Mit medizinischer Biotechnologie sollen neue Behandlungsmöglichkeiten für unheilbare Krankheiten entwickelt werden. Was sich anhört wie Zukunftsmusik, ist heute schon teilweise Realität. Ein Überblick über die aktuellen Anwendungen und Herausforderungen.
Medizinische Biotechnologie beschreibt ein interdisziplinäres Gebiet, das Biologie, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Medizin miteinander vereint. Dabei sollen neue diagnostische Verfahren sowie Therapien und Medikamente entwickelt werden. Der Fokus liegt vor allem auf unheilbaren Krankheiten.
Gentechnologie
Ein Teil der medizinischen Biotechnologie ist die Gentechnologie. Im Rahmen dieser wird die DNA manipuliert. So sollen nicht nur genetische Defekte korrigiert, sondern auch veränderte Zellen erzeugt werden, die gezielt Krankheiten bekämpfen. Bekanntestes Beispiel ist hierfür das Genom Editing durch die CRISPR-Cas9-Methode. Als sogenannte Genschere ermöglicht die CRISPR-Cas9-Methode ganze DNA-Stücke oder einzelne Nukleotide in einem Gen durch Mutagenese gezielt zu verändern. Eine synthetische RNA (sgRNA) passt an eine bestimmte Stelle in der DNA. Heftet sie sich an diese, fungiert das Cas9-Protein als Schere und durchtrennt die DNA an dieser. Durch die Durchtrennung erkennt die Zelle einen Bruch und will diesen reparieren. Im Rahmen der Gentechnologie wird nun meist neue, korrigierte DNA eingeführt.
Im Rahmen der homologen Rekombination baut die Zelle mit der korrigierten DNA eine neue, gesunde Sequenz. Eingesetzt wird die Technik bereits, insbesondere bei genetischen Erkrankungen und Krebsbehandlungen. Erfolge wurden bei Sichelzellenanämie, Leukämie und Lymphomen verzeichnet. Allerdings wird die CRISPR/Cas9-Technologie in der Praxis noch nicht routinemäßig eingesetzt, sondern überwiegend in klinischen Studien. Parallel wird geforscht, welche Langzeitwirkung die Behandlung auf Patienten hat, wie sicher und präzise sie letztlich ist, mit Fokus auf Vererbbarkeit.
Stammzellenforschung in der medizinischen Biotechnologie
Ebenfalls Teil der medizinischen Biotechnologie ist die Stammzellenforschung. In dieser wird sich auf das Potenzial von Stammzellen fokussiert, schwer heilbare oder unheilbare Krankheiten zu behandeln. Dazu gehören beispielsweise Herzkrankheiten, Parkinson, Diabetes, Leukämie und Lymphome. Stammzellen können sich unendlich oft teilen (Selbstverjüngung) und in verschiedene spezialisierte Zelltypen verwandeln (Differenzierung). Aufgrund ihrer Vielseitigkeit können sie zur Regeneration von Geweben und Organen genutzt werden. Stammzellen unterteilen sich in
Embryonale Stammzellen:
- Gewinnung aus frühen Embryonen
- Können sich in nahezu alle Zelltypen des Körpers entwickeln
- Großes Potenzial für die regenerative Medizin
Adulte Stammzellen:
- Finden sich in verschiedenen Geweben des Körpers, z. B. im Knochenmark
- Können sich in einen begrenzten Satz von Zelltypen entwickeln
- Wichtig für die Erneuerung und Reparatur von Gewebe
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen):
- Herstellung durch die Umprogrammierung erwachsener Zellen (z. B. Hautzellen)
- Können sich in verschiedene Zelltypen entwickeln
- Vielversprechende Alternative zu embryonalen Stammzellen mit großem Potenzial für medizinische Anwendungen
Die Stammzellenforschung stößt vor allem bei embryonalen Stammzellen noch an ihre Grenzen. Denn die Gewinnung und Verwendung von Zellen aus menschlichen Embryonen wirft ethische und moralische Fragen auf. In der medizinischen Biotechnologie in Deutschland ist die Stammzellenforschung schwer reguliert. Die Nutzung existierender Linien, also Zellen, die aus früheren, bereits entnommenen Embryonen, stammen, ist erlaubt. Allerdings unterliegt dies strengen Auflagen und muss von den zuständigen Behörden genehmigt werden.
Gleichzeitig darf die Forschung nicht zur Erzeugung neuer embryonaler Stammzelllinien führen. IPS-Zellen, die keine Embryonen benötigen, gewinnen daher immer mehr an Bedeutung. Auch Fragen zur Sicherheit und Effizienz sorgen dafür, dass sie noch nicht flächendeckend eingesetzt wird. Denn die Implantation von Stammzellen bringt Risiken wie Tumorbildung mit sich. Gleichzeitig kann es schwierig sein, die gewünschte Menge an Zellen in ausreichender Qualität zu züchten. Die etabliertesten Anwendungen von Stammzellen in der medizinischen Biotechnologie sind die Stammzelltransplantationen zur Behandlung von Blutkrebsarten wie Leukämie und Lymphomen. Im Rahmen dieser werden hämatopoetische Stammzellen (Blutstammzellen) aus dem Knochenmark eingesetzt, um das von beispielsweise Chemotherapie geschädigte Immunsystem zu regenerieren.
Biopharmazeutika
Biopharmazeutika sind Arzneimittel, die nicht chemisch, sondern biotechnologisch hergestellt werden. Ihre Produktion erfolgt durch die Manipulation eines spezifischen Gens im Rahmen der medizinischen Biotechnologie. Dafür wird ein Mikroorganismus oder eine Zelle eingeführt, die dieses Gen dann produzieren. Gleichzeitig werden aus Bakterien, Hefen, CHZellen (Chinese Hamster Ovary Cells) oder andere Zelllinien Zellkulturen angesiedelt. Dadurch können dann biopharmazeutischen Substanzen produziert werden. Die benötigten Substanzen werden anschließen extrahiert, bereinigt und für den Einsatz in Arzneimitteln aufbereitet. Ein biopharmazeutisches Arzneimittel ist beispielsweise Humulin, ein rekombinantes Insulin, welches zur Behandlung von Diabetes eingesetzt wird. Es wird durch die genetische Rekombination von Bakterien oder Hefen produziert.
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