Schlafen mit den Fischen

Larven des Zebrabärblings eignen sich erstaunlich gut als Modellorganismus zur Erforschung menschlicher Schlafstörungen.

Wissenschaftler an der Harvard University setzen auf ein neues Versuchstier, um die Entwicklung von Medikamenten gegen Schlafzyklus-relevante Krankheiten zu beschleunigen: den Zebrabärbling. Die Forscher entwickelten ein neues Screening-Werkzeug, mit dem die Funktionsfähigkeit tausender Wirkstoffkombinationen am Verhalten der tropischen Fische untersucht werden kann. Ziel ist es, neue Signalwege aufzudecken, die den menschlichen Schlaf steuern – und damit die Entwicklung besserer Therapien beispielsweise gegen Schlafstörungen.

Alexander Schier, Professor für Molekular- und Zellbiologie, schuf zusammen mit seinem Team ein automatisiertes System, mit dem sich die Reaktionen des Zebrabärblings auf verschiedenste Wirkstoffe untersuchen lassen. Nach dem Screening von 5600 Molekülkombinationen an den Larven des Tieres wurden bereits 463 pharmakologische Zusammensetzungen ermittelt, die das Schlafverhalten signifikant verändern können. Viele von ihnen scheinen auch beim Menschen zu wirken. "Wir hätten nicht erwartet, dass so viele der Wirkstoffe übertragbar sind", meint Schier. "Das war ein erster Beweis für das Prinzip, dass viele der Signalwege beim Menschen in diesem Bereich auch beim Fisch existieren."

Schier zufolge sorgen diese Verhaltensähnlichkeiten dafür, dass der Zebrabärbling zum idealen Modellorganismus werden könnte, um zu erklären wie und warum Menschen schlafen – beides im wissenschaftlichen Detail noch weitgehende Rätsel. Noch weiß man nicht, welche molekularen Mechanismen Schlaf- und Wachzustand genau kontrollieren. Sind diese Signalwege erst einmal bekannt, lassen sich Wirkstoffe finden, die sie blockieren oder unterstützen. Pharmafirmen in aller Welt arbeiten daran – schließlich werden allein in den USA Jahr für Jahr mit Schlafmedikamenten sieben Milliarden Dollar an Gewinnen eingefahren. Noch ist dieser Entwicklungsprozess jedoch mühsam und teuer. Schier glaubt, dass die Untersuchung von Medikamentenkandidaten am Zebrabärbling diese Arbeit im Vergleich zu regulären Screenings deutlich beschleunigen und verbilligen könnte.

Bei traditionellen Medikamententests untersucht man die Auswirkungen eines Wirkstoffes zunächst in Zellkulturen, um zu sehen, ob dieser Wirkstoff erfolgreich an Zielmoleküle oder gewünschte Rezeptoren anbindet. Im Erfolgsfall geht es mit Tierversuchen weiter, um Verhaltensänderungen am lebenden Objekt zu studieren. Funktioniert ein Wirkstoff in der Zellkultur, muss das allerdings noch lange nicht heißen, dass er auch beim Tier funktioniert. Zudem treten dort oft unerwartete Nebenwirkungen auf.

"Der Vorteil des Zebrabärblings liegt darin, dass man große Mengen der Tiere auf sehr kleinem Raum halten kann. Außerdem ist die Nachzucht vieler, vieler Organismen relativ günstig", sagt Schier. Im Gegensatz zu Fliegen und Würmern, die sonst oft in der Frühphase bei Pharmastudien eingesetzt werden, sind Fische zudem Wirbeltiere. "Es gibt vieles im Zebrabärbling, das auch für Säugetiere relevant ist."

In der Praxis werden zunächst einzelne Larven der Tiere mittels Pipette in kleine Kammern gegeben, die sich auf einer Platte mit insgesamt 96 einzelnen Räumen befinden. Jedem Fisch wird dann ein Wirkstoff injiziert – pro Wirkstoff jeweils zehn verschiedenen Tieren. Dann wird die Platte in eine Aufnahmekabine geschoben, die mit infrarotem und weißem LED-Licht beleuchtet werden kann. Eine Kamera, die an einem Computer hängt, dient der Aufzeichnung. Anschließend wird die Larvenplatte mit einem Muster auf dem Rechnerbildschirm in Einklang gebracht. Eine von den Forschern entwickelte Software simuliert Tag und Nacht. Im Versuch wird die Aktivität jedes Zebrabärblings insgesamt zwei Tage lang beobachtet. Die statistische Auswertung erfolgt mit Hilfe einer speziellen Video-Tracking-Software, die die Bewegungen jedes Tieres sekundenweise erfasst.

Mit Hilfe eines Clustering-Algorithmus konnten Schier und seine Kollegen bei den Fischen so insgesamt 60.000 unterschiedliche Verhaltensauffälligkeiten ermitteln. "Wie oft bleiben die Tiere aktiv, wenn man das Licht ausschaltet? Und wenn sie inaktiv sind, dann wie lange? All das messen wir. Da fallen sehr viele Parameter an, mit der sich dann ein genaues Profil der verschiedenen Wirkstoffe erstellen lässt."

Entzündungshemmer wie Cytokin, Nichtsteroide und Cyclosporin hatten dabei einen erstaunlichen Effekt. Normalerweise leiten sie den Schlaf ein, wenn man sie zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten wie Grippe einsetzt. Schier fand nun allerdings heraus, dass gesunde Zebrabärblinge bei Gabe dieser Medikamentengruppe der Immunmodulatoren tagsüber sogar aktiver waren.

"Bei Krankheit werden Immunmodulatoren stets mit Schlaf in Verbindung gebracht. Es scheint jedoch eine Grundfunktion dieser Stoffgruppe sowohl bei Schlaf- als auch bei Wachzyklen zu geben."

Solche Forschungsergebnisse könnten helfen, neue molekulare "Mitspieler" aufzudecken, die den Schlaf- und Wachzustand steuern. Irina Zhdanova, Dozentin für Anatomie und Neurobiologie an der Boston University Medical School, untersucht seit längerem die physiologischen Mechanismen im Tagesrhythmus des Zebrabärblings. Sie kritisiert, dass derzeit sehr viele Schlafmittel auf dem Markt seien, die beträchtliche Nebenwirkungen hätten – mit besseren Screening-Werkzeugen ließen sich diese vermutlich vermeiden. "Die riesige Bandbreite an Wirkstoffen, die Schiers Gruppe testen konnte, zeigt, dass sich die Fische sehr gut mindestens zum Vorabscreening verschiedener bereits bekannter Medikamente und ganz neuer Kandidaten eignen."

Und das ist noch nicht alles. Schier erwartet, dass Zebrabärblinge in Zukunft auch als Modell für die Untersuchung von Wirkstoffen gegen verschiedene psychische Krankheiten bei Menschen genutzt werden könnten – vom Autismus bis zu Schizophrenie. Dazu sollen zunächst Gene, die mit diesen Krankheiten in Verbindung stehen, identifiziert werden. Dann ließe sich ein ähnlicher Defekt auch bei Zebrabärblingen erzeugen. Anschließend könnte man verschiedene Verhaltensänderungen prüfen, etwa die Reaktion auf visuelle Reize oder Berührungen. "Im Idealfall gibt es dann eine Verbindung zwischen dem Gen und einer Veränderung im Verhalten, die sich dann durch einen bestimmten Wirkstoff wieder korrigieren lässt", sagt Schier. Noch sei dies Science-Fiction. "Aber grundsätzlich möglich wäre es schon." (bsc)