ADHS im Tiermodell - Einführung

Tiermodelle zur Erforschung von Störungsbildern werden an drei zentralen Validitätskriterien gemessen:¹

• Beobachtungsvaildität (Augenscheinvalidität)
  • Ähnlichkeit der Verhaltensweisen oder Symptome mit den Kernsymptomen der Störung beim Menschen
• Konstruktvalidität
  • Übereinstimmung mit einer theoretisch fundierten pathophysiologischen Grundlage
• Vorhersagevalidität (prädiktive Validität)
  • Übertragbarkeit der Ergebnisse im Tiermodell auf den Menschen zur Vorhersage der therapeutischen Wirksamkeit neuer Behandlungsformen

Nagetiere sind als Tiermodelle sehr beliebt, weil sie in ihren Anlagen dem Menschen sehr ähneln, leicht zu halten sind und Entwicklungszyklen und Stoffwechsel sehr schnell sind. Ein Tag im Leben einer Ratte entspricht ca. 27 Tagen eines Menschen.² Aufgrund des beschleunigten Stoffwechsel ist die benötigte Dosis von Stimulanzien allerdings auch erhöht, sodass Ratten deutlich höhere Dosen eines Wirkstoffs benötigen als Menschen, was bei der Beurteilung von Medikamentenstudien zu beachten ist.

1. Modelltiere¶

Es gibt verschiedene Rattenzüchtungen, die als Tiermodelle ADHS-HI, ADHS-C, ADHS-I und Nichtbetroffene repräsentieren. An ihnen wird untersucht, welche neurophysiologischen Veränderungen mit welchen Symptomen einhergehen. Modelltiere werden auf verschiedene Weisen generiert:

• Zucht oder Auswahl auf bestimmte Symptome hin (z.B. Spontaneously Hypertensive Rat, SHR)
• Manipulation eines einzelnen Gens, meist Knockout (KO) (z.B. Dopamintransporter-Knockout, DAT-KO)
• Behandlung der Elterntiere vor Zeugung oder Schwangerschaft (Nikotin, Ethanol)
• Aussetzung gegenüber chemischen Stoffen, Belastungen oder Krankheitserregern während Schwangerschaft oder frühkindlich (z.B. Hypoxie; 6-Hydroxydopamin, 6-OHDA).
• operative Eingriffe (z.B. Läsionen des rechten frontalen Kortex, Durchtrennung des Corpus callosum)
• Aussetzung gegenüber sozialen Faktoren (z.B. frühkindliche Isolation)

1.1. Wie Knockout-Tiere erzeugt werden¶

Darstellung nach Gainetdinov & Caron, 2001³

Normalerweise wird zur Züchtung von Tieren mit einem bestimmten Gen-Knockout zunächst im Labor eine Mutation in dem betreffenden Gen erzeugt, die (in der Regel) dazu führt, dass das Genprodukt inaktiv wird. Diese inaktivierte Gen wird meist durch Mikroinjektion des mutierten Gens in embryonale Stammzellen (ES-Zellen) in das Tier eingebracht. ES-Zellen lassen sich im Labor recht einfach in Petrischalen züchten und manipulieren. Das in die ES-Zellen injizierte mutierte Gen kann sich während der homologen Rekombination an die Chromosomenregion anlagern, die die normale Kopie enthält. Homologe Rekombination ist der natürliche Vorgang, wenn sich beide Kopien eines Chromosoms in Keimzellen nebeneinander anordnen und genetisches Material zwischen dem väterlichen und dem mütterlichen Chromosom austauschen.
Nach dem Vorgang der homologen Rekombination kann die Chromosomenregion ausgetauscht werden.

ES-Zellen, in denen diese seltene chromosomale Umlagerung erfolgte, können selektiert werden, damit sie in der Kulturschale bevorzugt wachsen. Dazu wird der injizierten DNA ein zweites Gen beigemischt, das für ein Protein kodiert, das die Zellen gegen bestimmte Antibiotika resistent macht. Während die nicht manipulierten ES-Zellen durch das Antibiotikum Neomycin abgetötet werden, bleiben nur die gezüchteten Zeilen mit der seltenen Rekombination bleiben am Leben und können wachsen. In der Folge wird einigen dieser ES-Zellen zur Kontrolle DNA entnommen, um das Vorhandensein des mutierten Gens zu bestätigen. Diese verifizierten Zellen werden dann in die Gebärmutter der Tiere (meist Mäuse oder Ratten) eingesetzt. Die erste Generation an Nachkommen weist nun eine normale und eine inaktive Kopie des manipulierten Gens auf. Werden diese Tiere untereinander gekreuzt, weist nach den allgemeinen Regeln der Genetik etwa ein Viertel der nächsten Generation zwei Kopien des inaktivierten Gens auf. Diese werden selektiert und dienen in der Folge als Forschungsstamm.

1.2. Modelltiere für ADHS¶

Die SHR wie die DAT-KO repräsentieren eine Form von ADHS-HI, während Wistar-Kyoto-Ratten (WKY) üblicherweise Nichtbetroffene abbilden. Daneben gibt es mit der SHR/NCrl einen SHR-Stamm, der Symptome von ADHS-C zeigt, und mit der WKY/NCrl einen Stamm, der Symptome von ADHS-I (Aufmerksamkeitsdefizit ohne Hyperaktivität) zeigt.⁴⁵⁶⁷ Sofern Untersuchungen dies nicht differenzieren, ist regelmäßig davon auszugehen, dass mit Wistar-Kyoto-Ratten (WKY) das Nichtbetroffenen-Modell gemeint ist.
Dass diese Tiermodelle ihre Symptome allein aufgrund der genetischen Ausstattung und ohne Einfluss von frühkindlichem Stress ausprägen,⁸ zeigt, dass auch bestimmte Genvarianten allein einen eigenen Pfad zur Entstehung von psychischen Störungen wie z.B. ADHS repräsentieren können und dass die beiden Entstehungspfade Gene allein und Gene + Umwelt nebeneinander bestehen.
Interessanterweise haben die SHR bereits allein aufgrund ihrer genetischen Veranlagung eine gestörte HPA-Achse (Stress-Achse).

Bei Nagetieren ist das vorherrschende Glukokortikoid das Corticosteron, anstelle des beim Menschen vorherrschenden Cortisols. Ansonsten sind sich die Stresssysteme von Nagetieren und Hominiden erstaunlich ähnlich, trotz der rund 90 Millionen Jahre, vor denen sich ihr evolutionärer Stammbaum trennte.
Auch bei Hunden wird ADHS erörtert.⁹¹⁰ Eine ADHS-Rating-Skala für Hunde zeigte belastbare Ergebnisse.¹¹ Eine weitere Skala zur Messung von ADHS bei Hunden ist in der Entwicklung.¹²

2. Medikamentendosierung im Tiermodell¶

Medikamentendosen können nicht linear nach Gewicht auf Tiere angepasst werden. Die Umrechnung erfolgt meist anhand der Körperoberfläche oder anderen pharmakokinetische Skalierungen.¹³¹⁴
Die Pharmakokinetik bei Nagetieren ist deutlich schneller als beim Menschen.

2.1. Human Equivalent Dose (HED)¶

Human Equivalent Dose (HED): Umrechnung nach Körperoberfläche¹⁵

Die gängige Methode ist die Human Equivalent Dose (HED), basierend auf der Körperoberfläche:

HED (mg/kg) = Tierdosis (mg/kg) × (𝐾𝑚 (Tier) / 𝐾𝑚 (Mensch))

Km-Werte nach FDA-Richtlinien (basierend auf Körperoberfläche):

• Maus: 3
• Ratte: 6
• Mensch (70 kg): 37

Beispielrechnung

• Maus:
  • 1 mg/kg MPH entspricht für einen Menschen mit 70 kg: HED = 1 × (3 / 37) = 0,081 mg/kg = 5,7 mg
  • 10 mg/kg MPH entspricht für einen Menschen mit 70 kg: HED = 10 × (3 / 37) = 0,81 mg/kg = 57 mg
  • 15 mg/kg MPH entspricht für einen Menschen mit 70 kg: HED = 15 × (3 / 37) = 1,21 mg/kg = 85,5 mg
• Ratte
  • 1 mg/kg MPH, entspricht das für einen Menschen mit 70 kg: HED = 1 × (6 / 37) = 0,16 mg/kg = 11,4 mg
  • 5 mg/kg MPH, entspricht das für einen Menschen mit 70 kg: HED = 5 × (6 / 37) = 0,81 mg/kg = 57 mg
  • 10 mg/kg MPH, entspricht das für einen Menschen mit 70 kg: HED = 10 × (6 / 37) = 1,62 mg/kg = 114 mg

Äquivalent sind nur Gaben gleicher Zuführungsart. Eine Spritze wird schneller verstoffwechselt als eine orale Aufnahme. Daher entsprechen 15 mg/kg oral gegebenes MPH bei einer Maus einer sehr hohen medikamentösen Dosis, 15 mg/kg subkutan gespritztes MPH dagegen einer Drogendosis.

2.2. Typische orale Dosierungen von Methylphenidat in Tierversuchen¶

Diese Dosen sind in Tierstudien üblich, um therapeutische bzw. subtoxische Effekte zu untersuchen.

• Mäuse (oral, gängig in der Literatur):
  • Niedrig: 1–2 mg/kg
  • Mittel: 5–10 mg/kg
  • Hoch: 20–30 mg/kg
• Ratten (oral):
  • Niedrig: 0,5–2 mg/kg
  • Mittel: 2–10 mg/kg
  • Hoch: 10–20 mg/kg

Die typischen therapeutischen Dosen beim Menschen liegen bei 0,3–1 mg/kg oral (z. B. 18–72 mg pro Tag bei ADHS-Behandlung). Daraus ergibt sich, dass Tierdosen von 5–10 mg/kg Maus oder 2–10 mg/kg Ratte im Bereich der humanen Äquivalenz liegen, wenn man die HED-Umrechnung anwendet.

3. Tiermodelle erlauben Analyse der Ursachen verschiedener Symptome¶

Die verschiedenen Tiermodelle zeigen plastisch, dass Symptome wie Hyperaktivität, Impulsivität oder Aufmerksamkeitsprobleme jeweils von ganz verschiedenen Ursachen ausgelöst werden können. Von den Ursachen (z.B. einem bestimmten Gendefekt) ist die Vermittlung von Symptomen zu unterscheiden. So können sehr verschiedene Ursachen (z.B. Gendefekte) ein Dopamindefizit oder andere einen Dopaminüberschuss bewirken, die beide wiederum aufgrund der Abweichung vom optimalen Dopaminspiegel nahezu identische Symptome vermitteln (Inverted-U).¹⁶ Um dies zu verdeutlichen, haben wir die Tiermodelle, soweit uns bekannt, in solche mit einem Dopaminmangel und einem Dopaminüberschuss eingeteilt. Dopamin ist bei ADHS zwar der wichtigste Faktor, dennoch tragen die übrigen Einflüsse ebenfalls bei.
Ob extrazellulär ein hypo- oder hyperdopaminerger Zustand herrscht, ist nach unserem Verständnis wenig relevant - beides geht mit ADHS-Symptomen einher. Extrazelluläre Dopaminspiegel sind bei überaktiven DAT zu niedrig, und das phasisch ausgeschüttete Dopamin wird durch überaktive DAT bereits wiederaufgenommen, bevor es sein Signal an die Rezeptoren übertragen kann. Bei unteraktiven DAT sind extrazelluläre Dopaminspiegel zu hoch, sodass es als Rauschen die Signalübertragung stört. Vor allem aber fehlt es an wiederaufgenommenem Dopamin, um die Vesikel für die phasisches Dopaminausschüttung wieder aufzufüllen.
Extrazellulär hyperdopaminerge wie hypodopaminerge Zustände beeinträchtigen die Signalübertragung durch phasisches Dopamin.

Die meistgenutzten Kriterien für die Modellvalidität umfassen die Augenscheinvalidität, die Konstruktvalidität und die Voraussagevalidität.
Augenscheinvalidität: Zuverlässigkeit, mit der das Modell bestimmte Zustandsmerkmale (z.B. die Verhaltenssymptome eines psychiatrischen Störungsbilds) reproduziert.
Konstruktvalidität: Zuverlässigkeit, mit der das Modell das misst, was es messen soll (Ätiologie und Pathogenese einer Störung)
Voraussagevalidität (prädiktive Validität): Zuverlässigkeit, mit der das Modell die Beziehung zwischen einem auslösenden Faktor und einer beobachtbaren Auswirkung der Krankheit einerseits und der beobachtbaren Auswirkungen eines therapeutischen Mittels auf die Krankheit andererseits vorhersagt.

Interessanterweise zeigen Mausmodelle, bei denen die Dopaminrezeptoren deaktiviert wurden, kaum ADHS-Symptome, was die Bedeutung der DAT und ihren Einfluss auf das extrazelluläre und das phasische Dopamin weiter unterstreicht.

4. ADxS: Tiermodelle nach extrazellulärem Dopaminspiegel¶

Wir haben die Tiermodelle auf den folgenden Seiten nach extrazellulärem Dopaminspiegel unterteilt:

1. ADHS-Tiermodelle mit verringertem extrazellulärem Dopamin
2. ADHS-Tiermodelle mit erhöhtem extrazellulärem Dopamin
3. ADHS-Tiermodelle mit (uns) unbekannter Dopaminveränderung
4. Tiermodelle, die ADHS unzureichend repräsentieren

Cabana-Domínguez et al. haben fast 200 Mausmodelle zusammengetragen, bei denen die Manipulation einzelner Gene Hyperaktivität, Hyper- und Hypoaktivität, Impulsivität oder Unaufmerksamkeit auslöste.¹⁷ Mehr hierzu unter Monogenetische Tiermodelle für ADHS-Symptome im Beitrag Monogenetische ADHS-Ursachen