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Pharmapflanzen

Proteinfabriken für Arzneimittel

25.01.2016
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Von Carina Steyer / Transgene Pflanzen könnten dazu genutzt werden, Antikörper, Impfstoffe und andere Biopharmazeutika herzustellen. In der Praxis erschweren allerdings einige ­Hindernisse die Produktion.

In Newark, Delaware, in den USA, steht die erste vollautomatisierte Pflanzenfabrik zur Produktion von Biopharmazeutika. Entwickelt wurde die Anlage von zwei Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts, Professor Dr. Andre Sharon und Professor Dr. Vidadi Yusibov, im Auftrag der US-Regierung. Durch die Produktion von Impfstoffen in transgenen Tabakpflanzen sollen Impf­stoff­engpässe, wie sie während der Schweine­grippepandemie 2009 auftraten, künftig vermieden werden. Derzeit dient die Anlage noch zu Forschungszwecken, sie hat aber bereits eine Zulassung nach GMP-Kriterien (Good Manufacturing Practice) erhalten und könnte pro Monat etwa 300 kg Biomasse erzeugen, ungefähr 2,5 Millionen Impfstoffeinheiten.

Die Idee, Biopharmazeutika mithilfe von transgenen Pflanzen zu produzieren, das sogenannte Molecular Farming, ist nicht neu. Erste erfolgreiche Experimente mit den Pharmapflanzen gab es bereits vor mehr als 20 Jahren. Gegenüber den etablierten Produktionssystemen mit Hefen, Bakterien und Säugetierzellkulturen haben Pflanzen einige Vorteile. Sie können anders als Hefen und Bakterien auch komplexe Proteine inklusive Glykosylierungen (Anhängen von Zuckermolekülen an das Protein) bilden, die bisher nur mit Säugetier­zellkulturen hergestellt werden können. Auch im Hinblick auf mögliche Kontaminationen gelten pflanzliche Produktionssysteme als sicher. Bisher ist kein Krankheitserreger bekannt, der sowohl Pflanzen als auch Menschen ­infizieren kann, und Verunreinigungen durch mikro­bielle Endotoxine lassen sich von vorneherein ausschließen. Dazu kommt, dass die Herstellung von Pharmapflanzen mittlerweile leicht durchführbar ist.

Pharmapflanzen werden erzeugt, indem die genetische Information für das gewünschte Fremdprotein in die Pflanze übertragen wird (Transformation). Hierfür stehen drei Methoden zur Verfügung, die je nach Pflanzenart und Produktionssystem eingesetzt werden.

Drei Techniken

Die wohl bekannteste Transformationsmethode ist die mithilfe von Agrobakterium tumefaciens. Unter natürlichen Bedingungen dringt das Bodenbakterium über Wunden in die Pflanze ein und überträgt über sogenannte Transfer-DNA einen Teil seiner DNA in die Pflanzenzelle. Die Pflanze bildet da­raufhin einen Tumor aus, in dem Stoffe für die Ernährung des Bakteriums synthetisiert werden. Für die Produktion von Biopharmazeutika wird die Transfer-DNA so modifiziert, dass statt der Bakterienproteine die gewünschten Fremdproteine gebildet werden.

Etwas gewaltsamer geht es bei der biolistischen Transformation zu. Gold- oder Wolframpartikel werden mit Fremd-DNA beschichtet und mit hohem Druck auf pflanzliches Gewebe oder Zellkulturen geschossen. Die Erfolgsrate ist im Vergleich zu der Agrobakterien-Methode deutlich geringer. Ein Nachteil beider Methoden ist die lange Zeitspanne, die benötigt wird, um aus den transformierten Zellen passende Pflanzenlinien zu entwickeln. Oft vergehen Monate bis Jahre, sodass beide Methoden für schnelle Produktentwicklungen wie die kurzfristige Impfstoffanpassung und -produktion nicht infrage kommen.

Transiente Transformation

Soll es schneller gehen, ist die transiente Transformation mit Viren die ­beste Wahl. Pflanzenpathogene Viren können von Zelle zu Zelle wandern, breiten sich in der gesamten Pflanze aus und bringen innerhalb kürzester Zeit fast jede Zelle dazu, virale Proteine zu produzieren. Für die Transformation wird das Virus so modifiziert, dass die Pflanze statt viraler Proteine die gewünschten Fremdproteine produziert. Da Pflanzenviren äußerst wirtsspezifisch sind, müssen manchmal noch Agrobakterien als Vektoren für die virale und die Fremd-DNA eingesetzt werden. Eine transiente Transformation ist niemals dauerhaft. Die Eigenschaft zur Fremdproteinproduktion wird nicht an die Nachkommen weitergegeben, sondern muss bei jeder Pflanze neu erzeugt werden. Allerdings ist die Methode besonders schnell, und mit der richtigen Pflanze lassen sich in kurzer Zeit sehr große Mengen Proteine erzeugen.

Viren im Vakuum

Auch in der Fraunhofer-Pilotanlage in Newark werden die Tabakpflanzen so transformiert. Die Viren gelangen per Vakuuminfiltration in die Tabakpflanzen. Diese werden dazu kopfüber in ein virenhaltiges Wasserbad getaucht, und es wird ein Vakuum erzeugt. Beim Ablassen des Vakuums saugen die Pflanzen das Wasser mit­samt dem Viren-Vektor ein. Dieser Vorgang soll nur wenige Sekunden dauern. Das Ergebnis seien Tabakpflanzen, die zu jeder Zeit, an jedem Ort, in gleicher vorhersagbarer Qualität wachsen und Proteine herstellen, so Forscher Sharon.

Neben den Vorteilen, die Pflanzen als Produktionssysteme für Biopharmazeutika bieten, war die Hoffnung der Kostensenkung gegenüber den etablierten Systemen ein wichtiger Antrieb für die Entwicklung von Pharmapflanzen. Vor 20 Jahren gingen die Wissenschaftler noch davon aus, dass dies möglich sei. Eine wirkliche Kostensenkung würde allerdings nur der Freilandanbau bringen. Bisher ist dieser aber aufgrund zahlreicher Sicherheitsbedenken keine realisitische Option. Das Risiko der Vermischung mit Nahrungs- oder Futtermitteln, der Auskreuzung, die Verunreinigung der Pflanzen mit Vogel-Kot und Ähnlichem oder der Schadfraß durch Insekten und Wildtiere ist derzeit nicht ausreichend beherrschbar. Die Kultivierung von Pharmapflanzen findet deshalb in abgeschlossenen Gewächshäusern oder Hallen statt.

Video

Die automatisierte Tabakfarm produziert Impfstoffe: abrufbar auf dem Youtube-Kanal Fraunhofer IPT auf www.youtube.com.

Der technische Aufwand für die ­Versorgung von Pflanzen in solch geschlossenen Systemen kann allerdings sehr aufwendig werden. In der Fraunhofer-Pilotanlage etwa erfolgen alle Produktionsschritte – vom Einpflanzen der Samen, über die Vakuuminfiltra­tion, bis zur Ernte und dem Zerkleinern der Blätter – automatisiert. Die Pflanzen stehen nach Alter geordnet in speziellen Wachstumsmodulen, in denen ihr Bedarf an Wasser, Nährstoffen und Licht automatisch gesteuert und optimal gedeckt wird. Die Versetzung von Wachstumsmodul zu Wachstumsmodul übernehmen Roboter.

Eine Alternative zur Produktion in ganzen Pflanzen sind pflanzliche Zellkulturen. Bislang ist in den USA ein einziges Humanarzneimittel zugelassen, das so produziert wird: das Enzym ­Taliglucerase alfa, das in Karottenzellkulturen in Einweg-Bioreaktoren produziert wird.

Als Pharmapflanzen werden bisher vor allem Nutzpflanzen verwendet. ­Tabak ist besonders beliebt, da er leicht transformierbar ist, sehr schnell viel Biomasse ausbildet und die Ausbeute der produzierten Proteine groß ist. Für die Produktion im Bioreaktor werden auch Moose und Grünalgen verwendet. Das deutsche biopharmazeutische Unternehmen Greenovation beispielsweise arbeitet mit Moos-Zellkulturen und produziert damit Moss-aGal, eine rekombinante Variante der humanen ­Alpha-Galactosidase. Im Herbst 2015 gab das Unternehmen die Genehmigung einer klinischen Phase-I-Studie bekannt. Ziel ist es, Moss-aGal zur Behandlung der genetisch bedingten Stoffwechselkrankheit Morbus Fabry einzusetzen.

In Entwicklung

Derzeit befinden sich laut den US- amerikanischen National Institutes of Health Clinical Trials acht mit Pharmapflanzen produzierte Biopharmazeutika in klinischen Studien (Phase I und II). Darunter sind Wirkstoffe gegen Ebola, Morbus Fabry, Malaria, Influenza und HIV. Die meisten von ihnen werden in Tabakpflanzen produziert. Es bleibt abzuwarten, welche Produkte den Sprung von der klinischen Studie zum zugelassenen Medikament schaffen. /