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Chemikalien aus Pflanzenschutzmitteln, Bioziden, Arzneimitteln oder Industrieprozessen gelangen in Gewässer und können dort Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung von Fischen beeinträchtigen. Schon in frühen Entwicklungsstadien können subtile Störungen im Hormonhaushalt oder im Stoffwechsel langfristige Folgen für ganze Populationen haben. Klassische Langzeittests mit Fischen liefern zwar robuste Daten, sind jedoch zeit- und kostenintensiv und gehen mit einem hohen Einsatz von Wirbeltieren einher. Vor dem Hintergrund regulatorischer Anforderungen und der 3R‑Prinzipien zum Ersatz, der Verfeinerung und Reduzierung (engl. replacement, refinement and reduction) von Tierversuchen wächst daher der Bedarf an alternativen Strategien, die frühzeitig Hinweise auf Gefährdungspotenziale liefern, ohne das Versuchstieraufkommen weiter zu erhöhen.

Dr. Sebastian Eilebrecht, Leiter der Abteilung Ecotoxicogenomics am Fraunhofer IME nutzt mit seinen Mitarbeitenden Toxikogenomik, um diese Lücke zu schließen. Toxikogenomik beschreibt die gesamtheitliche Analyse von Genexpressionsänderungen durch die Chemikalienexposition. In Fisch‑Embryomodellen lassen sich damit früh charakteristische „molekulare Fingerabdrücke“ erfassen, die auf schädliche Wirkmechanismen hinweisen, noch bevor klassische apikal‑toxikologische Effekte deutlich werden. Die Arbeit mit Zebrafisch‑Embryonen gilt als 3R‑konform, weil diese Entwicklungsstadien in der EU‑Tierschutzgesetzgebung noch nicht als schützenswerte, weil selbstständig fressende Tiere eingestuft werden. Dieser Ansatz verbindet damit moderne molekularbiologische Methoden mit ökotoxikologischer Expertise und ermöglicht ein präzises, 3R-konformes Screening von Umweltchemikalien.

Im Zentrum steht ein mechanistisches Screening von Wirkmechanismen (engl. Modes of Action, MoA), das verschiedenste substanzspezifische Eingriffe in zentrale Regelkreise des Organismus sichtbar macht. Viele Chemikalien können Fortpflanzung, Entwicklung oder Verhalten von Fischen langfristig beeinträchtigen, ohne unmittelbar zu erhöhter Mortalität zu führen, aber dennoch langfristig Populationen beeinträchtigen.

In subletalen Zebrafisch‑Embryotests haben wir Referenzsubstanzen mit definierten Wirkprofilen exponiert und per Transkriptomik ihre charakteristischen Genexpressionsmuster erfasst. Diese molekularen Fingerabdrücke ordnen wir Schritten innerhalb von Adverse Outcome Pathways (AOPs) zu – von der ersten Rezeptorbindung oder Enzymhemmung bis hin zu zellulären und organbezogenen Veränderungen. Endokrine Disruptoren dienen dabei als prominentes Beispiel: Sie greifen etwa an Östrogen‑/Androgenrezeptoren oder Enzymen der Schilddrüsenhormonsynthese an, wodurch sich östrogen- und androgenrezeptorvermittelte Wirkungen sowie Störungen der Schilddrüsenhormonhomöostase voneinander abgrenzen (Publikationen 1-3) und mit AOP‑Bausteinen wie veränderter Gonadenentwicklung, Schlupfraten oder Schwimmblasenfunktion verknüpfen lassen. Parallel erfasste phänotypische Parameter helfen, die in der Genexpression sichtbaren Kausalketten mit organismischen Endpunkten zu verbinden.

Molekulare Fingerabdrücke als Screening‑Werkzeug

Die im Rahmen dieser Arbeiten generierten Transkriptomdaten wurden in einer zentralen Datenbank toxikogenomischer Fingerabdrücke zusammengeführt. Dort sind für zahlreiche Referenzsubstanzen charakteristische Genexpressionsmuster abgelegt, die mit bestimmten Wirkmechanismen und AOPs verknüpft sind. Neue Substanzen können anhand ihrer Expressionsprofile mit dieser Datenbank verglichen und bekannten Wirktypen zugeordnet werden.

Ein praktisches Beispiel: Zeigt eine neue Chemikalie in einem Zebrafisch‑Embryotest ein Expressionsmuster, das stark einem bekannten östrogenrezeptorvermittelten Fingerabdruck ähnelt, liegt der Verdacht nahe, dass es sich um einen potenziellen endokrinen Disruptor handelt. Umgekehrt kann ein Profil, das keine klaren Übereinstimmungen mit etablierten problematischen Wirkmechanismen zeigt, dazu beitragen, das Risiko einer Substanz niedriger einzuschätzen und Ressourcen auf kritischere Kandidaten zu fokussieren.

Dieser Ansatz ermöglicht ein breit angelegtes, mechanistisch fundiertes Screening bereits in der frühen Phase der Wirkstoffentwicklung. Unternehmen können Kandidaten anhand von Substanzbibliotheken testen, bevor kostspielige Tierstudien oder groß angelegte Umweltuntersuchungen notwendig werden. Stoffe mit auffälligen Fingerabdrücken lassen sich früh aussortieren oder gezielt weiter untersuchen, während unauffällige Kandidaten mit höherer Priorität in nachgelagerte Entwicklungsschritte einfließen können.

tPOD: Frühwarnschwellen für chronische Toxizität

Neben der qualitativen Einordnung von Wirkmechanismen spielt die Ableitung quantitativer Schwellenwerte eine zentrale Rolle. Im ECHA‑Projekt E‑FET entwickeln wir hierfür den transcriptomic point of departure (tPOD) weiter – ein Konzept, das jene Konzentration kennzeichnet, ab der in Zebrafisch‑Embryonen systematische, konzentrationsabhängige Veränderungen der Genexpression auftreten und damit einen frühen molekularen Warnpunkt für chronische Toxizität liefert. In einem erweiterten Fish Embryo Test (E‑FET) werden Embryonen über mehrere Konzentrationsstufen hinweg gegenüber Industriechemikalien exponiert, anschließend wird die RNA sequenziert und für zahlreiche Gene modelliert, wie stark ihre Expression in Abhängigkeit von der Konzentration ansteigt oder abnimmt. Aus diesen Konzentrations‑Wirkungs‑Beziehungen werden Benchmark Doses abgeleitet, und der tPOD wird als konservativ gewählter niedriger Bereich der BMD‑Verteilung bestimmt (Publikation 4).

Der systematische Vergleich mit klassischen Fish Early Life Stage (FELS)‑Studien zeigt, dass Substanzen, die in Langzeittests deutliche Effekte auf Wachstum oder Überleben verursachen, meist auch im E‑FET klare, konzentrationsabhängige Genexpressionsänderungen und damit tPOD‑Signale erzeugen, während Stoffe ohne chronische FELS‑Effekte in der Regel keine relevanten tPOD‑Antworten zeigen. tPOD‑Werte liegen häufig in der gleichen Größenordnung wie NOEC‑Werte (No Observed Effect Concentration) aus OECD‑TG‑210‑Studien. Grenzfälle – etwa schlecht lösliche oder instabile Chemikalien mit schwer kontrollierbarer Exposition – machen deutlich, wie wichtig eine sorgfältige Expositionskontrolle und gegebenenfalls optimierte Testsysteme sind. Insgesamt deutet der bisherige Erfahrungsschatz aus dem E‑FET‑Projekt darauf hin, dass tPOD‑Werte bei gut kontrollierter Exposition ein robustes Maß für Schwellenkonzentrationen chronischer Toxizität darstellen und sich sowohl zur Planung nachfolgender Tests als auch zur Priorisierung von Substanzen in der Risikobewertung eignen.

Mehrwert für Regulierung, Industrie und Umwelt

Die Kombination aus mechanistischem Wirkungs‑Screening und tPOD‑Ableitung bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Für die Regulierung eröffnet sie die Perspektive, Entscheidungen stärker auf mechanistische Evidenz zu stützen und gleichzeitig das Versuchstieraufkommen zu reduzieren. In künftigen Prüfstrategien könnten toxikogenomische Endpunkte dazu beitragen, Testbatterien zu verkürzen, redundante Studien zu vermeiden und die Planung von Langzeitstudien zielgerichteter zu gestalten.

Für die Industrie liefert der Ansatz ein leistungsfähiges Werkzeug zur frühen Risikoabschätzung. Schon in der Phase der Substanzdesigns lassen sich Kandidaten mit problematischen Fingerabdrücken identifizieren und aussortieren, bevor hohe Entwicklungsinvestitionen getätigt werden. Gleichzeitig können tPOD‑Werte helfen, realistische, aber vorsorgliche Konzentrationsbereiche für weiterführende Tests festzulegen. Das spart Ressourcen und erhöht die Planungssicherheit.

Auch aus Sicht des Umwelt- und Tierschutzes bietet der toxikogenomische Ansatz klare Vorteile. Der Einsatz von Embryomodellen, kombiniert mit hochinformativen molekularen Messgrößen, erlaubt eine deutlich effizientere Nutzung biologischer Ressourcen. Weniger Tiere liefern mehr Informationen, und viele Fragen lassen sich bereits in frühen Entwicklungsstadien adressieren, ohne adulte Fische einzusetzen.

Toxikogenomik wird sich in den kommenden Jahren weiter von einem primär forschungsgetriebenen Ansatz zu einem integralen Bestandteil regulatorischer Teststrategien entwickeln. Die laufenden Arbeiten am Fraunhofer IME zeigen, wie sich molekulare Fingerabdrücke und tPOD‑Konzepte konkret in Bewertungsprozesse einbinden lassen. Parallel bauen wir Kooperationen mit Behörden, Industrie und akademischen Partnern aus, um Methoden zu harmonisieren, Referenzdaten zu erweitern und Anwendungsfälle zu demonstrieren.

Langfristig könnte eine Situation entstehen, in der für bestimmte Stoffgruppen toxikogenomische Daten aus Fisch‑Embryomodelle ausreichen, um auf klassische Langzeitstudien zu verzichten oder deren Umfang deutlich zu reduzieren. Voraussetzung dafür ist eine solide Evidenzbasis, die zeigt, dass tPOD‑Werte und mechanistische Profile verlässlich vor chronischen Effekten schützen. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend und unterstreichen das Potenzial, ökologische Risikobewertung und 3R‑Prinzipien wirksam miteinander zu verbinden.

Mit unserem toxikogenomischen Programm leisten wir damit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung innovativer, nachhaltiger und wissenschaftlich fundierter Strategien für den Schutz aquatischer Ökosysteme – und zur zukunftsfähigen Gestaltung von Chemikalienregulierung und Wirkstoffentwicklung.