Herstellung Monoklonaler Antikörper

Die Herstellung Monoklonaler Antikörper stellte einen Meilenstein in der Immunologie und Zellbiologie dar. Wenn der menschliche Körper mit einem fremden Stoff konfrontiert wird, beispielsweise einem Bakterium, produzieren spezialisierte Zellen des Immunsystems gegen dieses Bakteriums Abwehrstoffe, die Antikörper. Ein Bakterium, das eine solche Immunantwort provozieren kann, bezeichnet man dann als immunogen. Als Antwort auf das Eindringens eines Bakterium werden viele unterschiedliche Immunzellen zum Wachstum angeregt, die jeweils unterschiedliche Antikörper produzieren. Diese unterschiedlichen Antikörper greifen an verschiedenen Stellen der Bakterienzelle an. Die resultierende Mischung von Antikörpern, die als Reaktion auf ein immunogenes Agens gebildet werden, nenn man polyklonal. Polyklonal deshalb, weil die Antikörper von verschiedenen Zellvarianten gebildet werden und unterschiedliche Strukturen aufweisen.

Mit solchen polyklonalen Antikörpern kann man schon eine ganze Menge anstellen. Nicht zuletzt beruht der passive Impfschutz darauf, dass solche polyklonalen Antikörper in Tieren erzeugt und dann Patienten verabreicht werden. Für die Forschung haben sie allerdings den Nachteil, dass man nicht genau entscheiden kann, wo die einzelnen Antikörper nun genau angreifen und welche Interaktionen sie genau mit ihrem Zielmolekül eingehen.

Von Milstein und Köhler, die für ihre Forschungen mit dem Nobelpreis ausgezeichnet worden sind, wurde nun ein Weg gefunden, um ganz gezielt nur eine Sorte von Antikörpern zu produzieren. Das funktioniert nicht mehr allein in vivo, also im Körper eines Versuchstieres, sondern auch in vitro, im Reagenzglas. Der entscheidende Trick besteht darin, die anfälligen Immunzellen robuster zu machen, so dass sie auch in Kultur überleben.

Milstein und Köhler schafften das durch Fusion der Immunzellen mit Tumorzellen, die sich ja bekanntlich durch ungehemmtes Wachstum auszeichnen. Eine solche Hybridomazelle vereint die Fähigkeit, einen ganz speziellen Antikörper zu produzieren mit der Fähigkeit, gut in Kultur zu wachsen. Zunächst werden Immunzellen unterschiedlicher Spezifität in einem Versuchstier, meist der Maus, erzeugt. Diese Zellen werden dann isoliert und mit Tumorzellen fusioniert. Anschließend wird aus der Mischung der Hybridoma-Zellen diejenige herausgesucht, die den gewünschten Antikörper produziert. Das geht relativ einfach, indem man das Zielmolekül, das man in aller Regel gut kennt, quasi als Angelhaken benutzt. Hat man die interessierende Zelle vereinzelt, dann produzieren alle aus ihr später durch Teilung hervorgehenden Zellen nur noch den gleichen, ganz spezifischen Antikörper. Diesen bezeichnet man dann als monoklonal.

Auf die vielfältigen Anwendungen von MAK in Forschung und Diagnostik, aber auch in technischen Reinigungsverfahren, kann hier nur hingewiesen werden. Die Hoffnungen auf einen Einsatz als hochspezifische Therapeutika, die als “magic bullits” zielgenau und nebenwirkungsarm ihre Arbeit verrichten, zerschlugen sich aber zunächst. Denn monoklonale Maus-Antikörper sind für den humantherapeutischen Einsatz schlecht geeignet. Ihre Fremdartigkeit veranlaßt das menschliche Immunsystem leider zu Abwehrreaktionen, so dass die gewünschte Wirkung unterdrückt wird und es zu anaphylaktischen Reaktionen kommen kann.

Rekombinante Antikörper enthalten die konstanten Abschnitte menschlicher Antikörper

Um diese Nachteile zu vermeiden, werden mit gentechnischen Methoden große Bereiche der Maus-Antikörper, die sogenannten konstanten Regionen, durch entsprechende Fragmente humaner Antikörper ausgetauscht. Die konstanten Regionen spielen für die Spezifität der Antikörper praktisch keine Rolle. Je nach Gehalt an menschlichen Aminosäuresequenzen spricht man dann von chimärisierten oder humanisierten Antikörpern (siehe Abb. ).

Bei humanisierten Antikörpern stammen nur noch die kleinen, Antigen-bindenden Regionen (complementarity dertermining regions, CDR) von den Maus-Antikörpern; der gesamt Rest entspricht einem humanen Antikörper-Protein. Allerdings muß man bei diesem Vorgehen häufig einen Qualitätsverlust hinsichtlich der Bindung des Antikörpers an sein Zielmolekül hinnehmen. Bei den so genannten chimärisierten Antikörpern werden deshalb größere Regionen des Maus-Antikörpers eingebaut. Damit entsprechen die Antigen-bindenden Regionen komplett denen des ursprünglichen Maus-Antikörpers. Das verbessert die Bindung, kann aber wieder in stärkerem Maß zu Problemen mit Abstoßungsreaktionen führen.

Eine weitere Entwicklung zielt deshalb darauf, die Antikörper vollständig zu humanisieren. Dazu hat man transgene Mäuse erzeugt, in deren Genom der gesamte Bereich, der zur Bildung von Antikörpern erforderlich ist, vom Menschen stammt. Werden diese Mäuse immunisiert, dann erzeugen sie “menschliche” Antikörper. Ob diese dann tatsächlich die erwarteten Vorteile haben, müssen die bereits laufenden und zukünftigen klinischen Versuche zeigen. Auch andere intelligente Ansätze zur Herstellung großer Bibliotheken menschlicher Antikörper werden heute verfolgt. Beispielsweise kann man durch Klonierung der jeweiligen menschlichen Gene sehr große Bibliotheken in Phagen oder Bakterien erzeugen, die das entsprechende Antikörperfragment dann auf ihrer Oberfläche exprimieren. Antikörperfragmente, die spezifisch an ein interessierendes Zielmolekül binden, findet man nun einfach, indem man dieses an einer festen Grundlage fixiert und die ganze “Klon-Bibliothek” dazugibt. Phagen bzw. Zellen, die das passende Antikörperfragment an ihrer Aussenseite tragen, binden an das Zielmolekül, während der Rest der Klone abgespült werden kann. Auf der Matrix bleiben also nur die Phagen bzw. Bakterien zurück, deren Erbgut die Information für das gesuchte Antikörperfragment enthält. Dieses läßt sich dann beliebig vermehren. 2003 wurde mit Humira der erste vollständig humanisierte Antikörper zur Behandlung der Rheumatoiden Arthritis (RA) in den USA zugelassen.

Produkte in Medizin und Pharma

Einen erheblichen Fortschritt haben die neuen Möglichkeiten der Biotechnologie für die Medizin bedeutet. Insbesondere dank der Gentechnik und dank neuer zellbiologischer Methoden konnten Herstellungsverfahren verbessert oder völlig neue Therapeutika produziert werden. Damit wurde die Produktsicherheit sowohl mit Blick auf die Verfügbarkeit als auch mit Blick auf die Reinheit gesteigert. Viele der heute verwendeten Medikamente sind überhaupt nur mittels biotechnischer Verfahren zugänglich. Darüber hinaus ist die Biotechnologie bei der Erforschung neuer Medikamente ein unverzichtbares Werkzeug geworden, da sie Krankheitsursachen zu identifizieren und entsprechende Testmodelle zu entwickeln hilft. Die Fachleute gehen schon heute davon aus, dass alle neu in den Markt eingeführten Wirkstoffe in irgendeiner Phase ihrer Entwicklung auf die Methoden der Biotechnologie angewiesen waren.

Nachfolgend werden die wichtigsten biotechnisch hergestellten Wirkstoffe aufgeführt. Die Produkte wurden teilweise in Gruppen wie beispielsweise den Monoklonalen Antikörpern zusammengefasst und diesen Gruppen eine kurze allgemeine Einführung voran gestellt.

RNA Interferenz Ein altes Biomolekül sorgt für Überraschungen

RNA Interferenz

Ein altes Biomolekül sorgt für Überraschungen

Lange hatte man Ribonucleinsäuren (RNA) lediglich als genetische Boten-Moleküle (messenger-RNA, mRNA), als Vehikel des selektiven Transports von Aminosäuren zum Ribosom (transfer-RNA) und als interessante Relikte aus der Urzeit der chemischen Evolution (Ribozyme) betrachtet. Alles recht gut erforscht und damit fast schon ein bisschen langweilig. Erst vor wenigen Jahren stellte sich dann heraus, dass die RNA noch große Überraschungen birgt und dass sie – was man immer übersehen hatte – andere sehr wichtige Funktionen ausübt.

Bereits Anfang der 1990er Jahre war bei Studien mit pflanzlichen und tierischen Zellen aufgefallen, dass kurze RNA-Stränge die Übersetzung von Genen in Proteine hemmen können (gene silencing). Dahinter vermutete man das bekannte Antisense-Phänomen, bei dem sich komplementäre Basensequenzen auf der mRNA und auf hinzugefügten Nukleinsäure-Einzelsträngen zu Doppelsträngen vereinigen mit dem Ergebnis, dass das Ablesen der betreffenden mRNA blockiert wird.

Bei Gene Silencing-Experimenten am Rundwurm C. elegans in den Jahren 1996-1998 beobachteten Andrew Fire und Craig Mello jedoch eine drastische und völlig rätselhafte Verstärkung des hemmenden Effekts, wenn sie doppelsträngige RNA-Moleküle (dsRNAs) verwendeten. Die korrespondierenden mRNA-Moleküle fehlten dann, allenfalls Bruchstücke waren noch nachweisbar. Die Expression der zugehörigen Gene wurde damit sehr effektiv verhindert. Offensichtlich war ein anderer Mechanismus am Werk, bei dem doppelsträngige RNA-Moleküle die mRNA nicht einfach blockieren, sondern für deren Abbau durch Enzyme (Nucleasen) sorgen. Das Phänomen sollte später die Bezeichnung RNA-Interferenz (RNAi) erhalten und wurde schließlich auch bei anderen Organismen, z.B. der Fruchtfliege, dem Zebrafisch und in Säugerzellen gefunden.

Es stellte sich bald heraus, dass letztlich kleine dsRNA-Fragmente von 21 bis maximal 28 Oligonucleotiden Länge, so genannte small interfering RNAs (siRNAs), für die RNA-Interferenz verantwortlich sind. Und tatsächlich entdeckte Gegory Hannon 2001 eine Nuclease, Dicer (= Würfelspieler) genannt, die längere dsRNA-Moleküle in siRNA-Fragmente zerlegt. Biologisch gesehen macht ein solches Enzym auch Sinn, denn viele RNA-Viren bilden RNA-Doppelstränge. Ein Abwehrmechanismus, der das virale Erbgut schnell zerstört, ist für befallene Zellen von großem Vorteil.