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Biotechnologie verändert unser Leben

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Präsentation zum Thema: "Biotechnologie verändert unser Leben"—  Präsentation transkript:

1 Biotechnologie verändert unser Leben
Leben in vitro Biotechnologie verändert unser Leben Dr.Barbara Hansen Fachhochschule Lausitz, Senftenberg

2 Was ist Biotechnologie?
Biotechnologie kann man heute beschreiben, als den interdisziplinären Ansatz biologische Systeme zu erforschen und die gewonnenen Erkenntnisse praktisch anzuwenden. Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

3 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

4 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

5 Chymosin (Labferment)
früher: Isolierung aus Kälbermägen heute: rekombinante Herstellung in Escherichia coli Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

6 Was lebt im Joghurt ? Elektronenmikroskop Lichtmikroskop Lactobacillus
Bifidobacterium Was lebt im Joghurt ? Streptococcus

7 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

8 Biotechnik in der Medizin
- heute gentechnisch hergestellte (rekombinante) Arzneimittel - heute und morgen zellbasierte Arzneimittel - die Zukunft Ersatzteillager Stammzellen ? Aktuelles Thema Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

9 Was sind rekombinante Arzneimittel ?
Werden von lebenden Zellen (Mikroorganismen oder Zellinien) produziert Die Information für den Wirkstoff (Protein) wurde in Form neukombinierter DNA in die Produktionszellen eingebracht Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

10 Warum rekombinante Arzneimittel?
Bei Nutzung „natürlicher“ Quellen hat man oft ein Mengenproblem Die Gefahr durch Kontaminationen ist groß Bei Verwendung tierischer Quellen besteht das Risiko einer Immunreaktion gegen das Arzneimittel Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

11 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Rekombinante Arzneimittel Heute sind in Deutschland etwa 60 Arzneimittel mit 42 gentechnisch hergestellten Wirkstoffen zugelassen Aktilyse (Thomae) t-PA Recombinate (Baxter) Faktor-VIII SAIZEN (Serono) Somatotropin Erypo (Cilag) Erythropoetin Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

12 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

13 Was ist Erythropoetin und welche Funktion hat es?
Körpereigenes Hormon Produktion in der Niere Stimuliert die Bildung roter Blutkörperchen aus Vorläuferzellen (hämatopoetische Stammzellen) Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

14 Wo wird Erythropoetin in der Therapie eingesetzt?
Bei chronischer Nierenunterfunktion Bei Krebspatienten Bei Frühgeborenen Bei „ Blutarmut“ Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

15 Missbrauch von Erythropoetin
Im Hochleistungssport zu Verbesserung von Ausdauerleistungen z.B. im Radsport Problem:da es sich um ein körpereigenes Hormon handelt, ist es nicht nachweisbar Nachweis über Hämatokrit > 50 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

16 Woher bekommt man große Mengen Erythropoetin?
Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

17 Wie sieht Erythropoetin aus?
Glycoprotein 34 kDa 193 Aminosäuren vor der Sekretion innerhalb der Zellen 166 Aminosäuren nach der Sekretion außerhalb der Zellen 27 Aminosäuren Signalsequenz, die abgeschnitten werden Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

18 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
AS 24 AS 38 AS 83 AS 126 Kohlenhydrat-Seitenkette AS 7  161 AS 29  33 Disulfidbrücke H2N COOH 1 -27 -1 162 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

19 Wie gewinnt man Erythropoetin?
Früher aus humanem Urin, für die Behandlung eines Patienten waren pro Jahr 1,6 Mill. Liter Urin notwendig. Herstellung in Bakterien nicht möglich wegen fehlender postranslationaler Modifikation Heute großtechnische Produktion in Säugerzellen (CHO) Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

20 Zellbasierte Arzneimittel
Heute und morgen Zellbasierte Arzneimittel Therapie durch Einsatz von Zellen? Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

21 Zellbasierte Arzneimittel
 keine gebrauchsfertigen Arzneimittel, die auf Vorrat produziert werden können  Herstellung individuell für den einzelnen Patienten Anwendungsgebiete  Gewebe-Regeneration, z.B. Knochen, Knorpel, Haut  Strukturelle Reparatur, z.B. Gefäßtransplantat Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

22 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Ein Blick ins Knie Kreuzband Meniskus Gelenkknorpel Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

23 Schäden am Gelenkknorpel Rheumatoide Arthritis Trauma Arthrose
Unfall lokal begrenzter Schaden unterschiedlicher Größe, übriges Knorpelgewebe gesund Degenerative Erkrankung gestörtes Gleichgewicht zwischen Abbau und Neusynthese der Matrix „Abnutzung“ des Knorpels (veränderte Oberfläche, verringerte Dicke) Entzündliche Erkrankung chronisch fortschreitend und systemisch Immunzellen spielen eine Rolle Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

24 Eigenschaften von Gelenkknorpel
wenige Zellen hoher Matrixanteil Collagen – Fasern knorpeltypische Makromoleküle mit Wasserspeicher-Kapazität Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

25 Knorpel, Knie, Gefrierschnitt 8 µm, Safranin O-Färbung
Matrix Knorpelzelle

26 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Knorpelschäden können nicht von selbst heilen. Knorpel hat keine Fähigkeit zur Regeneration. Knorpelzellen können sich in vivo nicht vermehren. Nur der Abbau von Knorpel kann durch Medikamente verlangsamt werden. Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

27 Knorpel-Zell-Transplantation (ACT = Autologe Chondrocyten Transplantation)
patienteneigenes Gewebe wird entnommen Knorpelzellen werden isoliert, im Labor vermehrt und anschließend transplantiert Neubildung von Knorpelgewebe aus den injizierten Zellen im Körper  bioaktive Kammer Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

28 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Knorpel-Zell-Transplantation Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

29 „in vitro hergestelltes Zell-Matrix-Konstrukt“
Zellen & Träger zweite Generation der zellbasierten Arzneimittel „in vitro hergestelltes Zell-Matrix-Konstrukt“ Eine Zellsuspension wird in ein 3-dimensionales artifizielles Trägergerüst eingebracht Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

30 3-dimensionales in vitro Gewebe
ohne Verwendung von Trägergerüsten dritte Generation der zellbasierten Arzneimittel N E U „Autolog hergestelltes Gewebe“ Struktur & Funktion entsprechend den Vorgaben der Chondrozyten Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

31 Problem: sehr lange Rehabilitationszeit von 6 Monaten bei ACT mit Zellsuspensionen
Forschungsansatz: Der Patient bekommt nicht einzelne Zellen transplantiert, sondern fertiges Knorpelgewebe Sphäroid aus Knorpelzellen Durchmesser 1 mm

32 Ersatzteillager Stammzellen?
morgen Ersatzteillager Stammzellen? Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

33 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Was sind Stammzellen und warum sind sie so wichtig? Was sind die Unterschiede zwischen verschiedenen Stammzellen? < embryonale/adulte – totipotente/multipotente > Wie werden Stammzellen gewonnen? Was sind die potentiellen Anwendungen menschlicher Stammzellen Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

34 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Was sind Stammzellen ? Stammzellen Zellen, die die Fähigkeit besitzen,sich selbst beliebig oft durch Zellteilung zu reproduzieren & die sich zu spezialisierten Zellen entwickeln können Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

35 Biologische Bedeutung der Stammzellen
Warum sind Stammzellen so wichtig? Biologische Bedeutung der Stammzellen  Grundstock zur Entwicklung neuen Lebens (frühe Embryonalentwicklung)  aus diesen Vorläuferzellen entstehen die verschiedensten Gewebe (fötale Entwicklung)  Ersatz von Zellen, deren normale Lebenszeit abgelaufen ist oder die durch Verletzung oder Krankheit verloren gingen (im ausgewachsenen Organismus) Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

36 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Warum sind Stammzellen so wichtig? Leukämie Parkinson Herzinfarkt Diabetes Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

37   totipotent pluripotent multipotent embryonal - adult
befruchtete Eizelle & erste Zellen Embryonale Stammzellen Blastocyste: innere Zellmasse pluripotent weitere Spezialierung Adulte Stammzellen Stammzellen, die in ihrer Differenzierungs-Richtung festgelegt sind multipotent Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

38 Stammzellen xx Zellentnahme zur Präimplantations-diagnostik (PID)
Embryonale Stammzellen Adulte Stammzellen xx Nabelschnurblut

39 adulte (somatische) Stammzellen
Adulte Stammzellen adulte (somatische) Stammzellen  undifferenzierte Zellen in einem Gewebe oder Organ  Proliferation & Differenzierung zu spezialisierten Zelltypen des Gewebes / Organs  adulte Stammzellen sind in sehr vielen Geweben gefunden worden  zur Zeit im Test: eignen sie sich für Tansplantationen? Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

40 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Transdifferenzierung / Plastizität Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

41 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Adulte Stammzellen Zelltherapie bei Herzinfarkt  Gewebe-Regeneration Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

42   Stammzellen embryonale adulte Stammzellen – eine Gegenüberstellung
Gewinnung teilweise problemlos, teilweise mit Risiken verbunden  Gewinnung erfordert die Zerstörung von Embryonen  ethisches Problem  pluripotent  multipotent (pluripotent ?)  teilweise begrenzte Zellmenge, Isolierung und Expansion in Zellkultur noch schwierig  große Zellzahlen problemlos im Labor zu erhalten Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

43   Stammzellen embryonale adulte Stammzellen – eine Gegenüberstellung
 nur allogen anwendbar  Problem der Transplantatabstoßung  autologe & allogene Anwendung  Gefahr der Krebsentstehung  keine Krebsentstehung  Problem: Kontrolle von Proliferation & Differenzierung Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

44 Potentielle Anwendungsmöglichkeiten menschlicher Stammzellen
 Grundlagenforschung & klinische Forschung  Informationen über die komplexen Vorgänge während der Embryonalentwicklung  besseres Verständnis der genetischen und molekularen Kontrolle von Zellteilung und Differenzierung (Krebsentstehung)  Entwicklung von Zellen und Geweben für zellbasierte Therapien  Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

45 Stammzellen aus Nabelschnurblut
Fötale (adulte?) Stammzellen aus dem Blutkreislauf von Neugeborenen Werden direkt nach der Geburt aus der Nabelschnur entnommen Einlagerung (20 Jahre) in flüssigem Stickstoff nach Kontaminationskontrolle Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

46 Wo werden die Nabelschnur-stammzellen eingesetzt?
Sie sind pluripotent Autologe oder allogene Transplantationen Anwendungsgebiete: Lymphome, Leukämien (zum Teil), Tumoren des Knochen- und Nervensystems, Tissue Engineering (?) Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

47 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Der Einsatz von Stammzellen sollte immer verantwortungsbewußt erfolgen! Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

48 Entwicklung eines Impfstoffes gegen den Erreger der Vogelgrippe H5N1
Biotechnologie heute ???? Aktuelles Thema Entwicklung eines Impfstoffes gegen den Erreger der Vogelgrippe H5N1 A/Vietnam/1203/2004 (H5N1) Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

49 Influenza-Virus Typ A oder B H?N?

50 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Wirkung von Neuraminidasehemmern wie Tamiflu Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

51 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Protection of Mice and Poultry from Lethal H5N1 Avian Influenza Virus through Adenovirus-Based Immunization Wentao Gao et al.; Journal of Virology, Febr. 2006 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

52 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Adenovirus Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

53 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Adenoviren wurden gentechnisch verändert, sodass sie nicht mehr infektiös sind In die Virus-DNA wurde das Gen für Hämaglutinin eingebaut Mäuse wurden mit diesen Viren immunisiert Nach 8 Wochen wurden diese Mäuse mit der 100 x LD50 H5N1 infiziert. Alle Mäuse überlebten, blieben gesund oder zeigten nur schwache Grippesymptome Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

54 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Hühner wurden mit den rekombinaten Adenoviren immunisiert nach 3 Wochen Infektion mit x LD50 H5N1 alle Hühner überlebten völlig gesund Schlussfolgerung der Autoren: Es ist kein „spezifischer“Impfstoff gegen H5N1 notwendig Es gibt einen „allgemeinen“ Schutz gegen Influenza-Viren nach einer adenoviralen Impfung gegen Hämaglutinin Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

55 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
Dies hat große Vorteile: Der Impfstoff wirkt gegen verschiedene Subtypen unter anderem H5N1 oder ein ganz neues Virus Produktion der Adenoviren in Zellkulturen geht sehr schnell Flächendeckende Impfungen wären möglich! Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

56 http://www.dechema.de/f-biotech.htm http://www.i-s-b.org
HeP-2 Zellen gefärbt mit anti-Cytokeratin-Antikörpern, DAPI und anti-Helicase-Antikörpern Projektarbeit 2005


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