dr.barbara hansen fachhochschule lausitz, senftenberg leben in vitro biotechnologie verändert unser...

Dr.Barbara HansenFachhochschule

Lausitz, Senftenberg

Leben in vitroLeben in vitro

Biotechnologie verändert unser Leben

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Was ist Biotechnologie?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 LausitzDr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Chymosin (Labferment)Chymosin (Labferment)

früher: Isolierung ausKälbermägen

heute: rekombinanteHerstellung inEscherichia

coli

Lactobacillus

Bifidobacterium

Streptococcus

Lichtmikroskop

Elektronenmikroskop

Was lebt im Joghurt ?

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Biotechnik in der MedizinBiotechnik in der Medizin- heuteheute

gentechnisch hergestellte (rekombinante) Arzneimittel

- heute und morgenzellbasierte Arzneimittel

- die ZukunftErsatzteillager Stammzellen ?

Aktuelles Thema

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Was sind rekombinante Was sind rekombinante Arzneimittel ?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 Warum rekombinante Arzneimittel?Arzneimittel?

Bei Nutzung „natürlicher“ Quellen hat man oft ein Mengenproblem

Die Gefahr durch Kontaminationen ist großBei Verwendung tierischer Quellen besteht

das Risiko einer Immunreaktion gegen das Arzneimittel

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Heute sind in Deutschland etwa 60 Arzneimittel mit 42 gentechnisch hergestellten Wirkstoffen zugelassen

Aktilyse (Thomae) t-PARecombinate (Baxter) Faktor-VIIISAIZEN (Serono) SomatotropinErypo (Cilag) Erythropoetin

Rekombinante ArzneimittelRekombinante Arzneimittel

Dr. Barbara Hansen, FH LausitzDr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Giro geht k.o. Blutdoping? Pantani ausgeschlossen Madonna di Campiglio - Vor dem Start der

vorletzten Etappe in Madonna di Campiglioging der Giro d'Italia k.o. Der souveräne Träger des Rosa Trikots, Marco Pantani, in Italien wie ein Volksheld verehrt, wurde aus dem Rennen genommen. Der 29jährige war vor dem Start der 21. und schwersten Etappe durch die Dolomiten in einer vom Internationalen Radsportverband UCI vorgenommenen Kontrolle mit einemHämatokritwert von 52 Prozent fester Bestandteile im Blut auffällig geworden.

http://rhein-zeitung.de/on/99/06/06/sport/news/pantani.html

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Was ist Erythropoetin und Was ist Erythropoetin und welche Funktion hat es?welche Funktion hat es?

Körpereigenes HormonProduktion in der NiereStimuliert die Bildung roter Blutkörperchen

aus Vorläuferzellen (hämatopoetische Stammzellen)

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Wo wird Erythropoetin in der Wo wird Erythropoetin in der Therapie eingesetzt?Therapie eingesetzt?

Bei chronischer NierenunterfunktionBei KrebspatientenBei FrühgeborenenBei „ Blutarmut“

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Missbrauch von ErythropoetinMissbrauch 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?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

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H2N COOH

1-27 -1 162

163-166

AS 24AS 38 AS 83AS 126

Kohlenhydrat-Seitenkette

AS 7 161AS 29 33 Disulfidbrücke

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Wie gewinnt man Wie gewinnt man Erythropoetin?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 ArzneimittelZellbasierte Arzneimittel

Therapie durch Einsatz von Zellen?

Heute und morgen

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Zellbasierte Arzneimittel

Anwendungsgebiete

Gewebe-Regeneration, z.B. Knochen, Knorpel, Haut

keine gebrauchsfertigen Arzneimittel, die auf Vorrat produziert werden können

Herstellung individuell für den einzelnen Patienten

Strukturelle Reparatur, z.B. Gefäßtransplantat

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Ein Blick ins Knie

Kreuzband

Meniskus

Gelenkknorpel

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Schäden am Gelenkknorpel

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

Trauma ArthroseRheumatoide

Arthritis

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

• wenige Zellen

• hoher Matrixanteil

• Collagen – Fasern

• knorpeltypische Makromoleküle mit Wasserspeicher-Kapazität

Eigenschaften von Gelenkknorpel

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

Knorpel-Zell-Transplantation

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

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

dritte Generation der zellbasierten Arzneimittel

ohne Verwendung von Trägergerüsten

N E U

„Autolog hergestelltes Gewebe“Struktur & Funktion entsprechend den Vorgaben der Chondrozyten

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

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Ersatzteillager Stammzellen?morgen

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

Zellen, die die Fähigkeit besitzen,sich selbst beliebig oft durch Zellteilung zu reproduzieren

& die sich zu spezialisierten Zellen

entwickeln können

Stammzellen

Was sind Stammzellen ?

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Warum sind Stammzellen so wichtig?

Biologische Bedeutung der Stammzellen

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)

Grundstock zur Entwicklung neuen Lebens (frühe Embryonalentwicklung)

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Warum sind Stammzellen so wichtig?

Leukämie Parkinson Herzinfarkt Diabetes

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

embryonal - adult

multipotent

pluripotentBlastocyste: innere Zellmasse

befruchtete Eizelle & erste Zellen totipotent

weitere Spezialierung

Stammzellen, die in ihrer Differenzierungs-

Richtung festgelegt sind

Embryonale Stammzellen

Adulte Stammzellen

xx Nabelschnurblut

Stammzellen

Zellentnahme zur Präimplantations-diagnostik (PID)

Embryonale Stammzellen

AdulteStammzellen

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Adulte Stammzellen

adulte (somatische) Stammzellen

Proliferation & Differenzierung zu spezialisierten Zelltypen des Gewebes / Organs

undifferenzierte Zellen in einem Gewebe oder Organ

adulte Stammzellen sind in sehr vielen Geweben gefunden worden

zur Zeit im Test: eignen sie sich für Tansplantationen?

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Transdifferenzierung / Plastizität

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Adulte Stammzellen

Zelltherapie bei Herzinfarkt Gewebe-Regeneration

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Stammzellen – eine Gegenüberstellung

embryonale

pluripotent

große Zellzahlen problemlos im Labor zu erhalten

Gewinnung erfordert die Zerstörung von Embryonen

ethisches Problem

adulte

Gewinnung teilweise problemlos, teilweise mit Risiken verbunden

multipotent (pluripotent ?)

teilweise begrenzte Zellmenge, Isolierung und Expansion in Zellkultur

noch schwierig

Stammzellen

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Stammzellen – eine Gegenüberstellung

embryonale

Gefahr der Krebsentstehung

nur allogen anwendbar Problem der

Transplantatabstoßung

adulte

autologe & allogene

Anwendung

keine Krebsentstehung

Stammzellen

Problem: Kontrolle von Proliferation & Differenzierung

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Stammzellen

Potentielle Anwendungsmöglichkeiten menschlicher Stammzellen

Informationen über die komplexen Vorgänge während der Embryonalentwicklung

besseres Verständnis der genetischen und molekularen Kontrolle von Zellteilung und Differenzierung (Krebsentstehung)

Grundlagenforschung & klinische Forschung

Entwicklung von Zellen und Geweben für zellbasierte Therapien

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Stammzellen aus NabelschnurblutStammzellen 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-Wo werden die Nabelschnur-stammzellen eingesetzt?stammzellen eingesetzt?

Sie sind pluripotentAutologe oder allogene TransplantationenAnwendungsgebiete: Lymphome,

Leukämien (zum Teil), Tumoren des Knochen- und Nervensystems, Tissue Engineering (?)

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

A/Vietnam/1203/2004 (H5N1)

Biotechnologie heute ???? Aktuelles Thema

Influenza-Virus Typ A oder B H?N?

N H

Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz

Wirkung von Neuraminidasehemmern wie Tamiflu

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

Adenovirus

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

Hühner wurden mit den rekombinaten Adenoviren immunisiert

nach 3 Wochen Infektion mit 1000000x LD50 H5N1

alle Hühner überlebten völlig gesund

Es ist kein „spezifischer“Impfstoff gegen H5N1 notwendig

Es gibt einen „allgemeinen“ Schutz gegen Influenza-Viren nach einer adenoviralen Impfung gegen Hämaglutinin

Schlussfolgerung der Autoren:

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!

http://www.dechema.de/f-biotech.htm

http://www.i-s-b.orgHeP-2 Zellen gefärbt mit anti-Cytokeratin-Antikörpern, DAPI und anti-Helicase-Antikörpern

Projektarbeit 2005