Replacing the mouse bioassay for diagnostics and potency testing of botulinum neurotoxins – progress and challenges

Ersatzmethoden für den Maus-Bioassay zur Diagnostik und Aktivitätsbestimmung von Botulinum Neurotoxinen – Fortschritte und Herausforderungen

Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 131

DOI: 10.2376/0005-9366-17110

© Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG. 2018

Publiziert: 06/2018

Summary

Botulinum neurotoxins (BoNTs) are the most potent toxins known and the causative agents of the rare but potentially life-threatening disease botulism. The elaborate mode of action of BoNTs at the molecular level, their exquisite specificity for peripheral motor neurons, and their ability to effectively inhibit neurotransmitter release led to the development of BoNTs into highly valued pharmaceutical products. Both diagnostics of botulism and potency testing of pharmaceutical BoNT preparations still employ the mouse bioassay as “gold standard assay”. This animal experiment can pose a heavy burden on the animal, including a fatal outcome of testing. Additionally, several analytical disadvantages have been described. Consequently, the development of animal replacement methods is a long pursued goal which has been focused mainly on replacement methods for pharmaceutical potency testing so far. However, fundamentally different requirements and challenges apply for diagnostics of botulism and potency testing of BoNT pharmaceuticals, which necessitates the development of different assays tailored for each purpose. Here we review the underlying causes for this intricacy which are rooted in both the biological characteristics of the BoNTs as well as assay specific requirements. We review different functional assays that have been developed to replace the mouse bioassay. Despite significant progress in recent years, further substantial work is needed to pave the way for a fully validated replacement for the mouse bioassay for botulism diagnostics.

Zusammenfassung

Botulinum Neurotoxine (BoNTs) sind die giftigsten bekannten Substanzen und ursächlich für die seltene, aber lebensbedrohliche Erkrankung Botulismus. Aufgrund ihres raffinierten molekularen Wirkmechanismus, ihrer exquisiten Spezifität für periphere Motorneuronen und ihrer Fähigkeit zur effektiven Blockade der Neurotransmitter-Ausschüttung wurden zudem auf BoNT basierende, hochwirksame pharmazeutische Produkte entwickelt. Sowohl in der Botulismus-Diagnostik als auch bei der Wirksamkeitsprüfung pharmazeutischer Präparate wird nach wie vor der Maus-Bioassay als „Goldstandardmethode“ verwendet. Dieser Tierversuch kann mit schweren Belastungen bis hin zum Tod der Tiere einhergehen. Darüber hinaus weist der Assay verschiedene analytische Schwächen auf. Folglich stellt die Entwicklung einer Tierversuchsersatzmethode ein seit langem verfolgtes Unterfangen dar, welches bislang hauptsächlich auf die Entwicklung von Ersatzmethoden für die pharmazeutische Wirksamkeitsprüfung fokussiert war. Fundamental unterschiedliche Anforderungen an die Botulismus-Diagnostik und die Wirksamkeitsprüfung erfordern jedoch die Entwicklung verschiedener, zielgerichteter Nachweisverfahren für beide Zwecke. Der vorliegende Übersichtsartikel erläutert die zugrunde liegenden Ursachen, welche sowohl auf biologischen Eigenschaften der BoNTs als auch auf Assay-spezifischen Besonderheiten basieren, und stellt eine Übersicht verschiedener funktioneller Methoden zusammen, die zum Ersatz des Maus-Bioassays entwickelt wurden. Trotz bedeutender Fortschritte in den letzten Jahren sind weitere umfassende Arbeiten notwendig, um zu einer vollständig validierten Tierversuchsersatzmethode für den Maus-Bioassay zur Botulismus-Diagnostik zu gelangen.