Biopharming – pflanzenbasierte Arzneimittelproduktion

Sicher, schnell und kostengünstig – so sollen Arzneimittel idealerweise produziert werden. Pflanzen sind als Arzneimittelproduzenten herkömmlichen Systemen in vielerlei Hinsicht überlegen.

Gentechnisch hergestellte, therapeutische Proteine wie Antikörper, Hormone oder Wachstumsfaktoren gewinnen in der Medizin stetig an Bedeutung. Nach Recherchen des Verbandes forschender Arzneimittelhersteller (vfa) sind in Deutschland 143 Arzneimittel mit 107 Wirkstoffen zugelassen, die gentechnisch hergestellt wurden (Stand: 9. Sept. 2010). Diese so genannten rekombinanten Medikamente machen etwa 16 % des Arzneimittelumsatzes in Deutschland aus. Anwendung finden die sie unter Anderem bei Diabetes (Insuline), Multipler Sklerose und rheumatoider Arthritis (Immunmodulatoren), bei Krebserkrankungen (monoklonale Antikörper), angeborenen Stoffwechsel- und Gerinnungsstörungen (Enzyme, Gerinnungsfaktoren) sowie bei Schutzimpfungen. Therapeutische Proteine werden heutzutage mithilfe gentechnisch veränderter Bakterien, Pilze oder Säugerzellen in Bioreaktoren hergestellt. Einfach gebaute Proteine wie Insulin können problemlos von Bakterien erzeugt werden. Da ihnen jedoch die Fähigkeit fehlt, Zuckermoleküle an Proteinbausteine anzuknüpfen, sind Bakterien nicht in der Lage, komplexere, menschliche Proteine zu prozessieren. Dieser Prozess der Glykosylierung ist den Eukaryonten vorbehalten. Um therapeutische Proteine mit Zuckerbausteinen auszustatten, greifen viele Arzneimittelhersteller daher zu Säugerzellkulturen. Doch deren Unterhalt in nährstoffreichen Medien kostet viel Geld, und die Medikamentenproduktion viel Zeit. Zudem können Säugerzellkulturen mit Krankheitserregern verunreinigt sein, die auch für den Menschen gefährlich sind und die Reinheit des Arzneimittels gefährden.

Wissenschaftler suchten deshalb nach einem billigeren, einfacheren und schnelleren Produktionssystem für die Herstellung humaner Proteine als Arzneimittel. Menschliche Biomoleküle können auch in gentechnisch veränderten Pflanzen produziert werden. Dieser Vorgang wird als „Molecular Pharming“ bezeichnet. Die Produkte bezeichnet man als „Plant Made Pharmaceuticals“ (PMP).

Die Idee, humane Proteine von Pflanzen generieren zu lassen, ist nicht neu. An der Universität Wien stellten Wissenschaftler bereits 1986 ein menschliches Wachstumshormon in transgenen Tabakpflanzen her. 1989 konnten Forscher am Institut für Molekularbiologie in La Jolla, Kalifornien, zum ersten Mal Antikörper aus Pflanzen gewinnen und 1992 gelang es einer Gruppe um Charles Arntzen von der Texas University in Houston sogar, einen experimentellen Impfstoff gegen das Hepatitis B -Virus herzustellen.

Wirkstoffernte: Matthäus Langer schneidet Tabakpflanzen, die Proteine für einen Impfstoff gegen Lymphdrüsenkrebs in ihren Blättern produziert haben. Im Wuppertaler Labor haben Bayer-Forscher ein mehrstufiges, leistungsfähiges Aufreinigungsverfahren für die Proteine aus den Tabakgewächsen entwickelt (Quelle: Peter Ginter).

Nahe Verwandtschaft

Pflanzen sind so nah mit dem Menschen verwandt, dass sie auch komplexe Proteine humanen Ursprungs richtig prozessieren und konfigurieren können. Ein paar elementare Unterschiede gibt es allerdings doch zwischen Pflanze und Mensch: Zwar versehen beide ihre Proteine gerne mit Zuckerresten, allerdings nicht mit denselben – und genau das bereitete den Wissenschaftlern Schwierigkeiten. Während Pflanzen gerne Mannose, Fukose und Xylose an ihre Proteine anheften, brauchen humane Proteine Galaktose und N-Acetylneuraminsäure, um voll funktionsfähig zu sein. Mit Hilfe molekularbiologischer Verfahren konnte dieses Hindernis aber mittlerweile überwunden werden.

Evolutionäre Distanz

Gegenüber Säugerzellkulturen bieten Pflanzen aufgrund ihrer evolutionären Distanz zum Menschen bei der Produktion humaner Proteine wesentliche Vorteile: Da Pflanzenerreger für den Menschen von Natur aus ungefährlich sind, ist insbesondere das Verunreinigungsrisiko hier deutlich geringer als bei herkömmlichen Produktionsverfahren in Säugerzellkulturen. Auch mögliche Kontaminationen durch mikrobielle Endotoxine oder krebsauslösende Sequenzen können im pflanzlichen System ausgeschlossen werden. Pharmakologische Substanzen können in den Samen oder Früchten der Pflanze quasi „steril“ verpackt und konserviert werden. Demnach wären Lagerung und Transport einfacher möglich, als dies bei den bisherigen Herstellungswegen üblich ist. Zwar werden herkömmliche Pharmazeutika bereits seit Jahren sicher in Säugerzellen produziert, sie unterlaufen aber aufwändige Reinheitstests. Manche Produkte, wie z.B. bestimmte Zytokine, können auf Säugerzellen toxisch wirken und diese in ihrem Wachstum hemmen. Aufgrund ihres andersartigen Stoffwechsels können diese Stoffe in Pflanzen hingegen problemlos angereichert werden.