Kan technologie een eind maken aan het gebruik van proefdieren voor wetenschappelijk onderzoek?

Als gevolg van de groeiende bezorgdheid over dierenwelzijn, hebben onderzoekers nieuwe methoden ontwikkeld om producten en medicijnen te testen zonder dierproeven.

  • Steeds minder dierproeven
  • Orgaan-chips bootsen het functioneren van menselijke organen na
  • Computermodellering voorspelt hoe het menselijk lichaam op bepaalde chemicaliën reageert
  • In het lab gekweekte huidmodellen vervangen dierproeven in de cosmetica-industrie
  • Hoe lang nog voordat we voorgoed kunnen stoppen met dierproeven?

Dierproeven zijn al jarenlang een belangrijk en zeer omstreden onderdeel van laboratoriumonderzoek. In de cosmetica-industrie wordt de veiligheid van nieuwe cosmeticaproducten met dierproeven getest, in de toxicologie worden de effecten van chemicaliën op die manier bestudeerd, in farmacologisch onderzoek wordt de veiligheid en toxiciteit van geneesmiddelen op dieren getest en in biomedisch onderzoek worden dieren gebruikt voor allerlei experimenten. Volgens een rapport van het Amerikaanse ministerie van Landbouw werden er in 2017 maar liefst 792.168 dieren voor testen gebruikt in verschillende overheids-, universitaire en particuliere onderzoeksfaciliteiten. Het ging om 191.766 cavia’s, 145.841 konijnen, 98.576 hamsters, 75.825 primaten, 64.707 honden en 51.020 varkens.

 Een infographic met het aantal dieren dat in 2017 in de VS gebruikt werd voor laboratoriumonderzoek.

Volgens een rapport van het Amerikaanse ministerie van Landbouw werden er in 2017 maar liefst 792.168 dieren voor testen gebruikt in verschillende overheids-, universitaire en particuliere onderzoeksfaciliteiten. Het ging om 191.766 cavia’s, 145.841 konijnen, 98.576 hamsters, 75.825 primaten, 64.707 honden en 51.020 varkens.

Steeds minder dierproeven

Vanwege de stijgende bezorgdheid over dierenwelzijn en het groeiende bewijs dat de resultaten van dierproeven niet altijd op mensen van toepassing zijn, wenden onderzoekers zich in toenemende mate tot alternatieve testmethoden waarbij geen dieren zijn betrokken. “Meer dan 90% van de medicijnen komen niet door de klinische testen, ondanks positieve resultaten in preklinische dierproeven. De meeste van deze medicijnen falen om redenen van toxiciteit en slechte werkzaamheid die niet bij dieren werden ontdekt”, vertelt Dr. Jarrod Bailey, senior onderzoekswetenschapper bij Cruelty Free International. Bovendien, wanneer iets giftig is voor dieren, betekent dat niet noodzakelijkerwijs dat het ook giftig is voor mensen. “Stoffen die veilig en effectief zijn voor mensen, kunnen bij dierproeven worden afgewezen of vertraagd vanwege diertoxiciteit, waardoor de ontwikkeling van effectieve behandelingen voor mensen mogelijk wordt belemmerd”, aldus Christina Dodkin, de onderzoeksdirecteur van Animal Defenders International (ADI), toe.

Bovendien is er aangetoond dat zelfs kleine genetische verschillen tussen mensen en dieren de progressie van een ziekte en de respons op een behandeling beïnvloeden. De biologie van dieren is eenvoudigweg te verschillend van de onze om nauwkeurig te kunnen voorspellen hoe het menselijk lichaam op bepaalde producten of chemicaliën zal reageren. Ook is het zo dat we dieren vaak gebruiken om behandelingen te testen voor ziekten die van nature niet bij dieren voorkomen, waardoor onderzoekers kunstmatige versies van die ziekten moeten ontwikkelen, wat de waarde van de verkregen resultaten ook weer twijfelachtig maakt. Verder kunnen de resultaten van dierproeven in laboratoria ook worden beïnvloed door verschillen in leeftijd, geslacht, dieet of zelfs het materiaal in de slaapruimten of hokken van de dieren en voor hetzelfde medicijn verschillende resultaten opleveren. Het lijkt er echter op dat hier in de toekomst verandering in komt. In de afgelopen jaren zijn verschillende innovatieve, diervrije testmethoden ontwikkeld die niet alleen een einde zouden kunnen maken aan deze dierenmishandeling, maar ook resultaten opleveren die relevanter zijn voor de menselijke gezondheid.

Orgaan-chips bootsen het functioneren van menselijke organen na

Een van de meest veelbelovende alternatieven voor dierproeven zijn microchips met levende menselijke cellen en weefsels. Met deze chips kunnen onderzoekers de mechanische en moleculaire kenmerken van menselijke organen nabootsen, zoals het hart, de nieren, de longen, de lever en de darmen. “Een orgaan-chip is een levende micro-engineering omgeving die de natuurlijke fysiologie en mechanische krachten die cellen in het menselijk lichaam ervaren opnieuw creëert. Onze orgaan-chips bieden cellen een soort gesimuleerde thuisomgeving waarin ze kunnen leven zoals ze dat in het menselijk lichaam doen”, vertelt Geraldine A. Hamilton, president en chief science officer van Emulate Inc., een van de bedrijven die werken aan deze technologie.

Deze miniatuurversies van menselijke organen kunnen gebruikt worden bij onderzoek naar ziekten maar ook bij het testen van geneesmiddelen en toxiciteit van chemicaliën, in plaats van daar dieren voor te gebruiken. Bovendien zijn ze wat betreft het nabootsen van de menselijke fysiologie, ziekten en geneesmiddelenreacties accurater gebleken dan dierproeven en leveren resultaten die relevanter zijn voor mensen. “Onze orgaan-chips werken binnen het menselijke emulatiesysteem dat real-time inzichten biedt in de innerlijke werking van de menselijke biologie en ziekten. Ze bieden onderzoekers een nieuwe technologie die is ontworpen om de menselijke respons nauwkeuriger en gedetailleerder te voorspellen dan we met de hedendaagse celcultuur of experimentele dierproeven kunnen doen”, zegt Hamilton. Het uiteindelijke doel is om meerdere organen op chips te combineren om een ​​Patient-on-a-Chip te creëren die het hele menselijke lichaam zou kunnen nabootsen.

In het lab gekweekte huidmodellen vervangen dierproeven in de cosmetica-industrie

In 2013 maakte de Europese Unie een einde aan dierproeven voor cosmetische producten die binnen de EU worden geproduceerd en verkocht. In de daaropvolgende jaren introduceerde een aantal andere landen soortgelijke regelgeving waardoor cosmeticabedrijven op zoek moesten naar alternatieve manieren om de functionaliteit en veiligheid van nieuwe cosmeticaproducten te kunnen testen. “We hebben alternatieven nodig voor diermodellen,” zegt Dr. Anja Krattenmacher, een postdoctorale wetenschapper in de sector voor hoogwaardige materialen bij Merck, een bedrijf dat gezondheidszorg, life sciences en hoogwaardige materialen ontwikkelt. “Naast ethische overwegingen is het ook belangrijk om te benadrukken dat de huid van dieren verschilt van de menselijke huid en dat deze anatomische verschillen de absorptie en penetratie van producten kunnen beïnvloeden”.

Als alternatief voor dierproeven ontwikkelde Merck 3D-huidmodellen, gemaakt van fibroblasten en keratinocyten. De fibroblasten, een celtype dat verantwoordelijk is voor de productie van de extracellulaire matrix en collageen, worden eerst ingebed in een extracellulaire matrix om de dermis te bouwen – de tweede, dikkere laag van de huid die onder de opperhuid ligt. Om vervolgens ook de epidermis te ontwikkelen introduceren de onderzoekers keratinocyten, een celtype dat keratine produceert. Daarna worden de modellen blootgesteld aan de lucht waardoor celdifferentiatie op gang komt. Dit kan 10 tot 14 dagen duren. Zodra de celdifferentiatie is voltooid, kunnen de onderzoekers cosmetische producten toevoegen en verschillende tests uitvoeren.

Deze 3D-huidmodellen hebben een structuur die vergelijkbaar is met die van de echte menselijke huid, waardoor ze resultaten kunnen produceren die relevanter zijn voor mensen dan die met dierproeven bereikt worden. “3D-huidmodellen hebben een enorm potentieel. De resultaten zijn reproduceerbaar en kunnen vaak worden vertaald naar mensen, waardoor er minder behoefte is aan dierproeven. Tegelijkertijd bieden de modellen fundamentele inzichten in cellulaire interacties binnen weefselachtige structuren. Deze modellen zullen, niet alleen in de cosmetische industrie, maar ook in medisch onderzoek, een belangrijke rol gaan spelen”, aldus Krattenmacher.

Computermodellering voorspelt hoe het menselijk lichaam op bepaalde chemicaliën reageert

De afgelopen jaren hebben onderzoekers ook gewerkt aan de ontwikkeling van geavanceerde computermodellen die de effecten van bepaalde chemicaliën op het menselijk lichaam zeer nauwkeurig kunnen voorspellen. De traditionele aanpak, waarbij de toxiciteit van een bepaalde stof door middel van dierproeven wordt getest, is naast wreed meestal ook erg duur en tijdrovend. Voor een enkel bestrijdingsmiddel moeten bijvoorbeeld 30 dierproeven gedaan worden. Dit kost ongeveer $20 miljoen plus 20 kg van de chemische stof en het leed van meer dan 10.000 dieren, waaronder muizen, ratten, konijnen en honden. Het hele proces duurt ongeveer vijf jaar. Als alternatief hebben de onderzoekers van het Center for Alternatives to Animal Testing (CAAT) aan de Johns Hopkins University een computerprogramma ontwikkeld dat kunstmatige intelligentie (KI) gebruikt om bestaande gegevens over chemische toxiciteit te verwerken en nieuwe inzichten te genereren.

 Een infographic toont wat er moet gebeuren voordat een bestrijdingsmiddel wordt goedgekeurd.

Voor het testen van 1 enkel bestrijdingsmiddel moeten 30 dierproeven gedaan worden. Dit kost ongeveer $20 miljoen plus 20kg van de chemische stof en het leed van meer dan 10.000 dieren, waaronder muizen, ratten, konijnen en honden. Het hele proces duurt ongeveer vijf jaar.

De onderzoekers creëerden eerst een uitgebreide database bestaande uit 800.000 toxicologische onderzoeken naar meer dan 10.000 industriële chemicaliën. Deze database werd vervolgens gebruikt om een ​​geavanceerd voorspellend algoritme te trainen zodat het de toxiciteit van een chemische stof kan bepalen zonder dat daar dierproeven voor nodig zijn. Het programma maakt dus gebruik van de kracht van big data en een machine learning-methode genaamd transfer learning. Deze methode gebruikt informatie van een bepaald probleem om een ander, gerelateerd probleem op te lossen. Op basis van de wetenschap dat vergelijkbare chemicaliën vergelijkbare eigenschappen hebben, brengt het programma als het ware het chemische universum in kaart door vergelijkbare chemicaliën dicht bij elkaar te plaatsen. Wanneer onderzoekers nu een nieuwe chemische stof aan de kaart willen toevoegen, kunnen ze naar de dichtstbijzijnde ‘buren’ kijken om te bepalen of de stof schadelijke gevolgen heeft voor de gezondheid en/of het milieu.

In de volgende stap werkten de onderzoekers samen met Underwriters Laboratories (UL), een wereldwijd veiligheidsadvies- en certificeringsbedrijf, om de database uit te breiden tot meer dan 10 miljoen chemische structuren. Vervolgens gebruikten ze een Amazon-cloudserver om de overeenkomsten en verschillen tussen alle 10 miljoen chemicaliën te analyseren en op de chemische kaart te plaatsen. Bij toepassing op 190.000 chemicaliën die al waren geclassificeerd op basis van eerdere dierproeven, wist het algoritme de toxiciteit van een bepaalde chemische stof 87 procent van de tijd correct te voorspellen. Dit is vergeleken bij herhaalde dierproeven, die slechts 70 procent van de tijd correct zijn, een belangrijke verbetering. Niet alleen vermindert deze benadering de noodzaak voor dierproeven en het enorme leed dat daarmee gepaard gaat, ook de kosten kunnen hiermee drastisch omlaag. Het systeem stelt chemici namelijk in staat potentiële problemen te identificeren voordat de verbindingen worden gesynthetiseerd. Hierdoor genereren ze bovendien minder toxische alternatieven.

Hoe lang nog voordat we voorgoed kunnen stoppen met dierproeven?

Dierproeven en het enorme leed dat hiermee gepaard gaat worden de afgelopen jaren steeds vaker onder de loep genomen. Actiegroepen, gesteund door het publiek, sporen de industrie en onderzoekers al jaren aan om alternatieve, dierproefvrije testmethoden te ontwikkelen. Naast de overduidelijke ethische problematiek zijn er bovendien steeds meer aanwijzingen die suggereren dat de resultaten van dierproeven vanwege de grote verschillen tussen de menselijke en dierlijke fysiologie in veel gevallen niet direct toepasbaar zijn op mensen.

In de afgelopen jaren zijn er verschillende innovatieve testmethoden ontwikkeld – van 3D-huidmodellen en microchips die het functioneren van menselijke organen nabootsen tot KI-gestuurde computermodellen die de toxiciteit van een bepaalde chemische stof bepalen. Deze alternatieve methoden zijn niet alleen goedkoper en sneller dan dierproeven, maar leveren ook resultaten op die relevanter zijn voor de menselijke gezondheid.

Hoewel  verschillende dierproeven in de toxicologie en de cosmetica-industrie door deze nieuwe methoden zijn vervangen, blijven dierproeven voor een aantal testen in de toekomst toch nog toegepast worden. “Het grootste probleem bij het ontwikkelen van kunstmatige orgaansystemen is het nabootsen van de volledige complexiteit van een levend organisme in vitro”, vertelt Florian Schmieder, een onderzoeker aan het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology. “De uitdaging is om de kinetiek en dynamiek van het menselijk lichaam op een echt voorspellende manier na te bootsen”. Hoewel oplossingen als orgaan-chips veelbelovend zijn, zijn ze nog niet  geavanceerd genoeg om dierproeven volledig te vervangen. De ontwikkelingen zijn echter hoopvol en laten zien dat een toekomst zonder dierproeven mogelijk en binnenkort wellicht te realiseren is.

Gratis e-books voor 13 sectoren.

De wereld verandert in snel tempo en dat heeft grote impact op all sectoren. Daarom hebben we voor maar liefst 13 sectoren een compact e-book ontwikkeld. Daarin vind je de laatste trends op een rij, onderbouwd met interessante statistieken.
Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Dit blog is geschreven door Richard van Hooijdonk

Trendwatcher, futurist en internationaal topspreker Richard Van Hooijdonk neemt je mee naar een inspirerende toekomst die leven, werken en ondernemen drastisch gaat veranderen.

Alle Lezingen