Das ist Biotechnologie

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1 Das ist Biotechnologie

2 Vorwort Biotechnologie ist heute in vieler Munde. Aus gutem Grund, wie allein ein Blick auf die Statistik zeigt. Derzeit stammen bereits 20% aller Arzneimittel aus biotechnologischer Herstellung und die Tendenz ist stark ansteigend. Gut die Hälfte aller neuen Medikamente, die derzeit in Studien auf ihre Praxistauglichkeit untersucht werden, basieren auf biotechnologischen Verfahren. Weltweit konnte schon mehr als 300 Millionen Patienten mit solchen innovativen Arzneimitteln geholfen werden. Der Einsatz der Biotechnologie in der Entwicklung innovativer Therapien befindet sich rasant auf dem Vormarsch. Denn Ärzte und Wissenschaftler entdecken immer neue Möglichkeiten zum Wohle der Patienten. Was mit einem körperidentischen Insulin begann gewonnen aus Bakterien, die biotechnologisch zu kleinen produktiven Kraftwerken umgewandelt wurden hat sich zum vielleicht wichtigsten Zweig in der Erforschung und Herstellung neuer Medikamente und Impfstoffe entwickelt. Heute sind etwa 160 biotechnologische Medikamente zugelassen und diese Zahl wird sich nach allen Prognosen rasch vervielfachen. Neue Entwicklungen werfen natürlich immer zahlreiche Fragen auf. Deshalb möchten wir Ihnen als das größte biotechnologische Unternehmen der Welt mit unserer Broschüre einen Einblick in dieses faszinierende Gebiet geben. Eine interessante Lektüre wünscht Ihnen Ihre Amgen GmbH 2 3

3 Was genau ist Biotechnologie? Doppelhelix Zellkern Gen Zelle Desoxyribonucleinsäure DNS Chromosom Abb. 1 Biotechnologie ist die technische oder technisch nutzbare Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biologie und der Biochemie. Dazu zählen alle Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme (Fermente) zur Stoffproduktion und Stoffumwandlung nutzen. Mit Hilfe von biotechnologischen Methoden können Substanzen produziert werden, die ansonsten auf chemische Weise nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand herzustellen sind. Dies gilt auch für Stoffe, die nur in ganz geringen Mengen in der Natur vorkommen. Viele Synthesen lassen sich mit Mikroorga-nismen leichter durchführen. Schon vor Tausenden von Jahren haben Menschen unbewusst biotechnologische Verfahren angewandt, z. B. bei der Herstellung von Brot, Wein und Bier durch Hefe (alkoholische Gärung) und der Gewinnung von Käse und Joghurt durch Milchsäurebakterien. Biotechnologie ist heute fester Bestandteil der Chemie, Textil- und Lebensmittelindustrie. Das Wissen rund um das Thema Vererbung und Gene hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Moderne Biotechnologie arbeitet deshalb vor allem mit Methoden der Gentechnik und der Molekularbiologie. Das Erbgut von Organismen wird isoliert, verändert und neu kombiniert. Es handelt sich dann um rekombinante DNS. Im pharmazeutischen Bereich wird der Begriff rekombinant gleichbedeutend mit gentechnisch hergestellt verwendet. Meist handelt es sich bei den herzustellenden Verbindungen um Eiweiße (Proteine), die spezifische Aufgaben im Körper übernehmen. Exkurs Erbinformation: Was ist ein Gen? Gene bilden das Genom, d. h. die Erbinformation eines Organismus. Sie selber bestehen chemisch aus DNS, d. h. Desoxyribonucleinsäure. In höheren Organismen, wie z.b. beim Menschen, sind die Gene zu Chromosomen angeordnet. Gene enthalten die Informationen für die Herstellung von Proteinen (Abb. 1). Wie werden aus genetischen Informationen Proteine? Die Zelle liest aus den Genen ab, aus welchen einzelnen Aminosäuren sich ein bestimmtes Protein zusammensetzt. Die Basen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) werden aneinander gehängt und bilden schließlich das Protein (Abb. 2). 4 5 Abb. 2 Chromosom DNS Zellkern Zellen Basen Desoxyribonucleinsäure besteht aus den 4 Basen: Adenin (A) Thymin (T) Guanin (G) Cytosin (C)

4 Biotechnologisch hergestellte Medikamente Insulin: das erste biotechnologische Medikament Der Biotechnologie sind entscheidende Fortschritte in der Therapie vieler Erkrankungen zu verdanken. Das Fortschreiten von Multipler Sklerose (MS) beispielsweise konnte mit Hilfe von biotechnologischen Medikamenten erstmals verlangsamt werden. Auch Patienten mit Blutarmut oder Krebserkrankungen können mit Hilfe biotechnologischer Präparate wirksamer behandelt werden. Bei den Biologics handelt es sich um Eiweißstoffe, die den natürlichen körpereigenen Substanzen sehr ähnlich sind. Zur Zeit werden bereits 20% aller zugelassenen Medikamente biotechnologisch produziert. Diese Tendenz ist steigend, denn 50% aller Substanzen, die sich momentan zur Prüfung in klinischen Studien befinden, sind mittels Biotechnologie entwickelt worden. Weltweit legten Wissenschaftler den Grundstock für die Möglichkeiten der heutigen Biotechnologie. So brachten beispielsweise Louis Pasteur und Robert Koch die Mikrobiologie maßgeblich voran und Gregor Mendel beschrieb als Erster die Gesetze der Vererbung. Einen weiteren Meilenstein stellte die Entdeckung der Doppelhelix (doppelt wendelförmige Struktur der DNS) durch James Watson und Francis Crick Anfang der 50er Jahre dar. Anfang der 70er Jahre wurden an einigen Universitäten erste Techniken entwickelt, mit denen sich Fremdgene in das Erbgut von Bakterien einschleusen lassen. Damit wurde der erste Schritt in der Entwicklung biotechnologischer Medikamente gemacht nutzten Wissenschaftler gentechnische Methoden, um Escherichia coli-bakterien (Darmbakterien) die Fähigkeit zu verleihen, menschliches Insulin zu produzieren. Insulin ist ein Eiweiß, das in der Bauchspeicheldrüse gebildet wird und mit dessen Hilfe der Körper den Zuckerspiegel im Blut reguliert. Viele Diabetiker können kein eigenes Insulin mehr bilden und sind daher dauerhaft auf die Injektion dieses Proteins angewiesen. Bis 1982 wurde Insulin hauptsächlich aus den Bauchspeicheldrüsen von Schweinen gewonnen. Aus zwei wichtigen Gründen ging man dann weitgehend dazu über, Insulin biotechnologisch herzustellen: Zum einen stieg der Bedarf durch die wachsende Zahl an Diabetikern stark an. Zum anderen stimmt das tierische Insulin nicht vollkommen mit dem menschlichen überein. Mit Hilfe der Biotechnologie lässt sich ein Insulin, das dem körpereigenen identisch ist, in großen Mengen und in hervorragender Qualität herstellen. 6 7

5 Wie werden biotechnologische Medikamente produziert? Biologics sind gentechnisch erzeugte Substanzen aus lebenden Zellen. Zur Herstellung dieser Medikamente werden menschliche Gene in Bakterien oder andere Zellen integriert. Die in den Genen gespeicherten Informationen werden bei der Bildung des Proteins (s. Exkurs Erbinformation) abgelesen und aus den einzelnen Aminosäuren wird das Protein zusammengesetzt. Da menschliche Gene abgelesen werden, sind die hergestellten Stoffe weitestgehend identisch mit den körpereigenen. Die Wissenschaftler benötigen eine Art Schere und eine Art Kleber. Als Scheren dienen sogenannte Enzyme. Mit ihnen lassen sich bestimmte Gene aus einer DNS herausschneiden. Die Ziel-DNS wird mittels dem gleichen Enzym aufgeschnitten und das neue Gen wird in die Schnittstelle eingefügt. Anschließend kleben andere Enzyme die DNS wieder zusammen. Dabei werden besonders die Zellsysteme gewählt, die sich rasch vermehren und besonders viel von dem gewünschten Stoff produzieren. Dies sind in der Regel Bakterien oder tierische bzw. menschliche Zellkulturen. Das Wachstum der Zellkulturen erfolgt in großen Edelstahlbehältern (= Fermentern). Die Zellen werden nach einigen Tagen geerntet. Anschließend wird das Protein isoliert und aufwändig gereinigt. Am Ende des Prozesses stehen große Mengen des gewünschten Wirkstoffs in hoher Qualität zur Verfügung. In manchen Fällen wird das Protein noch weiter verändert, um die therapeutische Anwendung zu verbessern. Die Bakterien DNS wird mit Restriktions- Enzymen aufgeschnitten. Klebestelle Das benötigte menschliche Ziel- Gen, z. B. für die Insulinproduktion. wird gewonnen. Das menschliche Gen wird mit Enzymen in die Bakterien-DNS eingebunden. Was hier relativ einfach klingt, ist jedoch in Wirklichkeit sehr komplex. Die zuverlässige Herstellung biotechnologischer Medikamente erfordert Spezialwissen und jahrelange Erfahrung. Die erzeugte DNS wird dem Bakterium eingepflanzt. 8 9 Abb. 3 Die Bakterien mit der neuen Funktion, z. B. Insulin zu produzieren, werden kultiviert.

6 Sichere Quellen Produktion großer Mengen Früher mussten Bestandteile von Arzneien manchmal aus nicht sicheren Quellen gewonnen werden. So wurden Teile des Impfstoffes gegen Hepatitis-B aus dem Blut infizierter Patienten gewonnen. Mitarbeiter waren dadurch einem großen Risiko ausgesetzt, sich bei der Gewinnung zu infizieren. Heute wird der Impfstoff biotechnologisch hergestellt. Gerinnungsfaktoren, die Bluterkranke zum Schutz gegen unstillbare Blutungen benötigen, wurden ebenfalls bis vor einigen Jahren aus menschlichem Blut gewonnen. Dadurch infizierten sich immer wieder Betroffene mit Hepatitis oder HIV. Heute können diese Präparate ebenfalls mittels Biotechnologie hergestellt werden. Ein zweites großes Feld zum Einsatz der Biotechnologie ist die Herstellung von Stoffen, die in der Natur in nur sehr geringen Mengen vorkommen. Zu ihnen gehören beispielsweise Hormone und Wachstumsfaktoren. Das Hormon Erythropoetin (Epo) wird von der Niere gebildet. Erkrankt die Niere, lässt ihre Funktionsfähigkeit nach und als Folge produziert sie auch weniger Erythropoetin. Meist entsteht dadurch als Folgeerkrankung eine Blutarmut (Anämie). Ließe sich Erythropoetin nicht gentechnisch herstellen, bliebe nur die Gewinnung aus menschlichem Urin. Für die Behandlung eines einzigen Dialyse-Patienten bräuchte man jedoch 1,6 Millionen Liter Urin pro Jahr

7 Weiterentwicklung natürlicher Stoffe Neue Funktionen und Möglichkeiten Manchmal ist es wichtig, dass man natürliche Proteine verändert, um so die therapeutische Anwendbarkeit zu verbessern. Ein Beispiel: Früher mussten Diabetiker sich ihr Insulin eine halbe Stunde vor dem Essen spritzen. Durch eine kleine genetische Veränderung lässt sich ein rekombinantes Protein herstellen, das seine Wirkung sofort nach der Injektion entfaltet. Wartezeiten fallen damit weg, das Insulin kann unmittelbar vor der Mahlzeit gespritzt werden. Bei den bisher beschriebenen Anwendungsgebieten haben die rekombinanten Proteine die gleiche Funktion wie die natürlich vorkommenden. Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe der Biotechnologie aber auch neue Stoffe mit zusätzlichen oder noch nicht vorhandenen Funktionen entwickeln. Dazu gehören beispielsweise monoklonale Antikörper. Antikörper sind Proteine (Eiweiße), die der Körper als Reaktion auf Fremdkörper (z.b. Krankheitserreger) bildet. Die Identität eines Krankheitserreger bestimmt sich aus mehreren Merkmalen, nicht nur aus einem. Eben so, wie beispielsweise ein Blatt nicht nur grün, sondern gleichzeitig auch glatt und klein sein kann. Bei einer Abwehrreaktion des Körpers werden deshalb eine ganze Anzahl verschiedener Zellen zur Produktion von verschiedenen Antikörpern angeregt: als Resultat entsteht ein Gemisch von Antikörpern unterschiedlicher Spezifität (einen gegen grün, einen gegen glatt etc.). Die normale Antikörperproduktion nennt man daher polyklonal. Monoklonale Antikörper hingegen sind alle gleich, da sie sich alle gegen ein und dasselbe Merkmal richten und von einer einzigen Vorläuferzelle abstammen. Monoklonale Antikörper lassen sich seit Anfang der 80er Jahre im großen Maßstab herstellen. Sie finden Einsatz in der Medizin, wenn es um die Erkennung eines bestimmten Merkmales geht. Bis Anfang 2005 wurden in Deutschland 14 Medikamente zugelassen, die auf monoklonalen Antikörpern basieren. Sie kommen u. a. bei rheumatoider Arthritis (entzündliches Rheuma), Psoriasis (Schuppenflechte) und verschiedenen Krebserkrankungen erfolgreich zum Einsatz

8 Was unterscheidet biotechnologische Medikamente von herkömmlichen, chemisch hergestellten Medikamenten? Schritt 1: Transport-DNS (Plasmid) mit menschlichem Gen für den Protein-Wirkstoff Die Produktion herkömmlicher, einfacher Wirkstoffmoleküle, wie z. B. Acetylsalicylsäure, findet durch chemische Reaktoren statt und beruht auf klar definierten Syntheseschritten. Die Identität und Reinheit des produzierten Wirkstoffs können mit entsprechenden Analysemethoden relativ einfach kontrolliert werden. Biotechnologisch hergestellte Wirkstoffe sind komplex aufgebaute Proteine, die in lebenden Zellen gebildet werden. Innerhalb der Zelle sind die einzelnen Schritte vom Gen bis zum fertigen Protein nicht vollständig aufgeklärt und teilweise noch unbekannt. Die Produktion solcher Medikamente ist daher ein hoch-komplexer Vorgang, der das spezielle Wissen und eine langjährige Erfahrung des Herstellers in biotechnologischer Produktion und Qualitätskontrolle erfordert (s. Abb. 4). Herkömmliche, chemisch produzierte Medikamente l Sind meist kleine, relativ einfach aufgebaute Moleküle l Werden im Reagenzglas mit rein chemischen Methoden hergestellt l Können in der Herstellung kopiert werden (Generika) Biotechnologisch hergestellte Medikamente l Sind große, komplexe Protein-Wirkstoffe l Werden in lebenden Zellen produziert l Können nicht exakt von anderen Herstellern kopiert werden Schritt 2: Bakterienzelle mit Plasmid Schritt 3: Vermehrung der Bakterien im Labormaßstab Schritt 4: Auswahl des Bakterienklons für die Wirkstoff-Produktion Schritt 5: Industrielle Kultivierung der Bakterien in Fermentern 14 Abb. 4 Schritt 6: Isolierung, Reinigung und Abfüllen des Wirkstoffs zum fertigen Medikament

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