facebook
twitter
youtube
instagram

Humanmedizin

Warum Schlaganfallstudien mit Tieren nicht funktionieren…

Die Erkrankung

Bei einem Schlaganfall kommt es „schlagartig“ zu einer Durchblutungsstörung im Gehirn, was zu einem Absterben von Hirngewebe führt und damit zu Ausfällen von Körperfunktionen wie z.B. Lähmungen. Das Absterben von Gewebe kann durch eine Mangeldurchblutung, z.B. Verstopfen eines Blutgefäßes, oder durch Hirnblutungen ausgelöst werden. Der Schlaganfall ist die häufigste Ursache für erworbene Behinderungen im Erwachsenenalter und ein Drittel der Schlaganfall-Patienten verstirbt innerhalb eines Jahres [1].

Bisher gibt es nur eine wirksame Therapie – die Auflösung von Blutgerinnseln mittels rt-PA (rekombinanter gewebsspezifischer Plasminogenaktivator), doch nur 80-85% der Schlaganfälle werden durch einen Gefäßverschluss ausgelöst (sog. ischämischer Schlaganfall). D.h. die übrigen Patienten mit einem blutungsbedingten Schlaganfall können damit nicht behandelt werden. Zudem muss rt-PA innerhalb von 4,5 Stunden verabreicht werden, um wirksam zu sein. Aufgrund dieser Einschränkungen ist die Behandlung mit rt-PA nur bei ca. 5% der Patienten anwendbar [2].

Die Suche nach neuen Therapien, insbesondere sogenannten Neuroprotektiva (das Nervengewebe schützende Medikamente), hat daher bisher zu über 4.000 Publikationen geführt, in denen die neuroprotektiven Eigenschaften von mehr als 700 Medikamenten in Tierversuchen scheinbar nachgewiesen werden konnten [3]. Andere Studien sprechen von bis zu 1.000 an Tieren getesteten Behandlungsmethoden, die aber beim Menschen nicht die gewünschte Wirkung hatten [4]. Seit der Zulassung von rt-PA für die Behandlung des Schlaganfalls 1996 gab es also keine nennenswerten Fortschritte, obwohl seit über 150 Jahren der Schlaganfall in sogenannten Tiermodellen erforscht wird [5].

Sogenannte Tiermodelle

Mit Abstand am häufigsten werden die Versuche an Ratten durchgeführt, jedoch auch an Mäusen, Katzen, Hunden, Schweinen, Affen [6, 7] und sogar Fischen [7]. Ratten werden für die Forschung vor allem deshalb verwendet, weil sie einfach und billig in der Haltung und leicht genetisch zu manipulieren sind.

Seit den 70er Jahren werden immer neue „Tiermodelle“ entwickelt, bei denen durch den Verschluss einer hirnversorgenden Arterie künstlich ein Schlaganfall ausgelöst wird. Die Sterblichkeitsrate (Mortalität) kann dabei bis zu 40% betragen; einzelne Studien berichten sogar von Mortalitätsraten bis zu 85% [6].

Viele „Tiermodelle“ erfordern die Eröffnung des Schädels (Kraniotomie): nach der Kraniotomie wird eine der hirnversorgenden Arterien (meist die mittlere Hirnarterie) freigelegt und durch Einschwemmen von Blutgerinnseln oder kleinen Kügelchen (thrombembolisches Modell), durch elektrischen Strom (Elektrokoagulationsmodell) oder durch Einspritzen von Endothelin-1 (ein Hormon, das die Verengung von Blutgefäßen bewirkt) verschlossen bzw. verengt.

Die Elektrokoagulationsmethode kann bei Ratten zu Kieferproblemen führen, die eine Umstellung auf weiches Futter erforderlich macht. Dies wiederum führt zum unkontrollierten Wachstum der Zähne, die dann regelmäßig abgeschliffen werden müssen [8], eine zusätzliche physische und psychische Belastung der Tiere.

Mit besonders schwerem Leid für die Tiere verbunden ist das Endothelin-1-Modell, denn hierbei wird eine Vinylkanüle (ein Plastikröhrchen) durch ein Bohrloch in den Schädel eingebracht. Diese Kanüle wird eingenäht und dort für einige Tage belassen. Dann wird den Tieren über das Röhrchen Endothelin-1 gespritzt und sie erleiden bei vollem Bewusstsein einen Schlaganfall [9, 10]. Die Mortalität beträgt bis zu 15% [8].

Doch auch die Modelle, bei denen keine Eröffnung des Schädels erfolgt, stellen eine erhebliche Belastung für die Tiere dar und sind mit Schmerzen verbunden. Beim sogenannten intraluminalen Fadenmodell wird über die Halsarterie ein chirurgischer Faden in die mittlere Hirnarterie (MCA) geschoben bis diese durch den Faden verstopft wird. Der Faden wird je nach Fragestellung für 30 Minuten bis zu mehreren Stunden dort belassen. Dadurch wird ein großer Gewebebereich im Gehirn nicht mehr durchblutet und ausreichend mit Sauerstoff versorgt. Nicht selten kommt es bei den Tieren zu Hirnblutungen, Überhitzung und vor allem zu Todesfällen infolge des ausgedehnten Schlaganfalls [11, 12].

Beim photochemischen Modell wird nach der Injektion eines lichtsensiblen Farbstoffs der Schädel bestrahlt. In der Folge verklumpen sich die Blutplättchen zu einem Gerinnsel, der das Gefäß verschließt. In anderen Modellen wird die Arterie durch Clips, Haken, Abbinden, Manschetten oder durch das Einspritzen von Thrombin (einem Gerinnungsfaktor) verschlossen [8].

Trotzdem diese Modelle immer weiterentwickelt worden sind, geben selbst Wissenschaftler, die an Tieren forschen zu, dass kein einziges „Tiermodell“ die Situation eines Schlaganfallpatienten vollständig imitieren kann [6, 11, 12, 13, 14]. 

Medikamententests

Die Schlaganfallmodelle werden nicht nur genutzt, um feingewebliche, physiologische und biochemische Vorgänge dieser Erkrankung zu erforschen, sondern auch um neue neuroprotektive (das Hirn schützende) Medikamente zu testen. Bisher hat jedoch keines der im Tierversuch erfolgreich getesteten Medikamente beim Menschen gewirkt. Viele Medikamente erweisen sich im klinischen Versuch mit Patienten als nicht wirksam; nicht selten aber mussten die klinischen Studien abgebrochen werden, weil die im Tierversuch als sicher eingestuften Medikamente zu unerwünschten, teils gefährlichen Nebenwirkungen bei den Patienten führen oder das Endergebnis nach einer Erkrankung (z.B. den Grad der Behinderung nach dem Schlaganfall) sogar verschlechtern.

Klinische Studien mit den neuen Wirkstoffen Selfotel und Aptiganel mussten abgebrochen werden, da die Mortalität unter den mit dem Medikament behandelten Patienten höher war, als in der Placebogruppe (d.h. eine Gruppe von Patienten, die ein Scheinmedikament erhielt) [15, 16]. Unter Selfotel litten die Patienten zudem unter Halluzinationen, Verwirrung und Bewusstseinstrübungen bis hin zum Koma [15]. Eine andere Studie mit Albumin ergab bei den damit behandelten Patienten ein 2,4 mal höheres Risiko, eine Hirnblutung zu erleiden; häufigste Nebenwirkung war ein Lungenödem (Ansammlung von Flüssigkeit in der Lunge) [17].

Gründe für die bisher erfolglose Schlaganfallforschung

Schlechte Studienqualität:

Die Qualität von Tierversuchs-Studien ist insgesamt schlecht [4, 18, 19, 20, 21]. Wichtige Qualitätsmerkmale für medizinische Studien sind zum einen die zufällige Aufteilung der Patienten auf die verschiedenen Gruppen, um eine voreingenommene Auswahl und somit Messfehler zu verhindern (sog. Randomisierung) sowie die Verblindung, d.h. Patienten und/oder die Untersucher wissen nicht, welches Medikament sie erhalten (so wird verhindert, dass die einzelnen Gruppen unterschiedlich bewertet werden, je nach Erwartung oder Hoffnung der Untersucher). Doch nur 36 % der Tierversuchs-Studien sind randomisiert und 29 % verblindet [22]. Deshalb werden Medikamente und andere Therapieansätze fälschlicherweise als wirksam eingestuft oder Nebenwirkungen falsch bewertet.

Beispielsweise sind bisher über 100 Studien zur Kältebehandlung (Hypothermie) von Schlaganfallpatienten veröffentlicht und mehr als 3.000 Tiere sind für die Forschung „verbraucht“ worden [23]. Um die Hirnschäden bei einem Schlaganfall möglichst gering zu halten, soll die Körpertemperatur der Patienten bis auf weniger als 35°C heruntergekühlt werden. Obwohl Tierversuche eine positive Wirksamkeit der Hypothermie „bestätigten“, konnte dies in klinischen Studien nicht nachgewiesen werden [24].

Unterschiede zwischen „Tiermodellen“ und Patienten:

Die im Labor verwendeten Tiere sind i.d.R. jung und haben keine Vorerkrankungen bzw. Risikofaktoren, während Schlaganfall-Patienten typischerweise zwischen 60 und 70 Jahre alt sind und unter einer oder mehreren Vorerkrankungen (Gefäßverkalkung, Bluthochdruck, Diabetes, Übergewicht, erhöhte Blutfettwerte etc.) leiden. Schlaganfall-Patienten sind also viel komplexer als es Tiermodelle jemals sein können [25]. Auch Geschlecht, Alter und genetische Faktoren spielen eine wichtige Rolle beim Schlaganfall (und bei anderen Erkrankungen).

Zwar gibt es mittlerweile „Tiermodelle“, denen einzelne Risikofaktoren angezüchtet worden sind (z.B. spontan hypertensive Ratten, ApoE-defiziente Mäuse) [8], jedoch sind diese Tiere im Gegensatz zu Schlaganfall-Patienten genetisch manipuliert und werden künstlich krank gemacht (z.B. werden die Nierenarterien abgeklemmt, um einen Bluthochdruck auszulösen). Dies ist mit dem komplexen Krankheitsverlauf eines Menschen nicht vergleichbar [5], bei dem sich eine blutzucker- oder bluthochdruckbedingte Gefäßverkalkung über Jahre, teilweise Jahrzehnte entwickelt. Viele Patienten nehmen zudem Medikamente ein, die das Schlaganfallrisiko, die Heilungschancen und die Reaktion auf die Schlaganfall-Behandlung beeinflussen.

Weiterhin bestehen zahlreiche anatomische Unterschiede: Das menschliche Hirn hat zum Beispiel einen viel größeren Anteil an weißer Substanz (der Anteil des Hirns, in dem die Nervenzellfortsätze liegen) als das Hirn von Nagern (10% vs. 50% [26, 11]), was vor allem dann eine Rolle spielt, wenn Medikamente getestet werden, die speziell auf die weiße bzw. die graue Substanz (der Anteil des Hirns, in dem die Nervenzellkörper liegen) wirken.

Die Blutversorgung des Gefäßrings funktioniert beim Tier hauptsächlich über die Halsschlagader, beim Menschen aber zusätzlich über die Wirbelarterie (A. vertebralis) [27].

Auch wenn diese Unterschiede minimal erscheinen, können in hochkomplexen Organismen wie Menschen und Tieren bereits winzige, scheinbar vernachlässigbare Unterschiede dramatische Auswirkungen haben [25]. Von Bedeutung sind solche Unterschiede beispielsweise, wenn es um Umgehungskreisläufe geht (d.h. Gefäße, die die Versorgung einer Hirnregion übernehmen, wenn eine andere Arterie verschlossen ist) oder auch bei chirurgischen Zugangswegen und Behandlungsmethoden. Neben Unterschieden zwischen den Mensch und Tier (s.o.), existieren auch Unterschiede innerhalb einer Tierart. Verschiedene Studien konnten sogar Unterschiede zwischen einzelnen Ratten- und Mäusezüchtungen feststellen [28, 29].

Unterschiedliche Messwerte:

Im Tierversuch wird zur Erfolgskontrolle i.d.R. das Infarktareal, d.h. der Bereich mit dem geschädigten Hirngewebe gemessen. Dabei wird eine Verringerung der Infarktgröße nach Gabe des Medikaments als Erfolg gewertet. In klinischen Studien am Patienten werden hingegen verschiedene funktionelle Werte gemessen, insbesondere mit Hilfe von Bewertungsskalen, mit denen beurteilt werden kann, welche Einschränkungen der Patient seit dem Schlaganfall hat und wie er im Alltag damit zurecht kommt [23, 26].

Die Verkleinerung des Infarktareals bedeutet nicht gleichzeitig eine Verbesserung der neurologischen Ausfälle (z.B. Lähmungen, Gefühlsstörungen, Sprach- und Gedächtnisstörungen) [26]. Ebenso wenig ist ein großer Infarkt gleichbedeutend mit schweren neurologischen Defiziten; entscheidender ist die Lokalisation (beispielsweise kann ein Miniinfarkt im Hirnstamm zum Tod führen).

Viele wichtige neurologische Funktionen können am Tier nicht getestet werden, beispielsweise Sprach- oder Gedächtnisstörungen, unter denen viele Schlaganfall-Patienten leiden [5] oder auch Persönlichkeitsveränderungen. Um dieses Defizit auszugleichen wenden einige Forscher verschiedene Verhaltenstests (s.o.) bei den „Versuchstieren“ an. Ein bekanntes Beispiel ist das sogenannte Morris-Wasserlabyrinth: dabei wird das Tier (i.d.R. eine Ratte) in einen mit trübem Wasser gefüllten Behälter gesetzt, an dessen Wänden Markierungspunkte angebracht sind. Nicht sichtbar unter der Wasseroberfläche befindet sich eine Plattform, die die Ratte anhand der Orientierungspunkte finden soll. Damit soll u.a. das Gedächtnis getestet werden [26]. Zur Überprüfung von Koordination und Bewegungsfähigkeit dienen u.a. der Grid Walking Test (die Tiere müssen auf horizontalen Leitern balancieren und die Untersucher messen die Anzahl der Fehltritte) oder auch der Wire oder Grid Hanging Test. Dabei wird z.B. eine Maus mit den Pfoten an ein Gitter oder einen Draht hängt. Dann wird die Zeit gestoppt, bis das Tier sich nicht mehr halten kann und herunterfällt [30].

Ausnahmslos alle diese Tests sind abhängig von der Compliance (d.h. der „Mitarbeit“) der Versuchstiere, die angezweifelt werden darf, wenn man bedenkt, dass das Leben dieser Tiere i.d.R. von Schmerzen, Isolation, Langeweile und Angst geprägt ist und die Forscher die Tiere für einige dieser Tests vorher hungern lassen, um die Kooperation zu fördern. Ob eine Ratte im Morris-Wasserlabyrinth länger braucht, um die Plattform zu finden, weil ihre Fähigkeiten durch den Schlaganfall eingeschränkt sind oder weil sie verängstigt ist, Schmerzen oder ganz einfach keine Lust hat, kann niemand beurteilen.

Unterschiedliche Zeitfenster und Dosierungen:

Um toxische Wirkungen zu vermeiden, bekommen die Patienten im klinischen Versuch i.d.R. viel geringere Dosierungen des Testmedikaments, wobei diese zwischen einzelnen Studien stark variieren. Eine Dosierung, die beim Tier effektiv war, muss nicht zwangsläufig für Patienten angemessen sein [26]. Möglicherweise vertragen Menschen viel höhere Dosierungen als Ratten oder aber auch viel niedrigere.

Im Tierversuch werden die getesteten Medikamente zudem oft vor (!) oder während des Schlaganfalls gegeben. Der Sinn solcher Studien darf angezweifelt werden, da diese Zeitfenster im klinischen Alltag nicht realisierbar sind und z.T. hellseherische Fähigkeiten der Ärzte voraussetzen.

Ein Schlaganfall-Patient muss zwar so schnell wie möglich behandelt werden, jedoch kann dies nicht geschehen bis die Diagnose gesichert wurde. Dazu ist i.d.R. eine Bildgebung erforderlich, um zwischen Sauerstoffmangel- und blutungsbedingtem Schlaganfall zu unterscheiden (denn die Therapien sind unterschiedlich) bzw. andere Ursachen für die Symptome auszuschließen. Dies erfordert Zeit.

Während im Tierversuch den Tieren das Testmedikament im Schnitt zehn Minuten nach Auslösung des Schlaganfalls (Bandbreite 60 Minuten vor(!) bis 360 Minuten danach) verabreicht wird [31], vergehen in klinischen Studien durchschnittlich 12 Stunden bis zur Aufnahme der Patienten in eine Studie, d.h. bis zum Beginn der Behandlung [32]. Im Fall der Hypothermiebehandlung wurde im Tierversuch nach durchschnittlich 0 Minuten(!) mit der Kühlung begonnen, also unmittelbar nach Auslösung des Schlaganfalls. Die beste Wirksamkeit der Hypothermie fand sich bei Behandlungsbeginn vor bzw. während des Gefäßverschlusses. Solche Zeiten können im klinischen Alltag nicht eingehalten werden, da zum einen durch Transport, Diagnostik und Erstbehandlung einige Zeit vergeht und zum anderen die Kühlung bei einem Menschen ca. 4 Stunden dauert, bei einer Ratte aber nur ungefähr 20 Minuten [23].

Fazit

Gründe für die erfolglosen Versuche, Ergebnisse aus dem Tierversuch auf den Patienten zu übertragen sind u.a. die z.T. erschreckend schlechte Qualität der Tierversuchsstudien, die signifikanten und nicht überbrückbaren Unterschiede zwischen Patient und „Versuchs“tier bezüglich Anatomie, Physiologie und Vorerkrankungen, uneinheitliche und verschiedenen Beurteilung der Ergebnisse sowie unterschiedliche Zeitfenster und Dosierungen in Tierversuchs- und klinischen Studien. 

15.5.2018
Stephanie Gräwert, Ärztin

 

Quellen

(1) http://www.kompetenznetz-schlaganfall.de/176.0.html, Abruf am 15.5.2018

(2) Canazza A, Minati L et al.: Experimental models of brain ischemia: a review of techniques, magnetic resonance imaging, and investigational cell-based therapies. Frontiers in Neurology, 2014, 5: 1-14

(3) Macleod MR, O´Collins T et al.: Pooling of Animal Experimental Data Reveals Influence of Study Design and Publication Bias. Stroke, 2004, 35:1203-1208

(4) Greek R, Menache A: Systematic Reviews of Animal Models: Methodology versus Epistemology. Int J Med Sci, 2013, 10(3): 206-221

(5) Wiebers DO, Adams HP, Whisnant JP: Animal Models of Stroke: Are They Relevant to Human Disease? Stroke, 1990, 21(1): 1-3

(6) Howells DW, Porritt MJ et al.: Different strokes for different folks: the rich diversity of animal models of focal cerebral ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 2010, 30: 1412-1431

(7) Walcott BP, Peterson RT: Zebrafish models of cerebrovascular disease. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 2014, 34: 571-577

(8) Macrae IM: Preclinical stroke research – advantages and disadvantages of the most common rodent models of focal ischemia. British Journal of Pharmacology, 2011, 164: 1062-1078

(9) Macrae IM, Robinson MJ et al.: Endothelin-1-Induced Reductions in Cerebral Blood Flow: Dose Dependency, Time Course, and Neuropathological Consequences, Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 1993, 13: 276-284

(10) Sharke J, Ritchie IM, Kelly PAT: Perivascular Microapplication of Endothelin-1: A New Model of Focal Cerebral Ischaemia in the Rat. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 1993, 13: 865-871

(11) Willing AE: Experimental Models. Help or Hindrance. Stroke, 2009, 40 (suppl 1): 152-154

(12) Morgenthaler P, Meisel A: Do stroke models model stroke? Disease Models & Mechanisms, 2012, 5: 718-725

(13) Bacigaluppi M, Comi G, Hermann DM: Animal Models of Ischemic Stroke. Part One: Modeling Risk Factors. The Open Neurology Journal, 2010, 4: 26-33

(14) Bacigaluppi M, Comi G, Hermann DM: Animal Models of Ischemic Stroke. Part Two: Modeling Cerebral Ischemia, 2010, 4: 34-38

(15) Davis SM, Lees KR et al.: Selfotel in Acute Ischemic Stroke. Possible Neurotoxic Effects of an NMDA Antagonist. Stroke, 2000, 31: 347-354

(16) Albers GW, Goldstein LB, Hall D, Lesko LM: Aptiganel hydrochloride in acute ischemic stroke: a randomized controlled trial. JAMA (2001); 286(21): 2673-82 (Abstract)

(17) Ginsberg MD, Palesch YY et al.: High-dose albumin treatment for acute ischaemic stroke (ALIAS): a phase 3, randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Lancet Neurol, 2013, 12(11): 1049-1058

(18) Philip M, Benatar M et al.: Methodological Quality of Animal Studies of Neuroprotective Agents Currently in Phase II/III Acute Ischemic Stroke Trials. Stroke, 2009, 40: 577-581

(19) Kilkenny C, Parsons N et al.: Survey of the Quality of Experimental Design, Statistical Analysis and Reporting of Research Using Animals. PlosOne, 2009, 4(11):e7824

(20) Pedder H, Vesterinen HM et al.: Systematic Review and Meta-Analysis of Interventions Tested in Animal Models of Lacunar Stroke. Stroke, 2014, 45: 563-570

(21) Agoston DV: Bench-to-bedside and bedside back to bench; seeking a better understanding of the acute pathophysiological process in severe traumatic brain injury. Frontiers in Neurology, 2015, 6(47): 1-6

(22) Fisher M, Feuerstein G et al.: Update of the Stroke Therapy Academic Industry Roundtable Preclinical Recommendations. Stroke, 2009, 40(6): 2244-2250

(23) van der Worp HB, Sena ES et al.: Hypothermia in animal models of acute ischemic stroke: a systematic review and meta-analysis. Brain, 2007, 130: 3063-3074

(24) Piironen K, Tiainen M et al.: Mild Hypothermia After Intravenous Thrombolysis in Patients With Acute Stroke. Stroke, 2014, 45: 486-491

(25) Joffe AR, Bara M et al.: Expectations for methodology and translation of animal research: a survey of health care workers. BMC Medical Ethics, 2015, 16: 29

(26) Cheng YD, Al-Khoury L, Zivin JA: Neuroprotection for Ischemic Stroke: Two Decades of Success and Failure. The Journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics, 2004, 1(1): 36-45

(27) Ashwini CA, Shubhia R, Jayanthi KS: Comparative anatomy of the circle of Willis in man, cow, sheep, goat, and pig. Neuroanatomy, 2008, 7: 54-65

(28) Barone FC, Knudsen DJ et al.: Mouse Strain Differences in Susceptibility to Cerebral Ischemia Are Related to Cerebral Vascular Anatomy. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 1993, 13: 683-692

(29) Bardutzky J, Shen Q et al.: Differences in Ischemic Lesion Evolution in Different Rat Strains Using Diffusion and Perfusion Imaging. Stroke, 2005, 36(9): 2000-2005

(30) Balkaya M, Kröber JM et al.: Assessing post-stroke behavior in mouse models of focal ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 2013, 33: 330-338

(31) van der Worp HB, de Haan P et al.: Methodological quality of animal studies on neuroprotection in focal cerebral ischaemia. J Neurol, 2005, 252(9): 1108-14

(32) Kidwell CS, Liebeskind DS et al.: Trends in Acute Ischemic Stroke Trials Through the 20th Century. Stroke, 2001, 32: 1349-1359

 

Drucken