Bei länger an Diabetes erkrankten Menschen wurden eine reduzierte Lernfähigkeit und eine verlangsamte Erregungsleitung an Nerven beobachtet. In Tierversuchen wurden die molekularen Ursachen dieser neurobiologischen Folgen untersucht. Daraus resultieren bioethische Fragen nach dem Für und Wider von Tierversuchen zu medizinischen Zwecken.

2.1

Erläutere den durch Insulin bewirkten Vorgang in einer Zelle als eine Signaltransduktion (Abb. 1, Material 1).

8 BE

2.2

Werte die Ergebnisse der beiden in Material 3 beschriebenen Experimente im Hinblick auf die in Material 2 aufgestellte Forschungsfrage aus.

10 BE

2.3

Skizziere die Struktur eines Mitochondriums im Querschnitt.

6 BE

Erkläre die veränderte Erregungsleitung bei Diabeteserkrankungen proximat (Material 4).

8 BE

2.4

Analysiere auf Basis von Material 5, warum die beiden Akteure auf der Podiumsdiskussion trotz ihrer nahezu übereinstimmenden Aussagen in Streit geraten (Material 6).

8 BE

Material 1: Informationsübertragung durch Insulin

Die chemische Informationsübertragung durch Hormone ermöglicht die Kommunikation zwischen Zellen im Organismus. Dem in der Bauchspeicheldrüse von Säugetieren gebildeten Insulin kommt beispielsweise eine wichtige Funktion für den Energiestoffwechsel in den Zellen zu (vgl. Abb. 1).

Abbildung 1: Wirkung von Insulin an Zielzellen

Material 2: Diabetes

Bei Diabetes Typ 1 kann kein Insulin mehr gebildet werden. In der Folge kommt es zur sogenannten Hyperglykämie, einer erhöhten Glucosekonzentration im Blut der Patienten. Diese scheint nach ersten Beobachtungen mit kognitiven Beeinträchtigungen bei Betroffenen einherzugehen. Es wurde daher die Forschungsfrage aufgestellt, ob diese Beeinträchtigungen eine neurobiologische Grundlage haben.

Material 3: Untersuchungen zum Orientierungsverhalten von Ratten mit Diabetes

Mögliche Auswirkungen von Diabetes Typ 1 auf die Neuroplastizität wurden zunächst an Ratten untersucht, da diese ein vergleichbares Nervensystem aufweisen.

In einem ersten Experiment hat man an Diabetes Typ I erkrankte Ratten täglich in ein Wasserlabyrinth mit einer knapp unter der Wasseroberfläche versteckten, Halt bietenden Plattform gesetzt, auf der sie sich ausruhen können. Durch Messung der Schwimmwege, die sie benötigten, um die Plattform zu erreichen, lässt sich ihr Lernvermögen beurteilen.

Abbildung 2: Orientierungsverhalten von Ratten im Wasserlabyrinth

Als fEPSP (field Excitatory Postsynaptic Potential) bezeichnet man das elektrische Feld, welches durch die gleichzeitige Tätigkeit vieler Synapsen entsteht und mithilfe von Mikroelektroden im Gehirn gemessen werden kann. Auf diese Weise hat man in einem zweiten Experiment die synaptische Erregungsübertragung in den für das räumliche Orientierungsvermögen verantwortlichen Gehirnregionen der Ratten am fünften Versuchstag untersucht.

Abbildung 3: Synaptische Erregungsmuster im Gehirn von Ratten

Material 4: Neuronale Erregungsleitung bei Diabetes

Bei Diabetes ist auch die Fortleitung von Aktionspotenzialen über die Axone verändert. Experimente zur Aufklärung dieser Beeinträchtigungen lieferten folgende Befunde:

Tab. 1: Langfristige Einflüsse von Diabetes auf Nervenzellen

Struktur	Beeinträchtigung
Myelinhaltige Hüllzellen	Fortschreitender Abbau durch dauerhafte Minderdurchblutung des Gewebes
Mitochondrien	Mangelhafte Nährstoffversorgung durch Minderdurchblutung des Gewebes

Material 5: Aufbau eines Arguments

Eine fachlich fundierte Analyse bioethischer Konflikte sollte auf der Basis professionell formulierter Argumente erfolgen, die wie das folgende Beispielargument aufgebaut sein sollten:

• Normative Aussage: Alle Menschen sollen mit Nahrung versorgt sein (Wert: Wohlergehen).

• Deskriptive Aussage: Gentechnisch verändertes Saatgut erhöht die Ernteerträge in trockenen Regionen.

• Konklusion: Gentechnisch veränderte Nahrungsmittel sind zuzulassen.

Material 6: Ethische Aspekte von Tierversuchen

Auf einer Podiumsdiskussion zum Thema Tierversuche in der medizinischen Forschung geht es um den Fall von Laborratten, an denen künstlich Diabeteserkrankungen ausgelöst wurden (vgl. Material 2 bis Material 4). Da sich die Nervensysteme von Ratten und Menschen in größeren Teilen ähneln, erhofft man sich so langfristig Ansätze für neue Therapien, erläutert der Moderator der Veranstaltung. Eine Wissenschaftlerin spricht sich für solche Tierversuche aus und gibt ergänzend an:

„Die Ratten entwickeln die gleiche Form von Diabetes sowie ähnliche neurologische Folgen wie Menschen.“

Ein Tierschützer reagiert verärgert und leitet ein intensives Streitgespräch wie folgt ein:

„Genau. Ratten bekommen die gleiche Diabeteserkrankung und folglich annähernd die gleichen neurologischen Folgeerscheinungen wie Menschen – und deshalb sind diese Tierversuche abzulehnen.“

2.1

Der insulinvermittelte Glucosetransport in eine Zelle und die dadurch ausgelöste Proteinbiosynthese werden veranschaulichend dargestellt und als Form der Signaltransduktion verständlich gemacht:

Bindung des Insulins an externe Rezeptoren ist Beginn einer Signaltransduktion, in der nach Aktivierung spezifischer Transkriptionsfaktoren die Proteinbiosynthese von GLUT-4 ermöglicht wird. Diese Glucosetransporter werden nachfolgend in die Zellmembran integriert, sodass der Glucosetransport als zelluläre Reaktion erfolgt.

2.2

Die Einzelergebnisse werden in einen Zusammenhang gestellt und daraus Schlussfolgerungen zur diabetesbedingten Neuroplastizität gezogen:

• Experiment 1: Initial legen Test- und Kontrolltiere ähnliche Schwimmstrecken im Wasserlabyrinth zurück, bis sie zur Plattform gelangen. Die zurückgelegten Strecken werden von Tag zu Tag kürzer, wobei Ratten mit Diabetes jeweils längere Strecken zurücklegen, um das Ziel zu finden.

• Experiment 2: Im relevanten Hirngebiet können bei hyperglykämischen Ratten geringere fEPSP ausgelöst werden als bei Kontrolltieren. Das heißt, die synaptische Erregungsübertragung ist vermindert.

• Folgerung: Lernen ist in Bezug auf räumliche Orientierung bei diabetischen Ratten aufgrund von verminderter synaptischer Plastizität eingeschränkt.

2.3

Die Strukturen eines Mitochondriums werden übersichtlich grafisch dargestellt:

Die eingeschränkte axonale Erregungsleitung wird nachvollziehbar gemacht, indem sie jeweils auf proximate Ursachen zurückgeführt wird:

• Degenerierung der Hüllzellen: Verlust des saltatorischen Prinzips bei der Auslösung von Depolarisationen an Schnürringen → verlangsamte oder ausbleibende AP-Weiterleitung

• Minderdurchblutung → eingeschränkte Zellatmung → weniger ATP → Funktion der --Ionenpumpe herabgesetzt → langsamere bzw. schwächere Depolarisation → eingeschränkte oder ausbleibende AP-Weiterleitung

2.4

Die unterschiedliche Wertebasis zweier Argumente wird als Grund für unterschiedliche Meinungen herausgearbeitet:

Tierschützer und Forscherin nutzen zwar deckungsgleiche deskriptive Aussagen, sind aber offensichtlich von unterschiedlichen normativen Aussagen und den ihnen zugrundeliegenden Werten beeinflusst:

• Normative Annahme des Tierschützers: Tiere sollen leidfrei sein (Tierwohl). Er sieht in der deskriptiven Aussage folglich das Leid durch die künstlich bewirkten Krankheitssymptome und lehnt die Tierversuche daher ab.

• Normative Annahme der Forscherin: Menschen sollen frei von Krankheiten sein (Gesundheit). Für sie stellen Tierversuche an anderen Säugetieren daher ein probates Mittel dar, weshalb sie zur gegenteiligen Konklusion gelangt.