Toxizitätstests macht man derzeit noch vorwiegend an lebenden Tieren, im Rahmen der Umweltrisikoprüfung vor allem an Fischen. Ein von Eawag-Forscherinnen entwickeltes Alternativverfahren nimmt gerade entscheidende Hürden hin zur breiten Anwendung in der Praxis. Auch dank der Überzeugungsarbeit der beteiligten Wissenschaftlerinnen.

Professor Kristin Schirmer (rechts) und ihre Kollegin Melanie Fischer. Foto: Basil Stücheli

Wie misst man, ob ein chemischer Stoff für die Umwelt unbedenklich ist? Indem man lebende Fische steigenden Dosen dieser Chemikalie aussetzt, bis sie schliesslich sterben. Und wie misst man, ob das Wasser aus den Kläranlagen auch wirklich sauber ist? Indem man Fische als lebende Sensoren hält. Sie zeigen an, ob es Probleme mit der Wasserqualität gibt, quasi als Frühwarnsystem.

Dass das auch anders gehen müsste, war Professorin Kristin Schirmer, Leiterin der Abteilung Umwelttoxikologie an der Eawag, seit Längerem klar. Sie nennt das aktuelle Standardverfahren zur Messung der Wasserqualität einen «unzeitgemässen, groben Test». Trotzdem ist der sogenannte akute Fischtoxizitätstest einer der am weitest verbreiteten Tests in der Umweltregulatorik. Schirmer ist überzeugt, dass es an der Zeit ist, das zu ändern. Wie stellt man also sicher, dass jede Gefahr erkannt wird, ohne am lebenden Objekt zu experimentieren?

Schirmer und ihr Team haben dafür ein Verfahren mit einer Zelllinie aus den Kiemen der Regenbogenforelle etabliert. Dabei gingen sie davon aus, dass die akute Fischtoxizität in erster Linie auf die Kiemenzellen im Fisch wirkt. Das mittlerweile etablierte Verfahren ist so etwas wie ein standardisierter Fisch-Ersatz, der in verschiedenen Labors zum Einsatz kommen kann und überall dieselben Resultate liefern sollte. Den Durchbruch brachte ein Ringversuch in verschiedenen Labors rund um den Globus. Der wissenschaftliche Artikel dazu wurde im April 2019 im renommierten Journal «Toxicological Sciences» publiziert. Damit haben sie und ihr Team bewiesen: Das im eigenen Labor längst etablierte Verfahren funktioniert solide und ist auch in anderen Laboratorien reproduzierbar.

Kiemenzellen fluoreszierende Farbstoffe
Foto: Basil Stücheli

Die Kiemenzellen können mit Hilfe von fluoreszierenden Farbstoffen auf ihre Vitalität geprüft werden. Dabei reagieren sie auf ein ganzes Spektrum an chemischen Substanzen in vergleichbarer Weise wie lebende Fische. «Unsere Annahme, dass Giftstoffe zunächst auf die Kiemen wirken, hat sich damit bestätigt», so Schirmer. Ein paar wenige Ausreisser gab es, insbesondere bei einigen neurotoxischen Substanzen. Deshalb planen die Eawag Forscherinnen eine Erweiterung des Verfahrens auf Nervenzellen. Mit Zelllinien aus der Leber und dem Darm der Regenbogenforelle betreiben sie bereits intensive Untersuchungen zur Chemikalienwirkung. Dabei experimentieren sie auch mit der Züchtung von Zellen auf Chips, auf welchen die Zellvitalität in Echtzeit anhand des von den Zellen geleisteten elektrischen Widerstands gemessen werden kann. Mit solchen Chips sollten auch ferngesteuerte, vollautomatische Messungen möglich sein. «Unsere Vision ist es, einen lebenden Fisch komplett durch die Kombination verschiedener Zelltypen zu simulieren», sagt Schirmer. Ihr Team arbeitet bereits daran, dass Auswirkungen von Chemikalien in Zukunft ganz von Computerprogrammen eruiert werden können.

«Unsere Vision ist es, einen lebenden Fisch komplett durch die Kombination verschiedener Zelltypen zu simulieren», so Professorin Kristin Schirmer, Leiterin der Abteilung Umwelttoxikologie an der Eawag

So erbarmungslos der derzeitige Test anmutet, zumindest misst er, was er messen soll. Oder? «Es ist eine Illusion, anzunehmen, dass jeder Test mit
lebenden Fischen eindeutige Ergebnisse liefert», sagt Schirmer. Denn der Test sei im Konzept und in der Validierung primitiv. In Sachen Vergleichbarkeit und Verlässlichkeit sei der neue Test viel robuster, die Anforderungen an die Labors seien rigoroser. Das überzeugt die Fachwelt. Und auch vonseiten der Industrie gibt es bereits grosses Interesse. Der Ringversuch wurde vom europäischen Chemieverband mitfinanziert. Denn die Revolution würde nicht nur weniger Tierversuche bedeuten, sondern auch ein einfacheres, günstigeres und standardisierteres Verfahren. Sehr bald kamen konkrete Test-Anfragen aus der Wirtschaft und Schirmer gründete mit ihrer Laborantin Melanie Fischer und dem damaligen Eawag Postdoc Stephan Fischer bereits das Eawag-Spin-off aQuaTox-Solutions.

Mit der Publikation der Ringstudie war die Sache «forschungsmässig eigentlich erledigt». Dennoch stecken Schirmer und ihr Team nach wie vor viel Zeit in das Projekt, um sicherzustellen, dass das Verfahren auch tatsächlich in der Praxis ankommt. Es sei eine extrem grosse Motivation für sie, etwas so Wichtiges in die Gesellschaft einzubringen. Und so besucht sie regelmässig Zertifizierungsbehörden und lernt, wie man nicht nur Peers aus der Forschung, sondern auch technische Experten in verschiedenen Kommissionen überzeugt. Die kombinierte Forschungs- und Überzeugungsarbeit führte schliesslich dazu, dass erstmals ein Toxizitätstest mit gezüchteten Kiemenzellen ISO-zertifiziert worden ist. Das hat den Forscherinnen den Rs Award des R Kompetenzzentrums Schweiz (RCC) eingetragen. Und Schirmer ist zuversichtlich, dass es nun rasch weitere Fortschritte geben wird. Derzeit arbeitet sie mit Experten an der Zertifizierung des Kiemenzellentests durch die OECD.

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