Erlebnis. Therapie. Lösungen. Kompetenz. Forschung. Für Patienten und Interessierte. von der Vision schwere Erkrankungen behandeln zu können

Transkript

1 Erlebnis Biotechnologie von der Vision schwere Erkrankungen behandeln zu können Für Patienten und Interessierte Therapie Lösungen Kompetenz Forschung

2 Niemals aufgeben, das richtige zu tun! Unser Ziel ist die Entwicklung innovativer medizinischer Produkte, um Menschen mit starken krankheitsbedingten Einschränkungen das Leben zu erleichtern oder gar ihrem Leben wieder eine neue Perspektive zu geben. So hat unser Engagement in Forschung und Entwicklung zu neuen Möglichkeiten bei der Diagnostik und Behandlung sehr unterschiedlicher, bisher nicht behandelbarer Krankheiten geführt. Die langjährigen Erfahrungen mit den Therapien bringen uns, zusammen mit der Forschungsarbeit, ständig neue Erkenntnisse zu den Erkrankungen. Die enge Zusammenarbeit mit Ärzten und Fachzentren sowie der intensive Austausch mit den Patientenorganisationen geben uns wertvolle Anhaltspunkte, um uns weiter zu verbessern, und machen uns glücklich über jeden Erfolg. Diese gemeinsamen Erfolgserlebnisse sind unsere Motivation, für jeden Patientenkreis mag er auch noch so klein sein die besten Medikamente und Therapien zu entwickeln und möglichst schnell zur Verfügung zu stellen. Bei vielen unserer Medikamente handelt es sich um sehr komplexe, biotechnologisch hergestellte Substanzen. Woher kommen diese Substanzen? Wie werden sie produziert? Wie sicher sind sie? Auf diese und viele weitere interessante Fragen möchten wir Ihnen mit der vorliegenden Broschüre einen kurzen und verständlichen Überblick geben. Martina Ochel, Geschäftsführerin Deutschland, Genzyme GmbH Ausgezeichnet Im Juli 2007 hat der amerikanische Präsident George W. Bush Henri Termeer, dem CEO (Chief Executive Officer) von Genzyme, die National Medal of Technology überreicht. Dieser höchste vom US-Präsidenten vergebene Preis für technologische Innovationen wurde Genzyme verliehen für die Pionierleistungen in einem einzigartigen Geschäftsfeld, das zur erheblichen Verbesserung der Gesundheit von Tausenden von Patienten mit seltenen Erkrankungen beigetragen hat, sowie für die Nutzbarmachung der Biotechnologie zur Entwicklung neuer innovativer Therapien. Mit dieser Medaille werden Persönlichkeiten und Unternehmen geehrt, die zum Wohlergehen des Staates in wirtschaftlicher, umweltorientierter und sozialer Weise in großem Maße beigetragen haben. // //

3 Einblicke in die Biotechnologie und Herstellung therapeutischer Proteine Beitrag von Prof. Dr. Theodor Dingermann, Direktor des Instituts für Pharmazeutische Biologie (Biozentrum) der Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt a.m. Arzneimittel: Basis des Fortschritts in der Medizin Was wäre unser Gesundheitswesen ohne unsere Medikamente? Aus heutiger Sicht ist das unvorstellbar. Dabei haben viele von uns den Fortschritt bei der Arzneimittelentwicklung tatsächlich miterlebt. Kaum registrieren wir, in welchem Ausmaß bestimmte Todesursachen in den letzten 40 Jahren zurückgegangen sind: die Säuglingssterblichkeit sank um 80 %, Tod durch rheumatisches Fieber oder rheumatische Herzerkrankungen gingen jeweils um 75 % zurück, an Atherosklerose und Bluthochdruck sterben heute 70 % weniger als noch 1965, Magen- und Zwölffingerdarmgeschwür als Todesursache ging um 60 % zurück und an infarkt-bedingten Herzerkrankungen versterben heute 40 % weniger als vor 40 Jahren. All dies haben wir fast ausschließlich innovativen und hochpotenten Arzneimitteln zu verdanken. Was sind das für Substanzen, die so unglaublich erfolgreich bei lebensbedrohlichen Krankheiten eingesetzt werden? Gemeinsam ist diesen Substanzen, dass sie mit Molekülen in unserem Körper eine Wechselbeziehung haben und Fehlfunktionen korrigieren. Verschiedene Klassen von Arzneimitteln Die Vertreter der ersten beiden Gruppen also die Bremser und die Aktivatoren sind relativ kleine Moleküle. Sie ahmen nicht etwa die Funktion komplexer Biomoleküle nach, sondern steuern nur deren Aktivität. Diese Substanzen können mit den Methoden der klassischen Chemie hergestellt werden. Ganz anders verhält es sich mit den Arzneistoffen, die eine fehlende Funktion im Organismus ersetzen. Dies sind Moleküle wie Insulin, das zur Behandlung der Zuckerkrankheit lebensnotwendig ist, oder Gerinnungsfaktoren, die bei verschiedenen Formen der Bluterkrankheit eingesetzt werden. Oder es sind bestimmte Enzyme, deren Fehlen auch die Ursache verschiedener lysosomaler Speicherkrankheiten ist. Bei all diesen Arzneimitteln handelt es sich ausnahmslos um Nachbauten von Biomolekülen, genauer gesagt von Proteinen (Eiweißmoleküle), die so groß und kompliziert sind, dass sie chemisch nicht mehr herzustellen sind. Sie lassen sich in aller Regel auch nicht aus dem Blut oder aus anderen natürlichen Quellen isolieren, denn selbst bei einem Gesunden sind diese hochaktiven Proteine nur in sehr geringen Konzentrationen vorhanden. So sind es nicht Chemiker, sondern Gentechnologen, die diese Wirkstoffe entwickeln.» Entweder bremsen sie überaktive Biomoleküle, z.b. bei stechenden Kopfschmerzen.» Oder sie aktivieren Biomoleküle, die in ihrem zu trägen Zustand beispielsweise die Parkinson sche Krankheit verursachen.» Schließlich befindet sich in unserem Arzneimittelschatz eine kleine Gruppe von Substanzen, die fehlende Funktionen im Körper ersetzen, die so genannten therapeutischen Proteine. Pionierleistung Therapeutische Proteine sind so groß und kompliziert, dass sie chemisch nicht herzustellen sind. So sind es nicht Chemiker, sondern Gentechnologen, die diese Wirkstoffe entwickeln. Genzyme ist Pionier auf dem Gebiet der Entwicklung und Herstellung dieser komplexen Wirkstoffe und kann auf einen Erfahrungsschatz von mehr als 25 Jahren zurückgreifen. Oben: 3D-Struktur eines therapeutischen Proteins Links: Schematische Darstellung des therapeutischen Proteins // //

4 Die DNA als universell verständlicher Informationsspeicher Während Chemiker neue Moleküle in der Retorte oder im Reagenzglas basteln, lassen Gentechnologen Moleküle von lebenden Zellen synthetisieren. Das ist möglich, weil die Information für diese Moleküle in der DNA (genetischer Code im Zellkern) so verschlüsselt ist, dass sie in jeder beliebigen Zelle in jedem beliebigen Lebewesen eindeutig verstanden wird. Anders als die vielen verschiedenen Sprachen auf dieser Erde kennt die Biologie auf der DNA-Ebene nur eine einzige Sprache. Dabei ist das Prinzip von Sprachen und Schrift ansonsten analog: Ebenso, wie wir ein Wort an der Abfolge ganz bestimmter Buchstaben erkennen, werden die Eigenschaften biologischer Moleküle durch chemische Buchstaben erkannt, die ebenfalls in einer ganz bestimmten Reihenfolge (Sequenz) angeordnet sind. Drei Milliarden solcher Buchstaben sind im Zellkern einer jeden menschlichen Zelle enthalten. Das entspricht einer ganzen Bibliothek mit Bänden, à Seiten, à Buchstaben. In diesen drei Milliarden Buchstaben sind ca genetische Wörter versteckt. Jedes genetische Wort entspricht einem Protein, und eine stattliche Anzahl dieser Proteine kann zu Medikamenten entwickelt werden, um Patienten zu helfen, denen das entsprechende Protein fehlt. die therapeutisch interessanten Proteine im Menschen nur in geringer Konzentration vorliegen. Hat man das genetische Wort eines Menschen in die Zelle eines Bakteriums, einer Hefe oder einer Säugerzelle eingeschleust, so gelingt es mit ein paar zusätzlichen Tricks, beachtliche Mengen dieser wertvollen Wirkstoffe aus den Produktionszellen zu isolieren. Nebenbei gesagt sind gentechnisch produzierte Proteine auch sehr viel sicherer, als die Proteine, die man früher direkt aus dem Menschen isoliert hat. Denn Krankheitserreger wie Hepatitis-Viren, HIV oder Erreger der Creutzfeldt-Jakob- Krankheit, die für den Menschen relevant sind, kommen bei Bakterien, Hefen oder den verwendeten Zelllinien gar nicht vor. Bis vor einigen Jahren mussten Patienten über die Restrisiken bei Medikamenten, die beispielsweise aus Blut, Plazenten oder anderen Organen isoliert wurden, noch aufgeklärt werden. Solche Risiken für eine Übertragung von Erregern sind bei diesen gentechnologisch hergestellten Medikamenten so gut wie ausgeschlossen! Was machen Gentechnologen? Die Kunst, die Gentechnologen beherrschen, besteht darin, das genetische Wort für ein ganz bestimmtes Protein in der riesigen Bibliothek des menschlichen Genoms (gesamte genetische Information) zu finden, es dann zu isolieren und in die DNA einer anderen Zelle zu integrieren. So umgehen Gentechnologen das oben geschilderte Problem, dass gerade Sicherheitsorientiert Gentechnologisch produzierte Proteine sind sehr viel sicherer als die Proteine, die man früher direkt aus dem Menschen isoliert hat. Denn Krankheitserreger wie Hepatitis-Viren, HIV oder Erreger der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, die für den Menschen relevant sind, kommen bei Bakterien, Hefen oder den verwendeten Zelllinien gar nicht vor. // //

5 Wahl der Produktionszelllinie CHO Zelllinie (Hamster) Humane Zelllinie Andere Säugerzelllinie Anzahl rekombinant hergestellter Produkte nach Zelltyp Will man es einfach und übersichtlich, ist man bei Gentechnologen an der falschen Adresse. Dies nicht etwa, weil Gentechnologen komplizierte Wissenschaftler sind, sondern weil man es häufig mit komplexen Herausforderungen zu tun hat. Zwar wird das genetische Vokabular in allen Zellen verstanden. Jedoch werden manche Proteine im Nachhinein noch aufpoliert. Sie müssen mit Zuckerstrukturen oder anderen chemischen Markierungen ausgestattet werden, um richtig zu funktionieren. Zu diesen Proteinen mit besonderen Ansprüchen gehören auch die später noch näher zu besprechenden Enzyme, die heute in Form einer Enzymersatztherapie bei lysosomalen Speicherkrankheiten eingesetzt werden. Die Fähigkeit zu einer solchen Zusatzmarkierung besitzen nur ganz bestimmte Zellen. Man kann aber auch ein gentechnisches Protein in einer lebenden Ziege produzieren. Und man kann natürlich auch eine menschliche Zelle verwenden. Dann muss man aber besondere Sicherheitsvorkehrungen treffen. Denn alles, was eine menschliche Zelle infizieren kann, kann auch den Patienten infizieren. Ob therapeutische Proteine zugelassen werden, die in einer Karotte oder in einer anderen Pflanze hergestellt werden, muss sich noch zeigen. Dies ist zwar machbar, aber derzeit sind solche Wirkstoffe noch nicht erhältlich. 17 Produkte 3 Produkte Zwei Faustregeln, die helfen, den Überblick zu behalten, gelten aber dennoch: 1 ) Will man die Herstellung eines therapeutischen Proteins möglichst sicher gestalten, nimmt man einen Organismus, dessen Stellung in der Evolution im Verhältnis zum Menschen möglichst weit entfernt ist. Der Paradeorganismus ist hier das Coli-Bakterium. Umgekehrt ist die Zelle, die die höchsten Anforderungen an die Sicherheit stellt, die menschliche Zelle. 2 ) Je komplexer das Protein im Nachhinein mit Zuckerstrukturen oder anderen chemischen Strukturen markiert sein muss, umso näher muss man sich mit seiner Wirtszelle evolutionär auf die menschliche Zelle zu bewegen. Meistens nimmt man in einem solchen Fall bestimmte Zellen des Hamsters (CHO-Zellen), für die im Gegensatz zu humanen Zelllinien ein riesiger Erfahrungsschatz existiert. 45 Produkte Riesiger Erfahrungsschatz Je komplexer das gewünschte Protein im Nachhinein mit Zuckerstrukturen oder anderen chemischen Strukturen markiert sein muss, umso näher muss man sich mit seiner Wirtszelle evolutionär auf die menschliche Zelle zubewegen. Meistens nimmt man in einem solchen Fall bestimmte Zellen des Hamsters (CHO-Zellen), für die im Gegensatz zu humanen Zelllinien ein riesiger Erfahrungsschatz existiert. Links: Mikroskopische Aufnahme von CHO-Zellen Stand: 2006 // //

6 Am besten ist das Original? Fein dosierte Insulinabgabe Langsam zerfallender Insulinkomplex Unterbundene Komplexbildung Schaut man sich die heute zugelassenen gentechnisch hergestellten Arzneimittel an, stellt man fest, dass viele dieser Moleküle nicht den Originalen entsprechen, sondern dass Änderungen so genannte Modifikationen vorhanden sind, die die Gentechnologen offensichtlich ganz gezielt eingefügt haben. Warum sollte man so etwas tun? Ein Problem beim therapeutischen Einsatz von Biomolekülen liegt darin, dass diese Moleküle eigentlich nur dann optimal funktionieren, wenn sie so in den Körper gelangen, wie dies die Natur vorsieht. Das ist bei Medikamenten aber nicht der Fall. Insulin als Testfall für Wirkstoffoptimierung Beispielsweise kann man das Insulin, das ein Mensch benötigt, wenn er Nahrung zu sich nimmt, nicht so fein dosiert dem Körper zuführen, wie dies die Bauchspeicheldrüse macht. Wir ziehen stattdessen eine große Menge Insulin in eine Spritze auf und spritzen es in eine Bauchfalte im Extremfall so, dass es für den ganzen Tag ausreicht. Das ist alles andere als natürlich. Und für eine derart unnatürliche Verabreichung sind Biomoleküle keineswegs optimiert. Für Insulin bedeutet dies, dass das Hormon bei sehr hohen Konzentrationen, wie sie in einer Spritze vorliegen, verklumpt und Komplexe bildet, in denen sechs einzelne Insulin-Moleküle zusammengeschlossen sind. In Form dieser Komplexe kann Insulin aber nicht wirken. Nur ein einzelnes Insulin-Molekül kann an den entsprechenden Rezeptor binden. Daher muss man dem Klumpen nach dem Spritzen im Gewebe die Zeit geben, zu einzelnen Molekülen zu zerfallen. Deshalb wissen gut geschulte Diabetiker, dass sie ca. eine halbe Stunde vor dem Essen Insulin spritzen sollen, um den Insulinkomplexen Zeit zum Zerfallen zu geben. Dann müssen Diabetiker aber auch wirklich essen, denn zu viel Insulin im Körper ist genauso gefährlich wie zu wenig Insulin. Dies führt zu einer erheblichen Einschränkung der Lebensqualität. Nach vielen Experimenten haben Gentechnologen für dieses Problem clevere Lösungen gefunden: durch kleine Änderungen an der Struktur des Insulins ist es gelungen, die unerwünschte Komplexbildung zu unterbinden. Die entsprechenden Varianten sind Insuline, die sofort nach dem Spritzen zu wirken beginnen. Diabetiker, die diese Insuline verschrieben bekommen, können zu jeder Zeit essen. Kurz vor oder unmittelbar nach den Mahlzeiten spritzen sie dann die erforderliche Dosis des schnell wirksamen Insulins. Da der Organismus aber immer eine gewisse Insulin-Menge benötigt, wurden auch Insuline entwickelt, die besonders lange wirken. Auch hier wurde die Struktur des biologischen Originals leicht verändert. Durch die Kombination von schnell und lang anhaltend wirkenden Insulinen werden Diabetiker viel besser mit dem fehlenden Hormon versorgt als das mit natürlichem Insulin möglich war. Manchmal kommt alles ganz anders als man denkt Ein weiteres Beispiel der Wirkstoffentwicklung hat ebenfalls zeigen können, dass ein humanidentisches Produkt nicht automatisch das wirksamere sein muss. So ruft das in Coli- Bakterien produzierte Beta-Interferon zur Behandlung Multipler Sklerose zwar eine stärkere Antikörperreaktion im Menschen hervor als das in Säugerzelllinien produzierte humanidentische Produkt, doch eine klinische Vergleichsstudie hat gezeigt, dass das Coli-Bakterien Produkt dem humanidentischen hinsichtlich Wirksamkeit deutlich überlegen ist. Gut ist, was gut wirkt und sicher ist! Die Geschichten der Insuline und der Beta-Interferone belegen ganz deutlich, dass weder human noch original in der Medizin Wertattribute an sich sind. Gut ist, was gut wirkt und was sicher ist. Beides wird in klinischen Studien gezeigt, die die Basis für die Zulassung eines Arzneimittels durch die europäische bzw. US-amerikanische Zulassungsbehörde bilden. Wer behauptet, besser zu sein, muss dies beweisen und zwar mit klinischen Studien im direkten Vergleich. Nur eine vordergründige Plausibilität als Nachweis anzuführen, reicht zur Untermauerung der bloßen Behauptung bei weitem nicht. Links: Protein in der Blutbahn // 10 // 11

7 Enzymersatztherapie mit gentechnisch hergestellten Proteinen Zielzelle für das Protein (Beispiel: Gaucher-Zelle) Das Repertoire gentechnisch hergestellter Proteine wächst stetig. Mehr als 120 derartiger Wirkstoffe sind zwischenzeitlich zugelassen. Sie lassen sich folgenden Kategorien zuordnen:» Hormone und Wachstumsfaktoren» Enzyme» Gerinnungsmodulatoren» Zytokine» Impfstoffe» Antikörper Fast alle diese Wirkstoffe finden ihre Zielstrukturen außerhalb der Zelle, denn Proteine können nur unter ganz bestimmten Umständen die Zellmembran durchqueren und in eine Zelle gelangen. Zu den gentechnisch hergestellten Medikamenten gehören auch Proteine, die nach der Verabreichung ihren Weg in eine Zelle suchen. Aufgrund ihrer biochemischen Eigenschaften werden sie als Enzyme eingestuft. Enzyme sind Biokatalysatoren, die wichtige chemische Reaktionen ermöglichen. Durch Fehlen bzw. unzureichende Funktion bestimmter Enzyme werden zum Beispiel die lysosomalen Speicherkrankheiten Morbus Gaucher, Morbus Fabry, Mukopolysaccharidose und Morbus Pompe verursacht. Bei diesen Krankheiten gerät der Abbau bestimmter Stoffwechselprodukte ins Stocken, so dass sie sich in verschiedenen Zellen unterschiedlicher Organe anreichern Eine moderne Therapieoption zur Behandlung dieser Krankheiten ist eine Therapie, bei der das fehlende oder nicht ausreichend funktionierende Enzym durch ein gentechnologisch hergestelltes ersetzt wird. Die Herstellung der Enzyme wird jedoch durch zwei Komplikationen erschwert: 1 ) Die Enzyme gehören zur Gruppe der Glykoproteine, die mit komplexen Zuckerstrukturen ausgestattet sind. Diese Zuckerstrukturen sind für die Wirksamkeit der Enzyme wichtig. Das Problem liegt u.a. darin, dass die Information für die Zuckerreste nicht in der DNA abgelegt ist. Daher lassen sich die Proteine nur in ganz bestimmten Zellen herstellen, die so spezialisiert sind, dass sie die Zucker korrekt mit dem Enzym-Protein verbinden können. 2 ) Alle vier Enzyme müssen nicht nur in die Blutbahn gelangen, sondern von dort aus auch noch in die Zellen, in denen die Enzyme fehlen. Proteine in die Blutbahn zu bekommen ist kein Problem. Notfalls werden die Wirkstoffe injiziert. Proteine jedoch in eine Zelle hineinzubekommen, ist ein riesiges Problem, da die Zellmembran passiert werden muss, die für Proteine in der Regel nicht überwindbar ist. Hier helfen so genannte Rezeptoren, die wichtigen Molekülen Zugang ins Zellinnere verschaffen. Applikation in den Körper Protein in der Blutbahn Wo ist der Eingang? Proteine in die Blutbahn zu bekommen ist kein Problem. Notfalls werden die Wirkstoffe injiziert. Proteine jedoch in eine Zelle hineinzubekommen, ist ein riesiges Problem, da die Zellmembran passiert werden muss, die für Proteine in der Regel nicht überwindbar ist. Hier helfen so genannte Rezeptoren, die wichtigen Molekülen Zugang ins Zellinnere verschaffen. Links: Schematische Darstellung des therapeutischen Proteins // 12 // 13

8 Generalschlüssel für die Aufnahme in eine Zelle Falsche Zelle Zielzelle Proteine, die über einen Rezeptor in eine Zelle gelangen wollen, müssen den Rezeptor in einer Art Schlüssel/Schloss-Prinzip erkennen. Die Natur hat allerdings nicht für jedes Protein, das in eine Zelle gelangen soll, einen eigenen Rezeptor geschaffen. Als eine Art Generalschlüssel fungieren vielmehr die Zuckerstrukturen, mit denen bestimmte Proteine ausgestattet sind. Für einige der in der Enzymersatztherapie eingesetzten Proteine passt dieser Schlüssel, mit dem das Enzym ausgestattet ist, so dass diese Wirkstoffe in die betroffenen Zellen gelangen können. Bei den gentechnisch hergestellten Enzymen zur Behandlung des Morbus Gaucher hingegen passte der Schlüssel zunächst nicht. Schlimmer noch: Das wertvolle Enzym bahnte sich über seine Zuckermoleküle einen Weg in Zellen, in denen es gar nicht gebraucht wird. Wieder waren die Wissenschaftler gefordert. Sie mussten die Zuckerstruktur und damit den Generalschlüssel ändern, um das korrekte Schloss zu öffnen und diejenigen Zellen mit dem Enzym zu versorgen, in denen es tatsächlich auch fehlt. Der richtige Schlüssel zum richtigen Schloss 1 ) Wie sieht das richtige Schloss aus? Hamsterzellen ausgestattet wird. Allerdings ist dieser Zuckertyp für den Makrophagenrezeptor nicht sichtbar, da ihn drei andere Zuckertypen abschirmen. Mit dieser Erkenntnis war aber auch ein Lösungsansatz für das Problem aufgezeigt: Die drei störenden Zuckertypen mussten entfernt werden! Das machen Gentechnologen mit biochemischen Methoden, denn es gibt drei ganz spezifische andere Enzyme, mit denen man die störenden Zucker einen nach dem anderen abschneiden kann. Um das gewünschte Enzym herzustellen, reicht es also nicht aus, alle Tricks der Gentechnologen anzuwenden, sondern man muss zusätzlich auch noch biochemische Verfahren bemühen, um schließlich nicht nur zu einem sicheren, sondern auch zu einem wirksamen Protein zu gelangen. Durch die nachträgliche Bearbeitung des Generalschlüssels (das Kürzen des Bartes durch die Entfernung dreier Zucker) passt der Schlüssel nun einerseits nicht mehr in das ursprüngliche Schloss, dafür aber in das Makrophagenschloss und gelangt so in die Zellen, die voll gestopft sind mit einem Fettbaustein, der wegen des Fehlens des erforderlichen Enzyms nicht abgebaut werden kann. Diese Aufgabe übernimmt nun das gentechnisch hergestellte Enzym. -Glukozerebrosidase mit falschem Schlüssel Entfernung der drei störenden Zucker -Glukozerebrosidase mit richtigem Schlüssel 2 ) Wie muss der Schlüssel angepasst werden, um in dieses und nicht in das falsche Schloss zu passen? Das richtige Schloss befindet sich auf den Zellen, die sich bei Gaucher-Patienten zu den so genannten Gaucher-Zellen umwandeln. Das sind in erster Linie Makrophagen (Fresszellen), von denen man wusste, dass sie Rezeptoren tragen, die von einem Zuckertyp angesteuert werden, der auch in der Zuckerstruktur enthalten ist, mit der das Roh-Protein von den Der Schlüssel muss passen! Proteine, die über einen Rezeptor in eine Zelle gelangen wollen, müssen den Rezeptor in einer Art Schlüssel/Schloss-Prinzip erkennen. // 14 // 15

9 Wie wird nun ein therapeutisches Protein hergestellt? Herstellung der Master-Zellbank Beispiel: Protein zur Behandlung von Morbus Gaucher Die Herstellung eines rekombinanten Proteins ist ein langer Prozess, der zunächst einmal damit beginnt, dass man die entsprechende Informationseinheit (das Gen) aus dem menschlichen Genom isoliert. Nur selten wird das isolierte Gen in dieser Form direkt verwendet, denn humane Gene sind in aller Regel durchsetzt von Bereichen, die keine relevante Information tragen. Diese Bereiche benötigt man folglich nicht und es gibt elegante Methoden, ein abgeändertes Gen herzustellen, dem dieser unnötige Ballast fehlt. Spätestens an dieser Stelle muss eine wichtige Entscheidung getroffen werden: In welchem Zellsystem soll das therapeutische Protein produziert werden?» In dem Bakterium Escherichia coli, das als besonders sicher gilt, da es auf der Evolutionsskala so weit entfernt vom Menschen steht, das aber Proteine nicht nachträglich mit Zuckerstrukturen ausstatten kann.» Oder in der Hefe Saccharomyces cerevisiae, die sich beispielsweise für Insuline oder verschiedene Impfantigene bewährt hat, die aber auch Probleme bei der Ausstattung des therapeutischen Proteins mit Zuckerbausteinen macht? Rekombinante Gene Ist diese Entscheidung getroffen, muss man sich mit bestimmten Zwischenschritten noch einmal dem Gen widmen. Spätestens ab hier spricht man im übrigen von einem rekombinanten Gen, da mit Hilfe gentechnischer Methoden DNA-Bereiche gezielt neu kombiniert (rekombiniert) werden. Ist all dies bewerkstelligt, wird das rekombinante Gen in die ausgewählte Zielzelle (Hamsterzelle) eingeschleust und es wird nach einer einzelnen Zelle (einem Klon) gesucht, die mit möglichst großer Ausbeute das therapeutische Protein produziert. Ist ein geeigneter Klon gefunden, folgt ein extrem wichtiger Schritt: Der ausgewählte Zellklon wird nun vermehrt und es werden kleine Teilmengen der Kultur in einige hundert Röhrchen abgefüllt, die bei sehr tiefen Temperaturen gelagert werden. Man hat an dieser Stelle die so genannte Masterzellbank angelegt, von der alle künftigen Produktchargen abgeleitet werden. Auf Basis der Masterzellbank erfolgt auch die spätere Zulassung des Produktes. Ist die Masterzellbank aufgebraucht, erlischt auch die Zulassung. Man kann erahnen, wie groß der Wert einer solchen Zellbank ist. Isolierung des Gens aus dem menschlichen Körper Klonierung in CHO-Zelllinie» Oder in einer Säugerzelle, beispielsweise einer Zelllinie, die sich von Eizellen des chinesischen Hamsters, den CHO- Zellen, ableitet? Dies ist eine sehr gut geeignete Zelle, wenn ganz bestimmte Zuckerstrukturen am therapeutischen Protein unverzichtbar sind. Den Forschern wurde klar: In diesem konkreten Fall kann nur eine Säugerzelle in Frage kommen, da das Vorhandensein bestimmter Zuckerstrukturen bei diesem Wirkstoff unabdingbar ist. Die richtige Zelllinie Die Eizellen des chinesischen Hamsters die sogenannten CHO-Zellen - sind optimale Produktionszellen, wenn ganz bestimmte Zuckerstrukturen am therapeutischen Protein unverzichtbar sind. Links: Mikroskopische Aufnahme von CHO-Zellen // 16 // 17

10 HERSTELLUNG EINES therapeutischen Proteins Endabfüllung des Produktes Von jedem Röhrchen aus der Masterzellbank werden bei Bedarf Arbeitszellbanken hergestellt, die ebenfalls bei tiefen Temperaturen gelagert werden. Jeweils eines dieser Röhrchen dient als Startpunkt einer Produktcharge. Unter Beobachtung einer Vielzahl verschiedener Parameter werden die Zellen eines Arbeitszellbank-Röhrchens kultiviert zunächst in kleinen, allmählich in größeren und schließlich in Fermenter-Volumina (100 bis Liter ), um dann letztendlich geerntet und verworfen zu werden. Denn das Produkt das therapeutische Protein wird von den Zellen in die Nährflüssigkeit abgegeben, ein unschätzbarer Vorteil, weil man die Zellen nicht aufbrechen muss, was die Aufarbeitung um ein Vielfaches komplizierter machen würde. Es folgen mehrere Aufreinigungsschritte, wobei ganz unterschiedliche Reinigungsprinzipien angewendet werden müssen, um schließlich zu einem Produkt zu gelangen, das praktisch frei von verunreinigenden Begleitsubstanzen ist. Alle Schritte sowohl während der Wachstumsphase als auch während der Aufarbeitung werden akribisch kontrolliert, und es werden hunderte von Parametern bestimmt, die im vorhinein festgelegt wurden und deren definierte Grenzen nicht überbzw. unterschritten werden dürfen. Passiert dies in einem einzigen dieser vordefinierten Parameter, wird die Charge verworfen, auch wenn es sich auf die Beschaffenheit des Endproduktes gar nicht auswirken sollte. Denn rekombinante Produkte folgen einer ganz eigenen Definitionssystematik: Anders als kleine, chemisch hergestellte Wirkstoffe, die sich über chemische und physikalische Parameter definieren, erfolgt die Definition gentechnisch hergestellter Wirkstoffe zusätzlich über die Charakteristika und die Definitionen des Prozesses. Die neue Formel der Moleküldefinition rekombinanter Wirkstoffe lautet der Prozess ist das Produkt, der bis in das kleinste Detail definiert ist und dessen Definitionen (Standards) bis ins kleinste Detail einzuhalten sind. Genau dies garantiert den hohen Sicherheitsstandard, den rekombinante Wirkstoffe aufweisen, obwohl sie aus einer extrem komplexen Matrix einer lebenden Zelle mit tausenden von Proteinen, tausenden von Nukleinsäuren und tausender anderer Moleküle isoliert wurden. Normalerweise wird der Wirkstoff an dieser Stelle zu einem stabilen Endprodukt weiterverarbeitet und auf Spritzen aufgeteilt oder lyophilisiert (gefriergetrocknet), um vor Gebrauch rekonstituiert (wiederhergestellt) zu werden. Nicht so in diesem Fall! Hier müssen, wie weiter oben geschildert, biochemische Prozesse angeschlossen werden. Es gilt drei störende Zuckertypen zu entfernen, um den Wirkstoff so anzupassen, dass er tatsächlich seinen Weg in die Makrophagen findet und nicht in der Leber verschwindet. Noch einmal folgt ein ausgeklügeltes Aufarbeitungsverfahren, bevor endlich auch dieser komplexe Wirkstoff zu einem stabilen Endprodukt portioniert werden kann. Anzucht der Produktionskultur Bemerkenswert Aufreinigung des therapeutischen Proteins Herstellung im Groß-Fermenter Anders als kleine, chemisch hergestellte Wirkstoffe, die sich über chemische und physikalische Parameter definieren, erfolgt die Definition gentechnologisch hergestellter Wirkstoffe zusätzlich über die Charakteristika und die Definition des Prozesses. Die neue Formel der Moleküldefinition rekombinanter Wirkstoffe lautet: der Prozess ist das Produkt. // 18 // 19

11 Wie wird die Qualität und Sicherheit der Produkte sichergestellt? Beitrag von Dr. Luc Kupers von Genzyme, Geel, Belgien. Um z.b. die Medikamente für die Enzymersatztherapie zu produzieren, sind besondere Voraussetzungen erforderlich, um deren Qualität und Sicherheit zu gewährleisten. Das Ausgangsmaterial für den eigentlichen Produktionsprozess, der erwähnte Zellklon, wird zunächst in kleinen Mengen im Labor hergestellt und als Masterzell-Bank bei sehr tiefen Temperaturen gelagert. Wird eine neue Produktionscharge benötigt, aktiviert man durch kontrolliertes Auftauen einige der gelagerten Zellen wieder zum weiteren Vermehren. Über eine Kaskade unterschiedlich großer Bioaufbereitungsanlagen, die aus Gründen der absoluten Reinheit aus Edelstahl sind, vermehren sich die Zellen, bis die maximale Menge von mehreren 100 Milliarden Zellen erreicht ist. Jede Zelle sekretiert einige Moleküle des gewünschten Proteins. Die wichtigste Voraussetzung, sowohl bei den Vorarbeiten im Labor, als auch bei dem eigentlichen Herstellungsprozess, ist absolute Sterilität. Die Flüssigkeit, in der die Zellen wachsen, ist z.b. sehr anfällig für Verunreinigungen durch Bakterien. Bakterien vermehren sich in der Regel um ein Vielfaches rascher als die in der Produktion befindlichen Zellen und könnten die gesamte Produktionseinheit zerstören. Deshalb sind sämtliche Geräte und Einrichtungen mit speziellen Beschichtungen versehen, die sie absolut steril halten. Manche Geräte, wie z.b. besondere Apparaturen, die das Wachstum der sehr empfindlichen Zellen kontrollieren, ohne sie dabei zu beschädigen, müssen extra für diesen Herstellungsprozess entwickelt und produziert werden. Wenn die maximale Produktionsmenge an Enzymen erreicht worden ist, wird das Protein gereinigt. Dies geschieht in verschiedenen Schritten mit immer feineren Filtern, bis die Substanz hochrein ist. Die extreme Reinheit der Enzyme ist unter anderem deshalb unbedingt erforderlich, weil sie als Infusion verabreicht werden. Der Reinigungsprozess für diese Proteine erfordert hochwertige Lösungsmittel mit ganz speziellen bindenden Inhaltsstoffen, die in verschiedenen Edelstahlbehältern gelagert werden. Eine Abfolge von derartigen Behältern mit unterschiedlichen Eigenschaften und Filteranlagen garantiert letztendlich das absolut reine Protein. All die genannten Maßnahmen werden durch die so genannten Good Manufacturing Pratices (GMP) geregelt. Dabei handelt es sich um gesetzlich festgelegte Vorgaben, die die stets gleich bleibende Herstellung von Arzneimitteln sicherstellen. Sie definieren nicht nur den Produktionsprozess als solchen, sondern geben die Anforderungen an, die das fertige Produkt zu erfüllen hat ( der Prozess ist das Produkt ). Dazu zählt unter anderem auch die exakte Dokumentation jedes einzelnen Schrittes der Herstellung. Nicht einfach nur sauber, sondern wirklich rein Die wichtigste Voraussetzung, sowohl bei den Vorarbeiten im Labor, als auch bei dem eigentlichen Herstellungsprozess, ist absolute Sterilität. // 20 // 21

12 Fazit Weit über 90 % der heutigen Arzneimittel sind relativ kleine Moleküle, die die Aktivität einer Vielzahl aus dem Tritt geratener Biomoleküle modulieren und korrigieren. Einige wenige (aber immer mehr) Arzneimittel sind sehr große Moleküle, die ausschließlich gentechnisch hergestellt werden. Weil sie aus biologischer Sicht auf sehr unnatürliche Art und Weise verabreicht werden, macht es Sinn, sie für einen optimalen therapeutischen Einsatz zu optimieren. Dies ist bereits in vielen Fällen sehr erfolgreich gelungen. Gute Arzneimittel herzustellen, ist eine Kunst. Dies gilt besonders für die ganz großen Moleküle, die mit Hilfe der Gentechnik konzipiert und aus lebenden Zellen isoliert werden. Keine Frage, dass derartige Arzneimittel auch ihren Preis haben. Doch ist zu bedenken, was sie zu leisten vermögen. So ist es um so wichtiger, dass auch in Zukunft im Gesundheitssystem Ressourcen zur Verfügung stehen, damit auch Menschen mit seltenen Erkrankungen eine Chance auf ein normales Leben haben. Stand: April 2008 Mit Weitblick sind wir uns der Verantwortung für die Patienten und die Gesellschaft weltweit bewusst. Seit 1983 leitet Henri A. Termeer als Vorstandsvorsitzender und CEO die Geschicke des Unternehmens. Er war auch derjenige, der die Firmenkultur und die Geschäftsstrategie mit seinen Visionen weitgehend beeinflusste immer das Ziel vor Augen, die Lebensqualität von Menschen mit seltenen Krankheiten zu verbessern. Genzyme berührt das Leben einer wachsenden Zahl von Patienten in der ganzen Welt durch starke globale Präsenz, ein breites Produktportfolio und die ständige Forschung zugunsten eines besseren Lebens erkrankter Menschen. Dabei hat sich Genzyme zu einem Unternehmen entwickelt, das bei Weitem mehr als nur Medikamente für seltene Erkrankungen produziert. Unsere Produktpalette fokussiert sich heute auf fünf große medizinische Bereiche. // 22 // 23

13 Lösungen für lysosomale Speicherkrankheiten Kompetenz mehr als 25 Jahre Erfahrung in Forschung und Entwicklung Forschung für weitere seltene Erbkrankheiten Niemann Pick Therapie für angeborene Stoffwechselstörungen M. Gaucher M. Fabry MPS I M. Pompe Serviceprogramm für Ärzte und Patienten Genzyme GmbH Siemensstraße 5 b Neu-Isenburg info-de@genzyme.com Tel.: + 49 (0) Fax: + 49 (0) Genzyme ist eines der weltweit führenden Biotechnologie-Unternehmen und bietet im Rahmen des LysoSolutions-Programms Ärzten und Patienten mit lysosomalen Speicherkrankheiten umfassende Lösungen zur Krankheitsbewältigung an. LSD 06/02-08