Tiermodell
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Einleitung
Ein Tiermodell ist ein nicht-menschliches Tier, das in der Forschung eingesetzt wird, weil bestimmte biologische Vorgänge oder Krankheitsmerkmale mit Vorgängen bei Menschen oder anderen Tieren vergleichbar sind. Das Tier dient dabei als Modell: Es bildet nicht die gesamte Wirklichkeit ab, sondern nur ausgewählte Eigenschaften, die für eine Forschungsfrage wichtig sind.
Tiermodelle werden besonders in der Biomedizin, Genetik, Pharmakologie und Entwicklungsbiologie genutzt. Ergebnisse aus einem Tiermodell lassen sich jedoch nicht automatisch auf den Menschen übertragen. Deshalb müssen Forschende immer prüfen, wie gut das Modell zur jeweiligen Frage passt.
Zielgruppe: Sekundarstufe II, berufliche Bildung und Einstieg ins Studium.
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Was ist ein wissenschaftliches Modell?
Ein wissenschaftliches Modell vereinfacht einen Ausschnitt der Wirklichkeit. Forschende nutzen Modelle, um Vorgänge zu beschreiben, Erklärungen zu prüfen oder Vorhersagen zu untersuchen.
Bei einem Tiermodell ist das Modell ein lebender Organismus. Entscheidend ist nicht, dass Tier und Mensch möglichst ähnlich aussehen. Wichtig ist vielmehr, ob der für die Forschungsfrage relevante biologische Prozess ausreichend vergleichbar ist.
Ein Tiermodell kann zum Beispiel genutzt werden, um die Wirkung eines Gens, die Entwicklung eines Organs, die Entstehung einer Krankheit oder die Reaktion auf einen Wirkstoff zu untersuchen.
Tiermodell und Modellorganismus
Die Begriffe Tiermodell und Modellorganismus überschneiden sich, bedeuten aber nicht genau dasselbe.
Ein Modellorganismus ist eine Art, die besonders gründlich erforscht wird und sich gut eignet, um grundlegende biologische Prozesse zu untersuchen. Dazu gehören beispielsweise die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, der Fadenwurm Caenorhabditis elegans, die Maus und der Zebrabärbling.
Von einem Tiermodell spricht man besonders dann, wenn ein Tier oder eine bestimmte Tierlinie einen konkreten biologischen Zustand oder eine Erkrankung abbilden soll.
Beispiele für Tiermodelle
Maus
Die Hausmaus ist eines der bekanntesten Säugetiermodelle. Mäuse besitzen viele biologische Gemeinsamkeiten mit dem Menschen. Ihre Gene können gezielt untersucht und verändert werden. Dadurch lassen sich bestimmte Krankheitsmechanismen modellieren.
Ein Beispiel ist die mdx-Maus, die als Modell für die Duchenne-Muskeldystrophie verwendet wird. Auch hier gilt: Das Modell bildet wichtige Aspekte der menschlichen Erkrankung ab, aber nicht jede Eigenschaft vollständig.
Zebrabärbling
Der Zebrabärbling Danio rerio wird unter anderem in der Entwicklungsbiologie, Genetik und Krankheitsforschung eingesetzt. Seine Embryonen entwickeln sich außerhalb des Muttertiers und sind in frühen Entwicklungsphasen weitgehend durchsichtig. Dadurch können Forschende Entwicklungsvorgänge direkt beobachten.
Fruchtfliege und Fadenwurm
Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist besonders für genetische Untersuchungen bedeutend. Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans besitzt einen einfachen, sehr gut untersuchten Körperbau und wird beispielsweise in der Entwicklungsbiologie und Neurobiologie eingesetzt.
Krallenfrosch
Der Afrikanische Krallenfrosch Xenopus laevis ist ein klassischer Modellorganismus der Entwicklungsbiologie. Seine vergleichsweise großen Eier und Embryonen erleichtern bestimmte experimentelle Beobachtungen.
Wie entstehen Tiermodelle?
Tiermodelle können auf unterschiedliche Weise entstehen.
- Spontanes Tiermodell: Eine Erkrankung oder ein Merkmal tritt beim Tier von selbst auf und ähnelt einem menschlichen Zustand.
- Induziertes Tiermodell: Ein bestimmter Zustand wird gezielt experimentell hervorgerufen.
- Genetisch verändertes Tiermodell: Gene werden verändert, ausgeschaltet oder ergänzt, damit ein bestimmter biologischer Mechanismus untersucht werden kann.
Diese Einteilung ist nicht immer trennscharf. Ein einzelnes Forschungsmodell kann mehrere Merkmale gleichzeitig besitzen.
Wie beurteilt man ein Tiermodell?
Die Qualität eines Tiermodells hängt immer von der konkreten Forschungsfrage ab. Wichtige Kriterien sind:
- Konstruktvalidität: Entsteht das untersuchte Merkmal durch einen ähnlichen biologischen Mechanismus wie beim Menschen?
- Augenscheinvalidität: Ähneln sichtbare oder messbare Merkmale dem menschlichen Zustand?
- Prädiktive Validität: Sagt das Modell bestimmte Reaktionen beim Menschen zuverlässig voraus?
- Reproduzierbarkeit: Lassen sich die Ergebnisse unter vergleichbaren Bedingungen wiederholen?
Ein Modell kann in einem Teilbereich sehr nützlich sein und in einem anderen ungeeignet. Deshalb ist die Aussage „Dieses Tier ist ein gutes Modell für den Menschen“ ohne konkrete Forschungsfrage zu ungenau.
Grenzen der Übertragbarkeit
Menschen und andere Tierarten teilen viele Gene, Zelltypen und grundlegende Stoffwechselwege. Gleichzeitig unterscheiden sie sich beispielsweise in Lebensdauer, Immunreaktionen, Stoffwechsel, Verhalten und Krankheitsverläufen.
Deshalb ist die Übertragbarkeit eine zentrale wissenschaftliche Frage. Ein Ergebnis im Tiermodell ist zunächst ein Ergebnis für dieses Modell. Erst weitere Untersuchungen können zeigen, ob der Befund auch für Menschen gilt.
Gute Forschung berücksichtigt solche Grenzen bereits bei der Planung, nutzt passende Kontrollgruppen, geeignete statistische Verfahren und beschreibt Methoden so genau, dass andere Arbeitsgruppen die Untersuchung nachvollziehen können.
Das 3R-Prinzip
Das 3R-Prinzip wurde von William Russell und Rex Burch formuliert und ist heute ein grundlegendes Prinzip beim Umgang mit Versuchstieren.
- Replacement: Tierexperimente werden ersetzt, wenn eine geeignete andere Methode verfügbar ist.
- Reduction: Es werden nur so viele Tiere eingesetzt, wie zur wissenschaftlichen Beantwortung der Frage notwendig sind.
- Refinement: Haltung und Verfahren werden so verbessert, dass Schmerzen, Leiden und Belastungen möglichst gering sind.
In der Europäischen Union ist das 3R-Prinzip im rechtlichen Rahmen zum Schutz von Tieren verankert, die für wissenschaftliche Zwecke verwendet werden. Auch in Deutschland müssen Tierversuchsvorhaben rechtliche und ethische Anforderungen erfüllen.
Alternativen und Ergänzungen
Moderne Forschung nutzt neben Tiermodellen zunehmend andere Methoden. Dazu gehören Zellkulturen, Organoide, Organ-on-a-Chip-Systeme, bildgebende Verfahren und Computermodelle.
Diese Methoden können bestimmte Tierversuche ersetzen oder ergänzen. Gleichzeitig bildet keine einzelne Methode automatisch einen vollständigen menschlichen Organismus ab. Deshalb werden Forschungsfragen häufig mit mehreren Modellen und Methoden untersucht.
Wissenschaft und Ethik
Die Verwendung von Tieren in der Forschung ist mit einer ethischen Abwägung verbunden. Dabei stehen unter anderem der mögliche wissenschaftliche oder medizinische Erkenntnisgewinn, die Belastung der Tiere, die Qualität des Versuchsdesigns und die Verfügbarkeit anderer Methoden gegenüber.
Für eine sachliche Bewertung ist wichtig, sowohl den möglichen Nutzen eines Tiermodells als auch seine Grenzen und die Belastung der Tiere zu betrachten. Wissenschaftliche Qualität und Tierschutz sind dabei eng verbunden: Ungeeignete oder schlecht geplante Versuche können Tiere belasten, ohne verlässliche Erkenntnisse zu liefern.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist ein Tiermodell? (Ein nicht-menschliches Tier, das ausgewählte biologische Prozesse für eine Forschungsfrage abbildet) (!Eine maßstabsgetreue Tierfigur) (!Ein ausschließlich digitales Simulationsprogramm) (!Eine Tierart, die nur im Schulunterricht vorkommt)
Warum können Ergebnisse aus Tiermodellen nicht automatisch auf Menschen übertragen werden? (Weil sich Tierarten in wichtigen biologischen Eigenschaften unterscheiden können) (!Weil Tiere keine Gene besitzen) (!Weil Tiermodelle grundsätzlich keine Krankheiten zeigen) (!Weil Forschungsergebnisse nur für Pflanzen gelten)
Was beschreibt einen Modellorganismus am besten? (Eine besonders gut untersuchte Art zur Erforschung biologischer Prozesse) (!Eine ausgestorbene Tierart) (!Ein Tier, das ausschließlich für Ausstellungen gezüchtet wird) (!Eine künstlich erzeugte Computersimulation)
Welche Eigenschaft macht Zebrabärblinge für Entwicklungsstudien besonders nützlich? (Ihre frühen Embryonen sind gut beobachtbar und entwickeln sich außerhalb des Muttertiers) (!Sie besitzen keine Zellen) (!Sie haben exakt dieselbe Lebensdauer wie Menschen) (!Sie benötigen keine Gene für ihre Entwicklung)
Was kennzeichnet ein spontanes Tiermodell? (Ein relevantes Merkmal oder eine Erkrankung tritt beim Tier von selbst auf) (!Das Tier besteht aus künstlichem Gewebe) (!Die Untersuchung findet ausschließlich am Computer statt) (!Das Tier wird durch ein mathematisches Modell ersetzt)
Was ist ein induziertes Tiermodell? (Ein Modell, bei dem ein bestimmter Zustand experimentell hervorgerufen wird) (!Ein Modell ohne biologische Veränderung) (!Eine Computersimulation eines Ökosystems) (!Ein ausschließlich natürlich entstandenes Fossil)
Wofür steht das erste R in Replacement? (Für das Ersetzen von Tierversuchen durch geeignete andere Methoden) (!Für die Wiederholung möglichst vieler Versuche) (!Für die Vergrößerung von Tiergruppen) (!Für die Verlängerung jedes Experiments)
Was bedeutet Reduction im 3R-Prinzip? (Die Zahl eingesetzter Tiere auf das notwendige Maß zu begrenzen) (!Alle Versuchstiere größer zu züchten) (!Die Versuchsdauer grundsätzlich zu verdoppeln) (!Nur Reptilien zu untersuchen)
Was bedeutet Refinement? (Verfahren und Haltung so zu verbessern, dass Belastungen möglichst gering sind) (!Alle Tiermodelle durch Pflanzen zu ersetzen) (!Ergebnisse nicht zu veröffentlichen) (!Möglichst viele Tierarten gleichzeitig zu verwenden)
Was beschreibt prädiktive Validität? (Die Fähigkeit eines Modells, bestimmte Reaktionen im Zielsystem vorherzusagen) (!Die Körpergröße des Versuchstiers) (!Die Zahl der Forschenden im Labor) (!Die Farbe eines Modellorganismus)
Memory
| Tiermodell | Stellvertreter für einen ausgewählten biologischen Prozess |
| Maus | Häufig eingesetztes Säugetiermodell |
| Zebrabärbling | Gut beobachtbare frühe Embryonalentwicklung |
| Drosophila | Klassischer Modellorganismus der Genetik |
| 3R-Prinzip | Rahmen für Ersatz, Verringerung und Verbesserung |
| Organoid | Dreidimensionale Zellstruktur als Forschungsmodell |
| Validität | Aussagekraft eines Modells für eine Forschungsfrage |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Replacement | Geeignete tierversuchsfreie Methode einsetzen |
| Reduction | Notwendige Tierzahl möglichst gering halten |
| Refinement | Belastung der Versuchstiere vermindern |
| Übertragbarkeit | Prüfen, ob Ergebnisse für ein anderes biologisches System gelten |
| Organoid | Dreidimensionales Zellmodell eines Gewebes oder Organs |
...
Kreuzworträtsel
| Tiermodell | Wie heißt ein Tier, das einen ausgewählten biologischen Prozess für die Forschung abbildet? |
| Zebrabärbling | Welcher kleine Fisch besitzt gut beobachtbare Embryonen und wird häufig in der Forschung genutzt? |
| Drosophila | Wie heißt die bekannte Fruchtfliegengattung aus der genetischen Forschung? |
| Replacement | Welches R steht für das Ersetzen eines Tierversuchs? |
| Refinement | Welches R bezeichnet die Verminderung von Belastungen? |
| Organoid | Wie heißt ein dreidimensionales Zellmodell, das Eigenschaften eines Organs nachbilden kann? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Steckbrief Tiermodell: Erstelle einen Steckbrief zu Maus, Zebrabärbling, Fruchtfliege oder Fadenwurm und nenne zwei typische Forschungsgebiete.
- Begriffsnetz Tiermodell: Zeichne ein Begriffsnetz mit Tiermodell, Modellorganismus, Forschungsfrage, Validität und Übertragbarkeit.
- Medienanalyse Tiermodell: Wähle eines der Bilder dieses aiMOOCs und erkläre, welche Information es über Forschung mit Modellorganismen vermittelt.
- 3R-Plakat: Gestalte ein übersichtliches Plakat, das Replacement, Reduction und Refinement mit eigenen Beispielen erklärt.
Standard
- Vergleich von Tiermodellen: Vergleiche Maus und Zebrabärbling für zwei unterschiedliche Forschungsfragen und begründe, warum ihre Eignung unterschiedlich sein kann.
- Fallbeispiel 3R: Entwickle für ein fiktives Forschungsvorhaben je eine Maßnahme zu Replacement, Reduction und Refinement.
- Pro und Contra Tiermodelle: Sammle sachliche Argumente zu Nutzen, Grenzen und ethischen Problemen von Tiermodellen und ordne sie nach wissenschaftlichen Kriterien.
- Alternativmethoden Recherche: Recherchiere Organoide, Organ-on-a-Chip und Computersimulationen und erstelle eine Tabelle mit Möglichkeiten und Grenzen.
Schwer
- Versuchsplanung ohne Durchführung: Plane theoretisch eine Untersuchung und erkläre, welche Kontrollen, Vergleichsgruppen und 3R-Maßnahmen nötig wären. Führe keinen Tierversuch durch.
- Validität bewerten: Entwickle Kriterien, mit denen Du die Konstruktvalidität, Augenscheinvalidität und prädiktive Validität eines Tiermodells bewerten könntest.
- Methodenmix Biomedizin: Entwirf eine Forschungsstrategie, in der Zellkultur, Organoid, Computermodell und gegebenenfalls Tiermodell sinnvoll aufeinander aufbauen.
- Wissenschaftskommunikation Tiermodell: Produziere ein kurzes Erklärvideo oder einen Podcast, der verständlich erklärt, warum ein Tiermodell zugleich nützlich und begrenzt sein kann.
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Lernkontrolle
- Modellauswahl begründen: Für eine Untersuchung der frühen Organentwicklung stehen Zellkultur, Zebrabärbling und Maus zur Verfügung. Beschreibe, welche Informationen jedes Modell liefern könnte und wo seine Grenzen liegen.
- Übertragbarkeit prüfen: Ein Wirkstoff wirkt bei Mäusen. Erkläre, welche zusätzlichen Schritte nötig sind, bevor daraus eine Aussage über die Wirkung beim Menschen abgeleitet werden kann.
- 3R anwenden: Überarbeite ein fiktives Versuchsdesign mit unnötig großer Tierzahl so, dass alle drei R berücksichtigt werden.
- Alternativen vergleichen: Vergleiche ein Organoid mit einem Tiermodell. Erkläre, welche biologischen Ebenen jeweils gut und weniger gut dargestellt werden können.
- Aussage kritisch prüfen: Beurteile die Aussage „Wenn ein Medikament im Tiermodell sicher ist, ist es auch für Menschen sicher.“ Formuliere eine wissenschaftlich präzisere Aussage.
- Forschungsstrategie entwickeln: Entwickle eine Reihenfolge verschiedener Methoden, mit der eine neue Hypothese möglichst aussagekräftig und zugleich ressourcen- und tierschonend untersucht werden kann.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können, dass Du:
- den Begriff Tiermodell fachlich korrekt erklärst,
- Tiermodell und Modellorganismus voneinander abgrenzt,
- wichtige Beispiele wie Maus, Zebrabärbling, Fruchtfliege und Fadenwurm einordnest,
- die Bedeutung von Validität und Übertragbarkeit erklärst,
- das 3R-Prinzip auf konkrete Forschungssituationen anwendest,
- Alternativmethoden wie Organoide und Organ-on-a-Chip beschreibst,
- wissenschaftliche Chancen, Grenzen und ethische Fragen sachlich gegeneinander abwägst.
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