Rote Biotechnologie

Die rote (medizinische Biotechnologie) beschäftigt sich mit der Entwicklung

therapeutischer und diagnostischer Verfahren wie medizinische Diagnostik,

die personalisierte Medizin, die Arzneimittelherstellung und die Gentherapie.

Biotechnologie
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Grundlagen zur

Biotechnologie

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1. Induzierte pluripotente

Stammzellen (iPS)

Im Jahr 2006 gelang es, Gewebezellen zu Stammzellen umzuprogrammieren. Seitdem werden die so entstandenen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) in der biologischen und medizinischen Forschung eingesetzt. Sie ergänzen oder ersetzen in vielen Bereichen die Arbeit mit embryonalen und adulten Stammzellen. iPS-Zellen können aber embryonale Stammzellen nicht in jedem Fall ersetzen. Stammzellen werden zurzeit primär in der biologischen Grundlagenforschung und bei der Entwicklung von Medikamenten eingesetzt. Therapeutische Verfahren mit Stammzellen befinden sich noch in der Versuchsphase. Aus dem Gewebe von Patienten*innen gewonnene iPS-Zellen können Vorteile bieten, da mit ihnen möglicherweise die Immunabstoßung fremder Zellen vermieden wird. In der Kombination von iPS-Zellen und neuen Verfahren der Genom-Editierung wird großes Potenzial für die Erforschung kom- plexer genetischer Erkrankungen gesehen. So können mit CRISPR/Cas auch komplexe, auf mehreren defekten Genen beru- hende Erkrankungen leichter in Zelllinien modelliert, variiert und mit gesunden Zelllinien verglichen werden. Bisher ist die Redifferenzierung von iPS-Zellen in ausgereifte Zellen wie Neuronen, Blut- oder Leberzellen sowie in ganze Organe noch eine Herausforderung. Dies wäre ein entscheidender Schritt einer Nutzung von Stammzellen im Rahmen einer regenerativen Medizin und somit der Nutzung lebender Zellen zur Heilung beschädigter Organe und Gewebe. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen), hergestellt aus dem Blut von Patienten, stellen in der Demenzforschung ein vielversprechendes System dar. In verschiedenen Projekten und Konsortien wird diesen Fragestellungen nachgegangen: Human iPS Cell Technology for Alzheimer Research (HiPSTAR) Plastizität des Alterns (PLAN) Graduiertenkolleg: Protein, Modification, Ageing (ProMoAge) Polysialylierung von Adhäsionsmolekülen in Neuronen Sialinsäureinteaktion mit CD33 in Mikroglia

2. Bioimplantate und

Xenotransplantate

Bioimplantate als Element der regenerativen Medizin erfordern interdisziplinäre Kompetenzen, weil künstliche und organische Komponenten, in variablen Anteilen kombiniert werden. Die Entwicklung intelligenter Implantate sowie sta- biler und leistungsfähiger Brain-Computer-Interfaces ist auf die Biologisierung von Oberflächen, Kontakten und Werkstoffen angewiesen. Bei Bioimplantaten besteht ein fließender Übergang zwischen der Übertragung biologischer Prinzipien auf technische Anwendungen (Bionik) und der Biotechnologie als technologische Auswirkungen auf das Leben. Die Herstellung kompletter und komplexer künstlicher Ersatzorgane liegt noch in weiter Zukunft. Das Mittelfristige biotechnologische Potenzial bei Ersatzorganen ist in der Xenotransplantation zu sehen. Dabei werden Beispielsweise Organe genetisch modifizierter Schweine genutzt. Mit dem CRISPR/Cas Verfahren lassen sich in deutlich kürzerer Zeit genetische Modifikationen an Schweinen vornehmen und diese in Zuchtlinien stabilisieren. Bei dieser Methode kann auch, aus dem Schweinegenom die DNA von Retroviren entfernt werden, die bei einer Transplantation eine Gesundheitsgefahr darstellt.
Biotechnologische Anwendungen sollen wirksamere und schonendere Therapien entwickeln, die Krebs perspektivisch heilen könnten. Dabei sollen in- dividuelle genetische Risikoprofile bessere Vorsorgeuntersuchungen gewährleis- tet und neue Biomarker bei Routineuntersuchungen Tumore frühzeitiger erkennen. Die Untersuchung von extrahierten Tumorbestandteilen aus dem Blut kann eine Biopsie ersetzen. Das Abgleichen von Krankheitsdaten mit weltweiten medizini- schen Datenbanken und Expertensystemen soll die Erfolgswahrscheinlichkeiten von Therapien erhöhen. Strahlen- oder Chemotherapie sollen durch Biotechnologische Verfahren, wie die Gabe standardisierter Antikörper, ersetzt werden. Dieses Verfahren zielt auf das Immunsystem der Patienten ab, um Krebszellen im Körper zu erkennen und zu eliminieren. Zukünftig wird es Therapien geben, bei denen körpereigene Immunzellen ent- nommen werden, die dann zur Bekämpfung des Tumors optimiert, in einem Bioreaktor vermehrt und den Patienten wieder verabreicht werden. Biotechnologische Verfahren bedeuten, maßgeschneiderte Diagnostik und Therapie im Sinne einer individualisierten und auf den zu behandelnden Menschen abgestimmte Medizin.
Brustkrebs - Kernbiopsie - Darmkrebs in situ (DCIS), nachgewiesen durch Mammographie- Screening: Tumorzellen sind auf die Säugetierkanäle beschränkt. Es gibt Verzweigung und Buddeln ohne Invasionsgegenstand.
Menschliche embryonale Stammzellen. Links: undifferenzierte Kolonien. Rechts: Neuron-Tochterzelle Von Images: Nissim Benvenisty - Russo E. (2005) Follow the Money—The Politics of Embryonic Stem Cell Research. PLoS Biol 3(7): e234. doi:10.1371/journal.pbio.0030234, CC BY 2.5, Wikimedia
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Stammzellen (iPS)

Im Jahr 2006 gelang es, Gewebezellen zu Stamm- zellen umzuprogrammieren. Seitdem werden die so entstandenen induzierten pluripotenten Stamm- zellen (iPS) in der biologischen und medizinischen Forschung eingesetzt. Sie ergänzen oder ersetzen in vielen Bereichen die Arbeit mit embryonalen und adulten Stammzellen. iPS-Zellen können aber em- bryonale Stammzellen nicht in jedem Fall ersetzen. Stammzellen werden zurzeit primär in der biologi- schen Grundlagenforschung und bei der Entwick- lung von Medikamenten eingesetzt. Therapeutische Verfahren mit Stammzellen befinden sich noch in der Versuchsphase. Aus dem Gewebe von Patien- ten*innen gewonnene iPS-Zellen können Vorteile bieten, da mit ihnen möglicherweise die Immunab- stoßung fremder Zellen vermieden wird. In der Kombination von iPS-Zellen und neuen Verfahren der Genom-Editierung wird großes Potenzial für die Erforschung komplexer genetischer Erkrankungen gesehen. So können mit CRISPR/Cas auch komplexe, auf meh- reren defekten Genen beruhende Erkrankungen leichter in Zelllinien modelliert, variiert und mit gesunden Zelllinien verglichen werden. Bisher ist die Redifferenzierung von iPS-Zellen in ausgereifte Zellen wie Neuronen, Blut- oder Leberzellen sowie in ganze Organe noch eine Herausforderung. Dies wäre ein entscheidender Schritt einer Nutzung von Stammzellen im Rahmen einer regenerativen Medizin und somit der Nutzung lebender Zellen zur Heilung beschädigter Organe und Gewebe. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen), hergestellt aus dem Blut von Patienten, stellen in der Demenzforschung ein vielversprechendes Sys- tem dar. In verschiedenen Projekten und Konsortien wird diesen Fragestellungen nachgegangen: Human iPS Cell Technology for Alzheimer Research (HiPSTAR) Plastizität des Alterns (PLAN) Graduiertenkolleg: Protein, Modification, Ageing (ProMoAge) Polysialylierung von Adhäsionsmolekülen in Neuronen Sialinsäureinteaktion mit CD33 in Mikroglia

2. Bioimplantate und

Xenotransplantate

Bioimplantate als Element der regenerativen Medizin erfordern interdisziplinäre Kompetenzen, weil künstliche und organische Komponenten, in variablen Anteilen kombiniert werden. Die Entwick- lung intelligenter Implantate sowie stabiler und leis- tungsfähiger Brain-Computer-Interfaces ist auf die Biologisierung von Oberflächen, Kontakten und Werkstoffen angewiesen. Bei Bioimplantaten besteht ein fließender Übergang zwischen der Übertragung biologischer Prinzipien auf technische Anwendungen (Bionik) und der Biotechnologie als technologische Auswirkungen auf das Leben. Die Herstellung kompletter und komplexer künstlicher Ersatzorgane liegt noch in weiter Zukunft. Das Mit- telfristige biotechnologische Potenzial bei Ersatz- organen ist in der Xenotransplantation zu sehen. Dabei werden Beispielsweise Organe genetisch mo- difizierter Schweine genutzt. Mit dem CRISPR/Cas Verfahren lassen sich in deutlich kürzerer Zeit gene- tische Modifikationen an Schweinen vornehmen und diese in Zuchtlinien stabilisieren. Bei dieser Methode kann auch, aus dem Schweinegenom die DNA von Retroviren entfernt werden, die bei einer Transplantation eine Gesundheitsgefahr darstellt.
Biotechnologische Anwendungen sollen wirksa- mere und schonendere Therapien entwickeln, die Krebs perspektivisch heilen könnten. Dabei sollen individuelle genetische Risikoprofile bessere Vorsor- geuntersuchungen gewährleistet und neue Biomar- ker bei Routineuntersuchungen Tumore frühzeitiger erkennen. Die Untersuchung von extrahierten Tumorbestand- teilen aus dem Blut kann eine Biopsie ersetzen. Das Abgleichen von Krankheitsdaten mit weltweiten medizinischen Datenbanken und Expertensystemen soll die Erfolgswahrscheinlichkeiten von Therapien erhöhen. Strahlen- oder Chemotherapie sollen durch Biotechnologische Verfahren, wie die Gabe standar- disierter Antikörper, ersetzt werden. Dieses Verfahren zielt auf das Immunsystem der Patienten ab, um Krebszellen im Körper zu erkennen und zu eliminieren. Zukünftig wird es Therapien geben, bei denen kör- pereigene Immunzellen entnommen werden, die dann zur Bekämpfung des Tumors optimiert, in einem Bioreaktor vermehrt und den Patienten wie- der verabreicht werden. Biotechnologische Verfahren bedeuten, maßgeschneiderte Diagnostik und Therapie im Sinne einer individualisierten und auf den zu behandelnden Menschen abgestimmte Medizin.
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Menschliche embryonale Stammzellen. Links: undifferenzierte Kolonien. Rechts: Neuron-Tochterzelle Von Images: Nissim Benvenisty - Russo E. (2005) Follow the Money—The Politics of Embryonic Stem Cell Research. PLoS Biol 3(7): e234. doi:10.1371/journal.pbio.0030234, CC BY 2.5, Wikimedia
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