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Win-Win in der Muskelforschung: schnellere Ergebnisse und weniger Versuchstiere dank neuer Methode
Um Muskelerkrankungen zu erforschen, sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf Mäuse als Modellorganismus angewiesen. Forschende der Universität Basel haben nun eine neue Methode entwickelt, die nicht nur schneller und effizienter ist als herkömmliche Verfahren, sondern auch die Zahl der benötigten Versuchstiere bei der Erforschung der Funktion von Genen in Muskelfasern stark reduziert.
12. Oktober 2023 | Heike Sacher
Forschende nutzen Mäuse als Modellorganismen, um die Struktur und Funktion der Skelettmuskulatur, neuromuskulären Erkrankungen sowie Alterungsprozesse im Muskel zu erforschen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind sich dabei ihrer Verantwortung beim Einsatz von Tieren bewusst und haben sich an der Universität Basel dazu verpflichtet, die sogenannten 3R-Prinzipien – Replacement, Reduction, Refinement – in der tiergestützten Forschung und Tierhaltung konsequent umzusetzen.
Die neu entwickelte Methode der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Markus Rüegg am Biozentrum der Universität Basel ist ein weiterer Schritt, um die Zahl der Versuchstiere zu reduzieren. Für die Forschung eröffnet die Methode zudem neue Wege, um schnell, kostenreduziert und effizient mehrere Gene gleichzeitig oder sogar ganze Signalwege in Muskelfasern zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie sind in «Nature Communications» veröffentlicht.
Die Schwierigkeit Muskelfasern zu erforschen
Die Untersuchung von Genen im Muskeln ist nicht einfach. Zum einen sind Muskelfasern sehr gross und leicht zerbrechlich, wenn man sie isoliert. Zum anderen können sie im Menschen bis zu einem halben Meter lang sein und tausende von Zellkernen beinhalten. Möchte man die Gene in diesen Zellkernen verändern und untersuchen, müssen dazu alle Zellkerne verändert werden. Das stellt Forschende seit jeher vor grosse Herausforderungen.
Seit einigen Jahren Nutzen Wissenschaftler für solche Untersuchungen die CRISPR/Cas9-Methode. Dabei wird mit Hilfe eines Virus das sogenannte Cas9-Protein sowie eine speziell designte Guide-RNA in den Organismus und damit in die Zellkerne eingeschleust. Das Cas9-Protein sorgt dafür, dass das Erbgut der Zellkerne an der von der Guide-RNA erkannten Stelle zerschnitten und verändert wird. Diese Kombination aus Cas9-Protein und Guide-RNA ermöglicht es, die Funktion von Genen zu verändern.
Die CRISPR-Cas9-Methode lässt sich splitten
Damit jedoch das Virus aber nur die Zellkerne der Muskelfasern verändert und nicht auch die Zellkerne anderer Organe, hat das Forschungsteam die CRISPR/Cas9-Methode mit einer weiteren Methode kombiniert: Zunächst gelang es den Forschenden Mäuse zu züchten, in deren Muskelzellen das Cas9-Protein bereits vorhanden war – und zwar nur dort. Anschliessend schleusten sie die gewünschte Guide-RNA mit einem sogenannten Adeno-assoziierten Virus in den Organismus ein, das speziell die Muskelzellen befällt.
Diese Kombination führt dazu, dass die Guide-RNA in den Muskelfasern auf das Cas9-Protein trifft und das Erbgut wie gewünscht verändert wird. «Die Methode ermöglicht uns, dass tatsächlich nur die Muskelfasern ihr Erbgut verändern», erklärt Erstautor Marco Thürkauf.
Weniger Versuchstiere und effizientere Resultate
Da das Adeno-assoziierte Virus auch mehrere Guide-RNA-Stränge gleichzeitig transportieren kann, kann das Team nun mit Hilfe der Methode die Funktion mehrerer Gene gleichzeitig oder sogar ganze Signalwege in Muskelfasern erforschen. Zudem reduziert die Methode die Anzahl der Tiere, die für einen Versuch benötigt werden, deutlich.
«Alle eingesetzten Tiere sind zur Untersuchung der Gene geeignet und müssen nicht erst über Jahre gezüchtet werden. So können die Muskelfasern und neuromuskuläre Erkrankungen erforscht werden, ohne dass eine Vielzahl von Mäusen zum Einsatz kommen», so Marco Thürkauf.
Auch andere Forschungsgruppen haben bereits ihr Interesse signalisiert. «Wir haben schon jetzt mehrere interessierte Gruppen in unserer Forschungsgemeinschaft, die unsere Methode gerne einsetzen würden», so Markus Rüegg. «Das ist sowohl für die Muskelforschung an sich als auch für unser Ziel, Tierversuche zu reduzieren, ein grosser Gewinn.»
Originalpublikation
Marco Thürkauf, Shuo Lin, Filippo Oliveri, Dirk Grimm, Randall J. Platt & Markus A. Rüegg
Fast, multiplexable and efficient somatic gene deletions in adult mouse skeletal muscle fibers using AAV-CRISPR/Cas9
Nature Communications (2023), doi: 10.1038/s41467-023-41769-7
