Alternative Tiermodelle

Schmetterlingsraupen als alternative Tiermodelle für entzündliche Darmerkrankungen

Insektenlarven wie der Tabakschwärmer können als Alternative zu klassischen Labortieren wie Ratten und Mäuse in der präklinischen Forschung eingesetzt werden, um diese zu beschleunigen und ökonomisieren.

Kleinsäuger wie Ratten und Mäuse sind aus der präklinischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Doch gegen den extensiven Gebrauch dieser Tiere in der medizinischen Forschung gibt es zunehmend ethische Bedenken. Dies schlägt sich auch in der Förderpraxis von wissenschaftlichen Projekten sowie der Gesetzgebung nieder. Zukünftig sollen alle Möglichkeiten zur Reduzierung der Versuchstieranzahl sowie das Nutzen möglicher Alternativen voll ausgeschöpft werden, um die Zahl der in der Forschung genutzten Wirbeltiere zu reduzieren (3R-Prinzip) und die Forschung zu ökonomisieren.

Je nach Fragestellung können Insekten wie die Larven des Tabakschwärmers (Manduca sexta) eine wichtige Schlüsselrolle als alternative in vivo-Tiermodelle einnehmen. Die angeborene Immunantwort des Darms sowie die Struktur des Darmepithels sind zwischen Säugetieren und Insekten wie dem Tabakschwärmer stark konserviert, weshalb die Larven des Tabakschwärmers sehr gut als alternatives Tiermodell für entzündliche Darmerkrankungen genutzt werden können.

Aus diesem Grund haben wir eine Hochdurchsatz-Plattform entwickelt, die mittels bildgebender Verfahren aus der Radiologie und Nuklearmedizin entzündliche Veränderungen im Darm der Larven des Tabakschwärmers zielgenau charakterisieren und nicht-invasiv diagnostizieren kann. In der hier vorgestellten Veröffentlichung zeigen wir, dass die Larven von Manduca sexta mittels Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Positronen-Emissions-Tomografie (PET) für die präklinische Forschung vielfältig nutzbar sind.

Das Spektrum der möglichen Einsatzbereiche ist daher extrem breit: Die Hochdurchsatz-Plattform kann für die in vivo-Erprobung neuer Kontrastmittel und Tracer in der Radiologie und Nuklearmedizin zur Detektion von Entzündungen, für die Charakterisierung der gastrointestinalen Pathogenität von Mikroorganismen und für die Erprobung neuer antimikrobieller oder entzündungshemmender Medikamente genutzt werden.

Überdies kann unsere alternative in vivo-Plattform dazu beitragen, wichtige Fragen zur Ätiologie von entzündlichen Darmerkrankungen wie z. B. Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa zu beantworten und neue Therapien zu entwickeln.

Publikation

Anton G. Windfelder, Frank H. H. Müller, Benedict Mc Larney, Michael Hentschel, Anna Christina Böhringer, Christoph-Rüdiger von Bredow, Florian H. Leinberger, Marian Kampschulte, Lorenz Maier, Yvette M. von Bredow, Vera Flocke, Hans Merzendorfer, Gabriele A. Krombach, Andreas Vilcinskas, Jan Grimm, Tina E. Trenczek & Ulrich Flögel: High-throughput Screening of Caterpillars as a Platform to Study Host-microbe Interactions and Enteric Immunity. Nature Communications 2022

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34865-7

HR: Hessischer Rundfunk, 06.01.2023, Tabakschwärmer - Larve gegen

Darmerkrankungen (Hessenschau 19:30)

Caterpillars as a replacement for mammalian models in preclinical research

Insect larvae such as tobacco hornworm can accelerate and economize preclinical research by complementing classic laboratory animals such as rats and mice.

Small mammals like mice or rats are indispensable for preclinical research. However, growing ethical concerns led to the incorporation of the 3R principle (replacement, reduction, and refinement) into animal experiments legislation and research funding. In the future, the number of vertebrate laboratory animals should be reduced, and non-vertebrate alternatives should be used where possible. Furthermore, the incorporation of the 3R principle will also economize preclinical research since insect husbandry is much cheaper than the traditional housing of laboratory mammals.

In that context, insect larvae like Manduca can serve as an alternative in vivo animal model. Particularly, with the high degree of evolutionary conservation in the innate immunity of the gut and similarities in the enteric epithelial structure, Manduca sexta can serve as a model for human gut inflammation.

In the introduced paper, we employed larvae of the tobacco hornworm Manduca sexta, which are big enough for macroscopic imaging techniques, such as computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), and positron emission tomography (PET) as a high-throughput platform to study the innate immunity of the gut and host-pathogen interactions.

The developed platform represents an ethically acceptable, resource-saving, large-scale, and 3R-compatible screening tool for various life science disciplines, including the identification of new effectors and inhibitors in gut inflammation, the assessment of pesticides or other environmental factors, the assessment and evaluation of new antibiotic therapies, the analysis of host-pathogen interactions, and the identification of new contrast agents or tracers in radiology. Since 75% of the known human disease-causing genes have homologs in insects, this approach will also be helpful in testing preclinical hypotheses in inflammatory bowel disease.

Publication

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34865-7

HR: Hessischer Rundfunk, 06.01.2023, Tabakschwärmer - Larve gegen

Darmerkrankungen (Hessenschau 19:30)

Tabakschwärmerlarve neben einer Labormaus. © Fraunhofer IME | Kim Weigand
A tobacco hornworm larva with a laboratory mouse. © Fraunhofer IME | Weigand

Die Larven des Tabakschwärmers in der medizinischen Bildgebung. 50 Larven auf der Patientenliege im MRT. © Fraunhofer IME | Windfelder
The larvae of the tobacco hornworm in medical imaging. © Fraunhofer IME | Windfelder

(B - C)MRT, CT und 18F-deoxyglukose PET scans von den Larven des Tabakschwärmers (A). © Fraunhofer IME | Anton Windfelder
(B - C)MRI, CT and 18F-deoxyglucose PET scans of the tobacco hornworm larvae (A). © Fraunhofer IME | Anton Windfelder

Dr. Anton George Windfelder mit einem Tabakschwärmer.© Pia Windfelder
Dr. Anton G. Windfelder (with the adult M. sexta). © Pia Windfelder