Biopharming

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.

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.

Kostengünstig im Unterhalt

Auch der Anbau und Unterhalt der pflanzlichen Produktionsstätten ist wesentlich günstiger als der von Säugerzellen. Im Gegensatz zu teuren Nährmedien benötigen Pflanzen als Energiequelle nur kostenneutrales Sonnenlicht, in Laboren künstliches Licht. Auch Kohlendioxid gibt es umsonst und Erde und Wasser sind weitaus günstiger als sterile Nährmedien.

Beim „Molecular Pharming“ kommen grundsätzlich zwei Anbaumethoden in Frage: Zum einen der Anbau ganzer, intakter Pflanzen im Gewächshaus, zum anderen die Kultivierung von Pflanzenzellen als Suspensionskulturen in Bioreaktoren unter Einhaltung pharmazeutischer Richtlinien. Die Produktion auch großer Mengen pharmazeutischer Wirkstoffe könnte durch den Freilandanbau flexibler und kostengünstiger an die Markterfordernisse angepasst werden. Die meisten Pflanzen-Biotech-Firmen produzieren jedoch in Gewächshäusern oder Fabrikhallen mit künstlichem Licht und gleich bleibenden Wachstumsbedingungen. In Gewächshäusern sind die wertvollen Pflanzen außerdem vor Unwettern und Diebstahl geschützt. Und einen ganz praktischen Grund hat der Indoor-Anbau auch noch: Bei der Impfstoffproduktion bei Bayer z.B. werden die ausgewachsenen Tabakpflanzen kopfüber in einen Behälter gesteckt, um sie mit dem Bauplan des gewünschten Proteins zu bestücken. Das ließe sich mit Pflanzen, die auf einem Feld wachsen, nur schwer realisieren.

Risiko Kreuzkontamination

Größtes Risiko beim „Molecular Pharming“ ist die Verunreinigung von nicht transgenen Pflanzen, die in der Nachbarschaft der transgenen Nutz-Pflanzen wachsen.

Die texanische Biotechfirma ProdiGene war einst ein führendes Unternehmen bei der Entwicklung von PMP – bis im Jahr 2002 Reste gentechnisch veränderter Maispflanzen in Sojabohnen gefunden wurden. ProdiGene hatte Mais freigesetzt, der Trypsin, ein Protein der Bauchspeicheldrüse bildet. Trypsin wird u.a. zur Herstellung von Insulin verwendet. Nach Abschluss des Versuchs wurde auf dem Feld Soja für den menschlichen Verzehr angepflanzt. Bei Überprüfung der geernteten Sojabohnen fanden sich Reste von Mais. ProdiGene musste die Ernte von rund 13.500 Tonnen Sojabohnen im Wert von zwei Millionen Dollar ankaufen und vernichten sowie zusätzlich eine Strafe zahlen.

Dieser Konflikt verdeutlicht, dass Arzneimittel produzierende Pflanzen besondere Sicherheitsmaßnahmen erfordern, um sie strikt von Lebens- und Futtermittelpflanzen zu trennen. Verbannt man die transgenen Pflanzen allerdings in Fabrikgebäude, geht ein wesentlicher Vorteil für die kostengünstige Massenproduktion - nämlich die Nutzung der kostenfreien Sonnenenergie und die fast unbegrenzte Anbaufläche - verloren.

In Kanada und in den USA, wo derzeit die intensivste Forschung zu PMP stattfindet, haben sich die Biotechfirmen, die auf die Massenproduktion angewiesen sind, folgendermaßen abgesichert: Ein kanadischer Biotech-Konzern (Ventria Bioscience in Junction City) benutzt beispielsweise transgenen Reis zur Herstellung von humanem rekombinanten Laktoferrin und Lysozym. Dabei handelt es sich um Enzyme aus der humanen Muttermilch, die auf vielfältige Weise in der Medizin Anwendung finden und von Ventria Bioscience an die pharmazeutische Industrie verkauft werden. Reispflanzen bestäuben sich selbst, wobei die Reispollen bereits fünf Minuten, nachdem sie die Pflanze verlassen haben, absterben. Pflanzen, die weit genug von einem solchen Feld entfernt wachsen, können praktisch nicht verunreinigt werden.

Einer ähnlichen Strategie, Kreuzkontaminationen mit Pflanzen aus der menschlichen Nahrungsmittelkette zu vermeiden, bedient sich die kanadische Firma SemBioSys (Calgary, Kanada). Sie nutzt die sich ebenfalls selbst bestäubende Öldistel als Proteinfabrik. Da die Öldistel in den USA nur sehr selten angebaut wird, kann sie räumlich ohne Schwierigkeiten so weit von anderen Öldisteln distanziert werden, dass eine Vermischung von transgenen mit nicht-transgenen Pflanzen ausgeschlossen ist.

Die Öldistel bringt sogar noch weitere Vorteile mit sich: SemBioSys hat die Pflanze so konditioniert, dass die medizinisch relevanten Proteine in den Ölkörpern der Pflanzensamen produziert werden. Die Ölkörper, die leichter als Wasser sind, werden durch eine einfache Zentrifugation von den übrigen Proteinen des Samens getrennt. So spart die Firma Zeit und Geld bei der Aufreinigung ihrer Proteine.

Grüne Arzneimittelfabriken global von Interesse

Weltweit wird an unterschiedlichen Pflanzenspezies wie Tabak, Reis, Weizen, aber auch Kartoffeln, Moosen und Erbsen gearbeitet. In Deutschland gibt es sowohl akademische Arbeitsgruppen, die sich aus dem Blickwinkel der Grundlagenforschung mit möglichen pflanzlichen Expressionssystemen beschäftigen, als auch Unternehmen, die auf diesem Feld kommerzielle Aktivitäten verfolgen. Diese Unternehmen wollen entweder in Pflanzen produzierte Wirkstoffe auf den Markt bringen oder ein pflanzliches System als Plattformtechnologie für Medikamentenentwickler zur Verfügung stellen.

Medikamente für die 3. Welt

Das Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) gehört in Deutschland zu den Pionieren in der Forschung an „Plant made Pharmaceuticals“. Die Fraunhofer-Wissenschaftler wollen Pflanzen als Produzenten für günstige Medikamente und Impfstoffe zu nutzen, die in Entwicklungsländern dringend gebraucht werden. Im Fokus stehen beispielsweise Medikamente aus Tabakpflanzen gegen das HI-Virus.

Groß hilft Klein

Seit den Neunziger-Jahren wurden weltweit zahlreiche Biotech-Firmen gegründet, die sich an der pflanzen-basierten Medikamentenherstellung versuchten. Einige erfolgreich, andere weniger erfolgreich. Für die kostspieligen klinischen Studien bis zur Markteinführung eines solchen Produktes, sind kleine Biotechfirmen auf die finanzielle Unterstützung bzw. auf die Übernahme durch große Pharmakonzerne angewiesen. Beispielhaft dafür ist die in Halle (Saale) ansässige Firma Icon Genetics, die seit 2006 zum Bayer-Konzern gehört. Ihre Mitarbeiter arbeiten unter Anderem an einem in Tabakpflanzen produzierten, patienten-spezifischen Impfstoff gegen das Non-Hodgkin-Lymphom. Beim Non-Hodgkin-Lymphom handelt es sich um eine sehr heterogene Gruppe von Tumor-Krankheiten, bei der sich meist die B-Lymphozyten, unkontrolliert vermehren und sich in den Lymphknoten, im Rückenmark oder anderem Gewebe sammeln. Non-Hodgkin-Lymphome sind die fünfthäufigste Todesursache bei Tumorerkrankungen. Da die Oberflächen der Krebszellen bei jedem Patienten eine andere Struktur aufweisen, können sie nur durch einen individuellen Impfstoff bekämpft werden. Dazu entnehmen Mediziner dem Krebspatienten eine Tumor-Gewebeprobe, aus deren Muster sie einen Impfstoffbauplan generieren, den die Tabakpflanze für jeden Patienten innerhalb weniger Tage individuell produziert.

Anfang des Jahres 2010 startete die klinische Entwicklung des Impfstoffs: Nach der Genehmigung der Phase-I-Studie durch die FDA (Food & Drug Administration) in den USA werden nun die Proteine, die in Tabakpflanzen produziert wurde, klinisch erprobt.

Medizin aus Moos

Prof. Dr. Ralf Reski und seine Kollegen an der Universität in Freiburg erkannten schon vor etwa 15 Jahren, dass sich das Kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens) besonders gut zur humanen Proteinfabrik ummünzen lässt. Ende der 90er Jahre sah BASF das Potenzial dieser Arbeiten und investierte einen zweistelligen Millionenbetrag. 1999 gründete Reski gemeinsam mit Kollegen das Unternehmen greenovation Biotech, um mit den Moosen eiweißbasierte Medikamente herzustellen. Der Freiburger Firma gelang es, im Moosbioreaktor aktive Proteine anzureichern. Die Biopharmazeutika können so relativ einfach und kostengünstig aus dem Medium aufgereinigt werden, ohne dass die produzierenden Mooszellen zerstört werden müssen. Das spart eine Menge Geld bei der Verarbeitung der wertvollen Proteine. Das neuste Projekt des Teams um PD Dr. Eva Decker von der Universität Freiburg ist die Produktion des „Komplementfaktor H“ im Moosbioreaktor. Der „Komplementfaktor H“ ist ein Bestandteil des Komplementsystems, welches als Teil des menschlichen Immunsystems die Immunantwort gegen verschiedene Krankheitserreger steuert. Fehlt dieses Protein, führt das zu altersbedingter Blindheit. Betroffen sind etwa 50 Millionen Menschen.

Erstes Arzneimittel bald zugelassen

Für Tiere ist bereits seit 2006 ein von Pflanzen hergestelltes Medikament auf dem Markt: Im Januar 2006 hat die US-Veterinärbehörde einen Impfstoff gegen den Geflügelpesterreger „Newcastle Disease Virus“ zugelassen. Die „Newcastle-Krankheit“ ist eine hochansteckende Viruserkrankung bei Geflügel, die auch auf zahlreiche andere Haus- und Wildvogelarten übergehen kann. Die Sterblichkeit bei den Vögeln kann je nach Virusstamm und Verlaufsform innerhalb weniger Tage bis zu 100 Prozent betragen. Dieses Arzneimittel wurde auf der Basis pflanzlicher Zellkulturen produziert.

Noch gibt es allerdings keine in Pflanzen hergestellten Medikamente für den Menschen auf dem Markt. Das weltweit erste humane Pharmazeutikum dieser Art steht jedoch heute kurz vor der Zulassung: In Einweg-Bioreaktoren aus Plastik produziert die Firma Protalix in Israel Proteine in Karotten-Zellkulturen. Das Hauptprodukt der Firma ist die rekombinante Taliglucerase alfa, ein Medikament gegen das Gaucher-Syndrom. Patienten mit dieser seltenen Erbkrankheit leiden aufgrund einer eingeschränkten Enzymaktivität zum Abbau zucker- und fetthaltiger Substanzen unter einem gestörten Fettstoffwechsel. Das Medikament Taliglucerase alfa der Firma Protalix wird voraussichtlich zum 25. Februar 2011 zugelassen. Wird dies der Beginn einer neuen Ära in der Arzneimittelproduktion sein?