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Unsere Werkzeuge in der biomedizinischen Forschung

Ende der Achtzigerjahre entdeckten wir ein Eiweiss, Nogo, welches das Wachstum von Nervenfasern im erwachsenen ZNS hemmt. Die Eliminierung dieser Substanz könnte also ein mögliches Ziel für eine Therapie sein. Die Charakterisierung von Nogo gab uns erste Informationen über mögliche Funktionen dieses Eiweisses. Um die wachstumshemmende Wirkung von Nogo aufzuheben, stellten wir Antikörper her, die spezifisch an Nogo binden und dessen Wirkung aufheben.

Abb. 6 erläutert das Prinzip der Wirkung von neutralisierenden Antikörpern. In vitro, d. h. in der Zellkultur, zeigten wir, dass die Gabe von anti- Nogo-Antikörpern auf Nervenzellen zu einem Wachstum der Nervenfasern auf ZNS-Myelin führt. Somit hatten wir nachgewiesen, dass Nogo das Nervenwachstum hemmt und diese Hemmung durch Neutralisierung von Nogo aufgehoben werden kann. Zellkulturexperimente sind allerdings nur begrenzt aussagekräftig, da sie ein künstliches System darstellen und die zahlreichen, komplexen Vorgänge zwischen verschiedenen Geweben und Organen im Tier nicht repräsentieren können. Um die viel versprechenden Resultate aus den Zellkulturexperimenten in klinisch relevante Daten und letztlich in eine Therapie umzusetzen, müssen diese in einem lebenden Organismus bestätigt werden.

Unser Tiermodell ist in erster Linie die erwachsene Ratte, deren Rückenmark partiell verletzt wird, so dass die Hinterbeine gelähmt sind. Die Ratte kann sich noch immer selbständig, wenn auch eingeschränkt fortbewegen. Mit Hilfe einer kleinen Pumpe werden die therapeutischen Substanzen direkt zum Rückenmark oder an die Verletzungsstelle gegeben. Die Tiere können so über längere Zeiträume mit anti-Nogo-Antikörpern behandelt werden. Um ihr Verhalten vor und nach der Verletzung zu beobachten und auszuwerten, werden die Ratten mit verschiedenen Verhaltenstests vertraut gemacht. Mit Tests wie einen schmalen Balken bzw. eine horizontale Leiter passieren oder schwimmen oder auf dem Laufband laufen werden die motorischen Fähigkeiten analysiert.

Die Analyse des Gewebes der Verletzungsstelle und ihrer Umgebung gibt uns ein Bild über die anatomischen Gegebenheiten. Auswachsende Nervenfasern, aber auch Axonstumpfe werden sichtbar gemacht und können in Relation zur Antikörperbehandlung gesetzt werden. Bildgebende Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanz (fMRI) ermöglichen, die Aktivität von Gehirnregionen zu messen. Die fMRI wurde für die Diagnose beim Menschen entwickelt und wird erst seit kurzer Zeit auch beim Tier angewandt. Sie ist ein gutes Beispiel für die Kompatibilität von Methoden der biomedizinischen Forschung und der klinischen Anwendung. Aktive Nervenzellen brauchen vermehrt Sauerstoff, was lokal zu einem erhöhten Blutfluss und Sauerstoffgehalt des Blutes führt. Diese Technik ermöglicht uns festzustellen, ob z. B. diejenige Gehirnregion, die eine Bewegung des linken Hinterbeins steuert, noch immer aktiv ist nach einer Verletzung oder ob eventuell eine andere Gehirnregion dafür kompensiert. Letzteres wird als «strukturelle Plastizität» bezeichnet und deutet daraufhin, dass neue Nervenverbindungen zu anderen Gehirnregionen entstanden sind.

Seit den Achtzigerjahren können genveränderte Tiere gezüchtet werden: Dabei werden Mäuse genetisch so verändert, dass z. B. ein bestimmtes Gen in allen Körperzellen ausgeschaltet ist (Knockout- Mäuse), oder dass ein Gen zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Entwicklung aktiviert werden kann oder nur in ganz bestimmten Zelltypen vorkommt. Der Vorteil der Forschung mit transgenen Tieren ist einerseits, dass wir mit einem lebenden System arbeiten, bei dem das komplexe Organsystem funktioniert und Auswirkungen nicht nur isoliert gemessen werden. Andererseits können wir molekulare Mechanismen ein- und ausschalten und dabei gewisse menschliche Krankheiten «imitieren». In unserem Falle helfen sie uns, die molekularen und zellulären Mechanismen zu verstehen, bei denen das Nogo-Eiweiss eine Rolle spielt. Wir versuchen damit Antworten auf Fragen wie «Wie verhalten sich die ZNS-Nervenfasern einer Nogo-Knockout-Maus nach einer Rückenmarkverletzung? » oder «Hat Nogo lebenswichtige Funktionen inne?» zu finden.

Gewonnene Erkenntnisse

Bei unseren transgenen Mausmodellen können wir die Fortschritte beim Gehen direkt beobachten und beispielsweise in histologischen Schnitten analysieren, was auf zellulärer Ebene passiert ist. So stellten wir fest, dass bei Nogo-Knockout-Tieren (die also kein Nogo exprimieren) eine bessere funktionelle Erholung nach einer Rückenmarkverletzung stattfindet und Nervenfasern auswachsen. Solche Untersuchungen sind wegweisend für die Klinik, denn sie zeigen, dass das Nerven wachstumshemmende Nogo alleine eine zentrale Rolle spielt.

Um die Wirkung von Nogo im lebenden Organismus zu verstehen, behandelten wir rückenmarkverletzte Ratten mit Antikörpern. Dazu wurden Tiere, welche anti-Nogo-Antikörper verabreicht bekamen, mit Kontrolltieren, die einen unwirksamen Antikörper erhielten, verglichen. Wir konnten zeigen, dass Ratten in Abhängigkeit von der Zeit signifikante motorische Fortschritte machten, wenn sie mit anti-Nogo-Antikörpern behandelt wurden. Kontrolltiere hingegen erholten sich in den Wochen nach der Verletzung kaum. Bei der Analyse der Verletzungsstelle waren in anti-Nogo-Antikörper behandelten Ratten Nervenfasern zu sehen, die über die Glianarbe hinauswuchsen, im Gegensatz zu den Nervenfasern bei Kontrolltieren. Somit hatten wir den Nachweis erbracht, dass anti-Nogo- Antikörper sowohl in Zellkultur als auch im Tier das Auswachsen regenerierender Nervenfasern des ZNS ermöglichen.

Dieser Nachweis war unerlässlich, um unserem Ziel einer therapeutischen Anwendung beim Menschen näher zu kommen.

Im biomedizinischen Labor arbeiten wir mit einem Ratten spezifischen Nogo-Antikörper, der Ratten- Nogo erkennt und dessen Wirkung neutralisiert. Um die Nogo-Antikörper-Therapie auch beim Patienten anwenden zu können, musste zuerst ein für Menschen verträglicher Nogo-Antikörper mit biotechnologischen Methoden (humanisierter Antikörper) entwickelt und getestet werden. Zudem musste dieser in grossen Mengen hergestellt und aufgereinigt werden. Dies war nur möglich mit einem industriellen Partner, der die dafür nötige Infrastruktur, Personal und finanziellen Mittel mitbrachte.

Bevor mit klinischen Prüfungen beim Patienten begonnen werden darf, müssen sowohl die Wirksamkeit als auch die Verträglichkeit der Wirkstoffe in Tierversuchen bestätigt werden.

Anfangs 2006 erhielten wir von den Behörden die Zulassung für den Beginn der klinischen Prüfungen. Dazu waren verschiedene Zusagen einzuholen, unter anderem auch eine von der Ethikkommission. Diese beurteilt, ob alle nötigen Vorsichtsmassnahmen getroffen wurden, damit die Therapie einem behandelten Patienten nicht schadet.