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Insulin: Hormon aus Bakterien, Hefen und Pflanzen

PHARMAZIE

 
Insulin

Hormon aus Bakterien, Hefen und Pflanzen


Von Maria Pues / Mehr als ein Vierteljahrhundert ist vergangen, seit mit Insulin das erste gentechnisch hergestellte Arzneimittel auf den Markt gekommen ist. Dieses entstammte nicht wie zuvor den Zellen tierischer Bauchspeicheldrüsen, sondern einzelligen Darmbewohnern namens Escherichia coli. Es wird weiter geforscht.

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Durchschnittlich ein Schwein pro Woche »verbrauchte« seinerzeit jeder insulinpflichtige Diabetiker. Rund 100 000 tiefgefrorene Schweinebauchspeicheldrüsen wurden allein in Frankfurt am Main/Höchst täglich angeliefert, püriert und extrahiert, um an das für Diabetiker überlebenswichtige Hormon zu gelangen. Die Produktion von Rinderinsulin kam noch hinzu. Eine blutige Angelegenheit, die die Gefahr sowohl von Versorgungsengpässen als auch von möglichen Übertragungen noch unbekannter Erkrankungen vom Tier auf den Menschen birgt. Beides wäre durch Erkrankungen, zum Beispiel die Bovine spongiforme Enzephalopathie, zumindest denkbar (gewesen). Fast 300 Millionen insulinpflichtige Diabetiker gibt es inzwischen weltweit. Würden alle noch Insulin vom Schwein erhalten, benötigte man für die Produktion die Bauchspeicheldrüsen von rund 1,5 Milliarden Schweinen pro Jahr. Statistiken zufolge gibt es eine knappe Milliarde Schweine weltweit.




Ob aus Bauchspeicheldrüsen, Bakterien oder Bierhefe: Am Ende steht die Abfüllung von Insulin in Penpatronen oder Injektionsfläschchen.

Foto: Novo Nordisk


Verschiedene Verfahren machen es in­zwischen nicht nur möglich, auf diese Roh­stoffe zu verzichten, sondern erlau­ben es auch, das Insulinmolekül nach Wunsch zu verändern, sodass eine mo­difizierte Wirkung resultiert, die Insu­lin­analoga. Gentechnische Ver­fah­renswei­sen sind darüber hinaus nicht auf die Insu­linproduktion beschränkt geblieben. Mehr als 140 gentechnisch hergestellte Arzneimittel gibt es derzeit auf dem deutschen Markt (siehe dazu Fertigarzneimittel: Rekombinante Wirkstoffe in Europa). Bezogen auf den Gesamtumsatz der gentechnisch herge­stellten Arzneimittel liegt der Anteil der Insuline nach Angaben des Verbandes forschender Arzneimittelhersteller (VfA) bei gut 30 Prozent.

 

Statt täglich elf Tonnen Schweinebauch­spei­cheldrüsen wie allein in Frankfurt am Main/Höchst benötigen gentechnische Verfahren als Ausgangsstoff eine kleine Küvette mit wenigen Millilitern Flüssigkeit, die den speziellen Escherichia-coli-Stamm enthält. Die Information zur Produktion eines Stoffes, den das Bakterium selbst nicht benötigt, ist mittels eines Plasmids in dessen Erbmaterial eingeschleust worden und wird nun bei jeder Zellteilung mitvermehrt.

 

Zwei Verfahren gibt es, mithilfe von E. coli das zweisträngige Insulinmolekül zu produzieren. Eines davon benötigt zwei separate Bakterienstämme, die jeweils einen Strang des Insulins produzieren. Die notwendigen Disulfidbrücken zur Verkettung der beiden Stränge müssen in einem weiteren chemischen Syntheseschritt nachträglich eingefügt werden. Dieses Verfahren erlaubt nur geringe Ausbeuten. In einem zweiten, von Sanofi-Aventis aktuell verwendeten Verfahren gelingt es, das Hormon in einem einzigen Stamm herzustellen. Auch hier sind mehrere Schritte notwendig. Während der Fermentation wächst die Biomasse vom erwähnten Küvettenvolumen in mehreren Schritten auf mehrere zehntausend Liter Konvertervolumen an. Der Prozess lässt sich über die zugeführten Agenzien, die Temperatur und den pH-Wert steuern. Allerdings produzieren die Bakterien auch hier nicht das fertige Hormon, sondern ein Fusionsprotein, das diese in Einschlusskörperchen anreichern. Um es zu erhalten, werden die Bakterien mechanisch zerstört. Schritte der Faltung, Spaltung und Reinigung schließen sich an, bis das Humaninsulin schließlich in einer lagerungsfähigen kristallinen Form vorliegt.

 

Insulin aus Hefen

 

Eines haben beide Verfahren mit E. coli gemeinsam: Die Bakterien scheiden den begehrten Stoff nicht in die sie umgebende Nährlösung aus, sondern reichern ihn in ihrem Innern an. Dies kann hingegen die Bier- oder Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, die beim Verfahren von Novo Nordisk Verwendung findet. Sie bildet eine vergleichsweise stabile Vorstufe des empfindlichen Proinsulins, das unter anderem durch chromatografische Reinigung von unerwünschten Begleitstoffen getrennt und zu den verschiedenen Insulinpräparaten weiterverarbeitet werden kann, nachdem es aus einem Überstand der Nährlösung abgeschöpft wurde. Allerdings liefert das einfachere Verfahren geringere Ausbeuten als E. coli.

 

Schneller, länger, berechenbarer – der Weg zu Analoginsulinen mit veränderter Kinetik durch den Einbau oder Tausch bestimmter Aminosäuren war ein vergleichsweise kurzer. Mit ihnen lassen sich Wirkeintritt und -dauer nicht nur hinauszögern, sondern auch beschleunigen und zudem besser kalkulieren. Einen ersten Schritt in diese Richtung erlaubte bereits der Zusatzstoff NPH (= neutrales Protamin Hagedorn) in Humaninsulinen, durch das die schwer berechenbaren Zink-verzögerten Insuline ablöst werden konnten. Phase-II-Studien laufen derzeit mit Insulindegludec, einem ultralang wirksamen Basalinsulin von Novo Nordisk. Studiendaten zeigen, dass sich mit einer dreimal wöchentlichen bis einmal täglichen Gabe der Blutzucker auf die angestrebten Zielwerte senken lässt, ohne dass vermehrt Hypoglykämien aufgetreten wären.

 

Insulin vom Acker

 

Am Anbau von Insulin in transgenen Pflanzen arbeitet bereits seit einigen Jahren eine kanadische Firma. Sie hat Färberdisteln in ihren Erbinformationen so verändert, dass diese in ihren Samen Humaninsulin bilden. Das Verfahren wurde im Jahr 2005 zum Patent angemeldet, die Produkte durchlaufen zurzeit die klinischen Prüfungen der Phasen I und II. Seine Erfinder rechnen sich aus, dass sie menschliches Insulin auf diese Weise erheblich preiswerter produzieren können, als es mit den bereits bestehenden gentechnischen Verfahren der Fall ist. Auch könne man die Produktion leichter an einen sich veränderten Bedarf anpassen, da man anstelle teurer Umbaumaßnahmen umfänglicher Industrieanlagen nur die Größe der Anbauflächen anpassen müsste. Allerdings hat das Gen-Pharming, Biopharming beziehungsweise Molecular Pharming im Freiland mit Widerständen zu rechnen, die bei den Herstellungsverfahren in geschlossenen Systemen schon vor Jahren verstummt sind.




Insulinherstellung »früher«: Fahrer sammelten die tiefgefrore­nen Bauchspeicheldrüsen bei Metzgern und Schlachthöfen ein. So lange ist das noch gar nicht Vergangenheit.

Foto: Sanofi-Aventis


In einem Positionspapier geht der Verband der forschenden Pharma-Unternehmen auf mögliche Vorteile und Anforderungen des Arzneistoffanbaus ein. Besonders eignen sich danach Pflanzen mit einem schnellen Wachs­tum und mehreren Ernten im Jahr. Um eine Vermischung mit Nahrungs­pflanzen auszuschließen, wären Nicht-Nahrungs­pflanzen essbaren Pflanzen vorzuziehen, zum Beispiel die Tabakpflanze. Bei der Färberdistel, aus der Pflanzenöl ge­presst wird, ist dies nicht der Fall. Daher wurden insulinbildende und lebensmittel­bildende Färberdisteln zu verschiedenen Zeiten angebaut. Zudem könnten Pflan­zen mit sterilen Pollen die Verbrei­tung durch die Luft unterbinden. Gesucht wird auch nach Verfahren, durch die Wirk­stof­fe erst nach der Ernte, der Frucht­reife beziehungsweise nur in bestimmten Pflanzenteilen gebildet werden. Der Anbau in Gewächshäusern könnte notwendig sein, um die Pflanzen vor Umwelteinflüssen, Schädlingen oder Verunreinigung durch Tierkot zu schützen. Dies würde manche der genannten Vorteile des Biopharmings gegenüber bestehenden großtechnischen Verfahren wieder relativieren und mögliche Einsparungen reduzieren. Und auch ein umgekehrter Schutz könnte notwendig sein: der Schutz von Wildtieren vor Pflanzen, in denen Insulin oder andere Arzneistoffe wachsen.

 

Patentfreies Herstellungsverfahren

 

Ein patentfreies Herstellungsverfahren, das die Vorteile der Methoden mit E. coli und Bierhefe vereint, haben Wissenschaftler des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung gemeinsam mit indischen Kollegen entwickelt und vor wenigen Wochen im freien Online-Wissenschaftsmagazin »Microbial Cell Factories« veröffentlicht. Sie setzen dabei auf eine robuste Hefe namens Pichia pastoris. Auch diese gibt wie Saccharomyces cerevisiae die Insu­linvorstufen direkt ins Nährmedium ab, sodass Schritte zum Aufschluss, wie sie bei E. coli notwendig sind, entfallen können. Gleichzeitig erreicht man mit dieser Hefe erheblich größere Ausbeuten eines Insulin-Vorläufers als mit Saccharomyces cerevisiae, welcher anschließend nur noch enzymatisch aufbereitet werden muss. Die Forscher wollen damit Ländern eine Methode zur Insulinproduktion zur Verfügung stellen, die sie auch mit geringeren finanziellen Mittel bewältigen können, um die vor allem in den Schwellenländern steigende Zahl an Diabetikern zu versorgen. / 


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Beitrag erschienen in Ausgabe 37/2010

 

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