Pflanzen Generierte Biopharmazeutika (PlantBioP)

Rekombinante Proteine, wie zum Beispiel monoklonale Antikörper, gehören zur Erfolgsstory der modernen Medikamententwicklung. Derzeit sind etwa 150 solcher Biopharmazeutika mit einem Marktwert von über 50 Milliarden Euro zugelassen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 10-20 %. Die derzeitigen Produktionskapazitäten, die hauptsächlich auf tierischen Zellen basieren, reichen bei weitem nicht aus um der ansteigenden Nachfrage gerecht zu werden. Zusätzlich stellen diese kostenintensiven Verfahren eine immense Hürde für eine globale Verabreichung dieser Medikamente dar.

Im bewilligten Laura Bassi (LB) Zentrum werden neue Wege zur Herstellung von Biopharmazeutika beschritten. Die beiden großen Ziele des Zentrums sind kostengünstige Herstellung solcher Arzneimittel und Erhöhung ihrer therapeutischen Wirksamkeit durch das Anheften optimierter Zuckerstrukturen. Dies soll durch ein auf Pflanzen basierendes Herstellungsverfahren erreicht werden.


Eine wesentliche Voraussetzung zur erfolgreichen Umsetzung der Ziele ist einerseits ein kürzlich entwickeltes extrem effizientes Expressionssystem in Pflanzen (magnicon®: Marillonnet et al., 2005), und andererseits die Herstellung von sogenannten Glyko-Mutanten in Pflanzen durch unsere Arbeitsgruppe, welche die Produktion therapeutischer Proteine mit erhöhter Wirksamkeit ermöglichen (Strasser et al., 2008, Strasser et al., 2009). Die effiziente Erzeugung von verschiedenen Glyko-Varianten therapeutisch wertvoller Proteine und die Untersuchung deren biologischer bzw. pharmakologischer Wirkung stellen die Kernaufgabe des LB Zentrums dar.

Schematische Darstellung des im LB Zentrum verwendeten Expressionssystems magnicon®:

(a) Bakteriensuspensionen, die geeignete Gen-Konstrukte tragen werden via „Agroinfiltration“ in Pflanzen gespritzt (in diesem Fall das Modellprotein green fluorescent protein, GFP. (b) Die Expression von hohen Mengen GFP erfolgt bereits wenige Tage nach der Infiltration (grün leuchtend).

 

Die Glykosylierung, das Anheften von Zuckerresten, ist eine der wichtigsten Proteinmodifikationen wobei diese vielfältig ausfallen kann. Serumproteine tragen komplizierte Zuckerstrukturen, deren biologische Rolle bis heute meist unbekannt ist. Sicher ist jedoch, dass bestimmte Zuckerstrukturen die Wirksamkeit eines Proteins erheblich erhöhen können und damit eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Arzneimittel spielen. Da es mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nahezu unmöglich ist Proteine mit homogenen Zuckerstrukturen zu erzeugen (sie tragen immer eine Mischung), werden oft Produkte generiert, die nicht die optimale therapeutische Wirkung zeigen. Pflanzen hingegen erzeugen von Natur aus ein homogeneres Glykosylierungsmuster. Obendrein lässt sich dieses Muster in gewünschte Richtungen verändern, wie kürzlich in unserer Arbeitsgruppe gezeigt werden konnte (Strasser et al., 2008, Strasser et al., 2009). 


Konkret werden im LB Zentrum verschiedene Tabak Mutanten generiert, in denen therapeutisch relevante Proteine mit bestimmten Zuckerstrukturen erzeugt werden können. Das ermöglicht uns, deren Auswirkung auf die biologische Aktivität des Proteins zu bestimmen um so die aktivste Form eines Wirkstoffes zu erzeugen. Kernstück dabei ist die Rekonstruktion des Sialinsäure Biosyntheseweges in Pflanzen. Protein-Sialylierung ist die komplexeste Form der Säuger Glykosylierung und spielt bei der in vivo Aktivität vieler Proteine eine bedeutende Rolle. Als Endresultat erwarten wir uns die Etablierung eines Verfahrens, das die effiziente Herstellung hochaktiver Biopharmazeutika erzielt durch ein maßgeschneidertes Glykosylierungsprofil ermöglicht.


Als Kooperationspartner im Zentrum fungieren einerseits der an der BOKU tätige weltweit anerkannte Glykobiologe Friedrich Altmann (Department für Chemie) und das global agierende pharmazeutische Unternehmen BAYER (Gent, Belgien). Die Beteiligung der hoch kompetenten Partner garantiert eine erfolgreiche Umsetzung des Projektes und deren Überführung in einen industriellen Maßstab.


Kernstück des Zentrums ist eine in planta Protein-Sialylierung. Um dies zu erreichen ist der Transfer eines gesamten Säuger-Biosyntheseweges in die Pflanze notwendig.