Forsøg på eksotiske dyr (2013)

Af Tobias Wang, Professor i zoofysiologi, Aarhus Universitet

Eksotisk er afledt fra det græske ord eksotikos, der betyder 'udenlandsk', og bruges vel ofte om det fremmedartede. De ”eksotiske forsøgsdyr” er altså alle de dyr, som ikke almindeligvis bruges i forskning, dvs. mus, rotter, grise, hunde og katte.

Med andre ord er de eksotiske dyr altså langt, langt den overvejende del af jordklodens enorme mængde af dyregrupper, og uden en forståelse af det såkaldt ”eksotiske” virker det usandsynligt, at vi nogensinde vil kunne forstå – eller sætte pris på – den biologiske verden, vi lever i.

Ikke desto mindre udgør antallet af studier af eksotiske dyr – både i Danmark og i andre lande – en forsvindende lille del af den samlede mængde dyreforsøg. Dette skyldes utvivlsomt, at de fleste dyreforsøg på mus og rotter udføres med det eksplicitte formål at afdække basale fysiologiske, anatomiske eller biokemiske mekanismer, der kan forbedre vores forståelse af menneskets egne sygdomme og forfine deres behandling. Gnaverne og de andre traditionelle forsøgsdyr er dermed ”modeller” for at forstå menneskekroppen. Det specifikke forsøgsdyr er ofte valgt ud fra praktiske mere end egentligt intellektuelle overvejelser. Disse praktiske betragtninger inkluderer pris, pladskrav i forbindelse med opstaldning, et ønske om hurtigt generationsskifte samt om det er muligt at købe det relevante måleudstyr. Sidstnævnte grund er i en eller anden grad selvforstærkende, da udstyret jo udvikles til modeldyret.
Brugen af traditionelle forsøgsdyr har den store fordel, at der allerede er opbygget en enorm viden, inklusiv den praktiske ekspertise, som tillader umiddelbar sammenligning med tidligere studier og dermed ofte en mere fyldestgørende fortolkning.

Ikke desto mindre kan man med rette være bekymret for, om de traditionelle dyremodeller altid udviser relevante responser til de eksperimentelle behandlinger og hvorvidt de reagerer på samme måde som mennesker. Som et supplement til forskningen på de traditionelle forsøgsdyr, kunne man derfor vælge, at tage ved lære af de mange forskellige dyr, som har løst fysiologiske problemer, der kan minde om vores egne sygdomme. Med den tankegang kan vi altså søge inspiration i de mange fascinerende og ofte overraskende biologiske løsninger i dyreverdenen.

Der er mange grunde til at studere ”eksotiske dyr”

Udover de gode grunde til at overveje alternative dyremodeller i den biomedicinske forskning er det kun igennem studier af de eksotiske dyr, vi kan vurdere, hvordan klimaændringer og andre menneskeskabte miljøproblemer vil påvirke dyrenes fremtidige udbredelse og overlevelse i naturen. Netop denne målsætning, ofte i sund kombination med et grundvidenskabeligt ønske om at forstå hvordan og hvorfor dyrenes organer er opstået igennem evolutionen, danner rammerne for en stor del af den fysiologiske forskning blandt biologer. Igennem udvalgte eksempler på nylige og nuværende forskningsprojekter på forskellige eksotiske dyr ved Sektion for Zoofysiologi på Aarhus Universitet vil jeg opridse motivationen for vores projekter og redegøre for, hvordan resultaterne både kan have en anvendelse og give indsigt i fundamentale biologiske spørgsmål.

Den evolutionære fysiologi og Darwinian medicine

Alt jordklodens liv er beslægtet, hvilket indebærer, at vi mennesker deler mange funktioner med andre dyr, hvor det typisk er de samme gener og proteiner, der ligger til grund for en given fysiologisk eller biokemisk proces. Det, at kroppens fundamentale processer er så forbløffende ens hos en fisk og et menneske, er jo grundlaget for at bruge andre dyr end mennesket som model for at forstå os selv. Men ved at inddrage en evolutionær tankegang i vores valg af forsøgsdyr og i vores studier af verdens mangfoldige dyreliv, kan vi også opnå en mere sofistikeret indsigt i, hvorfor vores krop reagerer, som den gør, under særlige omstændigheder. Dette er et nyt og interdisciplinært forskningsfelt kaldet ”Darwinian Medicine”, hvor navnet henfører direkte til den engelske naturhistoriker Charles Darwin, der grundlagde den moderne evolutionsteori med en forklaring om, at livets gradvise forandringer forekommer gennem naturlig selektion.

Vores krop reagerer altså på en given under forskellige omstændigheder, fordi det jo netop er de reaktionsmønstre, som har sikret vores overlevelse og reproduktion igennem hele livets eksistens på jorden.

Kan den omsiggribende fedmeepidemi, for eksempel, forklares ved, at mennesket igennem dets tidligere evolution har måttet tilpasse sig en meget mere næringsfattig og uforudsigelig kost, hvor der altså var en positiv overlevelsesmæssig værdi forbundet med at kunne deponere fedt i perioder med masser af mad? Med andre ord: Er vi fanget i en krop med en appetitregulering tilpasset et helt andet miljø end vores nuværende verden med de kolossale og nemt tilgængelige madressourcer? Vores nuværende problemer med overvægt og den dertilhørende udvikling af sukkersyge (særligt type 2 diabetes – ”gammelmandssukkersyge”) og kredsløbsproblemer som forhøjet blodtryk bør altså forstås som et resultat af, at vores krop slet ikke er tilpasset vores nuværende livsbetingelser.

Tankegangen i ”Darwinian Medicine” lader også til at kunne forklare den mærkelige observation, at mange autoimmune sygdomme, som Crohns sygdom, er særligt udbredte i den vestlige verden.
Epidemiologiske, men også en del eksperimentelle undersøgelser, tyder nu på, at der er en sammenhæng med manglen på indvortes parasitter! Kunne det være, at vores immunsystem har udviklet sig evolutionært med en stadig tilstedeværelse af parasitter, og at den mangel på indvortes parasitter, som vi nu med glæde tilskriver vores forbedrede hygiejne, faktisk gør, at vores immunsystem ikke fungerer normalt?

Studier af særligt egnede dyr: August Krogh princippet

Der er ikke megen tvivl om, at Darwinian Medicine vil komme til at præge fremtidens lægevidenskab, men studier af alternative dyremodeller, altså studier af de eksotiske forsøgsdyr, er lige så gammelt som fysiologien. I 1600-tallet inspicerede William Harvey således det bankende hjerte hos levende slanger, da han beskrev blodets kredsløb og gjorde op med Galens lære, hvor blodet jo blev dannet i leveren og på mystisk vis forsvandt. I de følgende århundreder blev frøer, skildpadder og koldblodede hvirveldyr ved med at være foretrukne forsøgsdyr fordi deres lave stofskifte indebærer, at de kunne holdes i live uden kunstig ventilation, selv under invasive kirurgiske indgreb. Det var således ikke en egentlig interesse i disse dyr, der drev valget, men – måske lidt som i dag – praktiske overvejelser, der lå til grund for valget af netop disse til forsøg. Ikke desto mindre førte studierne til mange fundamentale opdagelser, og dannede dermed en solid basis for nutidens lægevidenskab.

I løbet af 1800-tallet hvor den eksperimentelle biologi for alvor slog igennem særligt i Tyskland og Frankrig, blev man desuden i stigende grad opmærksom på, at nogle dyr var særligt egnede til studier af specifikke problemstillinger. Og da Christian Bohr var med til at grundlægge den eksperimentelle fysiologi i Danmark i slutningen af 1800-tallet, studerede han blandt andet svømmeblæren hos torsk, gasudveksling hos frøer, hønse- og slangeæg, og lungefunktion hos skildpadder. Skildpaddernes særlige anatomi, hvor de to luftrør, der leder til hver lunge, udspaltes allerede i halsen, fik senere Bohrs elev, Nobelprismodtageren August Krogh, til i 1929 at bemærke, at det nærmest virkede som om, at netop dette dyr var designet til studier af lungefunktion. Denne bemærkning, og Kroghs oftest geniale valg af alternative forsøgsdyr, ledte til formuleringen af, hvad vi i dag kalder for ”August Krogh princippet”: At der ofte findes én eller flere arter, der er særligt egnede til undersøgelse af en given fysiologisk problemstilling.

Der er ikke noget, der tyder på, at August Krogh tænkte i evolutionære baner, da han formulerede ”August Krogh princippet”, men i dag er det nærliggende at kombinere princippet med Darwinian Medicine. Givet den fælles evolutionære historie blandt dyr kan vi altså vælge at studere arter, som har tilpasset sig ekstreme miljøforhold eller har udviklet en evne til at udføre særegne adfærdsmønstre med henblik på 1) at afdække den basale mekanisme, samt 2) forstå, hvilke fysiologiske og biokemiske løsninger der sikrede netop denne arts overlevelse og tilpasning. I nogle tilfælde vil en sådan forståelse kunne virke inspirerende på en klinisk behandling af menneskelige sygdomme.

Slanger som August Krogh-dyr til undersøgelser af tarmens funktioner

Slanger adskiller sig på mange måder fra andre dyr og er blandt andet i stand til at overleve enormt lange perioder uden mad. Vi ved således fra en række feltstudier, at nogle slangearter kun æder ganske få gange om året, og der findes mange velunderbyggede fortællinger fra terrariefolk om slanger, der har overlevet i op til to år uden føde. Til gengæld kan slanger sluge enorme måltider, nogle gange mere end deres egen kropsvægt. En række dyreforsøg har vist, at de indre organer, særligt tyndtarmen, skrumper under den langvarige faste.

Dette respons formodes at nedsætte stofskiftet, idet slangen dermed sparer på de vedlige-holdelsesomkostninger, som er forbundet med at holde et organ funktionelt. Vi ved nu, at særligt tarmens slimhinde skrumper kraftigt, og at tarmens evne til at optage næringsstoffer nedsættes mere end ti gange. Denne strategi til at overleve lange perioder uden føde er naturligvis kun adaptiv, hvis slangerne beholder evnen til hurtigt at opregulere tarmens funktioner, og vi ved nu, at denne evne skyldes en massiv opregulering af flere tusinde gener indenfor det første døgn efter måltidet, men det vil kræve en række nye forsøg at identificere de enkelte mekanismer. Studierne kan være med til at forbedre behandlingen af mennesker, hvor tarmen også nedreguleres under faste eller underernæring, enten som følge af indtagelse af føde uden om mavetarmkanalen, hvor næringsstofferne indgives i en blodåre, eller mere dramatiske situationer som hungersnød, sultestrejke eller anoreksi.

Skildpadder som August Krogh-dyr til undersøgelser af livet uden ilt

Energien til de mange biokemiske processer i kroppen hos hvirveldyr – stofskiftet – dannes ved forbrænding under et stadig forbrug af ilt.
Når ilttilgængeligheden ikke er tilstrækkelig, kan stofskiftet forløbe anaerobt ved ufuldstændig forbrænding, hvor sukker omdannes til mælkesyre. Denne proces er 20 gange mindre effektiv end den fuldstændige aerobe forbrænding med ilt, og leder desuden til en forsuring af kropsvæskerne, der kan forstyrre alle de andre biokemiske processer i kroppen. Derfor er næsten alle hvirveldyr afhængige af ilt, men nogle arter af sumpskildpadder overvintrer i søbundens mudder under isen, og trækker derfor ikke vejret i mange måneder.

På trods af, at de kan optage nogen ilt over huden, vil de ofte opleve helt iltfrie forhold, og stofskiftet kan derfor kun dækkes gennem produktion af mælkesyre. Skildpadderne kan tolerere enorme mængder af mælkesyre (200 mM i plasma) og forhindre, at forsuringen bliver livstruende ved at syren reagerer med kalk i skjoldet (bufres), og vi kan beregne, at det ville være umuligt for skildpadden at overleve den lange vinter uden ilt, hvis den ikke havde et skjold.

Nu er en klinisk behandling, hvor patienten udstyres med et skjold som en anden ”ninja-turtle” næppe en farbar vej på danske hospitaler, men det er særdeles relevant at undersøge, hvordan de indre organer, særligt de meget iltafhængige organer som hjerte og hjerne, klarer sig uden ilt.

Skildpaddens hjerne udskiller enorme mængder af hæmmende neurotransmittere, hvorved skildpad-den befinder sig i en form for selvinduceret komatilstand. Elektrofysiologiske undersøgelser og adfærdsstudier tyder imidlertid på, at skildpadderne holder hjernen på et vågeblus, der tillader, at de kan opfatte den øgede dagslængde og stigningen i temperaturerne om foråret, hvilket gør, at de kan slippe ud af deres ”komatilstand”.

Komatilstanden minder på mange måder om den koma som bruges til de patienter efter iltmangel, fx i forbindelse med genoplivning efter drukneulykker eller iltmangel under fødslen. Skildpaddens fysiologiske udfordringer er imidlertid ikke ovre når den endelig kommer til overfladen for at trække vejret igen. For mens de første åndedrag indeholder den tiltrængte ilt til det aerobe stofskifte, kan den pludselige tilførsel af ilt også virke giftigt. Ilt er nemlig et særdeles reaktivt molekyle som gennem de særligt aktive iltradikaler kan gøre enorm og uoprettelig skade på kroppens proteiner. Dette problem er velkendt hos patienter med en blodprop i hjertets kranspulsåre, hvor en stor del af skaden på hjertet faktisk opstår umiddelbart efter blodproppen er fjernet når blodet atter løber til det iltfattige væv. Vi arbejder for tiden med at undersøge hvordan stoffer som nitrit og nitrogen oxid kan beskytte mod vævsskaden i denne kritiske periode, hvis ilten altså virker som et tveægget sværd.

Conservation physiology: Temperaturens indflydelse på stofskifte og kredsløb

I takt med beskrivelsen af de mange og omfattende klimaændringer rundt omkring på kloden er der opstået en stigende bekymring for, hvordan en fortsat global opvarmning vil påvirke dyrenes geografiske udbredelse. Særligt er der frygt for, at mange tropiske arters overlevelse er truet, men også herhjemme vil vi med stor sandsynlig opleve, at nye arter kommer til, og at nuværende arter forsvinder. Det er derfor vigtigt, vi forstår, hvilke fysiologiske mekanismer, der begrænser dyrene tolerance over for både høje og lave temperaturer. Denne type forskning er i løbet af de senere år lanceret som ”conservation physiology”, fordi målet er at afdække de fysiologiske funktioner, der kan være med til at bevare arterne i deres naturlige miljø og/eller forudsige, hvordan miljøændringer vil påvirke deres trivsel og udbredelse.

I de seneste år har der været megen furore om påstanden om, at dyrenes kredsløbs- og respirationsfysiologiske kapacitet nedsættes ved ekstreme temperaturer og dermed ikke er i stand til at dække kroppens behov for ilt. Der har derfor været mange studier af, hvordan hjertets puls og dyrenes evne til at øge stofskiftet under fysisk arbejde påvirkes af temperaturen. Særligt i det seneste år er der fremkomet en del resultater, som viser, at andre mekanismer end kredsløbsfunktionen er kompromitterede ved høje temperaturer, og vi står dermed tilbage med en noget mere broget og mindre simpel fysiologisk model til at forklare, hvordan klimaændringer påvirker de mange forskellige arter.

I bagklogskabens klare lys er det nok ikke så overraskende, at dyr udviser en enorm mangfoldighed i deres temperaturtolerance, men manglen på en forenende teori betyder, at vi ikke blot kan ekstrapolere resultater fra en dyreart til en anden art. Indtil videre forbliver det derfor nødvendigt at udføre dyreforsøg på en række forskellige arter. Lignende studier er naturligvis også vigtige for at vejlede naturforvaltningen i, hvordan vi kan bekæmpe invasive arter.

Akvakultur på eksotiske fisk: Luftåndende fisk er en vigtig proteinkilde i Sydøstasien

Meget af den zoofysiologiske forskning ved Aarhus Universitet har siden 1972, hvor laboratoriet blev grundlagt, beskæftiget sig med luftåndende fisk. Luftåndende fisk findes primært i tropiske ferske vande, hvor den høje temperatur øger stofskiftet, og hvor der ofte forekommer iltmangel. Den overlevelsesmæssige værdi ved luftånding forekommer derfor åbenlys, men kræver ikke desto mindre en række fysiologiske tilpasninger. Vi ved nu, at luftånding er opstået uafhængigt af hinanden knap 40 gange igennem evolutionen, og vi kender blandt andet til fisk, der bruger mundhulen, maven, tarmen og svømmeblæren til at optage ilten fra luften.
Om end studierne af de luftåndende fisk startede på basis af oprigtig grundvidenskabelig nysgerrighed, har vi særligt indenfor de sidste 10 år opdaget, at vores forståelse af disse eksotiske dyr faktisk kan bruges til noget! Luftåndende fisk opdrættes nemlig i større og større grad i dambrug, særligt i Sydøstasien.

Herhjemme kender de fleste Pangasius fra frysedisken i supermarkedet, hvor det hvide og billige kød er blevet en alvorlig konkurrent til rødspætter og andre af vores hjemlige fladfisk. De færreste ved dog, at Pangasius bruger svømmeblæren til luftånding, og at de derfor trives i vand helt uden ilt. En række andre arter af luftåndende fisk som også findes i den sydøstasiatiske akvakultur ses sjældent i danske butikker, men bidrager som en sund og god proteinkilde i den lokale befolkning.

I Danmark har vi igennem de sidste århundreder haft fint parløb mellem akvakulturindustrien og forskningen ved de højere læreranstalter. Dette samarbejde har skabt en solid vidensbase, der har været med til at optimere opdrættet af ørred og ål og andre arter. Dette er ikke tilfældet i Sydøstasien, hvor der typisk har manglet økonomisk støtte til den sammenlignende fysiologi, og der vides derfor næsten ingenting om, hvordan opdrættet af de luftåndende fisk kan optimeres.

Vi har igennem støtte fra DANIDA derfor etableret et laboratorium i Mekongdeltaet, hvor vi blandt andet undersøger, hvordan vandets iltniveau påvirker vækst og trivsel, og hvordan øget saltholdighed påvirker deres fysiologi. En øget saltholdighed er relevant, fordi kommende havvandstigninger betyder, at enorme arealer i det flade Mekongdelta vil kunne komme til at bestå af brakvand i løbet af det 21. århundrede.
Til vores glædelige overraskelse vokser en del af de relevante arter forbavsende godt ved lavere saltholdigheder (under 12 promille, dvs. som store dele af Østersøen).

Forsøg på eksotiske arter – de tre R’er

Mange af de ovenstående problemstillinger kræver, at man udfører forsøg på hele og levende dyr, da det jo netop er den integrerede organisme, der skal undersøges for at klarlægge den overlevelsesmæssige vigtighed af en given fysiologisk funktion.

Ofte er der således ikke noget kunstigt alternativ, en matematisk model, eller mulighed for at undersøge funktionerne i isolerede organer (Replacement).

Endvidere er det ofte problematisk at studere dyrene under bedøvelse, da mange af de fysiologiske responser kun fungerer gennem neural regulering, og netop centralnervesystemet forstyrres jo typisk under bedøvelse. Da der desværre vides alt for lidt om smertedækning og effekterne af de forskellige bedøvelsesmidler hos de mange eksotiske dyr, er det vigtigt, at netop disse aspekter undersøges med henblik på ”Refinement”.

Endelig er det glædeligt og meget spændende, at der netop i disse tider udvikles nye typer af måleudstyr, som tillader fysiologiske målinger af dyr i deres naturlige miljø. Her er det særligt udviklingen af små computerstyrede målepakker, som driver udviklingen og vi har nu målepakker, der er mindre end en tændstikæske, der kan indopereres i kropshulen i forskellige dyr, som kan måle puls, blodtryk, og blodgennemstrømning mens alle målinger gemmes på et SD kort. Vi samarbejder med amerikanske kolleger om lignende målinger af blodets iltniveau og mælkesyrekoncentration, og andre forskningsgrupper udarbejder teknikker til måling af blodets sukkerholdighed og andre relevante fysiologiske mål.

I løbet af de kommende årtier vil det altså være muligt at foretage langvarige målinger på et beskedent antal dyr, som udstyres med små målepakker i kropshulen, hvorfra vi kan opnå målinger af puls, blodtryk, blodets iltniveauer, sukkerholdighed og mælkesyre. Når disse teknikker er implementerede, kan der optages enorme datamængder på hvert enkelt forsøgsdyr, mens de udfører naturlig adfærd. Målingerne vil derfor være af ekstrem høj kvalitet, og med den rette planlægning vil vi kunne reducere antallet af dyr, der skal bruges til at afdække en given problemstilling (”Reduction”).

Mange af de zoofysiologiske forsøg foregår i udlandet, enten som feltarbejde eller igennem samarbejder med lokale forskningsgrupper. I nogle lande som Vietnam findes ingen forsøgsdyrslovgivning, og selv en egentlig dyreværnslov synes ikke at spille en fremtrædende rolle. Andre lande som Brasilien havde nærmest ingen lovgivning for få år siden, men indfører i løbet af 2014 en lovgivning, der minder om den europæiske.

Disse forskelle kan naturligvis give en række problemer, men en både fornuftig og pragmatisk løsning kan være, at man sørger for at holde sig indenfor de europæiske og danske regler.

Søg på 3rcenter.dk