Cellen of weefsel in een petrischaal
Cellen in een proefbuis vormen het uitgelezen model om zeer veel facetten van ziektes en biologische interacties te bestuderen. Dit soort proeven wordt ook wel in vitro onderzoek genoemd, afgeleid van het Latijnse “in glas”.
Cel- en weefselculturen worden vooral gebruikt om directe interacties en signaalwegen van moleculen en cellen in kaart te brengen, en om grote hoeveelheden potentiële medicijnen te doorlichten op activiteit en toxiciteit. Cellen zijn vaak eenvoudig en snel op te kweken, vergen weinig plaats en zijn meestal relatief goedkoop. Deze technieken zijn dan ook uitgegroeid tot een hoeksteen van biomedisch onderzoek.
De informatie die uit dit soort culturen voortvloeit is echter beperkt, in die zin dat deze experimenten, inclusief recente ontwikkelingen in ‘organs-on-a-chip‘ en ‘3D celculturen, niet het hele verhaal vertellen over de complexe interacties die zich afspelen in een levend organisme. Cellen in cultuur gedragen zich niet helemaal hetzelfde als cellen in een organisme, en bovendien kunnen sommige wetenschappelijke vragen niet onderzocht worden op het niveau van cellen of weefsels. Hoe een genetische fout het geheugen (Alzheimer onderzoek) of de motoriek (Parkinson onderzoek) aantast is bijvoorbeeld moeilijk te verifiëren aan de hand van cellen. Maar ook op het vlak van toegepast medisch onderzoek zijn er beperkingen: om het effect van een medicijn op het immuunsysteem te testen, is nog steeds een levend organisme nodig omdat de complexiteit van het immuunsysteem niet kan nagebootst worden door andere technologieën. Toch zijn cel en weefselculturen ook in deze onderzoekstakken van enorm belang. Latere dierproeven kunnen efficiënter opgesteld worden omdat er al belangrijke kennis is verworven via in vitro modellen (bvb. toxische dosis, interactie met het doelwit…).
Decennialange ontwikkelingen in celcultuur technologie hebben geleid tot zogenaamde ‘organs-on-a-chip’, waarbij als het ware miniatuur-organen op een chip worden gekweekt. Dit stelt ons in staat om het effect van een medicijn of omgevingsfactoren te testen op bijvoorbeeld de interactie tussen een artificiële lever en nieren. Organs-on-a-chip beloven een revolutie in de farmaceutische industrie door met minder variabiliteit betere voorspellingen te doen op vlak van onder meer toxiciteit en metabolisme, waardoor proefdieren efficiënter kunnen ingezet worden en ook de kostprijs van een geneesmiddel kan dalen. Toch heeft ook deze technologie inherente beperkingen zoals weinig tot geen toepassing in het bestuderen van chronische aandoeningen of complexe systemen zoals de hersenen of het immuunsysteem.
Computers in tandem met proefdieren
De kracht van computers wordt meer en meer ingezet in biomedisch onderzoek, van interactiemodellen voor geneesmiddelen tot simulaties van hoe hersencellen met elkaar communiceren. Computers spelen ook een centrale rol in de bioinformatica om patronen te herkennen in gigantische hoeveelheden biomedische data. Naar analogie met in vitro en in vivo, wordt dit soort onderzoek in silico genoemd, naar het materiaal waar computer chips van gemaakt zijn.
Het computermodel of -simulatie is maar zo goed als de gegevens die je erin steekt natuurlijk, en die gegevens komen, naast celkweek experimenten, ook van dierproeven. Om bijvoorbeeld een nauwkeurig model te maken van hoe hersencellen communiceren, moet je eerst weten hoe deze hersencellen communiceren in een levend organisme. Proefdieren blijven dus essentieel om computermodellen op punt te zetten en nadien de voorspellingen ook te valideren. Een recent voorbeeld van de wisselwerking tussen computermodel en proefdier is de ontwikkeling van ‘neurale protheses‘ waarbij mensen na verlamming of amputatie een prothese kunnen aansturen met hun hersenen. Dankzij decennialang onderzoek met apen hebben we nu een gedetailleerd beeld van hoe hersencellen in de motorcortex (het deel van onze hersenen dat instaat voor beweging) signalen omzetten naar beweging. Via computermodellen konden wetenschappers de informatie in de hersencellen decoderen en elektroden ontwikkelen die werden ingeplant in de hersenen van de apen, waardoor zij in staat waren een robotische arm op afstand te controleren via hun gedachten. Het onderzoek op apen heeft als rechtstreeks gevolg dat we deze technologie nu kunnen toepassen om de miljoenen mensen te helpen die kampen met verlamming of amputaties.
Beeldvormingstechnieken
Moderne beeldvormingstechnieken zoals bijvoorbeeld CT (computed tomography), MRI (magnetic resonance imaging), PET (positron emission tomography), DTI (diffusion tensor imaging), vormen een waardevolle toevoeging aan het arsenaal van middelen om anatomie en fysiologie te bestuderen in mens en dier, en dit op een niet-invasieve manier en in een intact, levend organisme. Naast hun nut als diagnostische middelen, worden beeldvormingstechnieken ook vaak ingezet in wetenschappelijk onderzoek, zoals bijvoorbeeld om hersenactiviteit op te meten tijdens het uitvoeren van een taak via fMRI (functional magnetic resonance imaging) of om tumorgroei op te volgen in een levende rat via bioluminescence imaging. Het voordeel van deze technieken is dat enorm veel informatie kan verzameld worden voor hetzelfde proefdier door verschillende van deze niet-invasieve technieken toe te passen (een voorbeeld van vermindering dus).
Toch bieden deze beeldvormingstechnieken opnieuw slechts een fractie van de informatie die nodig is om een ziektebeeld te onderzoeken en laten ze niet toe om de complexe moleculaire wisselwerkingen, zoals bijvoorbeeld de onderliggende mechanismes van kanker of epilepsie, te bestuderen. Eveneens zijn proefdieren een cruciale schakel geweest om deze technieken te ontwikkelen en worden nog dagelijks ingezet om bijvoorbeeld nieuwe PET doelwitten te ontwikkelen om tumoren of de ziekte van Alzheimer sneller op te sporen.
Twee handen op één buik?
Het argument om proefdieren te verminderen via alternatieven wordt vaak aangehaald door tegenstanders. Hierbij focust men op alternatieven zoals 3D-organen, en gekweekte cellen in schaaltjes, MRI scanning (beeldvorming) of computermodellen en simulaties, maar zijn dit wel echt “alternatieven”? Deze technieken zijn eerder complementair aan onderzoek met proefdieren die andere wetenschappelijke vragen beantwoorden, elk met hun eigen voor- en nadelen. Het is dus absoluut geen zwart/wit keuze. We hebben nood aan een gradiënt van technieken om verschillende aspecten van complexe wetenschappelijke en biomedische vraagstukken te ontrafelen.
In vele takken van wetenschappelijk onderzoek zijn dierproeven complementair aan celkweek experimenten en computermodellen en deze drie pijlers vullen elkaar aan om maximale informatie te verwerven. In bepaalde onderzoeksvelden, zoals onder meer toxicologie, is het mogelijk het evenwicht maximaal te verschuiven naar in vitro en in silico. In andere onderzoeksvelden zijn deze methoden veel minder toereikend.
Het succes van zowel in vitro als in silico alternatieven hangt in grote mate af van resultaten verkregen uit dierproeven. Een computermodel dat hersenfuncties nabootst bijvoorbeeld, kan alleen gebouwd worden op basis van complexe informatie die, naast celkweek experimenten, ook verkregen wordt uit het levende orgaan in proefdieren. Daarna dienen deze computervoorspellingen steeds opnieuw gevalideerd te worden in celcultuur en proefdieren om de accuraatheid van het model te testen.