Schwerpunktthema Juni 2012

Chemikalien und Biotests

Biotests , die Wirkprinzipien erkennen, verbessern die Umweltrisikoprüfung

Unser modernes Leben ist auf eine Vielzahl von Chemikalien angewiesen – beispielsweise in Industrieprodukten, Medikamenten, Pflanzenschutzmitteln oder Futterzusätzen. Sollen chemische Substanzen für den Markt zugelassen werden, müssen sie einer Umweltrisikoprüfung unterzogen werden. Denn nur so kann verhindert werden, dass sie bei ihrer Freisetzung – sei es bei der Produktion oder der Anwendung – die Umwelt gefährden. Für solche im Vorfeld stattfindenden (prospektiven) Bewertungsverfahren, aber auch als Ergänzung zu chemisch-analytischen Verfahren beim Umweltmonitoring oder bei der Abwasserkontrolle, nutzen Forschung und Wirtschaft sogenannte Biotests. Die meisten der gebräuchlichen Biotests, die im Rahmen gesetzlicher Regelungen eingesetzt werden, basieren auf der Verwendung von Tieren und Pflanzen als Testorganismen. Zellen als Testsysteme kommen bisher eher selten zum Einsatz. Das Schutzziel der Biotest-gestützten Umweltrisikobewertung sind – der Name sagt es – Populationen und Lebensgemeinschaften in der Umwelt. Darin unterscheidet sich die Umweltrisikobewertung von der Bewertung des Humanrisikos, bei der die Gesundheit von Individuen im Vordergrund steht.

Daphnie (Wasserfloh)

Daphnien (Wasserflöhe) sind leicht zu züchten und werden daher gerne in Biotests eingesetzt.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Abwassereinleitung

Biotests sind ein wichtiger Bestandteil der Risikobewertung von Chemikalien auf Populationen und Lebensgemeinschaften. Beispielsweise kommen Biotests bei Kontrolle von Abwasser zum Einsatz.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Dem Anspruch einer umfassenden Risikoerkennung und -bewertung werden Biotests nur bedingt gerecht. Die Vielzahl von Organismen und deren Wechselwirkungen sowohl untereinander als auch mit verschiedenen Umweltfaktoren machen es unmöglich, alle Effekte und Interaktionen abzubilden. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, werden Biotests für verschiedene Nahrungsebenen (trophische Ebenen) und Sicherheitsfaktoren verwendet. Darüber hinaus werden standardisierte Modellökosysteme, z.B. sogenannte Mesokosmen, verwendet. Trotz der Limitierungen tragen Biotests erheblich zum Verbraucher- und Umweltschutz bei. Die einzige Alternative zu Biotests sind Struktur-Wirkungs-basierte Analysen. Bei dieser Test-freien Methode vergleichen Wissenschaftler die strukturellen physikochemischen Eigenschaften chemischer Substanzen, um daraus für unbekannte Substanzen deren Wirkung abzuleiten. Aber auch hier bestehen Unsicherheiten.

Herausforderungen für die Entwicklung und den Einsatz von Biotests

Um reproduzierbare und standardisierbare Biotests zu entwickeln, wurde in den vergangenen Jahren ein großer Aufwand betrieben. Denn beides – Reproduzierbarkeit und Standardisierbarkeit – sind notwendige Voraussetzungen, um Ergebnisse vergleichen und Biotests in international harmonisierten Prüfrichtlinien einsetzen zu können.

Die praktische Anwendung, neue gesellschaftliche Rahmenbedingung sowie technologische Entwicklungen haben jedoch eine Reihe von Fragen und Möglichkeiten aufgezeigt, die sich möglicherweise auf den Einsatz von Biotests auswirken:

1. Wirkungsmechanismen
Bisher wurden Biotests im Wesentlichen eingesetzt, um leicht analysierbare und standardisierbare Endpunkte wie die Überlebensrate oder das Wachstum von Organismen zu erfassen. Ihr Informationsgehalt ist jedoch sehr begrenzt, da sie praktisch keine Aussage über die Wirkmechanismen einer Chemikalie zulassen. Wirkt eine Chemikalie an der Zellmembran oder führt sie z.B. durch Bindung an einen Rezeptor zu einer Veränderung der Genregulation? Die Beantwortung solcher Fragen ist wichtig, um das Risikopotenzial einer Substanz richtig einschätzen zu können.
Hier könnten moderne Methoden der Systembiologie helfen molekulare und zelluläre Veränderung in einer Zelle oder einem Organismus, die eine spezifische Belastung mit einer Chemikalie anzeigen, zu identifizieren. Erfasst man diese Veränderungen und Belastungen systematisch, könnten diese als Indikatoren dienen, um Schadwirkungen und Wirkungsmechanismen zu identifizieren. Die Herausforderung wird dabei weniger die Erfassung dieser Veränderungen sein – hier bieten neue Methoden der Molekular- und Systembiologie und Struktur-Wirkungsanalysen vielversprechende Lösungsansätze. Die größere Herausforderung wird es sein, Wirkungsmechanismen zu definieren, die bei der Umweltrisikobewertung von Bedeutung sind und die eine Extrapolation auf mögliche schädliche Umweltauswirkungen erlauben. Hormonartige Wirkungen, Interaktion mit der Signalübertragung im Nervensystem u.a. stellen Beispiele für solche Wirkungsmechanismen dar.

2. Langzeitwirkungen
Biotests werden häufig eingesetzt, um die akute Toxizität chemischer Substanzen zu prüfen. Doch die Zeiten der offensichtlichen Verschmutzungen sind zumindest in Mitteleuropa heute vorbei. Deshalb sind Schadstoffkonzentrationen, die zu einer akuten Toxizität führen, in Mitteleuropa inzwischen äußerst selten und werden maximal bei Unfällen erreicht. Die chronische subakute Exposition mit geringen Substanzmengen ist dagegen relevant. Deren Erfassung mithilfe von Biotests ist jedoch vor allem bei Organismen mit längerer Generationszeit relativ aufwändig. Vor allem, wenn Tests mit Wirbeltieren, die Verwendung etablierter Testverfahren oder die Erfassung generationsübergreifender Effekte notwendig sind, kann das zu sehr teuren Langzeitstudien mit hohem Tierverbrauch führen. Aus wirtschaftlichen und ethischen Gründen kann daher nur eine sehr begrenzte Anzahl von Substanzen auf die Langzeitwirkung von Chemikalien getestet werden.

3. Mischungseffekte
Regulatorische Tests, die im Rahmen von Zulassungsverfahren durchgeführt werden, basieren auf einer Einzelstoffprüfung. Mögliche Interaktionen mit anderen Substanzen spielen dabei meistens keine Rolle, obwohl es eher die Regel ist, dass Organismen Mischungen verschiedener Substanzen ausgesetzt sind. In Extrakten von Sediment- oder Wasserproben aus Flüssen oder Seen können durchaus 10.000 oder 20.000 unterschiedliche Chemikalien nachgewiesen werden. Erste einfache Modelle zur Analyse und Vorhersage von Mischungswirkungen sind längst etabliert. Was fehlt, sind Konzepte zur Umsetzung in die regulative Anwendung und deren Analyse. Darüber hinaus fehlen ebenfalls Modelle, die es erlauben, Mischungseffekte bei der Untersuchung von Wirkungsmechanismen oder der Gesamtheit aller zellulären, molekularen Veränderungen bei Belastung mit einem Schadstoff zu erfassen.

4. Tierversuche
Etwa 100.000 Tierversuche - hierzu zählen nur Versuche mit Wirbeltieren oder höheren Wirbellosen - werden nach offiziellen Statistiken der Europäischen Union (Weblink) jährlich für die Umweltrisikoprüfung in Europa eingesetzt. Auch wenn dies im Vergleich zur Gesamtzahl (ca. 12 Millionen) gering erscheint, so handelt es sich doch um eine beträchtliche Menge, die sowohl aus ethischen als auch wirtschaftlichen Gründen nach einer Reduktion verlangt.

Zebrabärbling (Danio rerio)

Derzeit werden vor allem Fische, wie der Zebrabärbling (Danio rerio), im Rahmen der Umweltrisikoanalyse eingesetzt.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Fischei des Zebrabärblings

Fischei des Zebrabärblings, Entwicklungsstadium nach 48 Stunden.Die OECD prüft, inwieweit der Fischembryotest den akuten Fischtoxizitätstest ersetzen kann. In Deutschland ersetzt der Fischembryotest bereits den akuten Fischtest für die Ermittlung der Abwassertoxizität.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Derzeit werden vor allem Fische im Rahmen der Umweltrisikoanalyse eingesetzt, zu einem geringen Anteil auch Vögel. Mit den Versuchstieren soll die akute und chronische Toxizität einer Chemikalie bestimmt werden.
Die großen Anstrengungen von Wissenschaft und Forschung haben in den letzten Jahren zu signifikanten Fortschritten geführt und lassen den Einsatz von Ersatzmethoden in greifbare Nähe rücken. Insbesondere für die Prüfung der akuten Fischtoxizität steht mit dem Fischembryotest eine erfolgversprechende und zuverlässige Ersatzmethode zur Verfügung. Die OECD (Organisation for Economic Co-operation and development) prüft zurzeit, inwieweit der Fischembryotest den akuten Fischtoxizitätstest ersetzen kann. Deutschland ist schon weiter: Der Fischembryotest ersetzt bereits den akuten Fischtest für die Ermittlung der Abwassertoxizität.

Auch zelluläre Modelle erweisen sich als vielversprechend für die Vorhersage der akuten Toxizität. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Bemühungen, auch die Anreicherung von Schadstoffen im Organismus und mögliche Langzeiteffekte mithilfe von Fischembryonen oder zellulären Methoden zu ermitteln. Zunehmend gewinnt dabei das sogenannte AOP-Konzept (adverse outcome pathways) an Bedeutung. Ziel des Konzeptes ist es, Interaktionen und Wirkungsmechanismen von Chemikalien auf molekularer Ebene zu erfassen und daraus Aussagen bis hin zur Ebene von Individuen, Populationen und Lebensgemeinschaften abzuleiten. Das Konzept wird viel diskutiert und eignet sich insbesondere auch für die Anwendung in alternativen Testmethoden. Eine Strategie für die Implementierung im Rahmen der Stoffprüfung fehlt jedoch bisher.

Das UFZ trägt in vielfältiger Weise zur Entwicklung und Anwendung von Biotests bei. Ein Beispiel: Die UFZ-Forschung deckt die gesamte Wirkungskette einer Chemikalie bzw. von Chemikaliengruppen auf. Das beinhaltet ihre Aufnahme in Organismen, die molekularen, zellulären Wechselwirkungen und die Effekte auf Individuen und Populationen. Zum einen ist dieses Detailwissen Grundvoraussetzung, um die Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit eines Biotests festzulegen und abzusichern. Auf der anderen Seite können durch diese Detailkenntnis mögliche Beeinträchtigungen auf höherer Ebene, etwa dem Populationswachstum oder der Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften, vorhergesagt werden.

Ein weiteres Beispiel ist die Analyse komplexer Mischungen. Komplexe Mischungen können zu typischen und wiedererkennbaren zellulären und molekularen Veränderungsmustern führen. Die in dem Bereich forschenden UFZ-Wissenschaftler erhoffen sich, dass die Erkennung dieser Muster (Signaturen) zukünftig eingesetzt werden können, um Mischungseffekte zu bewerten. Potenzielle Anwendungen sind hier sowohl die vorausschauende (prospektive) Chemikalienbewertung (bzw. Mischungsbewertung) als auch der Einsatz für das Biomonitoring.

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Referenzen (Auswahl)

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UFZ-Experten zum Thema

Dr. Stefan Scholz, UFZ

Dr. Stefan Scholz
Er ist Biologe und forscht seit 20 Jahren zum Thema Ersatz von Tierversuchen durch alternative Testmethoden. Er ist Mitarbeiter des UFZ seit 2002 und leitet seit 2008 als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Department Bioanalytische Ökotoxikologie die Arbeitsgruppe „Molekularbiologie“.

Er ist u.a. Mitglied im DIN Arbeitskreis Biotests und dem HESI* animal alternatives in environmental risk assessment project committee steering team.
(*Health and Environmental Sciences Institute)


stefan.scholz@ufz.de

Dr. Eberhard Küster, UFZ

Dr. Eberhard Küster
Er leitet im Department Bioanalytische Ökotoxikologie die Arbeitsgruppe Stressphysiologie. Er studierte Biologie / Meeresbiologie an der Universität Marburg, am Juniata College in Pennsylvania (USA), dem Duke University Marine Laboratory (USA) und der Universität Rostock (mit Abschluss Diplombiologe).

Seine Promotion schloss Eberhard Küster am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Tübingen ab. Seit 2000 ist er als Wissenschaftler am UFZ tätig. Seine Interessen in der Forschung sind unter anderem Tierersatzversuche im Rahmen der Bewertung von Umweltrisiken, die Bestimmung der Biokonzentrationen von Substanzen und die Anwendung von Proteomanalysen zur Identifikation von Biomarkern.


eberhard.kuester@ufz.de