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

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Page 1: Dr.Barbara Hansen Fachhochschule Lausitz, Senftenberg Leben in vitro Biotechnologie verändert unser Leben

Dr.Barbara HansenFachhochschule

Lausitz, Senftenberg

Leben in vitroLeben in vitro

Biotechnologie verändert unser Leben

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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.

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Chymosin (Labferment)Chymosin (Labferment)

früher: Isolierung ausKälbermägen

heute: rekombinanteHerstellung inEscherichia

coli

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Lactobacillus

Bifidobacterium

Streptococcus

Lichtmikroskop

Elektronenmikroskop

Was lebt im Joghurt ?

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Biotechnik in der MedizinBiotechnik in der Medizin- heuteheute

gentechnisch hergestellte (rekombinante) Arzneimittel

- heute und morgenzellbasierte Arzneimittel

- die ZukunftErsatzteillager Stammzellen ?

Aktuelles Thema

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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

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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

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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

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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

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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)

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

Bei chronischer NierenunterfunktionBei KrebspatientenBei FrühgeborenenBei „ Blutarmut“

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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

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Woher bekommt man große Mengen Erythropoetin?

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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)

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Zellbasierte ArzneimittelZellbasierte Arzneimittel

Therapie durch Einsatz von Zellen?

Heute und morgen

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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

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Ein Blick ins Knie

Kreuzband

Meniskus

Gelenkknorpel

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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

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• wenige Zellen

• hoher Matrixanteil

• Collagen – Fasern

• knorpeltypische Makromoleküle mit Wasserspeicher-Kapazität

Eigenschaften von Gelenkknorpel

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

Matrix

Knorpelzelle

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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.

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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

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Knorpel-Zell-Transplantation

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Zellen & Träger

zweite Generation der zellbasierten Arzneimittel

„in vitro hergestelltes Zell-Matrix-Konstrukt“

Eine Zellsuspension wird in ein 3-dimensionales artifizielles Trägergerüst eingebracht

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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

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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

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Ersatzteillager Stammzellen?morgen

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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

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

& die sich zu spezialisierten Zellen

entwickeln können

Stammzellen

Was sind Stammzellen ?

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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)

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Warum sind Stammzellen so wichtig?

Leukämie Parkinson Herzinfarkt Diabetes

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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

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xx Nabelschnurblut

Stammzellen

Zellentnahme zur Präimplantations-diagnostik (PID)

Embryonale Stammzellen

AdulteStammzellen

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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?

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Transdifferenzierung / Plastizität

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Adulte Stammzellen

Zelltherapie bei Herzinfarkt Gewebe-Regeneration

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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

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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

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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

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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

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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 (?)

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Der Einsatz von Stammzellen sollte immer verantwortungsbewußt erfolgen!

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Entwicklung eines Impfstoffes gegen den Erreger der

Vogelgrippe H5N1

A/Vietnam/1203/2004 (H5N1)

Biotechnologie heute ???? Aktuelles Thema

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Influenza-Virus Typ A oder B H?N?

N H

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Wirkung von Neuraminidasehemmern wie Tamiflu

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Protection of Mice and Poultry from Lethal H5N1 Avian Influenza Virus through Adenovirus-Based Immunization

Wentao Gao et al.; Journal of Virology, Febr. 2006

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Adenovirus

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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

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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:

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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!

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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