Pharmazeutische Zeitung online
Grüne Gentechnik

Pflanzliche Impfstoffe zum Essen

21.03.2007
Datenschutz bei der PZ

Grüne Gentechnik

Pflanzliche Impfstoffe zum Essen

Von Claudia Borchard-Tuch

 

Weltweit sterben jedes Jahr Millionen Menschen, weil sie keinen Zugang zu sicheren und gut wirksamen Impfstoffen haben. Dies betrifft vor allem Entwicklungsländer. Könnten in Pflanzen produzierte essbare Impfstoffe das Problem lösen?

 

Sicher wirksame Impfstoffe stehen in Entwicklungsländern oft gar nicht, in ungenügender Menge oder zu unerschwinglich hohem Preis zur Verfügung. Die klassischen Lebendimpfstoffe bergen zudem ein kleines, aber nicht zu unterschätzendes Risiko: Die eingesetzten Mikroorganismen sind zwar abgeschwächt, können aber unter Umständen wieder aktiv werden und somit die Krankheit auslösen, die sie eigentlich verhindern sollten. Daher verwenden Forscher bei der Entwicklung neuer Impfstoffe bevorzugt einzelne Untereinheiten der Krankheitserreger.

 

Diese sogenannten Subunit-Vakzinen enthalten bestimmte Proteine der Erreger, aber keine Erbsubstanz. Daher können sie selbst keine Infektionen auslösen. Nachteil: Diese Impfstoffe sind teuer, da ihre biotechnologische Produktion in Zellkulturen, Bakterien oder tierischen Zellen mit einem aufwendigen Reinigungsschritt verbunden ist. Zudem benötigen Impfstoffe eine schonende Lagerung in Kühlräumen und müssen ohne Unterbrechung in der Kühlkette transportiert werden. In Entwicklungsländern ist dies oft kaum realisierbar (1, 2).

 

Essbare Impfstoffe sind dem Prinzip der Subunit-Vakzine nachempfunden. Auch sie bergen nur ausgewählte Antigene. Die Produktion von essbaren Vakzinen in Pflanzen bietet zudem zahlreiche ökonomische und qualitative Vorteile. Wurden die Pflanzen nicht durch organische Düngung verunreinigt, sind die Impfstoffe frei von Bakterien, Viren, Prionen und onkogenen DNA-Sequenzen. Einheimische können die transgenen Pflanzen an Ort und Stelle anbauen und mit den ihnen vertrauten Methoden günstig kultivieren. Die rekombinanten Proteine werden, vor äußeren Einflüssen geschützt, in Früchten oder Speicherorganen, beispielsweise Samen, angereichert (1). Beim Verzehr kontrollierter Mengen der Früchte oder Pflanzenteile wird der Impfstoff dann vom Körper aufgenommen.

 

Zurzeit steht noch nicht endgültig fest, welche Pflanzen zur Produktion von essbaren Vakzinen am besten geeignet sind. Kartoffeln kommen, botanisch gesehen, zwar in Frage, werden aber nicht roh verzehrt. Kochen verringert die Aktivität des Impfstoffs oder zerstört sie sogar. Dagegen können Bananen roh verzehrt werden und sind den Menschen in vielen Entwicklungsländern als Nahrungsmittel vertraut. Nachteilig ist jedoch das langsame Wachstum: Zwischen der Übertragung der genetischen Information, Aufzucht und Ernte liegen mehrere Jahre. Im Vergleich dazu benötigen Kartoffeln und Tomaten weniger als ein Jahr (1).

 

Wie DNA in die Pflanze kommt

 

Um essbare Vakzinen in Pflanzen herstellen zu können, muss zunächst ein geeignetes Antigen des Erregers identifiziert und das entsprechende DNA-Fragment mit einem anderen DNA-Molekül, dem Vektor, verbunden werden. Dieser enthält Informationen, die später die Erkennung und Selektion der transformierten Zelle ermöglichen. Die entstehenden rekombinanten DNA-Moleküle werden dann in die Pflanzenzellen eingeschleust. Prinzipiell kann jede extrachromosomale kleine DNA, beispielsweise von Plasmiden, Phagen oder Viren, als Vektor eingesetzt werden.

 

Zwei Einschleusungsmethoden stehen derzeit zur Verfügung. Ein Verfahren setzt Agrobakterien ein, insbesondere Agrobacterium tumefaciens. Dieses hat die natürliche Fähigkeit, eigene DNA mit darin gentechnisch eingebauten Fremdgenen in pflanzliche Zellen einbringen zu können. Der Einschleusungsprozess ist äußerst kompliziert und noch nicht in allen Einzelheiten aufgeklärt. Eine andere Methode verwendet DNA-beschichtete Mikrometallpartikel aus Gold oder Wolfram. Sie werden in der sogenannten »Partikelkanone« beschleunigt und unter Gasdruck in das pflanzliche Gewebe »geschossen«. Dabei wird die Fremd-DNA im Zytoplasma abgestreift, gelangt in den Zellkern und wird nachfolgend in das Erbgut eingebaut. Problematisch ist, dass mitunter mehrere Kopien des Vakzine-Gens integriert werden. Dies kann zum Gene-Silencing führen, das heißt zum Abschalten der Gene (3).

 

Dann lässt man die gentechnisch veränderten Explantate des Blattes oder der Knolle in sterilen Zellkulturen auf Petrischalen heranwachsen. Pflanzenhormone fördern die Vermehrung der transformierten Zellen. Es bilden sich formlose Zellhaufen (Kalli), die aussprossen. In einem hormonfreien Medium kommt es zur Wurzelbildung.

 

Die transgenen Pflanzen können die Sterilkultur verlassen und in einem Gewächshaus weiter kultiviert werden. Ab dem Kallusstadium können die transformierten Zellen auch in eine Suspensionskultur überführt werden, die sich sehr gut für die Fermentation unter kontrollierbaren Verhältnissen eignet (1). Während ihres eigenen Wachstums produzieren die veränderten Pflanzen das gewünschte Protein.

 

Eine große Zahl verschiedener Pflanzenspezies konnte bisher auf diese Art genetisch verändert werden. Darunter sind für die Landwirtschaft so wichtige Arten wie Kartoffel, Tomate, Reis, Weizen, Mais, Zuckerrübe, Sojabohne, Raps und Banane (1).

 

Die Verfahren der Pflanzentransformation sind sehr zeitaufwendig. Es kann ein ganzes Jahr dauern, bis die Aufzucht abgeschlossen ist. Daher wurde am Institut für Molekulare Biotechnologie der RWTH Aachen die Agroinfiltrationsmethode entwickelt, bei der statt ganzer Pflanzen nur deren Blätter in einem Becherglas mit genetisch veränderten Agrobakterien versetzt werden. In einer vakuumisolierten Kammer gelangen die Bakterien dann in die Zellzwischenräume der Pflanzen und übertragen das Fremdgen in den Zellkern. Schon nach etwa drei Tagen kommt es zur Produktion des rekombinanten Eiweißkörpers (1, 4).

 

Auch sonst eher schädliche Pflanzenviren eignen sich hervorragend für die schnelle Expression rekombinanter Proteine. Der fremde Genabschnitt wird dabei nicht in das Genom der Pflanze integriert, sondern wird höchst effizient zusammen mit der viralen Erbinformation in der infizierten Pflanze vermehrt (20).

 

Steigerung der Produktivität

 

Um ausreichende Mengen des in der transgenen Pflanze hergestellten Proteins zu erhalten oder die Ausbeute zu steigern, benötigt man einen starken Promotor. Jedes Gen wird durch einen vorgeschalteten Promotor gesteuert. Dieser legt fest, wann und an welchem Ort einer Pflanze, zum Beispiel in Blättern, Samen oder Knolle, das Gen aktiviert und das Protein gebildet werden soll.

 

Zur Erhöhung der Produktivität braucht man Promotoren, die die Transkription und damit auch die Expression in der Zelle vorantreiben. Viele pflanzenspezifische Promotoren wurden bereits getestet und nach weiteren, vor allem pflanzeneigenen Promotoren wird intensiv gesucht.

 

Auch die DNA-Sequenz des Antigens oder des Antikörpers kann für die Expression in Pflanzen optimiert werden. So können beispielsweise in Pflanzen seltener genutzte Kodons (Sequenz von drei Nukleotiden) ausgetauscht und mRNA-destabilisierende Bereiche mutiert werden (1).

 

Die Maßnahmen zur Erhöhung der Produktivität dürfen die Pflanzen in ihrer Entwicklung nicht schädigen. Man kann die Pflanze beispielsweise dazu veranlassen, die rekombinanten Proteine aus dem Zytoplasma in andere Zellkompartimente, beispielsweise in das endoplasmatische Retikulum, die Vakuole, den periplasmatischen oder Interzellularraum oder in Organellen wie die Chloroplasten zu transportieren (5). Auch die Verzögerung der Produktion mithilfe induzierbarer Promotoren zu einem späteren Entwicklungsstadium bis hin zum Zeitpunkt direkt nach der Ernte wird erforscht.

 

Enterales Immunsystem anregen

 

Da viele Krankheitskeime über Nase, Mund und andere Körperöffnungen eindringen, liegen die vordersten Verteidigungslinien des Immunsystems in den Schleimhäuten, die die Atemwege, Verdauungs- und Harnwege sowie den Genitaltrakt auskleiden. Ist die Immunantwort dieser ersten Schutzlinie aktiviert, werden dort sekretorische Antikörper, insbesondere Immunglobulin A (sIgA), freigesetzt, die den Eindringling einhüllen und unschädlich machen können. Eine wirkungsvolle Lokalreaktion aktiviert zudem Abwehrzellen und die Bildung von Gedächtniszellen in Blut- und Lymphsystem. So entwickelt sich eine Immunantwort, die den gesamten Körper erfasst.

 

Während injizierte Impfstoffe die Schleimhäute umgehen und die dortige Immunreaktion nicht oder nur gering auslösen, gilt dies nicht für essbare Vakzine. Allerdings benötigt man im Vergleich zur Injektion eines Antigens bei der oralen Immunisierung wesentlich höhere Dosierungen und/oder häufigere Dosen des Antigens.

 

Essbare Impfstoffe müssen den extremen Bedingungen des Magens standhalten. Sekretorische IgA-Antikörper können sich hier besonders gut durchsetzen, denn sie sind relativ unempfindlich gegenüber dem sauren Milieu im Magen und besonders widerstandsfähig gegen die für die Verdauung der Nahrung benötigten Proteasen. Zudem haben Pflanzenzellen einen natürlichen Vorteil: Durch eine zusätzliche stabile Zellwand um ihre äußere Hülle (Zellmembran) sind sie sehr viel widerstandsfähiger als tierische Zellen, sodass die rekombinanten Antigene weitaus bessere Chancen haben, die zersetzende Magenpassage zu überstehen (2).

 

Wenn sich die Pflanzenzellwand im Darm allmählich auflöst, setzen die Zellen ihr Antigen frei. M-Zellen an der Darmoberfläche nehmen die Impfstoffkomponenten auf und geben sie an das unter der Darmschleimhaut liegende Lymphgewebe weiter. Antigene in Form regelmäßiger partikulärer Strukturen werden wesentlich besser von den M-Zellen aufgenommen als lösliche Proteine. Es ist daher von großem Vorteil, wenn die in Pflanzen produzierte Vakzine die gleiche oder eine möglichst ähnliche Struktur aufweist wie das natürliche Antigen (1).

 

Aktive Immunisierung erfolgreich

 

1992 gelang es zum ersten Mal, ein Antigen in Pflanzen zu exprimieren; es handelte sich um ein Oberflächenantigen des Hepatitis-B-Virus (21). Weiteren Forschern gelang die Expression eines Tollwutvirusantigens in Tomaten, eines Choleraantigens in Tabak und Kartoffeln sowie eines Antigens des Zytomegalievirus in Tabak. In Tierversuchen konnte die Immunogenität von in Pflanzen produzierten Antigenen nachgewiesen werden; dies gilt beispielsweise für das Hepatitis-B-Antigen aus Tabak und Salat, das Choleraantigen aus Kartoffeln und Tomaten oder das Maul- und Klauenseuche-Antigen in Tabak und Spinat (Tabelle 1).

Tabelle 1: Aktivimpfstoffe in transgenen Pflanzen (1, 12)

Erreger, Erkrankung Pflanze Antigen
Hantavirus Tabak, Kartoffel S-Antigen des Puumala-Virus
Tollwutvirus Tabak, Spinat Glykoprotein
Zytomegalievirus Tabak Glykoprotein B (UL55)
Hepatitis-B-Virus Kartoffel, Salat, Lupine, Tabak Oberflächenantigen HBsAg
Norwalk-Virus Kartoffel Hüllprotein des Norwalk-Virus
Maul- und Klauenseuche Alfalfa, Arabidopsis Strukturprotein VP1 des MKS-Virus
Coronavirus Tabak Glykoprotein S des Transmissible gastroenteritis virus (TGEV)
Obstruktive Bronchitis Tomate F-Protein des Respiratory-syncytial-Virus (RSV)
Typ-I-Diabetes Tabak/Kartoffel
Kartoffel
Diabetesautoantigen
Autoantigen/LT-B-Fusion
ETEC Kartoffel Escherichia-coli-Enterotoxin (LT-B)
Cholera Kartoffel Choleratoxin B (CTB)
Borreliose Tabak Oberflächenantigen OspA von Borrelia burgdorferi

Die in diesen Versuchen verwendeten Pflanzen sind jedoch für die kommerzielle und großtechnische Nutzung weniger geeignet. Für diese Zwecke werden Pflanzen wie Mais, Reis, Weizen, Sojabohne und Raps gebraucht, deren Samen in der Nahrungsmittelindustrie benutzt werden. Praktisch: Die getrockneten rekombinanten Proteine in den Samen bleiben über einen längeren Zeitraum intakt.

 

Bei der Entwicklung essbarer Impfstoffe haben Forscher den Schutz vor Durchfallerkrankungen als ein großes Ziel gewählt. Jährlich sterben drei Millionen Kinder an Durchfallerkrankungen, vor allem in der Dritten Welt. In manchen Entwicklungsländern leiden Kinder mehr als zwölfmal pro Jahr an Diarrhö; auf deren Konto gehen dort 15 bis 34 Prozent aller Todesfälle (6). Zu den Hauptverursachern zählen das Norwalk-Virus und der Choleraerreger, die die Schleimhaut des Dünndarms schädigen. Wird der schnelle und massive Wasser- und Salzverlust nicht rechtzeitig ausgeglichen, kann die Infektion tödlich enden. Ein Impfstoff für den breiten Einsatz in Ländern mit schlechter Infrastruktur ist zurzeit nicht verfügbar. Einen Ausweg könnten die essbaren Vakzinen in transgenen Pflanzen bieten (1).

 

Das krankheitsauslösende Toxin des Choleraerregers besteht aus mehreren Untereinheiten. Es gelang, die ungiftige, an die Darmwand bindende Untereinheit B (Choleratoxin Subunit B, CTB) in Pflanzen zu exprimieren. Bei Mäusen, die mit transgenen CTB-haltigen Kartoffeln gefüttert wurden, wurde eine CTB-spezifische Antikörperbildung im Serum und in der Schleimhaut ausgelöst. Infizierte man die Tiere mit dem Choleratoxin, zeigten sie eine bis zu 60-prozentige Reduktion der Flüssigkeitsansammlung im Dünndarm. Dies bedeutet, dass die Immunisierung zu einem ausreichenden Schutz geführt hat (7).

 

Das Norwalk-Virus, das epidemische Durchfallerkrankungen auslösen kann, wird durch verunreinigte Lebensmittel und Trinkwasser, teilweise auch durch direkten Personenkontakt übertragen (6). Transgene Pflanzen produzieren das Hüllprotein des Virus in identischer Form wie das in Insektenzellen hergestellte rekombinante Protein. Vielversprechende Ergebnisse mit an Mäuse verfütterten transgenen Tabakpflanzen und Kartoffeln zeigten eine systemische Immunantwort auf das rekombinante Antigen (8).

 

Sehr weit fortgeschritten ist die Forschung in der Entwicklung eines pflanzlichen Impfstoffs gegen Hepatitis-B-Viren (HBV). Pro Jahr sterben weltweit etwa eine Million Menschen an den Folgen einer HBV-Infektion. Nach neuesten Schätzungen leiden 300 Millionen Menschen, vor allem im asiatischen und afrikanischen Raum, an chronisch verlaufenden Infektionen. Jeder fünfte Erkrankte entwickelt später eine Leberzirrhose oder Leberkrebs (6).

 

Der Impfstoff ist eine Subunit-Vakzine, die nur ein bestimmtes Oberflächenantigen (HBsAg) enthält. Bereits Anfang der 90er-Jahre gelang es Charles Arntzen (Boyce Thompson Institute for Plant Research, Ithaca, New York, USA), rekombinante Proteine in gentechnisch veränderten Pflanzen zu produzieren. Die Studien zeigten, dass die Eiweißstoffe bereits in der Pflanze in Form von Partikeln vorlagen, deren Strukturen den natürlichen Viren sehr ähnelten. Im weiteren Verlauf konnte das Team um Arntzen dann 1995 neben der erfolgreichen Produktion des rekombinaten HBsAg in transgenem Tabak (9) das Antigen auch in genetisch veränderten Kartoffeln herstellen (10) und bei Fütterungsversuchen an Mäusen als immunologisch wirksam nachweisen.

 

Eine andere Forschergruppe stellte 1999 HBsAg in transgenen Lupinen und Salatpflanzen her (11). Ein Teil der Testpersonen, die transgenen HBsAg-Salat zweimal innerhalb von zwei Monaten gegessen hatten, wies nach der zweiten Immunisierung eine für den Immunschutz ausreichende Antikörperkonzentration auf.

 

Anfang 2006 gelang Wissenschaftlern der Universitäten Würzburg, Heidelberg, Freiburg und Clermont-Ferrand die Produktion eines pflanzlichen Impfstoffs gegen die Lyme-Borreliose (12). Die Erreger dieser Erkrankung sind Bakterien und werden durch Zecken übertragen, wahrscheinlich auch durch stechende Fluginsekten. Wird die Infektion nicht rechtzeitig mit Antibiotika behandelt, drohen schwere Folgen wie neurologische Erkrankungen, Karditis oder Arthritis. Bislang gibt es keine Schutzimpfung gegen Borreliose.

 

Passiver Schutz mit Plantibodies

 

Anstelle der Stimulation des Immunsystems durch Antigene, die zu einer Antikörperproduktion führen, kann man die Antikörper auch direkt verabreichen. Dies ist das Prinzip der passiven Immunisierung. Bereits 1989 gelang die Produktion eines Mausantikörpers in Pflanzen (13). Seitdem waren verschiedene internationale Forschergruppen in der Herstellung weiterer »Plantibodies« erfolgreich (Tabelle 2). Wie die Antigene können auch die rekombinanten Antikörper in Samen, Früchten oder Knollen produziert werden. Daher sollte es möglich sein, Antikörper in dieser Form zu lagern, zu transportieren und eventuell auch zu verabreichen. Dies wäre besonders vorteilhaft für Schutzimpfungen in Entwicklungsländern (1).

Tabelle 2: Passivimpfstoffe in transgenen Pflanzen; mod. nach (1)

Ziel/Erkrankung Pflanze Protein
Immunglobuline
Tumorantigen Tabak IgG-Antikörper, spezifisch für karzinoembryogenes Antigen (CEA)
Herpes-simplex-Virus (HSV) Sojabohne IgG-Antikörper, spezifisch für HSV-2-Glykoprotein B
Karies Tabak sIgA- oder IgG-Antikörper, spezifisch für
Streptococcus-mutans-Oberflächenantigen II
Immunglobulinfragmente
Morbus Hodgkin Tabak scFv eines IgG aus Mäuse-B-Zell-Lymphomen
Tumorantigen Reis, Weizen scFv, spezifisch für CEA

scFv: single chain variable fragment; variables Fragment einer Antikörper-Einzelkette

Antikörper oder Immunglobuline bestehen aus zwei jeweils paarweise identischen Polypeptidketten, den sogenannten leichten oder L-Ketten und den schweren oder H-Ketten, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Der aminoterminale, in seiner Aminosäurensequenz variable Teil des Moleküls trägt die Antigenbindungsstellen; der carboxyterminale Teil hat eine relativ konstante Struktur.

 

Rekombinante Antikörper können in Pflanzen in Form von kompletten Immunglobulinen, Antigenbindungsfragmenten, synthetischen Einzelkettenfragmenten (scFv) oder als sogenannte Diabodies produziert werden. Diabodies sind kleine rekombinante bispezifische Antikörper, die aus Einzelketten-Antikörpern konstruiert werden. Es ist bereits möglich, Immunglobuline als chimäre (Maus/Mensch) oder vollständig humanisierte Antikörper in Pflanzen zu exprimieren (1).

 

Transgener Tabak gegen Karies

 

Die Nachfrage nach therapeutischen Antikörpern wächst, insbesondere zur Behandlung von malignen Tumoren. Allein in den USA werden dafür jährlich über 100 kg Antikörper eingesetzt. Für die örtliche Anwendung in der Immuntherapie von Zahnkaries ist es sogar mehr als eine Tonne pro Jahr. Der Einsatz transgener Pflanzen, die rekombinante Antikörper produzieren, könnte die preiswerte Herstellung von Mengen dieser Größenordnung ermöglichen (1).

 

Julian Ma und Mitarbeiter produzierten einen Antikörper in Pflanzen, der gegen das Oberflächenantigen des Karieserregers Streptococcus mutans gerichtet ist (14). Die Gene der IgA-Antikörper wurden dazu in Tabakzellen transferiert. Das sekretorische IgA-Molekül ist ein Dimer und besteht aus zwei zusammengelagerten Einheiten, die über eine Joining-Kette miteinander verbunden sind. Zudem besitzt sIgA noch eine sekretorische Komponente, die eine Doppelfunktion ausübt. Zum einen vermittelt sie den Transport von sIgA auf die Schleimhautoberfläche, zum anderen schützt sie den Antikörper vor dem Abbau durch Verdauungsenzyme, die auf Schleimhäuten vorkommen (1).

 

Vier unterschiedliche transgene Tabakpflanzen wurden hergestellt, von denen jede eine andere Antikörperkette (leichte Kette, schwere Kette, Joining-Kette und sekretorische Komponente) exprimierte. Durch gezielte Kreuzungen der vier Typen entstand eine Tabakpflanze, die alle vier Immunglobulingene exprimiert und einen vollständigen sIgA-Antikörper bildet (15).

 

Die Wirksamkeit des aus der Pflanze isolierten Antikörpers wurde in einer Studie mit 15 Personen getestet. Nach Eradikation des Karieserregers erhielt die erste Gruppe eine Antikörperlösung, die zweite eine Placebolösung (16). Noch nach vier Monaten war in der Verumgruppe keine Wiederbesiedelung der Zähne durch Streptococcus mutans nachweisbar, während in der anderen Gruppe bereits nach zwei Wochen ein erneuter Befall auftrat. Wie allgemein bei der passiven Immunisierung werden auch für eine lokale Immuntherapie wiederholt hohe Dosen benötigt (1).

 

Offene Probleme

 

Die Expression von Antigenen und Antikörpern in Pflanzen ist zwar seit einigen Jahren technisch möglich, doch sind noch einige Probleme zu lösen. Dazu zählen beispielsweise die unterschiedliche Konzentration des Impfstoffs in ihrem Produzenten oder die unkontrollierte Ausbreitung der transgenen Pflanzen.

 

Zurzeit ist die Produktionsausbeute in Pflanzen meist relativ niedrig. Zudem beeinflussen Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur und Feuchtigkeit die Konzentration der rekombinanten Proteine. Da die Genexpression nicht in allen Einzelpflanzen gleich ist, werden die gewünschten Stoffe in unterschiedlicher Menge gebildet. Damit ist eine exakte Dosierung sehr schwierig. Davon nicht betroffen sind Impfstoffe, die mit recht komplizierten technischen Methoden extrahiert werden, zum Beispiel Impfstoffe gegen das Norwalk-Virus oder HBV sowie gegen die Erreger von Cholera, Tollwut, Malaria, Grippe, HIV und gegen das Non-Hodgkin-Lymphom.

 

Für die Veterinärmedizin wurde ein Impfstoff gegen eine Durchfallerkrankung bei Schweinen (TGEV) und die Maul- und Klauenseuche entwickelt (17). Hierbei kommen häufig gentechnisch veränderte Tabakpflanzen zum Einsatz.

 

Immer wieder wird auch über die Gefahr einer unkontrollierten Ausbreitung diskutiert. Da für die Produktion essbarer Impfstoffe ausschließlich Nahrungspflanzen infrage kommen, besteht die Gefahr, dass die Pharmapflanzen in die Lebensmittelkette gelangen. Dass es anders geht, zeigte das US-Unternehmen Dow AgroSciences in Indianapolis. Im Februar 2006 erhielt es als erstes Unternehmen von den US-Behörden eine Zulassung für einen von Pflanzen produzierten Impfstoff. Der Impfstoff, der Vögel vor der New-Castle-Krankheit schützen soll, wird nicht auf dem Acker produziert, sondern von Tabaksuspensionskulturen in geschlossenen Biofermentern (18).

 

Janusköpfige orale Toleranz

 

Mit der Nahrung aufgenommene Antigene und damit auch Impfstoffe können auch konträr wirken: Statt die Immunreaktion zu stimulieren, unterdrücken sie diese. Das Phänomen der oralen Toleranz tritt vorwiegend dann auf, wenn Fremdproteine häufig und in hohen Konzentrationen zugeführt werden. Dann gewöhnt sich der Körper an die fremden Eiweißstoffe und ordnet sie dem eigenen Selbst zu.

 

Kommt es bei einem essbaren Impfstoff zur oralen Toleranz, müsste man eventuell dessen Einzeldosis erhöhen und zugleich die Zahl der Einnahmen senken. Weil die orale Toleranz von vielen Faktoren wie Alter und Genetik des Wirtsorganismus abhängt, lässt sich diese Vorgehensweise jedoch nicht auf jedes Antigen anwenden. Die Wahrscheinlichkeit einer Toleranzentwicklung sollte bei jedem essbaren Impfstoff bestimmt werden (1).

 

Andererseits kann die Entstehung einer oralen Toleranz auch nützlich sein. Sie könnte der Heilung von Autoimmunkrankheiten wie Typ-I-Diabetes dienen. Bereits 1997 gelang die Produktion eines diabetesassoziierten Autoantigens in transgenem Tabak und Kartoffeln (19). Die Pflanzensubstanz wurde der Nahrung von Non-obese-diabetic (NOD)-Mäusen beigegeben, die besonders anfällig für Typ-I-Diabetes sind. Nur zwei der zwölf NOD-Mäuse entwickelten charakteristische Symptome eines Diabetes mellitus, jedoch acht von zwölf Mäusen in der Kontrollgruppe.

 

Damit wurde zum ersten Mal belegt, dass in essbarem transgenen Pflanzenmaterial größere Mengen eines Autoantigens produziert werden können und die Einnahme der Pflanzensubstanz eine nutzbringende orale Toleranz induzieren kann. Denkbar erscheint es, dass auch andere Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose oder rheumatoide Arthritis mithilfe essbarer pflanzlicher Autoantigene therapiert werden könnten (1). Daran wird intensiv geforscht.

 

Hoffnung für Entwicklungsländer

 

Die Liste der aus biotechnologisch veränderten Pflanzen gewonnenen essbaren Vakzine wächst stetig. Dies weckt die Hoffnung, dass dank dieser Technologie weltweit Impfstoffe für Menschen und Tiere in ausreichender Menge zur Verfügung stehen könnten. Doch es gibt noch viel Forschungsbedarf, da die gewünschten Stoffe in den Pflanzen häufig in zu geringen und variierenden Mengen gebildet werden. Pflanzenbasierte Impfstoffe werden die etablierten Produktionssysteme nie komplett verdrängen. Sie könnten aber möglicherweise in naher Zukunft eine ökonomische Alternative gerade für Entwicklungsländer darstellen.

Literatur

<typolist type="1">

Commandeur, U., Fischer, R., Transgene Pflanzen als orale Impfstoffe. Grüne Revolution in der Medizin? Monatsschr. Kinderheilkd. 149 (2001) 356-365.

Langridge, W. H. R., Essbare Impfstoffe. Spektrum der Wissenschaft 1 (2001) 64-69.

Ma, J. K.-C., Drake, P. M. W., Christou, P., The production of recombinant pharmaceutical proteins in plants. Nature 4 (2003) 794-805.

Vaquero, C., et al., Transient expression of a tumor-specific single-chain fragment and a chimeric antibody in tobacco leaves. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999) 11128-11133.

Fischer, R., et al., Towards molecular farming in the future: moving from diagnostic protein and antibody production in microbes to plants. Biotechnol. Appl. Biochem. 30 (1999) 101-108.

The Jordan Report, Accelerated development of vaccines. www.niaid.nih.gov/publications/vaccine/htm. 2006.

Arakawa, T., Chong, D. K., Langridge, W. H., Efficacy of a food plant-based oral cholera toxin B subunit vaccine. Nature Biotechnol. 16 (1998) 292-297.

Mason, H. S., et al., Expression of Norwalk virus capsid protein in transgenic tobacco and potato and its oral immunogenicity in mice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 (1996) 5335-5340.

Thanavala, Y., et al., Immunogenicity of transgenic plant-derived hepatitis B surface antigen. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92 (1995) 3358-3361.

Mason, H. S., Arntzen, C. J., Transgenic plants as vaccine production system. TIBTECH 1995.

Kapusta, J., et al., A plant-derived edible vaccine against hepatitis B virus. Faseb J. 13 (1999) 1796-1799.

Glenz, K., Bouchon, B., Stehle, T., Production of a recombinant bacterial lipoprotein in higher plant chloroplasts. Nature Biotechnol. 4, Nr. 1 (2006) 76-77.

Hiatt, A., Cafferkey, R., Bowdish, K., Production of antibodies in transgenic plants. Nature 342 (1989) 76-78.

Ma, J. K., et al., Generation and assembly of secretory antibodies in plants. Science 268 (1995) 716-719.

Baron, D., Immunologie ­ Antikörper, Cytokine, Impfungen. Govi Verlag, Eschborn 1996.

Ma, J. K. C., et al., Characterization of a recombinant plant monoclonal secretory antibody and preventive immunotherapy in humans. Nat. Med. 4 (1998) 601-606.

Bauer, A., Transgene Pharma-Pflanzen: Entwicklungsstand, Risiken, Kontrollversuche. Erw. akt. Fassung einer Diplomarbeit im Fachbereich 11, »Ökologische Agrarwissenschaften«, Univ. Kassel 2005.

Löhr, W., Sichere Produktion. Pflanzliche Impfstoffe. die tageszeitung, 3. Febr. 2006, S. 18.

Ma, S. W., et al. Transgenic plants expressing autoantigens fed to mice to induce oral immune tolerance. Nat. Med. 3 (1997) 793-796.

Yusibov, V., et al. The potential of plant virus vectors for vaccine production. Drugs R. D. 7 (2006) 203-217.

Mason, H. S., Lam, D. M., Arntzen, C. J., Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 (1992) 11745-11749.

 

Die Autorin

Claudia Borchard-Tuch studierte Medizin an der Universität Düsseldorf, erhielt 1982 die Approbation und schloss ein Jahr später ihre Promotion ab. Nach einer Tätigkeit als Assistenzärztin studierte sie Informatik an der Fernuniversität Hagen und schloss mit dem Diplom ab. Seit 1983 ist Dr. Borchard-Tuch freiberuflich tätig als Fachjournalistin und bearbeitet naturwissenschaftliche und medizinische Themen für Fachzeitschriften und große Zeitungen. Zudem verfasst sie wissenschaftliche Publikationen für die Pharmaindustrie und ist Autorin mehrerer Bücher.

 

 

Anschrift der Verfasserin:

Dr. med. Claudia Borchard-Tuch

Forsthofweg 9

86441 Zusmarshausen

claudia.borchard-tuch(at)a-city.de

Mehr von Avoxa