Dr.Barbara Hansen Fachhochschule Lausitz, Senftenberg Leben in vitro Biotechnologie verändert unser...
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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
Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
H2N COOH
1-27 -1 162
163-166
AS 24AS 38 AS 83AS 126
Kohlenhydrat-Seitenkette
AS 7 161AS 29 33 Disulfidbrücke
Dr. Barbara Hansen, FH Lausitz
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