Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

An intact insect embryo as a test system for neurotoxicity and developmental neurotoxicity

The human brain has to undergo a variety of structural and functional changes throughout the development. At that point, developmental disturbances of single processes could inhibit normal brain formation. The developing brain is particularly vulnerable during certain key processes such as cell proliferation, cell migration, cell differentiation or the formation of axons. It should be emphasized that early changes in brain development are not reversible and persist for the rest of life. Accordingly, the developing infantile brain is much more susceptible towards lower toxic concentration of chemicals than the adult one. Exposure to industrial or environmental compounds (e.g. pesticides) or maternal lifestyle habits (e.g. alcohol consumption) during pregnancy or lactation period can trigger developmental neurotoxic (DNT) diseases in the progeny. Based on epidemiological studies only a handful of chemicals have been identified as developmental neurotoxic agents. Currently, strict guidelines for DNT testing, released by the OECD and EPA, demand the usage of large numbers of rodents for animal experiments. According to the high financial burdens, the time-consuming experiments and the large number of animals, alternative DNT detection systems are required. Most alternative methods are based on in vitro cell culture systems that can monitor mainly readily quantifiable key events such as proliferation or differentiation. However, the formation of a functional brain requires a precise, spatially and temporally coordinated navigation of axons within the tissue environment. The intact locust embryo as a DNT system exactly addresses this issue and provides the opportunity to examine axon navigation of identified pioneer neurons within their natural microenvironment.

Das menschliche Gehirn durchläuft während seiner Entwicklung eine Vielzahl an strukturellen und funktionellen Veränderungen. Die Schädigung eines einzelnen Schlüsselprozesses kann in der Folge bereits eine normale Hirnentwicklung verhindern. Besonders verletzlich ist das Gehirn während bestimmter Schlüsselprozesse wie der Zellproliferation, der Zellmigration, der Zelldifferenzierung oder während der Bildung von Nervenzellfortsätzen (Axonen). Früheste Schädigungen sind nicht reversibel und bleiben für den Rest des Lebens erhalten. Demnach ist das sich entwickelnde kindliche Gehirn gegenüber toxischen Chemikalien in niedriger Konzentration empfindlicher als das eines Erwachsenen. Verschiedenste Einflüsse von Umwelt- oder Industriechemikalien (z.B. Pestizide) aber auch Faktoren des Lebensstils (z.B. Alkoholkonsum) können, bei den Nachkommen der Schwangeren oder Stillenden, für das vermehrte Auftreten von neurologischen Entwicklungsstörungen verantwortlich sein. Mittels epidemiologischer Studien konnte bisher lediglich eine Handvoll entwicklungsneurotoxischer Chemikalien identifiziert werden. Strikte Richtlinien der OECD und EPA für das Identifizieren solcher Chemikalien fordern die Verwendung großer Mengen an Nagetieren als Versuchsobjekte. Wegen der hohen finanziellen Kosten, den zeitintensiven Experimenten und dem hohen Verbrauch an Wirbeltieren, werden alternative Testsysteme benötigt. Die meisten Ersatzmethoden basieren auf Zellkulturverfahren, die einfache Schlüsselprozesse (z.B. Zellvermehrung oder Differenzierung) während der Hirnentwicklung in der Petrischale simulieren. Die Entwicklung eines funktionalen Gehirns erfordert jedoch die präzise, räumliche und zeitliche Verdrahtung von Nervenzellaxonen im Gewebe. Der intakte Heuschreckenembryo als entwicklungsneurotoxisches Testsystem greift genau an diesem Punkt an und ist in der Lage, die Wegfindung von identifizierten Pionierneuronen in ihrem natürlichen Gewebeverband darzustellen.

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