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Algen als Bioreaktoren - Bestseller aus Mikrofabriken

Algen als BioreaktorenBestseller aus Mikrofabriken

Monoklonale Antikörper sind essentielle Werkzeuge in der Therapie von Krebs und Autoimmunkrankheiten. Sie gehören zu den „Bestsellern“ auf dem biopharmazeutischen Markt mit einem Milliardenumsatz, Tendenz stark steigend. Auch im Kampf gegen HIV und gegen die Ebola-Epidemie in Westafrika sind Antikörpertherapien besonders aussichtsreich. Die Herstellung therapeutischer Antikörper ist bislang jedoch mit hohen Kosten verbunden, da sie hauptsächlich in Säugetierzellkulturen produziert werden. Die Zellen müssen mit teuren Nährmedien versorgt werden und sind anfällig für Kontaminationen mit humanpathogenen Krankheitserregern. Um Antikörpertherapien standardmäßig und global zu ermöglichen, müssen in Zukunft kostengünstigere, robustere Herstellungsverfahren etabliert werden. Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass Mikroalgen dabei als eine alternative, durch Licht angetriebene Produktionsplattform interessant sein könnten.

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Probenentnahme in der Algenkultur

Antikörper sind zentrale Bestandteile der Immunabwehr, die Fremdmoleküle binden und neutralisieren sowie die humorale Immunantwort einleiten und dadurch Krankheitserreger und befallene Zellen zerstören. Therapeutische Antikörper, die dem Patienten verabreicht werden und beispielsweise an spezielle Rezeptoren auf Krebszellen oder an Wachstumsfaktoren binden, helfen dem Immunsystem, die Tumorzellen zu eliminieren und bieten bei verschiedenen Krebsarten mittlerweile sehr gute Heilungschancen. Auch im Kampf gegen Autoimmunkrankheiten wie Rheuma und Multipler Sklerose sind Antikörpertherapien zukunftsweisend. Viele Antikörperpräparate werden derzeit in klinischen Studien geprüft.

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Herstellung monoklonaler Antikörper
Antikörper werden auf natürliche Weise durch B-Zellen produziert. Jede einzelne B-Zelle produziert dabei individuelle Antikörper, die eine ganz spezielle Struktur des Zielmoleküls erkennen. Durch die Etablierung der Hybridom-Technologie gelang es erstmals, monoklonale, also identische Antikörper, die auf eine B-Zelle zurückgehen, in größeren Mengen zu produzieren. Im Jahr 1986 wurde der erste monoklonale Antikörper zur Therapie (für die Behandlung spezieller Abstoßungsreaktionen nach Organtransplantationen) zugelassen. Dieser erste therapeutische Antikörper wurde zunächst noch aus Mauszellen isoliert und löste beim Menschen eine Immunantwort auf die fremden Mausantikörper aus.

Heutige therapeutische Antikörper sind vollständig humanisiert und werden in immortalisierten Hamster-Zelllinien (CHO-Zellen) produziert, die über die letzten Jahrzehnte gentechnisch weiterentwickelt wurden.

Monoklonale Antikörper

Der Herstellungsprozess ist routiniert, und die Produktion erfolgt in großen Stahlreaktoren. Nach sieben bis 14 Tagen Antikörperproduktion werden die Zellen abzentrifugiert, die Antikörper (i.d.R. 1–5 g/l) in mehreren Schritten chromatographisch aufgereinigt, und enthaltene Viren werden inaktiviert [1].

Im Vergleich zur Herstellung vieler industrieller Enzyme, die in mikrobiellen Systemen wie Bakterien und Hefen produziert werden können, ist die Produktion von komplexen therapeutischen Proteinen wie Antikörper bislang mit sehr hohen Kosten verbunden. Der Grund: Säugetierzellen müssen mit teuren Nährmedien versorgt werden, sind vergleichsweise aufwändig in der Handhabung und anfällig für Kontaminationen mit humanpathogenen Krankheitserregern. Monoklonale Antikörper dominieren heutzutage den Markt biopharmazeutischer Produkte und die Nachfrage wächst rasant. Berücksichtigt man, dass pro Behandlung zum Teil sehr hohe Dosen an Antikörper verabreicht werden müssen (z.B. mehrere Gramm Rituximab für die Behandlung eines Patienten mit Non-Hodgkin-Lymphom) wird deutlich, dass die Produktionskosten sinken müssen, um zukünftig Antikörpertherapien bei Krebs, HIV oder sich schnell ausbreitenden Epidemien, wie dem Ebola-Ausbruch in West-Afrika, weltweit einsetzen zu können [2]. 

Algen als Bioreaktoren: Bestseller aus Mikrofabriken

Algen als alternative Produktionsplattform
Algen sind in den letzen Jahren vor allem wegen ihres hohen Ölgehalts in den Fokus der Biotechnologie gerückt, da sie dadurch als nachhaltige Energiequelle für die Biodiesel-industrie von großem Interesse sind. Algen könnten in Zukunft aber auch als Produktions- system für Antikörper und andere pharmazeutisch oder industriell relevante Proteine durchaus interessant sein, da sie den Vorteil besitzen, nicht mit teuren Nährstoffen gefüttert werden zu müssen. Stattdessen gewinnen sie ihre Energie durch Photosynthese und benötigen damit hauptsächlich Licht und Wasser zum Wachstum. Zudem besitzen viele Algen hohe Wachstumsraten, können im großen Maßstab kultiviert werden und bieten im Gegensatz zu Bakterien den Vorteil, auch komplexe

Modifikationen durchführen zu können, die für die Funktion vieler therapeutischer Proteine wichtig sind [3].

Forschern des Loewe-Zentrums für synthetische Mikrobiologie und der Philipps-Universität Marburg ist es gelungen, eine Kieselalge so zu modifizieren, dass sie verschiedene biotechnologisch interessante Produkte, wie z.B. monoklonale Antikörper gegen das Hepatitis-B-Virus [4-6] und das Marburg-Virus [7], einen Impfstoff gegen Hepatitis B [4] oder auch einen biologisch abbaubaren Kunststoff herstellen kann [8]. Die Projekte zeigen das große Potenzial von Kieselalgen als solarbetriebene Mikrofabriken, die potenziell eine kostengünstigere und CO2-neutrale Herstellung ermöglichen könnten [9]. Die in der Alge produzierten Produkte sind grundsätzlich funktionell und auch die Produktionsraten sind für einen ersten Versuch dieser Richtung relativ vielversprechend. Die Produktion von monoklonalen Antikörpern erscheint dabei besonders aussichtsreich, da diese von der Alge vollständig assembliert in das umgebende Medium abgegeben werden. Diese Entdeckung war erstaunlich, da die Alge im Gegensatz zu Säugetierzellen kaum eigene Proteine ins Medium sezerniert. Die von der Alge produzierten Antikörper im Medium sind dementsprechend schon relativ rein [5], und da die Alge kein Wirt für humanpathogene Krankheitserreger ist, sind einige aufwändige Aufreinigungsschritte, wie sie bei Säugetierzellkulturen notwendig sind, obsolet.

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme humaner Hepatomzellen (HuH7), die mit dem Marburg-Virus infiziert wurden

In einem aktuellen Projekt wurde nun ein diagnostischer Antikörper gegen das Marburg-Virus in der Kieselalge produziert [7]. Das Marburg-Virus ist ähnlich wie das Ebola-Virus hoch-pathogen und für Epidemien in West-Afrika verantwortlich. Bislang sind weder für das Ebola-Virus noch für das Marburg-Virus Impfstoffe verfügbar, und neue Behandlungsstrategien umfassen unter anderem die Therapie mit neutralisierenden Antikörpern, die bei der Ebola-Epidemie in Westafrika (2014-2016) zum Teil eingesetzt wurden.

Nicht nur bei Krebs und Autoimmunkrankheiten, sondern auch im Fall von Epidemien könnten Antikörper also schnell in großen Mengen und mit möglichst geringen Produktionskosten benötigt werden. Möglicherweise stellen Algen dabei zukünftig eine robustere Produktionsplattform und Alternative zu Säugetierzellkulturen dar, da sie einfacher in der Handhabung sind und gegebenenfalls auch vor Ort in Epidemiegebieten kultiviert werden können.

Algen müssen jedoch für solche Einsätze zunächst mit zusätzlichen Werkzeugen ausgestattet werden. So kann die Produktqualität der Antikörper verbessert werden, und neben dem bislang rein diagnostischen Gebrauch wird auch eine therapeutische Anwendung möglich. Dazu müssen die Algen so modifiziert werden, dass human-spezifische Zuckerketten an die Proteine angeknüpft werden. Dadurch wird die optimale Wirksamkeit im Menschen gewährleistet und allergische Reaktionen werden vermieden. Des Weiteren muss die Produktionsmenge gesteigert sowie nachgewiesen werden, dass ein Up-Scaling der Produktion vom kleinen Labormaßstab auf größere Anlagen aus verfahrenstechnischer Sicht ebenfalls möglich ist.

Fazit
Die Produktion von monoklonen Antikörpern durch Algen steckt momentan noch in den Kinderschuhen. Aktuelle Forschungsarbeiten verdeutlichen jedoch das große Potenzial, diese durch Licht angetriebenen Mikroorganismen als alternatives Produk-tionssystem zu nutzen. Idealerweise könnte man dadurch die bislang sehr hohen Herstellungskosten für monoklonale Antikörper langfristig senken und den enormen Bedarf an monoklonalen Antikörpern zur Therapie von Krebs, HIV-Infektionen und anderen Krankheiten weltweit und nicht nur in Industriestaaten decken.

Referenzen
[1] Kelley B. Industrialization of mAb production technology: the bioprocessing industry at a crossroads. MAbs. 2009;1:443-452.
[2] Bartlett MC, Wright C, Kuo A, Colant N, Westoby M, Love JC. Reexamining opportunities for therapeutic protein production in eukaryotic microorganisms. Biotechnol Bioeng. 2017.
[3] Hempel F, Maier UG. Microalgae as Solar-Powered Protein Factories. Adv Exp Med Biol. 2016;896:241-262.
[4] Hempel F, Lau J, Klingl A, Maier UG. Algae as protein factories: expression of a human antibody and the respective antigen in the diatom Phaeodactylum tricornutum. PLoS One. 2011;6:e28424.
[5] Hempel F, Maier UG. An engineered diatom acting like a plasma cell secreting human IgG antibodies with high efficiency. Microb Cell Fact. 2012;11:126.
[6] Vanier G, Hempel F, Chan P, Rodamer M, Vaudry D, Maier UG, Lerouge P, Bardor M. Biochemical Characterization of Human Anti-Hepatitis B Monoclonal Antibody Produced in the Microalgae Phaeodactylum tricornutum. PLoS One. 2015;10:e0139282.
[7] Hempel F, Maurer M, Brockmann B, Mayer C, Biedenkopf N, Kelterbaum A, Becker S, Maier UG. From hybridomas to a robust microalgal-based production platform: molecular design of a diatom secreting monoclonal antibodies directed against the Marburg virus nucleoprotein. Microb Cell Fact. 2017;16:131.
[8] Hempel F, Bozarth AS, Lindenkamp N, Klingl A, Zauner S, Linne U, Steinbuchel A, Maier UG. Microalgae as bioreactors for bioplastic production. Microb Cell Fact. 2011;10:81.
[9] Hempel F, Maier UG. Solarbetriebene Mikrofabriken aus dem Meer. BIOforum. 2012;35:17-19.

Dr. Franziska Hempel
Prof. Dr. Uwe G. Maier
Loewe-Zentrum für Synthetische Mikrobiologie, Marburg


Mikroalgen-Engineering zur Herstellung monoklonaler IgG-Antikörper
gegen das Marburg-Virus
Das Marburg-Virus ist ein hoch pathogenes Virus, das wie das Ebola-Virus schwere hämorrhagische Fieber auslöst. In einer aktuellen Studie wurde ein IgG-Antikörper gegen das Nukleoprotein des Marburg-Virus in der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum hergestellt und in verschiedenen In-vitro-Assays getestet [7]. Zur Antikörperherstellung wurden die cDNASequenzen für die schwere und leichte Kette des IgG-Antikörpers aus einer Hybridoma-Zelllinie ermittelt und mit Hilfe einer Partikelkanone in das Genom der Kieselalge eingebracht. Durch die Verwendung eines speziellen Promotors kann die Antikörperexpression dabei einfach durch die Zugabe
von Nitrat ins Medium induziert werden.
Der Antikörper wird von den Algen als vollständig assemblierter Komplex sezerniert und seine Funktion wurde in verschiedenen Tests wie Western Blot, ELISA und IFA bestätigt. Dabei erkennt der Antikörper das virale Protein vergleichbar gut wie der originale Antikörper aus der Hybridomazellline. Des Weiteren wurde eine synthetische Antikörpervariante mit den konstanten Regionen eines humanen IgG in der Alge hergestellt. Die DNA-Sequenz wurde dabei zuvor an die codon usage der Alge angepasst, wodurch das Expressionslevel gesteigert werden konnte.

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