Biopharming auf dem Vormarsch

Ob bei seltenen Erbkrankheiten, einem Mangel an Blutkonserven oder als maßgeschneiderte Antikörper - pflanzlich hergestellte Arzneimittel lösen Probleme in den unterschiedlichsten Bereichen.

Arzneimittel in Pflanzen herzustellen, ist nicht neu. Bereits in den 1980er Jahren gab es erste erfolgreiche Versuche dazu. Das weltweit erste humane Pharmazeutikum dieser Art steht kurz vor der Zulassung: Die Firma Protalix in Israel produziert Proteine in Karotten-Zellkulturen. Diese sollen Menschen mit einer seltenen Erbkrankheit, dem Gaucher-Syndrom, helfen.

Auch globale Probleme könnten mit Hilfe von Arzneimitteln, die in Pflanzen produziert wurden, sog. „Plant made Pharmaceuticals“ (PMP), gelöst werden: Forschern ist es gelungen, Reispflanzen genetisch so umzubauen, dass sie das im Blutserum vorkommende Serumalbumin (HSA) produzieren. Dieses Eiweiß wird weltweit in großen Mengen zur Medikamenten- und Impfstoffproduktion eingesetzt. Auch bei der Behandlung von Patienten mit beispielsweise schweren Verbrennungen oder Leberzirrhose wird es benötigt. Bisher war der Nachschub jedoch begrenzt, da HSA nur aus Blutsplasma gewonnen werden konnte.

"Wir haben nun eine sichere und kosteneffektive Möglichkeit gefunden, den weltweit steigenden Bedarf an HSA zu decken", sagen Erstautor Yang He von der Wuhan University in Wuhan, China, und seine Kollegen im Fachmagazin "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS). Die Wissenschaftler hatten das Erbgut von Reis dauerhaft so verändert, dass die Pflanze das menschliche Protein HSA produziert und in ihren Samen anreichert. HSA mache dann ungefähr zehn Prozent aller löslichen Proteine im Reiskorn aus, berichten die Forscher.

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Im Rahmen ihrer Studie prüften He und seine Kollegen, ob das im Reis hergestellte Eiweiß in seinem Aufbau und seiner Funktion mit dem menschlichen Eiweiß identisch ist. "In unseren Untersuchungen konnten wir keine Unterschiede zum menschlichen HSA feststellen", schreiben die Forscher. Die medizinische Wirkung des Reis-Proteins entspreche ebenfalls dem des Vorbilds. Das habe man in Versuchen an Ratten mit Leberzirrhose festgestellt. Beide Serumalbumine wirkten bei den lebergeschädigten Ratten gleich gut.

Massenproduktion ohne Qualitätsverlust

Laut Yang He und seinen Kollegen scheitern viele ähnliche Versuche, medizinisch wirksame Eiweiße in Pflanzen herzustellen, an den hohen Kosten. Diese entstehen, wenn das Eiweiß in reiner Form aus der Pflanze gelöst werden muss. Schätzungen spanischer Forscher zufolge lohnt sich die Herstellung von HSA in Pflanzen erst bei einer Ausbeute von 0,1 Gramm HSA pro Kilogramm Reis.

Mit einer speziell entwickelten Methode konnten die Wissenschaftler um Yang He etwa 2,75 Gramm HSA pro Kilogramm Reis mit einer Reinheit von über 99 Prozent gewinnen. "HSA in Reiskörnern herzustellen, ist finanziell rentabel und mengenmäßig kaum begrenzt", beschreiben die Wissenschaftler die Vorteile ihres Verfahrens.

HSA ist weltweit begehrt, aber nur begrenzt vorhanden

Studien zufolge werden weltweit jährlich mehr als 500 Tonnen HSA verbraucht. Bisher mussten die Hersteller des menschlichen Bluteiweißes auf Blutspenden zurückgreifen. Diese werden aber auch dringend in Krankenhäusern benötigt und stehen oft nicht in ausreichender Menge zu Verfügung. Der Preis für HSA sei in den letzten Jahren rapide angestiegen, weil zu wenige Blutspenden vorhanden waren, berichten die Forscher. Das habe sogar gefährliche HSA-Fälschungen auf den Markt gebracht.

Ein weiteres Problem bei der Herstellung von HSA aus Blutspenden ist das Risiko von Verunreinigungen. Immer wieder infizieren sich Patienten über diesen Weg mit Krankheitserregern wie Hepatitisviren und HIV. "HSA aus Reis ist sicher und kann helfen, die weltweit steigende Nachfrage danach zu decken", schreiben Yang He und seine Kollegen über den Nutzen ihres Verfahrens.

Ein weiteres Beispiel für die besonderen Vorteile eines pflanzlichen Systems zur Medikamentenherstellung ist die Produktion von Antikörpern.

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Maßgeschneiderte Antikörper dank pflanzlicher Herstellung

Monoklonale Antikörper sind besonders vielversprechende Produkte der biopharmazeutischen Industrie, da sie in der Diagnostik, der Therapie und der Forschung von Nutzen sind. Ein Antikörper muss den körperfremden Krankheitserreger zielsicher erkennen, erfassen und eliminieren. Dies geschieht durch das Zusammenspiel bestimmter Bestandteile eines Antikörpers, den sog. Fc-Domänen, mit den Gamma-Fc-Rezeptoren, die von verschiedenen Zellen hergestellt werden. Damit der Antikörper richtig funktioniert, sind die Zuckerreste an den Fc-Domänen von großer Bedeutung. Diese herzustellen ist nicht ganz einfach: Bakterien scheiden als Produktionsstätten aus, da sie nicht in der Lage sind, Eiweiße mit Zuckerresten zu versehen. Dieser Prozess der Glykosilierung ist den Eukaryoten vorbehalten. Für viele der wichtigsten modernen Biopharmazeutika greift man daher auf Säugetier-Zelllinien zurück, obwohl sie schwierig und teuer zu kultivieren sind, langsam wachsen und im Vergleich zu Mikroorganismen nur geringe Ausbeuten an rekombinantem Protein liefern. Pflanzen sind in vielerlei Hinsicht eine gute Produktionsalternative zu Säuger-Zellkulturen und stehen den tierischen Zellen in Produktionsgeschwindigkeit und Ertrag der Proteine in nichts nach.

Ein Team aus österreichischen und kalifornischen Wissenschaftlern nutzte die Tabakpflanze Nicotiana benthamiana zur Herstellung eines Antikörpers gegen das Ebola Virus. Mit ihrem System gelang es den Forschern, die wichtigen Fc-Domänen des Antikörpers gezielt mit verschiedenen Zuckerresten zu versehen, die den menschlichen ähneln. Die Forscher versprechen sich davon, aus der Vielzahl von unterschiedlich glykosilierten Antikörpern die wirkungsvollsten zu finden. „Antikörper mit nur einem Zuckerrest in isolierter Form herzustellen, ist bisher in keinem auf Säugetierzellen basierten Produktionssystem gelungen“ erklären Herta Steinkeller und ihre Kollegen von der Universität für Bodenkultur in Wien im Fachmagazin „PLoS One“. Nur wenn die glykosilierten Antikörper in reiner Form vorliegen, sind die Wissenschaftler in der Lage, deren Leistungsfähigkeit zu prüfen und im Anschluss gezielt die effektivsten Antikörper zu produzieren.