BIOTECHNOLOGIE

Einfach ausgedrückt ist Biotechnologie jede Technologie, die auf lebenden Organismen oder biologischen Systemen beruht. Nach dieser Definition nutzen Menschen schon über Jahrtausende hinweg die Biotechnologie zur Herstellung von Nahrungsmitteln, Textilien und weiteren Gebrauchsgegenständen. Eine Reihe ganz alltäglicher Dinge – u.a. Hefeteigbrot, Joghurt, Käse, Wein, Bier und Essig – wird mit Hilfe kultivierter Mikroorganismen hergestellt.

In den letzten Jahren hat sich jedoch die Bedeutung des Begriffs „Biotechnologie“ verändert und bezieht sich nun meist auf den Einsatz von Gentechnik und assoziierten Techniken. Diese jetzt übliche Definition wird bei einer Vielzahl von Anwendungen, von der Medizin bis hin zur Landwirtschaft, verwendet.

Amgen stellt Arzneimittel her, die auf endogenen, d.h. körpereigenen Molekülen basieren. Biotechnologie ist der Prozess, mit dem diese humanen Stoffe in ausreichender Menge zur therapeutischen Anwendung hergestellt werden können.

Arzneimittel, die auf diese Weise produziert werden, sind also häufig identisch mit natürlich vorkommenden Stoffen. In aller Regel handelt es sich bei diesen Produkten um Proteine, die eine sehr spezifische physiologische Rolle spielen.

Amgen’s Proteine werden gentechnisch hergestellt. Ausgangsmaterial für die Produktion sind Bakterien-, Hefe- oder Säugetierzellen, in die die notwendige Information eingebracht wird, um das gewünschte Protein zur therapeutischen Anwendung herzustellen. Einfache Proteine lassen sich in Bakterienzellen oder auch in Hefezellen produzieren. Komplexe, mit Zuckerresten versehene Proteine, die menschlichen Glykoproteinen entsprechen, sind hingegen ausschliesslich in Säugetierzellen herstellbar. Sobald diese Zellen gezüchtet sind, werden sie meistens unter Einsatz der Fermentationstechnik vermehrt.

Diese Einbringung von genetischen Informationen in die Zelle hat die Bezeichnung für gentechnisch hergestellte Proteine geprägt: rekombinante Proteine; und genau diese Proteine machen den Grossteil von Amgen‘s Engagement im biotechnologischen Bereich aus.

Die Wurzeln der modernen Biotechnologie reichen mehr als hundert Jahre zurück, bis zur Arbeit von Louis Pasteur, Robert Koch und Gregor Mendel. Während Pasteur und Koch die Basis für die heute als Mikrobiologie bezeichnete Wissenschaft legten, war Mendel der erste, der die Gesetzmässigkeiten der genetischen Vererbung formulierte. Viele Wissenschaftler trugen zu den Fortschritten auf diesen Gebieten bei.

Schliesslich führten die wissenschaftlichen Untersuchungen in den frühen 50er Jahren zur Entdeckung der Desoxyribonukleinsäure (DNA) - dem Basismaterial jeglicher Genetik. Kurz danach entschlüsselten James Watson und Francis Crick erstmals die Struktur der DNA.

In den frühen 70er Jahren wurden dann von verschiedenen Universitätslaboratorien – unter anderem an der University of California in San Francisco, der Stanford University und der Harvard University – erstmals Techniken zur Einbringung von Genen in Bakterien entwickelt. Die Erkenntnisse bildeten die Grundlage für die dann folgende Revolution in der Biotechnologie.

Das erste Produkt der modernen Biotechnologie war Insulin, ein in der Bauchspeicheldrüse produziertes Peptidhormon, das der Körper zur Regulierung des Blutzuckerspiegels benötigt. Patienten mit Diabetes mellitus sind nicht in der Lage, Insulin in ausreichendem Masse zu produzieren und bedürfen daher entsprechender Medikamente.

1978 wurde eine synthetische Version des humanen Insulingens entwickelt und im Labor von Herbert Boyer an der University of California in San Francisco in das Bakterium Escherichia coli eingebracht. Insulin ist ein Protein, und wie alle Proteine besteht es aus einer Kette von Bausteinen, den sogenannten Aminosäuren. Die Anordnung der Aminosäuren in einem Protein ist nicht beliebig; sie ist vielmehr für jedes Protein einzigartig. Wenn die Aminosäurensequenz bekannt ist, kann die entsprechende Sequenz der DNA isoliert (oder in diesem Fall chemisch synthetisiert) und in Bakterienzellen eingebracht werden, die dann das Humanprotein produzieren.

Um das zu erreichen, wird die DNA-Sequenz zunächst in ein Plasmid - einen als Vektor fungierenden kleinen DNA-Ring – verbracht. Das neue „rekombinante“ Plasmid, welches das humane Gen enthält, wird dann in eine andere Bakterienzelle eingebaut. Sobald es in dieser Zelle ist, kann die genetische Struktur entschlüsselt werden.

Zur damaligen Zeit war die von Boyer und seinen Kollegen angewandte Methode zur Synthetisierung eines Gens noch unbekannt. Heute ist dieser Ansatz verbreitet, und auch weitere Methoden zur direkten oder indirekten Isolierung humaner DNA kommen routinemässiger zum Einsatz. Rekombinantes Humaninsulin wurde von Boyers noch jungem Unternehmen Genentech im Oktober 1982 entwickelt und war das erste Produkt moderner Biotechnologie.

Seit diesem Ersterfolg wächst das Kontingent an gentechnisch hergestellten Arzneimitteln rasant.

Ein Gen ist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure (DNA), der die Grundinformationen zur Herstellung einer biologisch aktiven Ribonukleinsäure (RNA) enthält. Bei diesem Herstellungsprozess (Transkription genannt) wird eine Negativkopie in Form der RNA hergestellt. Es gibt verschiedene RNAs, die bekannteste ist die messenger-RNS (mRNA), von der während der Translation ein Protein übersetzt wird. Dieses Protein übernimmt im Körper eine ganz spezifische Funktion. Allgemein werden Gene daher als Erbanlage oder Erbfaktor bezeichnet, da sie die Träger von Erbinformation sind, die durch Reproduktion an die Nachkommen weitergegeben werden. Die Ausprägung oder der Aktivitätszustand eines Gens, die Expressionsrate, ist in jeder Zelle genau reguliert.

Die DNA vieler Organismen, einschliesslich der von Tieren, Hefe und Pilzen, befindet sich innerhalb des Zellkerns. Diese Organismen werden als Gruppe unter die Bezeichnung Eukaryoten gefasst, was bedeutet, dass sie über einen „echten Kern“ verfügen. Bei eukaryotischen Zellen kann die DNA auch in grösseren, als Chromosomen bezeichneten Strukturen vorliegen, die man zuweilen während der Zellteilung mikroskopisch erkennen kann. Einige Chromosomen haben eine ausgeprägte „X“-förmige Struktur.

Anders als eukaryotische Zellen haben Bakterienzellen keinen definierten Zellkern. Ausserdem besteht das bakterielle Chromosom aus einem einzigen grossen DNA-Ring und nicht aus der ausgeprägten Hyperstruktur, die man mit höheren Organismen verbindet. Aufgrund des fehlenden Zellkerns werden Bakterien als eigene Gruppe von Organismen klassifiziert, die als Prokaryoten bezeichnet werden.

Bei allen Organismen wird die gesamte genetische Information einer Keimzelle – die Summe aller Gene – als Genom bezeichnet.

AMGEN arbeitet zwar auch mit der DNA - unser vorrangiges Interesse konzentriert sich jedoch auf Proteine. Proteine haben viele verschiedene Funktionen innerhalb des Körpers: Hormone agieren als zelluläre Botenstoffe, während das Zytoskelett die strukturellen Bestandteile bildet. Enzyme sind Mediatoren des Zellstoffwechsels, während Antikörper und Lymphokine wichtige Komponenten der körpereigenen Immunantwort darstellen.

Infolge ihrer biologischen Bedeutung können Proteine ausgezeichnete Arzneimittelkandidaten sein, wenn wir uns ihre natürlichen Funktionen zunutze machen. Gene in Form der DNA sind unsere grundlegenden Informanten für die Herstellung der gewünschten Proteine.

Wie schon erwähnt, sind Proteine in Genen verschlüsselt. Gene wiederum bestehen aus Desoxyribonukleinsäure (DNA). Die Eigenschaft des DNA-Moleküls besteht in seiner Fähigkeit, alle Gene zu verschlüsseln, die für die gesamte Vielfalt des Lebens notwendig sind. Der Schlüssel zu dieser Fähigkeit liegt in der berühmten Doppelhelixstruktur, die 1953 von James D. Watson und Francis H. Crick entdeckt wurde.

Die Doppelhelix stellt die charakteristische Form der DNA dar, die mit einer Wendeltreppe vergleichbar ist. Um bei der Analogie der Leiter zu bleiben: Die äusseren Holme setzen sich aus Zucker- und Phosphatmolekülen zusammen, während die Sprossen aus Molekülen bestehen, die als „Basen“ bezeichnet werden. Ein Einzelbaustein, der aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Base besteht, ist ein Nukleotid. In jeder Stufe befindet sich ein Basenpaar, das chemisch gebunden ist.

Die DNA enthält vier spezifische Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Die vier Basen können lediglich zwei verschiedene Paare bilden, und zwar A und T sowie G und C. Kennt man also die Basensequenz auf einer Seite (Strang) des Moleküls, kann man auch die Sequenz auf der anderen Seite bestimmen.

Bei Entschlüsselung der DNA-Struktur wurde festgestellt, dass die Desoxyribonukleinsäure kopierbar ist. Da Adenin sich immer mit Thymin paart und Guanin mit Cytosin, kann jeder Strang als Vorlage für identische Kopien des Moleküls dienen. Was man zum damaligen Zeitpunkt noch nicht wusste, war, wie ein Molekül mit begrenzter Vielfalt – nur vier Basen – die notwendige Information dafür enthalten kann, extrem verschiedenartige Moleküle, wie beispielsweise Proteine, zu erzeugen.

Der genetische Code ist die biologische Regel, nach der die Sequenz von Nukleotid-Basenpaaren der DNA in eine ihrer Sequenz entsprechende Abfolge von Aminosäuren übertragen wird.

In der DNA bilden die Nukleotidbasen ein einfaches Alphabet aus vier Buchstaben, die für die 20 in Proteinen enthaltenen Aminosäuren codieren können. Die Sprache des genetischen Codes besteht aus Codeworten, sogenannten Codons. Ein Codon ist eine Sequenz von drei Nukleotid-Basenpaaren, die für eine bestimmte Aminosäure codiert. Auf den ersten Blick mag dieses Alphabet aus einzelnen Codons begrenzt erscheinen. Aber bei der Verwendung von vier Buchstaben in einer Dreierkombination sind 64 verschiedene Kombinationen möglich.

Der grundlegende Mechanismus des genetischen Codes ist bei vielen Organismen ähnlich. Ist die Aminosäurensequenz bekannt, kann die entsprechende Sequenz der DNA isoliert und in einen Wirtsorganismus (z.B. eine Bakterienzelle) eingebracht werden, um das gewünschte humane Protein zu produzieren.

Die Zelle ist bei der Proteinherstellung mit einem „Ortsproblem“ konfrontiert. Während das Protein im Zytoplasma der Zelle hergestellt wird, befindet sich die zugrundeliegende Information – die DNA – im Zellkern. Die Lösung des Problems erfolgt durch Nutzung eines Zwischenmoleküls, der sogenannten Ribonukleinsäure (RNA), und zwar speziell durch das Botenmolekül mRNA (messenger-RNA). Die RNA ist ein Polynukleotid ähnlicher Struktur wie die DNA, unterscheidet sich jedoch in drei wichtigen Punkten: Statt Desoxyribose stellt Ribose den Zucker, statt Thymin (T) enthält sie Uracil (U) als Base, und in den meisten Fällen verfügt die RNA lediglich über einen Strang. Die Synthese von messenger-RNA auf Basis der DNA wird als Transkription bezeichnet und ist der erste Schritt der Informationsübermittlung aus der DNA. Im zweiten Schritt wird dann im Zytoplasma die als mRNA übertragene genetische Information abgelesen und – durch Bildung eines Polypeptids – in die entsprechende Sequenz von Aminosäuren umgesetzt.

Dieser Translationsprozess erfordert komplexe Zellorganellen, sogenannte Ribosomen, sowie RNA-Moleküle, die als Transfer-RNA (tRNA) bezeichnet werden. Ribosomen haben die Funktion eines Gerüsts, das die mRNA in der richtigen Position hält, damit sie von der tRNA, die die Aminosäuren transportiert, gelesen werden kann. Bei diesem Vorgang werden die Aminosäuren untereinander verbunden und bilden so das – ursprünglich in der DNA verschlüsselte – Protein.

Der Begriff „rekombinante DNA“ bezeichnet den Transfer eines Gens oder Genabschnittes in fremde DNA.

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 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 Zellsysteme gewählt, die sich rasch vermehren und besonders viel von dem gewünschten Stoff produzieren. Dies sind in der Regel Bakterien oder tierische/menschliche Zellkulturen. Das Wachstum der Zellkulturen erfolgt in grossen Edelstahlbehältern (Fermentern). Die Zellen werden nach einigen Tagen „geerntet“. Anschliessend wird das Protein isoliert und aufwendig gereinigt. Am Ende des Prozesses stehen große Mengen des gewünschten Wirkstoffes in hoher Qualität zu Verfügung. Was hier relativ einfach klingt, ist jedoch in der Wirklichkeit sehr komlex. Die zuverlässige Herstellung biotechnologischer Medikamente erfordert Spezialwissen und jahrelange Erfahrung.

AMGEN hat ein erfolgreiches Forschungsprogramm mit Schwerpunkt auf dem Gebiet der hämatopoetischen Wachstumsfaktoren entwickelt.

Hämatopoetische Wachstumsfaktoren sind Proteinhormone, die vom Körper produziert werden, um die Bildung und Reifung verschiedener blutbildender Zellen zu regeln. Die unspezifischen Vorläuferzellen entwickeln sich zu spezifischen Zelltypen, wie Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten. Diese Weiterentwicklung wird teilweise durch verschiedene Proteinfaktoren gesteuert. Einige dieser Faktoren spielen offenbar eine sehr spezifische Rolle, während andere eher generalisierte Funktionen zu haben scheinen.

AMGEN hat die Möglichkeiten der Gentechnik genutzt, um die Gene für einige dieser Proteinfaktoren zu isolieren. Zwei dieser Proteine sind Erythropoetin und der Granulozyten-Kolonie-stimulierende Faktor (G-CSF).

Erythropoetin ist ein Proteinhormon, das in der Niere produziert wird. Es stimuliert die Vorläuferzellen im Knochenmark und regt so die Bildung roter Blutkörperchen (Erythrozyten) an.

Bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz kann Erythropoetin häufig nicht mehr in der Menge produziert werden, die für die Aufrechterhaltung einer normalen.

Erythrozytenkonzentration im Blutkreislauf erforderlich ist. Infolgedessen leiden diese Patienten für gewöhnlich unter chronischer, schwerer Anämie, das heisst, die Zahl der roten Blutkörperchen ist bei ihnen dauerhaft erniedrigt. In manchen Fällen benötigen die Patienten – zusätzlich zur Dialyse – häufige Bluttransfusionen, um adäquate Konzentrationen roter Blutkörperchen aufrechterhalten zu können.

Die mit einer Nierenerkrankung assoziierte Anämie könnte behandelt werden, wenn sich eine externe Erythropoetin-„Quelle“ finden liesse. Leider produziert der Körper Erythropoetin nur in sehr geringen Mengen, was es unvorstellbar erscheinen lässt, genügend natürliches Erythropoetin zu isolieren, um alle anämischen Patienten zu behandeln. Das ist der Punkt, an dem die rekombinante DNA-Technologie ins Spiel kommt.

Bei AMGEN hatte ein Forschungsprojekt unter Leitung von Dr. Fu Kuen Lin die Vervielfältigung des humanen Erythropoetin-Gens zum Ziel. Dafür erhielt Dr. Lins Team zunächst sehr kleine Mengen humanen Erythropoetins von der Universität in Chicago, mit der AMGEN zusammenarbeitete. Die Wissenschaftler nutzten dieses Material, um die Aminosäurensequenz in einem Teil des Erythropoetin-Moleküls zu bestimmen.

Ausgerüstet mit der Information für die Sequenz war Dr. Lin in der Lage, sehr kurze DNA-Abschnitte, sogenannte Oligonukleotide, zu definieren, die möglicherweise mit der humanen DNA-Sequenz für Erythropoetin übereinstimmten. Gleichzeitig wurden Abschnitte humaner DNA, die das Gen für Erythropoetin hätten enthalten können, randomisiert in Bakterienzellen vervielfältigt. Danach verwendete er die kurzen DNA-Abschnitte als Markierung, um das Erythropoetin mit Hilfe der Autoradiographie nachzuweisen.

Mit dieser Methode gelang es Dr. Lin, das humane Gen für Erythropoetin zu isolieren, die codierende DNA-Sequenz rekombinationstechnisch in Ovarialzellen des chinesischen Hamsters einzubringen und diese zur Produktion des humanen Proteins zu veranlassen.

Die rekombinante DNA-Technologie ist das Rückgrat von AMGEN’s Erfolg. Neben der Verfeinerung ihrer Techniken befassen wir uns mit der Entwicklung neuer, für Biotechnologieprodukte der zweiten und dritten Generation vielversprechender Techniken.

In den letzten Jahren ist unser Verständnis der mit Zellwachstum und Zelldifferenzierung verbundenen Vorgänge stetig gewachsen. Wir hoffen, dass diese Entwicklung neue Produkte für die Behandlung vielfältiger Krankheiten mit sich bringt. Hinzu kommt, dass sich unser Wissen über die Proteine und die DNA-Struktur ständig erweitert, wodurch neue Klassen therapeutischer Moleküle mit einzigartigen Fähigkeiten geschaffen werden können.

Die Produktion von Biopharmazeutika ist ein hochkomplexer und sehr aufwändiger Prozess. Dieses Video erklärt den Prozess und zeigt die Herausforderungen auf.