Inhaltsverzeichnis. Grundlagen der Gentechnik. Genexpression 79

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1 IX Inhaltsverzeichnis 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 Genexpression 79 Umsetzung der genetischen Information Der universelle genetische Code Genexpression in Bakterien Genexpression in Eukaryonten 89 Hersteilung rekombinanter Expressionseinheiten 95 Informationen über Gene und Proteine: Internet-Datenbanken 96 Isolierung genomischer DNA 97 Isolierung von mrna 99 Synthese einer mrna-kopie 100 Herstellung funktioneller Expressionseinheiten 104 Posttranslationale Modifikationen an Proteinen 107 Glycosylierung 107 Andere Modifikationen 113 Expressionssysteme zur Proteinherstellung 115 Bakterien 115 Regulierbare Opérons 115 Optimierung der Translationseffizienz 121 Sekretionssysteme 122 Fusionssysteme zur effizienten Produktreinigung 124 Plasmidstabilisierung 125 Möglichkeiten, rekombinante Stämme zu stabilisieren Pilze Hefen Filamentöse Pilze 145 Insekten und Insektenzellen 146 Baculovirus 147 Insekten-Zelllinien 149 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 Inhaltsverzeichnis Pflanzen und Pflanzen-Zellkulturen 149 Bedeutung transgener Pflanzen in der Landwirtschaft 149 Transformationsmethoden 150 Biotechnologische Nutzung transgener Pflanzen 160 Säugetier-Zellkulturen 166 Transiente Expression 167 Stabile Expression 171 Transfektionsmethoden 172 Selektionsmarker 178 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 232 Kultivierung höherer Zellen 234 Feste Mikrocarrier 234 Makroporöse Mikrocarrier 235 Aggregatkulturen 235 Zelleinschluss 235 Bioreaktoren für Säuger-Zellkulturen Fermentationsverfahren 239 Beispiele für Biotransforrnationen 243 Immobilisierung von Enzymen und Zellen 244 Biotransformationen und Enzymreaktoren 245 Beispiele für mikrobielle Biosynthesen 254 Chymosin und die Käseherstellung Paclitaxel-Produktion durch Pflanzenzellkulturen 256 Synthese von L-Ascorbinsäure 256 Tryptophan-Produktion durch rekombinante Bakterien 258 Herstellung von Protein Wirkstoffen 263 Upstream processing 264 Downstream processing 265 Vom biotechnologischen Wirkstoff zum Arzneimittel 281 Anforderungen der Arzneibücher an sterile Arzneimittel mit biotechnologischen Wirkstoffen 281 Instabilitätsreaktionen und Formulierung biotechnologischer Arzneistoffe 282 Instabilitätsreaktionen 282 Formulierung und Darreichungsform 283 Produktstabilität 285 Besonderheiten biotechnologischer Wirkstoffe bei Herstellung, Transport, Lagerung und Anwendung 287 Herstellung steriler Fertigprodukte von Biopharmazeutika 287 Transport 293 Lagerung 294 Anwendung 295 Analytische Untersuchungen am Fertigprodukt 297 Analytische Methoden 297 Laufzeit, Lagerbedingungen, Lagerhinweise 298 Die Anforderungen des Europäischen Arzneibuches an gentechnisch hergestellte Produkte 299 Definition 299 Herstellung 299 Wirt-Vektor-System 300 Zellbanksysteme: Validierung und Kontrolle 302 Validierung des Herstellungsprozesses 303 Identitätsprüfung 304 Reinheitsprüfung 305

3 Inhaltsverzeichnis XI Gehalt und Wirksamkeit Biologische Wirksamkeit Struktur Weitere Methoden Die Europäische Zulassungsbehörde (EMA) Aufgabe Europäischer Öffentlicher Beurteilungsbericht Der Orphan-Drug-Status Biosimilars Genomik 379 Genomprojekte 379 Durchführung von Genomprojekten 380 Erkenntnisse aus Genomprojekten 383 Das menschliche Genom 385 Das individuelle humane Genom 387 Genomweite Genfunktionsanalyse Analyse von Transkriptomen 391 Analyse von Proteomen Stammzelltherapie Adulte Stammzellen Fetale Stammzellen Embryonale Stammzellen Gentransfer-Arzneimittel und Stammzelltherapie 313 Gentherapie 313 Einführung 313 Gentransfer-Arzneimittel Klonen 337 Klonen zu Fortpflanzungszwecken 337 Klonen zu therapeutischen Zwecken 338 Identifizierung krankheitsrelevanter Gene 341 Vererbungsregeln 342 Positions-unabhängige Klonierung 344 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 Inhaltsverzeichnis Rekombinante Wirkstoffe Methoxy-Polyethylenglycol-Epoetin beta (Mircera ) Zusammenfassung Angiogenesehemmer Prinzip der Angiogenese Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) Die VEGF-Rezeptoren Indikationen für Angiogenesehemmer Solide Tumöre Altersabhängige feuchte Makuladegeneration Wirkstoffe Bevacizumab (Avastin ) Ranibizumab (Lucentis ) Pegaptanib (Macugen ) Vergleichende Zusammenfassung Antiallergika Allergische Reaktion von Soforttyp Wirkstoff Omalizumab (Xolair ) 449 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 Exúbera, 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 Inhaltsverzeichnis XIII 5.3 Rekombinante Alfa-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 ) Peginterferon alfa-2b (Arg-23; His-34) (Peglntron ) Interferon gamma (IFN-7) Indikationen für Interferon gamma Rekombinantes Interferon gamma-lb (Imukin ) Auszug aus der Arzneibuchmonographie Konzentrierte Interferon-gamma- lb- Lösung; Interferoni gamma-1 b solutio concentrata" (6.0/1440) RSV-bedingte Bronchiolitis und Pneumonie Palivizumab (Synagis ) HIV-Infektion und AIDS Das HI-Virus Enfuvirtide (Fuzeon ) Antipsoriatika Psoriasis Wirkstoffe 551 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/HIa-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 Inhaltsverzeichnis 9 Gerinnungsfaktoren Blutgerinnung Von-Willebrand-Faktor Faktor VII Faktor VIH Faktor IX Faktor X Rekombinante Wirkstoffe Eptacog alfa (aktiviert) (Novoseven ) Rekombinanter Blutgerinnungsfaktor VIE Nonacog alfa (BeneFIX ) Nicht rekombinationstechnisch hergestellte Gerinnungsfaktor- Präparate Faktor VII Faktor VIII Faktor IX Andere Gerinnungsfaktoren Hämolyse-Inhibitor Paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie Wirkstoff Eculizumab (Soliris ) 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 702 Interferon beta-lb (Betaferon und Extavia ) 703 Interferon beta-la (Rebif ) 704 Interferon beta-la (Avonex ) 705 Natalizumab (Tysabri ) 707 Andere Antikörper 710 Glatirameracetat (Copaxone ) 712 Zusammenfassung Immunsuppressiva zur Transplantat- Abstoßungsprophylaxe Hormone bei Fertilitätsstörungen Regulation der Gonadenfunktion Gonadotropin-/?eJeasin0 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 ) Transplantationen Das HLA-System (human leucocyte antigens) T-Zellen und Abstoßungsreaktion Wirkstoffe 720 ATG-Fresenius S 721 Thymoglobuline 722 Muromomab (Orthoclone 0KT 3) Basiliximab (Simulect ) 724 Daclizumab (Zenapax ) Impfstoffe Hepatits-B-Infektionen Das Hüllprotein HBsAg Infektion der Zielzelle

7 Inhaltsverzeichnis 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 (Synfiorix ) Oraler Cholera-Impfstoff (Dukoral ) Knochenwachstumsfaktoren Bone morphogenetic proteins (BMPs) Rezeptoren und Aktivierung Typ-I-Rezeptoren Typ-n-Rezeptoren Die Smad-Familie Wirkstoffe Dibotermin alfa (InductOs ) Eptotermin alfa (Osigraft ) Mucoviszidose-Therapeutika Mucoviszidose Der CF-Transmembrane-Cottductance- Regulator (CFTR) Klinik DNasel Wirkstoff Domase alfa (Pulmozyme ) Osteoporose-Therapeutika Das Skelettsystem Aufbau des Knochengewebes Knochenumbau Calcium-Homöostase Osteoporose Wirkstoffe Teriparatid (Forsteo ) Parathyroidhormon (Preotact ) Lachs-Calcitonin (Forcaltonin ) Sepsis-Therapeutika 779 Die Sepsis Die Pathophysiologie der Gerinnung im Laufe einer Sepsis ProteinC 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 Inhaltsverzeichnis Galsulfase (Naglazyme ) Aglucosidase alfa (Myozyme ) Angiogeneseinhibitoren 873 Aminosäuren abbauende Enzyme Thrombozytenwachstumsfaktor Chronische immun-{idiopathische) thrombozytopenische Purpura (LTP) Pathophysiologie Thrombopoetin und Thrombopoetinrezeptor Wirkstoff Romiplostim (Nplate ) Tumortherapeutika Tumorentstehung Onkogene MicroRNA-Gene Zytokine in der Tumortherapie Interleukin 2 (IL-2) Tumomekrosefaktor alpha (TNF-a) Interferon alpha (IFN-a) 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 Supportive Strategien 877 Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor (G-CSF) 878 Keratinozyten-Wachstumsfaktor (KGF) 884 Urat-Oxidase 887 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