergewicht und die Fellpflege, also das Putzverhalten und der Zustand des Felles untersucht, da dies auch Indikatoren für depressive Symptomatiken sind.

Der Chronic-Social-Defeat-Test ist hingegen ein Verhaltenstest, der sich eignet, um die soziale Komponente depressiver Symptomatiken zu untersuchen. Menschen, die unter Depressionen leiden, ziehen sich oftmals aus ihrem sozialen Umfeld zurück. Dieses Verhalten tritt ebenfalls nach chronischem sozialem Stress in der Maus auf und wird als depressives Symptom gewertet. In diesem Versuchsmodell wird das Versuchstier über zehn Tage sozialem Stress ausgesetzt. T?glich wird die Versuchsmaus mit einer fremden Maus eines aggressiven Mausstamms (Aggressor Maus) konfrontiert. Der Kontakt erfolgt für zehn Minuten physisch und den Rest des Tages nur noch sensorisch. Die beiden M?use k?nnen in dieser Zeit weiterhin miteinander agieren und sich gegenseitig riechen, die K?fige werden nur durch eine Plexiglaswand, die mit L?chern versehen ist, voneinander getrennt. Dieses wird an zehn aufeinanderfolgenden Tagen wiederholt. Am 11. Tag wird das Sozialverhalten der Versuchsmaus im Social-Interaction-Test (SI) untersucht. Dieser Test dauert fünf Minuten und findet in der Open Field Arena statt. Hier wird gemessen, wie lange die Versuchsmaus mit einer ihr unbekannten Maus (Interaktionsmaus) interagiert. Die Interaktionsmaus ist in diesem Versuch durch eine Plexiglaswand, die mit L?chern versehen ist, von der Open Field Arena abgetrennt. Eine depressive Maus würde im Vergleich zu einem gesunden Kontrolltier insgesamt weniger Zeit in sozialer Interaktion verbringen. Bei diesem Depressionsmodell gibt es auch resiliente Tiere, die keine depressive Symptomatik zeigen. Mit Hilfe dieses Modells k?nnen die Forschenden sehr genau untersuchen, was resiliente M?use von M?usen unterscheidet, die anf?llig für Depressionen sind.

Mouse Gambling Task (MGT)

Der Mouse Gambling Task (MGT) ist ein Verhaltensversuch, in welchem die Entscheidungsfindung von M?usen analysiert wird. Ausgangskonzept für diesen Test ist der sogenannte Iowa-Gambling-Task, ein experimentelles Paradigma für Menschen, bei welchem die Versuchspersonen Entscheidungen mit hoher Unsicherheit auf positive und negative Ergebnisse treffen müssen.

Für M?use wird dies mit verschiedenen Belohnungsstufen umgesetzt. Als Belohnung verwenden die Wissenschaftler:innen einen Erdbeermilchshake, den die M?use sehr gerne zu sich nehmen.

Die Maus hat die Wahl zwischen vier M?glichkeiten. Die Wahlm?glichkeiten unterscheiden sich in der Menge an Belohnung und der Wahrscheinlichkeit, eine Belohnung zu erhalten. Es gibt immer zwei vorteilhafte Wahlm?glichkeiten, bei denen zwar die Menge an Belohnung geringer, aber die Wahrscheinlichkeit belohnt zu werden h?her ist. Die anderen zwei Wahlm?glichkeiten sind unvorteilhaft, hier ist zwar die Menge der Belohnung h?her, jedoch die Wahrscheinlichkeit belohnt zu werden weitaus geringer. Aufgrund der prozentualen Anzahl von vorteilhaften Wahlen k?nnen die M?use, die diesen Test durchlaufen, in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Mit Hilfe dieses Verhaltenstests k?nnen die Forschenden untersuchen, wie beispielsweise Suchverhalten (wiederholt auftretende riskante Entscheidungen) entstehen und wie dieses m?glichweise durch Serotonin beeinflussbar ist.

Es gibt bereits Alternativ- und Ersatzmethoden für bestimmte Tierversuche wie Zellkulturen, Organoide, Multi-Organchips, Stammzelltherapien und vieles 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育. Wo immer es m?glich ist, werden diese Alternativmethoden von den Forschenden angewandt (Replace). Das deutsche Tierschutzgesetz legt sogar fest, dass Tierversuche nur dann durchgeführt werden dürfen, wenn keine Alternativmetoden vorhanden sind. Viele der Untersuchungen zu molekularen und zellul?ren Mechanismen des serotonergen Systems führen die Wissenschaftler:innen schon jetzt in Zellkulturen durch. Um jedoch komplexe Verhaltensweisen, wie Entscheidungsfindungen, soziales Verhalten oder Angst und Depressionen zu untersuchen, ist es notwendig, Verhaltensexperimente in einem lebenden, sich verhaltenden Tier durchzuführen. Unser Gehirn und das Nervensystem geh?ren zu den komplexesten Strukturen, die wir kennen. Die Anzahl der Verbindungen, die Nervenzellen miteinander haben, vergleichbar mit der Zahl der Sterne im Universum. Es wird erst m?glich sein, diese Schaltkreise und Komplexit?t zu simulieren, wenn wir sehr viel besser verstanden haben, wie das Gehirn funktioniert. Hierfür ben?tigt die Wissenschaft aktuell weiterhin tierexperimentelle Forschung. Noch ist es also nicht m?glich, das Gehirn und seine gesamte Komplexit?t in der Kulturschale zu kopieren oder im Computer zu simulieren.

Davon unabh?ngig versuchen die Forschenden stets die Anzahl der verwendeten Tiere so gering wie m?glich zu halten (Reduce). Beispielweise erreichen sie das, in dem sie m?glichst viele Parameter in einem Tier analysieren. Auch die Belastung der Tiere wird von ihnen auf ein Minimum reduziert (Refine). Durch die Verwendung von Narkose- und Schmerzmitteln wird der Entstehung von Schmerzen effektiv entgegengewirkt und es werden grunds?tzlich diejenigen Verfahren gew?hlt, die für die Untersuchung der entsprechenden Fragestellung die geringste Belastung für die Tiere darstellen.