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Menschliche Proteine aus der Milch transgener Tiere

Bei einer Reihe akuter oder chronischer Erkrankungen würden Blutproteine helfen, die bislang nur mühsam und mit hohem Aufwand zu gewinnen sind. Als vielversprechend erweist sich der Ansatz, das jeweilige Gen dafür weiblichen Nutztieren so zu übertragen, daß sie die Substanz mit der Milch liefern. Besonders gut scheinen sich dafür Schweine zu eignen.

Ziemlich genau ein Jahr nach ihrer Geburt säugte unsere Laborsau Genie bereits sieben gesunde, gut gedeihende Ferkel. Aber anders als die Milch normaler Mutterschweine enthielt ihre auch eine artfremde Eiweißverbindung: die für Menschen typische Version des Proteins C, das übermäßiger Blutgerinnung gegensteuert; fehlt es, sind die Betroffenen stärker durch Thrombosen gefährdet.

Solche essentiellen Blutproteine, auf deren Zufuhr viele Menschen akut oder dauernd angewiesen sind, gewinnt man bislang entweder umständlich aus Spenderblut – wozu große Mengen benötigt werden – oder aus Zellkulturen, die man in industriellem Maßstab in Bioreaktoren züchtet; das ist ebenfalls ein äußerst aufwendiges und diffiziles Verfahren. Genie hingegen lieferte einen dieser Stoffe in beträchtlicher Quantität, ohne daß nun noch sonderliches menschliches Zutun vonnöten war: Sie war das erste genmanipulierte Schwein mit einem Humanprotein in der Milch (Bild 1).

Allerdings hatte das Forschungsprojekt dazu fast zehn Jahre vorher begonnen. Zusammen mit Wissenschaftlern vom Amerikanischen Roten Kreuz, die mit dem Bereitstellen von Blutproteinen befaßt sind, überlegten wir damals, wie die Milchdrüsen von Säugetierweibchen für pharmazeutische Zwecke manipuliert werden könnten. Theoretisch sollten sich so alle der zahlreichen benötigten, aber nicht oder nur knapp verfügbaren menschlichen Blutproteine in jeder erforderlichen Menge erzeugen lassen.

Bedarf an solchen Naturstoffen besteht vielfach. Manche Menschen leiden an einem genetisch bedingten Mangel – wie jene, deren Organismus zu wenig gerinnungshemmendes Protein C bildet, oder die Bluterkranken, denen umgekehrt bestimmte gerinnungsfördernde Proteine fehlen (oft der Faktor VIII oder der Faktor IX). Des weiteren kann eine – vorübergehende – Protein-C-Gabe auch bei größeren Operationen wie dem Einsetzen eines künstlichen Gelenks nützlich sein. Eine andere dieser Substanzen, Gewebe-Plasminogenaktivator, hilft wiederum bei Schlaganfall oder Herzinfarkt, die Blutgerinnsel aufzulösen. Das Alpha1-Antitrypsin schließlich erleichtert Patienten mit einer besonderen Form von Lungenemphysem das Atmen.

Wegen der geringen Konzentrationen solcher Proteine im Blut und der meist schwierigen Extraktion ist die Behandlung – falls überhaupt schon möglich – extrem teuer. So kostet die Versorgung eines Bluters mit gereinigtem Faktor VIII allein bei akuten Blutungen im Jahr gewöhnlich Zehntausende von Mark; und wenn man ihn, was besser ist, kontinuierlich damit versieht, steigt die Summe noch beträchtlich. Besteht, wie in vielen Ländern, keine ausreichende Krankenversicherung auch für solche Fälle, bleibt den Betroffenen – außer wenigen Wohlhabenden – bald keine Chance mehr, optimal versorgt zu werden. Eine Alternative sind Zellkulturen. Doch müssen dann, um auch nur mäßige Mengen eines bestimmten seltenen Proteins zu erzeugen, oft 40 Millionen Mark oder mehr in Bioreaktoren investiert werden.

Mit transgenen Tieren ginge das viel billiger. Es kostet nur einen Bruchteil des bislang erforderlichen Aufwands, Zuchtvieh mit Erbmaterial vom Menschen zu versehen, so daß es die gewünschten Substanzen in hoher Konzentration permanent mit der Milch liefert. Das vereinfacht die Verfahren enorm und ermöglicht eine Produktion in großen Mengen.

Lebende pharmazeutische Retorten hätten einen weiteren bedeutenden Vorteil: Das Risiko der Kontamination des Produkts mit gefährlichen Krankheitserregern wäre besser zu kontrollieren als bei Präparaten aus Blutplasma von Sammelchargen. Zwar sind inzwischen penible Prüfverfahren, feste Auswahlkriterien für Spender sowie eine spezielle Behandlung zur Virusinaktivierung vorgeschrieben und gewährleisten weitgehende Sicherheit. (Eine Lehre aus der Vergangenheit: Chargen, die mit dem HI-Virus verseucht waren, hatten weltweit viele Fälle von AIDS verursacht.) Selbst dann ist eine unabsichtliche Übertragung gewisser Erreger, darunter HIV und das auf dem Vormarsch befindliche Hepatitis-C-Virus, nicht ganz auszuschließen. Besorgnis herrscht auch wegen der seltenen Jakob-Creutzfeldt-Krankheit (von der eine besondere früh auftretende Variante nun mit der Rinderseuche BSE in mögliche Verbindung gebracht wird). Weder existieren Bluttests, noch hat man das auslösende Agens eindeutig identifiziert. Eine Übertragung durch Blutprodukte ist bislang nicht belegt, sehr wohl aber eine durch Verpflanzen bestimmter Gewebe und durch Gabe eines Wachstumshormons, das aus Gewebe Verstorbener extrahiert wurde. Sicherheitshalber hat man deshalb in jüngster Zeit in Nordamerika und in Europa Chargen zurückgezogen, als jeweils einer der Spender an dem Leiden erkrankte.


Mäuse melken

Zunächst schien der Ausgang eines solchen Entwicklungsprojekts durchaus ungewiß. Technische Hürden waren zu nehmen; und niemand wußte, ob solche Tiere, wenn sie denn Milch mit menschlichen Proteinen bildeten, davon überhaupt verwertbare Mengen erzeugen würden. Daß wir dann doch relativ schnell vorankamen, verdanken wir vor allem grundlegenden Studien und vielfältigen Befunden anderer Wissenschaftler, auf denen wir aufbauen konnten.

Bereits 1980 hatte ein Team um Jon W. Gordon von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) herausgefunden, daß unter Umständen besamte Eizellen von Mäusen (man spricht auch von Embryonen im Einzellenstadium) künstlich eingebrachtes fremdes genetisches Material, also DNA, in ihre Chromosomen einbauen. Wenig später zeigten Thomas E. Wagner und seine Mitarbeiter von der Ohio-Universität in Athens, daß in das Mäuse-Erbgut integrierte Kaninchen-Gene auch funktionieren können.

Mit einer sehr feinen Glashohlnadel (wie in Bild 2 gezeigt) hatten sie die genetische Bauanweisung für eine Kette des Hämoglobins, des roten Blutfarbstoffs, in besamte Eizellen gebracht. (Sie unterschied sich etwas von der entsprechenden von Mäusen.) Unerwartet oft baute sich nach dieser Prozedur das fremde Erbgut in das des Wirts ein, möglicherweise deswegen, weil die Zellen es wie ein herausgebrochenes Stück eines eigenen Chromosoms behandelten und ihr DNA-Reparatursystem aktivierten.

Und es blieb teilweise, wie sich zeigte, stabil integriert. Denn einige der Ammenweibchen, denen man die manipulierten Embryonen überpflanzt hatte, brachten transgene Junge zur Welt, deren sämtliche Gewebe das fremde Gen aufwiesen. Besonders wichtig war, daß diese Tiere das Transgen auch in den Keimzellen trugen und es später wiederum an einen Teil ihrer Jungen weitergaben (nicht an alle, weil Ei- wie Samenzellen nur jeweils den halben Chromosomensatz enthalten). Sie alle bildeten Kaninchen-Hämoglobin.

Ein weiterer Durchbruch kam 1987. Damals gelang es den Gruppen um Lothar Hennighausen vom amerikanischen Nationalen Institut für Krankheiten der Niere und der Verdauungsorgane in Bethesda (Maryland) und um A. John Clark vom Institut für Tierphysiologie und Genetik der Forschungsstation Edinburgh (Schottland), fremdes Erbmaterial bei transgenen Mäusen speziell in den Milchdrüsen zu aktivieren, so daß darin das entsprechende Protein mit der Milch gebildet wurde. Diese Teams hatten das sie interessierende Gen dafür vorher mit einem kurzen anderen DNA-Segment verknüpft, einem sogenannten Promotor, der bei Mäusen sonst die Produktion eines Milchproteins in Gang setzt. Die amerikanischen Forscher wollten den menschlichen Gewebe-Plasminogenaktivator gewinnen, erhielten ihn aber nur in enttäuschend niedriger Konzentration. Die Mäuse der schottischen Gruppe hingegen, versehen mit dem Gen für Beta-Lactoglobulin von Schafen, bildeten dieses Milchprotein in einer Menge von hochgerechnet 23 Gramm pro Liter; dies ist außerordentlich viel – der Anteil entspricht ungefähr dem von den vorherrschenden arteigenen Milchproteinen.

Nun besteht kein Bedarf, ausgerechnet dieses tierische Protein auf so komplizierte Weise zu erzeugen; auch würden Mäuse sich zur Großproduktion wenig eignen. Aber die gentechnische Strategie hatte sich als praktikabel erwiesen.

Daraufhin wandten Clark und seine Kollegen sie bei Schafen an. Mit dem menschlichen Gen für den Blutgerinnungsfaktor IX koppelten sie diesmal den Genschalter für Beta-Lactoglobulin vom Schaf. Zwei Jahre mußten sie warten, dann waren die Tiere herangewachsen und hatten zum erstenmal Lämmer. Die Milch der Mutterschafe enthielt auch wirklich das menschliche Blutprotein – nur in kaum nachweisbar geringer Menge, die sich nicht zu verwerten lohnte.


Ein gewagtes Experiment

Zu eben dieser Zeit begannen auch wir zu überlegen, wie das Potential dieses Ansatzes zu erschließen sei. Wir entschieden uns, das Risiko einer strategischen Variante einzugehen: Statt wie andere Arbeitsgruppen mit dem üblichen Milchvieh – Schafen, Ziegen und Rindern – wollten wir es mit Schweinen versuchen. Sie haben mit nur vier Monaten eine vergleichsweise kurze Tragzeit, mit rund einem Jahr eine relativ kurze Generationsdauer und zudem mit gewöhnlich zehn bis zwölf Ferkeln eine beträchtliche Wurfgröße. Außerdem gibt eine Sau, aufs Jahr gerechnet, immerhin rund 300 Liter Milch. Unsicher war nur, ob von diesen Tieren nennenswerte Mengen eines Humanproteins zu bekommen wären.

Gleichwohl kombinierten wir das Gen dafür mit einer Mäuse-Steuersequenz, die Hennighausens Gruppe charakterisiert hatte: mit dem Promotor für eines der vorherrschenden Milchproteine, das saure Molkenprotein. Eine solche Kombination, nur mit einem anderen Humangen, hatten die Kollegen bereits bei Mäusen erfolgreich erprobt. Wir nahmen die Gensequenz für das menschliche Protein C, injizierten das Konstrukt in besamte Schweine-Eizellen (Bild 2) und überpflanzten diese einer fremden Sau.

Vier Monate mußten wir uns in Geduld üben. In dem Wurf dann fand sich ein weibliches Ferkel, das die artfremde DNA in allen Zellen trug. Wir nannten es Genie. Aber erst ein Jahr später wußten wir, daß unser Experiment geglückt war: Die Mengen des menschlichen Proteins C in der Milch, die diese Sau nach ihrem ersten Wurf gab, waren zwar – gemessen an den arteigenen Milchproteinen – nicht übermäßig hoch, doch mit rund einem Gramm pro Liter konnten wir recht zufrieden sein. Dies ist immerhin zweihundertmal mehr als normalerweise in menschlichem Blutplasma.

Nun war die entscheidende Frage, ob das Protein biologisch aktiv sei. Sicher war das keineswegs, denn einiges an den letzten Schritten der zellulären Proteinsynthese ist immer noch rätselhaft. Zwar versteht man inzwischen weitgehend, wie der genetische Code abgelesen und in eine Sequenz von Aminosäuren, den Proteinbausteinen, umgesetzt wird. Doch damit das Molekül seine korrekte räumliche Konfiguration annimmt und funktionsfähig wird, muß es noch weiter bearbeitet werden. Dazu hat eine Zelle recht komplexe Mechanismen, um Teile aus dem unfertigen Produkt herauszuschneiden oder etwa chemische Gruppen anzufügen (Bild 3). Würde auch im Milchdrüsengewebe eines Schweines ablaufen, was im Normalfall mit einem menschlichen Blutprotein geschieht?

Um das zu prüfen, mußten wir über verschiedene Schritte speziell den biologisch aktiven Anteil von Protein C extrahieren. Wir waren von der recht großen Ausbeute überrascht: Als aktiv erwies sich rund ein Drittel der insgesamt gebildeten Menge. Noch nie wurde ein solcher Gehalt an dieser Substanz in funktionsfähiger Form erreicht – weder von Labortieren noch aus Bioreaktoren. Das Unternehmen Genie hatte erwiesen, daß transgenes Zuchtvieh sich zur Produktion komplexer menschlicher Proteine in der Milch eignet.


Doppelt transgen

Zunächst konzentrierten wir uns mehrere Jahre lang auf Genie und ihre Nachkommenschaft. Dann aber wollten wir uns nicht mehr damit abfinden, daß jeweils die doppelte Menge des erwünschten Proteins in einem unreifen Vorstadium verblieb, und erkannten schließlich, daß in den Milchdrüsenzellen der Sauen ein bestimmtes Schlüsselmolekül für die Bearbeitung in zu geringem Maße vorhanden ist: das gleichfalls komplexe Protein Furin. Der Gedanke lag nahe, den Mangel zu beheben, indem wir zusätzlich das Gen dafür einschleusten.

Damit wir das schneller prüfen konnten, experimentierten wir erst einmal wieder mit den üblichen Labortieren. Im Jahre 1995 hatten wir Mäuse mit zwei menschlichen Genen, dem für Protein C und dem für Furin; und der daran angekoppelte Promotor – jener, der schon bei Genie verwendet worden war – sorgte wiederum dafür, daß sie in den Milchdrüsen abgelesen wurden.

Nachdem die Mäusemilch wirklich reifes menschliches Protein C enthielt, sind wir nun dabei, das Verfahren bei Schweinen anzuwenden. Gelingt das, sollten wir bald eine Muttersau haben, die etwa dreimal soviel biologisch aktives Humanprotein C liefert wie Genie. Auch ist damit zu rechnen, daß andere Forschergruppen erfolgreich Nutztiere mit einer Kombination von Fremdgenen zur Produktion und Prozessierung solcher komplexen Eiweißstoffe ausstatten werden.


Medikamente aus dem Stall

Kritiker mögen einwenden, man sollte solche Genmanipulationen – wenn überhaupt – nur an Kulturen von Mikroorganismen oder isolierten Zellen vornehmen. Doch mit Bioreaktoren hat man nach mehr als 20 Jahren Erfahrung noch immer Mühe, rare therapeutische Substanzen großtechnisch zu gewinnen. Nicht nur ist solch ein System einzurichten sehr aufwendig; auch der Betrieb stellt höchste Ansprüche, denn jede geringe Veränderung etwa der Temperatur oder Zusammensetzung der Nährlösung macht sich störend bemerkbar.

Solche Probleme hat man mit transgenem Vieh nicht. Ist eine solche Linie erst einmal gezüchtet, kann man sie sich normal vermehren lassen, und die Tiere benötigen auch nur die gewöhnliche Pflege. Vor allem sind sie den Bioreaktoren überlegen, was die Ausbeute angeht. Die dicht gelagerten Zellen eines Gesäuges bilden trotz dessen vergleichsweise geringen Volumens viel mehr von den Proteinen als die Zellkultur in einem riesigen Kessel.

Das Risiko, daß auch auf diese Weise Krankheitserreger auf den Menschen übergehen, läßt sich zwar nicht völlig ausschließen; doch kann man zumindest die Gefährdung durch die bekannten pathogenen Keime minimieren, indem man ausschließlich Tiere aus kontrollierten Beständen verwendet, wie sie in der heutigen Landwirtschaft beispielsweise für Tuberkulose-Freiheit etabliert sind. Zudem haben sich gerade Schweine, neben Rindern, seit Jahrzehnten als Lieferanten des Bauchspeicheldrüsenhormons Insulin bewährt, das Diabetikern fehlt.

Trotz alledem müssen auch diese Produkte bis zur Zulassung die Sicherheitstests und Erprobungsphasen durchlaufen wie sonstige für Medikamente. Das erste Humanprotein von einem transgenen Tier ist seit einigen Monaten in der klinischen Prüfung. Es handelt sich um das gerinnungshemmende Antithrombin III, das die Firma Genzyme Transgenics von Ziegen gewinnt.

Zu bedenken ist ferner, daß solche Substanzen sich im menschlichen Organismus eventuell ein wenig anders verhalten, als wenn dieser sie selbst gebildet hätte, weil die Tierzellen das noch unfertige Molekül nicht auf völlig gleiche Weise feinbearbeiten. Das könnte aber manchmal sogar wünschenswert sein. So sind manche Blutproteine normalerweise derart modifiziert, daß die Leber sie rasch abbaut. Wenn nun ein entsprechendes Protein aus tierischer Milch länger im Blut bliebe, wäre das für den Patienten unter Umständen von Vorteil.

Man mag versucht sein, die Erfolge mit transgenen Tieren allein dem technischen Fortschritt zuzuschreiben. Doch gerade diese Forschungen zeigen dessen Unzulänglichkeiten im Vergleich mit der Natur auf. Selbst mit den ausgefeiltesten Apparaturen ist es noch immer aufwendig und beschwerlich, Zellkulturen eine bestimmte biologisch aktive Substanz in nennenswerter Menge produzieren zu lassen. Seit vielen Jahrmillionen leistet das die Milchdrüse der Säugetiere optimal, erzeugt alle erforderlichen Moleküle in der richtigen Mischung und gibt sie in gut verwertbarer Form ab. Wir meinen, daß diese Quelle zum Wohle von Kranken genutzt werden sollte.

Literaturhinweise

- The Regulation of Natural Anticoagulant Pathways. Von Charles T. Esmon in: Science, Band 235, Seiten 1348 bis 1352, 13. März 1987.

– Transgenic Animals. Von Rudolf Jaenisch in: Science, Band 240, Seiten 1468 bis 1474, 10. Juni 1988.

– The Expression of Therapeutic Proteins in Transgenic Animals. Von R. Paleyanda, J. Young, W. Velander und W. Drohan in: Recombinant Technology in Hemostasis and Thrombosis. Herausgegeben von L. W. Hoyer und W. N. Drohan. Plenum Press, 1991.

– The Porcine Mammary Gland as a Bioreactor for Complex Proteins. Von Tulin Morcol, Robert M. Akers, John L. Johnson, Barry L. Williams, Francis C. Gwazdauskas, James W. Knight, Henryk Lubon, Rekha K. Paleyanda, William N. Drohan und William H. Velander in: Recombinant DNA Technology, Band 2: Sonderband von Annals of the New York Academy of Science, Band 721, Seiten 218 bis 233, 2. Mai 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1997, Seite 70
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 1997

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