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

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

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

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

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

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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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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 -1 162 163-166 Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

„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

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

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

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

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

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

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

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

  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

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

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

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

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

  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

  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

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

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

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

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

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

Influenza-Virus Typ A oder B H?N?

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

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

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

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

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz Hühner wurden mit den rekombinaten Adenoviren immunisiert nach 3 Wochen Infektion mit 1000000x 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

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

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