Inhaltsverzeichnis. Grundlagen der Gentechnik. 3 Genexpression Einführung 3. 2 Prinzipien der Gentechnik 19

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1 IX Grundlagen der Gentechnik 1 Einführung Die biologische Revolution Die Vorgeschichte zur Gentechnik Die Geschichte der Gentechnik Kommerzialisierung der Molekularbiologie Biotechnik vs. Gentechnik Biotechnik Gentechnik Molekularbiologie, eine interdisziplinäre Wissenschaft 18 2 Prinzipien der Gentechnik Die DNA Bau der DNA Denaturierung von DNA Molekülgröße und Form der DNA Superhelikale DNA DNA-Analytik Chemische DNA-Synthese Enzymatische DNA-Synthese DNA-Polymerasen Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Variationen der PCR PCR in der Diagnostik DNA-Sequenzierung Klonieren in Escherichia coli Restriktionsendonukleasen DNA-Transfersysteme für E. coli Vektoren für die E.-coli- Transformation Verknüpfen von DNA-Fragmenten Oligonukleotid-gerichtete Mutagenese 75 3 Genexpression Umsetzung der genetischen Information Der universelle genetische Code Genexpression in Bakterien Genexpression in Eukaryonten Herstellung rekombinanter Expressionseinheiten Informationen über Gene und Proteine: Internet-Datenbanken Isolierung genomischer DNA Isolierung von mrna 99sv Synthese einer mrna-kopie Herstellung funktioneller Expressionseinheiten Posttranslationale Modifikationen an Proteinen Glycosylierung Andere Modifikationen Expressionssysteme zur Proteinherstellung Bakterien Regulierbare Operons Optimierung der Translationseffizienz Sekretionssysteme Fusionssysteme zur effizienten Produktreinigung Plasmidstabilisierung Möglichkeiten, rekombinante Stämme zu stabilisieren Pilze Hefen Filamentöse Pilze Insekten und Insektenzellen Baculovirus Insekten-Zelllinien 149

2 X 4.4 Pflanzen und Pflanzen-Zellkulturen Bedeutung transgener Pflanzen in der Landwirtschaft Transformationsmethoden Biotechnologische Nutzung transgener Pflanzen Säugetier-Zellkulturen Transiente Expression Stabile Expression Transfektionsmethoden Selektionsmarker Produktions-Zelllinien Säugetiere Transgenesis Regulation heterologer Genexpression Proteinwirkstoffe aus transgenen Tieren Exkurs: Monoklonale Antikörper Antikörperstruktur Hybridoma-Technologie Rekombinante monoklonale Antikörper Fermentation und Produktreinigung Produzenten Bioreaktoren Kultivierung höherer Zellen Feste Mikrocarrier Makroporöse Mikrocarrier Aggregatkulturen Zelleinschluss Bioreaktoren für Säuger-Zellkulturen Fermentationsverfahren Beispiele für Biotransformationen Immobilisierung von Enzymen und Zellen Biotransformationen und Enzymreaktoren Beispiele für mikrobielle Biosynthesen Chymosin und die Käseherstellung Paclitaxel-Produktion durch Pflanzenzellkulturen Synthese von L-Ascorbinsäure Tryptophan-Produktion durch rekombinante Bakterien Herstellung von Proteinwirkstoffen Upstream processing Downstream processing Vom biotechnologischen Wirkstoff zum Arzneimittel Anforderungen der Arzneibücher an sterile Arzneimittel mit biotechnologischen Wirkstoffen Instabilitätsreaktionen und Formulierung biotechnologischer Arzneistoffe Instabilitätsreaktionen Formulierung und Darreichungsform Produktstabilität Besonderheiten biotechnologischer Wirkstoffe bei Herstellung, Transport, Lagerung und Anwendung Herstellung steriler Fertigprodukte von Biopharmazeutika Transport Lagerung Anwendung Analytische Untersuchungen am Fertigprodukt Analytische Methoden Laufzeit, Lagerbedingungen, Lagerhinweise Die Anforderungen des Europäischen Arzneibuches an gentechnisch hergestellte Produkte Definition Herstellung Wirt-Vektor-System Zellbanksysteme: Validierung und Kontrolle Validierung des Herstellungsprozesses Identitätsprüfung Reinheitsprüfung 305

3 XI Gehalt und Wirksamkeit Biologische Wirksamkeit Struktur Weitere Methoden Die Europäische Zulassungsbehörde (EMA) Aufgabe Europäischer Öffentlicher Beurteilungsbericht Der Orphan-Drug-Status Biosimilars Genomik Genomprojekte Durchführung von Genomprojekten Erkenntnisse aus Genomprojekten Das menschliche Genom Das individuelle humane Genom Genomweite Genfunktionsanalyse Analyse von Transkriptomen Analyse von Proteomen Gentransfer-Arzneimittel und Stammzelltherapie Gentherapie Einführung Gentransfer-Arzneimittel Stammzelltherapie Adulte Stammzellen Fetale Stammzellen Embryonale Stammzellen Klonen Klonen zu Fortpflanzungszwecken Klonen zu therapeutischen Zwecken Identifizierung krankheitsrelevanter Gene Vererbungsregeln Positions-unabhängige Klonierung Genbanken Positionelle Klonierung Genfunktionsanalyse Modellorganismen Komplementation Mausmodelle Interferenz durch RNA: Antisense RNA, sirna, Ribozyme und Aptamere Zwei-Hybrid-Vektorsysteme Molekulare Diagnostik Zytogenetik Postnataldiagnostik Pränataldiagnostik Präimplantationsdiagnostik Molekulare Tumorzytogenetik Prädispositionsdiagnostik Diagnostik von Infektionskrankheiten Immunologische Nachweistechniken Nukleinsäure-Amplifikationstechniken Infektionsdiagnostik am Beispiel HIV Pharmakogenetik Arzneistoff-metabolisierende Enzyme Ursachen und Folgen genetischer Polymorphismen Phänotypisierung Genotypisierung Pharmakogenetik in der klinischen Diagnostik Exkurs: DNA-Typisierung in den forensischen Wissenschaften 425

4 XII Rekombinante Wirkstoffe Methoxy-Polyethylenglycol-Epoetin beta (Mircera ) Vergleichende Zusammenfassung Angiogenesehemmer Prinzip der Angiogenese Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) Die VEGF-Rezeptoren Indikationen für Angiogenesehemmer Solide Tumore Altersabhängige feuchte Makuladegeneration Wirkstoffe Bevacizumab (Avastin ) Ranibizumab (Lucentis ) Pegaptanib (Macugen ) Vergleichende Zusammenfassung Antiallergika Allergische Reaktion von Soforttyp Wirkstoff Omalizumab (Xolair ) Antianämika Erythropoetin Die Struktur des menschlichen Erythropoetins Der Erythropoetin-Rezeptor Wirkstoffe Epoetin alfa (Eprex /Erypo ) Epoetin alfa, Biosimilar (Epoetin alfa HEXAL, Binocrit, Abseamed ) Epoetin theta (Biopoin, Eporatio ) Epoetin zeta, Biosimilar (Silapo, Retacrit ) Epoetin beta (NeoRecormon ) Epoetin delta (Dynepo ) Darbepoetin alfa (Aranesp / Nespo ) Antidiabetika und Hypoglykämika Diabetes mellitus Struktur und Biosynthese des Insulins Physiologie des Insulins Die Konsequenzen eines Insulinmangels Der Insulinrezeptor Biotechnische und gentechnische Herstellung von Insulin Human-Insulin in der Ph.Eur Umwandlung von Schweine-Insulin in Human-Insulin der Firma Hoechst Die Alternative: Gentechnisch hergestelltes Insulin Exubera, ein inhalativ zu applizierendes Normal-Insulin Insulinanaloga Insulin Lispro (Liprolog /Humalog ) Insulin aspart (NovoRapid ) Insulin glulisin (Apidra ) Insulin glargin (Lantus /Optisulin ) Insulindetemir (Levemir ) Glucagon und GLP Glucagon (GlucaGen ) GLP Exenatide (BYETTA ) Liraglutid (Victoza ) Antiinfektiva Interferone Einteilung der Interferone Interferon-Rezeptoren Biochemische und pharmakologische Eigenschaften der Interferone Indikationen für Alpha-Interferone Die Hepatitiden als Hauptindikation für rekombinante Alfa-Interferone Krebserkrankungen 526

5 XIII 5.3 Rekombinante Alpha-Interferone Interferon-alfa-2a (Lys 23; His 34) (Roferon -A) Peginterferon-alfa-2a (Lys 23; His 34) (Pegasys ) Interferon-alfa-2b (Arg 23; His 34) (Intron A ) Rekombinantes Peginterferon-alfa-2b (Arg 23; His 34) (PegIntron ) Interferon gamma (IFN-γ) Indikationen für Interferon gamma Rekombinantes Interferon gamma-1b (Imukin ) Auszug aus der Arzneibuchmonographie Konzentrierte Interferon-gamma-1b- Lösung; Interferoni gamma-1b solutio concentrata (6.0/1440) RSV-bedingte Bronchiolitis und Pneumonie Palivizumab (Synagis ) HIV-Infektion und AIDS Das HI-Virus Enfuvirtide (Fuzeon ) Antipsoriatika Psoriasis Wirkstoffe Efalizumab (Raptiva ) Alefacept (Amevive ) Ustekinumab (Stelara ) Infliximab (Remicade ) Adalimumab (Humira ) Etanercept (Enbrel ) Antirheumatika/Antiinflammatorika Grundlagen der Entzündungsreaktionen Der Tumornekrosefaktor alpha Interleukin Interleukin Zellen des spezifischen Immunsystems Indikationen für antiinflammatorische Biologicals Rheumatoide Arthritis Chronisch entzündliche Darmerkrankungen Ankylosierende Spondylitis (Morbus Bechterew) Psoriasis/Psoriasis-Arthritis Die Cryopyrin-assoziierten periodischen Syndrome (CAPS) Wirkstoffe Rituximab (MabThera ) Infliximab (Remicade ) Adalimumab (Humira ) Golimumab (Simponi ) Certolizumab pegol (Cimzia ) Etanercept (Enbrel ) Anakinra (Kineret ) Abatacept (ORENCIA ) Tocilizumab (RoActemra ) Vergleichende Zusammenfassung Rilonacept (Arcalyst ) Canakinumab (Ilaris ) Antithrombotika, Antikoagulanzien, Fibrinolytika Hämostase Thrombozyten GPIIb/IIIa-Rezeptor Prothrombin Thrombin Antithrombin III Hirudin Fibrinogen Fibrin Fibrinolyse Plasminogen Plasmin Streptokinase Urokinase Gewebe-Plasminogenaktivator (t-pa) Rekombinante Wirkstoffe Antithrombotika Antikoagulanzien Fibrinolytika 623

6 XIV 9 Gerinnungsfaktoren Blutgerinnung Von-Willebrand-Faktor Faktor VII Faktor VIII Faktor IX Faktor X Rekombinante Wirkstoffe Eptacog alfa (aktiviert) (Novoseven ) Rekombinanter Blutgerinnungsfaktor VIII Nonacog alfa (BeneFIX ) Nicht rekombinationstechnisch hergestellte Gerinnungsfaktor- Präparate Faktor VII Faktor VIII Faktor IX Andere Gerinnungsfaktoren Hämolyse-Inhibitor Paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie Wirkstoff Eculizumab (Soliris ) Hormone bei Fertilitätsstörungen Regulation der Gonadenfunktion Gonadotropin-Releasing Hormon Follikel-stimulierendes Hormon (FSH) Luteinisierendes Hormon (LH) Choriongonadotropin (hcg) Die Regulation des ovariellen Zyklus Assistierte Reproduktion Rekombinante Wirkstoffe Follitropin beta (Puregon ) Follitropin beta (Fertavid ) Follitropin alfa (Gonal-f ) Corifollitropin alfa (ELONVA ) Lutropin alfa (Luveris ) Follitropin alfa/lutropin alfa (Pergoveris ) r-choriongonadotropin alfa (Ovitrelle ) Immunmodulatoren bei Multipler Sklerose Multiple Sklerose Klinik Immunopathogenese Die Bedeutung und Funktion von Zytokinen und Adhäsionsmolekülen Adhäsionsmoleküle Proinflammatorisch wirkende Zytokine Antiinflammatorisch wirkende Zytokine Wirkstoffe Interferon beta-1b (Betaferon und Extavia ) Interferon beta-1a (Rebif ) Interferon beta-1a (Avonex ) Natalizumab (Tysabri ) Andere Antikörper Glatirameracetat (Copaxone ) Zusammenfassung Immunsuppressiva zur Transplantat- Abstoßungsprophylaxe Transplantationen Das HLA-System (human leucocyte antigens) T-Zellen und Abstoßungsreaktion Wirkstoffe ATG-Fresenius S Thymoglobuline Muromomab (Orthoclone OKT 3) Basiliximab (Simulect ) Daclizumab (Zenapax ) Impfstoffe Hepatits-B-Infektionen Das Hüllprotein HBsAg Infektion der Zielzelle 732

7 XV Übertragungsweg und Verbreitung Klinik Infektionen mit humanen Papillomviren (HPV) Infektion der Zielzelle Klinik Pneumokokken-Infektion Streptococcus pneumoniae Klinik Cholera Cholera-Infektion Cholera-Toxin Wirkstoffe Hepatitis-B-Impfstoff im Arzneibuch Hepatitis-B-Impfstoff (rdns) (HBVAXPRO ) Hepatitis-B (rdna)-impfstoff (Fendrix, Engerix -B) Humaner Papillomvirus-Impfstoff (Cervarix ) Humaner Papillomvirus-Impfstoff (Gardasil ) Pneumokokken-Konjugatimpfstoff (Synflorix ) Oraler Cholera-Impfstoff (Dukoral ) Knochenwachstumsfaktoren Bone morphogenetic proteins (BMPs) Rezeptoren und Aktivierung Typ-I-Rezeptoren Typ-II-Rezeptoren Die Smad-Familie Wirkstoffe Dibotermin alfa (InductOs ) Eptotermin alfa (Osigraft ) Mucoviszidose-Therapeutika Mucoviszidose Der CF-Transmembrane-Conductance- Regulator (CFTR) Klinik DNase I Wirkstoff Dornase alfa (Pulmozyme ) Osteoporose-Therapeutika Das Skelettsystem Aufbau des Knochengewebes Knochenumbau Calcium-Homöostase Osteoporose Wirkstoffe Teriparatid (Forsteo ) Parathyroidhormon (Preotact ) Lachs-Calcitonin (Forcaltonin ) Sepsis-Therapeutika Die Sepsis Die Pathophysiologie der Gerinnung im Laufe einer Sepsis Eigenschaften von Protein C Wirkstoff Drotrecogin alfa (Xigris ) Substitutionstherapeutika bei lysosomalen Speicherkrankheiten Das lysosomale Kompartiment Die Mannose-6-Phosphat-Rezeptoren Lysosomale Speicherkrankheiten Lipidosen Mukopolysaccharidosen (MPS) Glycogenosen Wirkstoffe Imiglucerase (Cerezyme ) Agalsidase alfa (Replagal ) Agalsidase beta (Fabrazyme ) Laronidase (Aldurazyme ) Idursulfase (Elaprase ) 808

8 XVI Galsulfase (Naglazyme ) Aglucosidase alfa (Myozyme ) Thrombozytenwachstumsfaktor Chronische immun-(idiopathische) thrombozytopenische Purpura (ITP) Pathophysiologie Thrombopoetin und Thrombopoetinrezeptor Wirkstoff Romiplostim (Nplate ) Tumortherapeutika Tumorentstehung Onkogene MicroRNA-Gene Zytokine in der Tumortherapie Interleukin 2 (IL-2) Tumornekrosefaktor alpha (TNF-α) Interferon alpha (IFN-α) Rekombinante Zytokine als Tumortherapeutika Aldesleukin (Proleukin ) Tasonermin (Beromun ) Alfa-Interferone Inhibitoren der Signaltransduktion als Tumortherapeutika Inhibitoren des Humanen Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors 1 (EGFR) Inhibitoren des Humanen Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors 2 (HER2) Markierungsstrategien von Tumorzellen Markierung des CD20-Epitops bei Non- Hodgkin-Lymphom Markierung des CD52-Epitops bei CLL und NHL Markierung von EpCAM Aushungerungsstrategien von Tumorzellen Angiogeneseinhibitoren Aminosäuren abbauende Enzyme Supportive Strategien Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor (G-CSF) Keratinozyten-Wachstumsfaktor (KGF) Urat-Oxidase Thyreotropin (TSH) Wachstumshormone Die Wachstumshormon-/IGF-1- Achse Somatropin Insulin-like growth factor 1 (IGF-1) Indikationen Menschliche Wachstumshormonpräparate: Rekombinantes Somatropin Somatropin (Humatrope ) Somatropin (Genotropin MiniQuick) Somatropin (NutropinAq ) Somatropin (Zomacton ) Somatropin (Norditropin NordiFlex bzw. Norditropin SimpleXx ) Somatropin (Saizen ) Somatropin (Omnitrope ) Somatropin (Valtropin ) Vergleichende Zusammenfassung Mecasermin (Increlex ) Pegvisomant (Somavert ) Wundheilung Platelet-Derived Growth Factor (PDGF) Wirkstoff Becaplermin (Regranex ) 931 Übersicht der in Teil II genannten Wirkstoffe 933 Abkürzungsverzeichnis 937 Stichwortverzeichnis 943 Die Autoren 963