BT 7-10: Algen / Biopharma / L09 (gibt es nicht) / Tissue
ZHAW Biotechnologie 1. Semester
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Cartes-fiches
Wo lassen sich Algen einordnen? Nennen Sie 5 Algenabteilungen!
- Blaualgen (Cyanophyta)
- Braunalgen (Phaeophyta)
- Rotalgen (Rhodophyta)
- Grünalgen (Chlorophyta)
- Schönaugengeisler (Euglenophyta)
Unterscheiden Sie Mikro- und Makroalgen!
Mikroalgen:
- Mikroskopisch klein
- Algenfäden und Einzeller
- Gold-, Blaualgen, Dinoflagelzellen
Makroalgen:
- Von blossem Auge sichtbar
- bis 50m lang
- kommen in Küstenbereich bis 200m Tiefe vor.
- Rot-, Braun-, Grünalgen
Beschreiben Sie die Rahmenbedingungen für die Algenkultivierung!
- Licht als Energiequelle
- CO2
- Nährsalze
- Temperaturtoleranz
- geringe pH-Toleranz
Diskutieren Sie 5 Problemstellungen, die sich bei der Algenkultivierung ergeben!
- Effektiver Lichteintrag (Algenzellen absorbieren Licht sehr effektiv)
- Symbiose von Organismen (mit Pilzen, Pilz braucht CO2 à gibt Nährsalze = Flechten)
- Natürliche offene Systeme schwierig zu kontrollieren
- Definierte, nachverfolgbare und aseptische Kultivierungsbedingungen für pharmazeutische Applikationen (Swissmedic)
- Scale-up schwierig
Welche Bioreaktoren wurden in den letzten Jahren für die Algenkultivierung entwickelt und eingesetzt?
Photobioreaktoren
- Screening-Module (PSM) funktioniert mit Blasensäule
- MEDUSA funktioniert mit Airlift-Schlaufenprinzip
- Taumelreaktor mit Lichtleiter
Was sind die Haupteinsatzgebiete von Algeninhaltsstoffen? Belegen sie Ihre Antwort mit Beispielen!
- Lebensmittelindustrie: Eindickung von Lebensmitteln (Agar-Agar)
- Kosmetikindustrie: Bestandteile von Zahnpasta, Salben etc.
- Pharma/Medizin: Klebstoff zur Wundheilung in Zahnmedizin und Chirurgie, Wirkstoff (Chlorella)
- Chemie/Energiewirtschaft (Bioethanol, Biodiesel)
Leiten sie F&E Felder für die Algenbiotechnologie aus den sich abzeichnenden Entwicklungstrends ab!
- Kosmetische Industrie: Bedarf an natürlichen, algengebürtigen Stoffen stark zunehmend
- Pharmaindustrie: biologisch aktive Substanzen mit antibiotischer, antiviraler und antitumoraler Wirkung
- Chemie und Energiewirtschaft: Biopolymeren und Energie-Alternativen (H2, Ethanol, Biodiesel, Kerosin)
Wieso sind Markroalgenzell- und Gewebekulturen wieder interessant geworden?
- Sind nachwachsende Rohstoffe, stehen nicht in Konkurrenz zur Erzeugung von Lebensmitteln
- nutzen CO2 als Kohlenstoffquelle und sorgen so für bessere Luft
- Höhere Wachstumsrate als andere Pflanzen
- Riesen Potential welches während der CHO-Ära verloren gegangen ist!
Was ist ein Biotherapeutikum? Nennen Sie 4 Produktklassen!
Biopharmazeutika sind gentechnisch hergestellte Arzneimittel für die Therapie. Vor allem rekombinante Proteinpharmazeutika
- Hormone (Insulin, EPO), Enzyme
- Impfstoffe (Grippe, Hepatitis, Malaria)
- Antikörper (Avastin à Darmkrebs, Herceptin à Blutkrebs)
- Cytokine (Interferone, Interleukine)
Nennen und vergleichen Sie 6 Produktorganismen für die Herstellung von Biotherapeutika!
- Bakterien (E.coli)
- Hefen (Pichia pastoris)
- Insektenzellen (Sf-9)
- Säugerzellen (CHO-Zellen)
- Pflanzenzellen (Tabak)
- Transgene Pflanzen (Tabak) und Tiere (Tracy)
- Die Erfolgswahrscheinlichkeit ist bei transgenen Pflanzen am höchsten.
- Die Proteinqualität ist bei den Pflanzen sehr gut!
- E. Coli wächst schnell; Pflanzen langsam.
Was ist EPO, wie wirkt es und wie lässt es sich grosstechnisch herstellen? Geben Sie auf die Hauptschritte ein und zeigen Sie, dass sich die allgemeine Grundstruktur eines biotechnologischen Produktionsverfahrens erkennen lässt!
- EPO = Erytropoetin; ist ein Glycoprotein aus 166 Aminosäuren und 4 Zuckerresten. EPO stimuliert die Erythrozytenbildung - Sauerstofftransport - fitter
- Upstreaming:
- Isolation EPO aus menschlichem Urin
- Identifizierung des EPO-Gens
- DNA Sequenz abgeleitet
- Einbau mittels Bakterienplasmid in CHO Zellen
- Amplifikation (Genvervielfachung)
- Downstreaming
- Trennung des Biokatalysator und der kulturbrühe
- Reinigung
- Endprodukt
Was ist ein Vakzin? Welche wesentlichen Unterschiede bestehen zu einem Antikörper und seiner Produktion?
Vakzine = Impfstoffe = Antigene Stoffe, die eine spezifische aktive Immunantwort gegen Antigene und gebildete Toxine machen. -> Antikörper müssen gebildet werden!!
Nennen Sie 5 Meilensteine aus der Geschichte der Vakzinentwicklung!
- 1796: erster Impfstoff vom englischen Arzt Edward Jenner à Pockenimpfung (Valoraviren)
- 1881: L. Pasteur zeigt Wirksamkeit eines Impfstoffes bei Milzbrand bei Schafen
- 1885: Erste Tollwutimpfung durch Louis Pasteur
- 1893: Emil von Ehring entwickelt Antiserum gegen Diphtherie (1. Nobelpreis in Medizin 1901)
- 1961: Einführung erster Schluckimpfung gegen Kinderlähmung
Unterscheiden Sie die Begriffe aktive und passive Immunisierung!
- Aktive Immunisierung: Dem Patienten werden Antigene injiziert -> Antikörper werden vom Immunsystem selber gebildet
- Passive Immunisierung: Dem Patienten werden Antikörper injiziert
Welche Impfstoffarten kennen Sie? Erklären Sie die Fachtermini!
- Abgeschwächte (attenuierte) Impfstoffe: Erreger leben noch (stark abgeschwächt)-> starke Immunantwort (MMR- Vakzin, Windpockenimpfung)
- Inaktive Impfstoffe (Totimpfstoffe): kompletter Erreger ist tot ->schwacher Immunantwort (Cholera-, Typhus-, Polio-Impfstoffe)
- Untereinheiten-Impfstoffe (Subunit-Impfstoffe): Nur Teile von Krankheitserregern z.B. definierte Proteine oder komplexe Lipide aus der Hülle des Erregers ( Hepatitis B)
Zeigen Sie am Beispiel der Influenzaimpfstoffproduktion 3 Herstellungsmöglichkeiten auf! Erklären Sie Vor- und Nachteile!
Influenzaviren in Hühnereier injiziert -> Bebrütung ->Virushaltige Flüssigkeit wird entnommen -> Inaktivierung, Reinigung, Konzentrierung
- Arbeits und Zeitintensiv ca.9Monate
- Millionen Hühnereier benötigt
- Allergiker Risiko (Hühnereiweiss)
Alternative1:
+ Säugerzelllinien (Hundenierzellen (MDCK) als Wirtszellen
+ Produktionsverkürzung um ca. 2 Monate
+verträglicher, auch für Hühnereiweissallergiker geeignet
+ Wirtsorganismus immer verfügbar (Stickstofflagerung bei -196°C)
Alternative2:
+ Kultivierung von Insektenzellen (Sf-9),
+ einfachere Kultivierung als Säugerzellen
+ Schneller Lieferung des Produkt als Säugerzelllinien
+ Nicht infektiös
Was ist Tissue Engineering?
Unter Tissue Engineering wird die technische Herstellung von Zellen, Geweben und evtl. In Zukunft ganzen Organen aus körpereigenen Zellen verstanden.
Welche Vorteile und welche Probleme sind für das Tissue Engineering charakteristisch?
+ Immunologische Akzeptanz der TE-Produkte beim Einsatz autologer Zellen (Minimierung des Infektionsrisikos, entfall lebenslanger medikamentöser Behandlung mit Immunpräparaten)
- Nur ein Bruchteil aller somatischen, organspezifischen Zelltypen kann in vitro kultiviert und vermehrt werden.
- Notwendigkeit der Verfügbarkeit, Isolationsfähigkeit und Kultivierbarkeit humaner Zellen, sowie von geeigneten Kulturmedien und –systemen.
- Integrierte Isolationstechnologie und hochqualifiziertes Personal sind erforderlich.
Auf welchen 3 Strategien basiert das Tissue Engineering, was sind die Voraussetzungen und welche grundlegenden Zielsetzungen sind generell zu garantieren?
- Zelltherapie (Injektion/Infusion von Zellen) z.B.: Transplantation von Knochenmark oder Blut zur Therapie von Leukämie
- Geschlossenes extrakorporales System, was mit (autologen) Zellen des Patienten besiedelt wird (z.B.: Künstliche Leber).
- Offenes System (biodegradables Polymergerüst) (Bsp. Knorpel, Knochen, Sehnen, Bänder, Gelenke)
- Voraussetzungen:
- Vitale Zellen (Lebensfähigkeit über 75%)
- Geeignetes Kultivierungsmedium mit Wachstumsfaktoren
- Geeignetes Kultivierungssystem (physikalische Stimulation (Pulsation beim Herzmuskel)
- Gewebeträger z.B. abbaubares Polymer
- Ziele:
- Hohe Zell- und Gewebedichten
- Zell- und gewebespezifische Differenzierung
- Aufrechterhaltung der Funktionalität über Wochen und Monate
Nennen Sie 3 wichtige Meilensteine aus der Entwicklung des Tissue Engineering und beschreiben Sie 3 aktuelle Applikationen!
- 1900: Ljurggen kultiviert erstmals humane Haut
- 1998: L’Heureux und Mitarbeiter kultivieren Blutgefässe erfolgreich
- 2000: Erste Transplantation eines in vitro gezüchteten Fingergelenks.
- Aktuelle Applikationen:
- Züchtung von Haut (Trauma und Verbrennungen)
- Herstellung von Knorpelzellen und -geweben (Sportverletzungen, degenerative Erkrankungen)
- Kardiovaskuläres TE (Injizierbares Herzmuskelgewebe, Herzklappen)
Begründen Sie, weshalb Stammzellen heute im Fokus der Gewebeingenieure stehen!
Da sich aus Stammzellen die meisten Zellarten züchten lassen. (Knochen, Knorpel, Sehnen, Gewebe)
Unterscheiden Sie die Begriffe Zell- und Gentherapie!
- Gentherapie: Körperzellen werden verändert, Zur Heilung des Gendefekts/ zur Behandlung von erworbenen Krankheiten.
- Zelltherapie: Zellen werden kultiviert und nicht verändert. Zur Reparatur, Regeneration oder Rekonstruktion von geschädigtem Gewebe.
Worin besteht der Unterschied zwischen der somatischen Gentherapie und der Keimbahntherapie?
- Somatische Gentherapie: Veränderung von Körperzellen zur Heilung des Gendefekts oder zur Behandlung von erworbenen Krankheiten
- Keimbahntherapie: Korrektur der genetischen Konstitution der Nachkommen durch Eingriff an Ei- bzw. Stammzellen (in der Schweiz verboten!)
Was bedeutet „autolog“ und was „allogen“?
- Autolog: Körpereigene (Zellen)
- Allogen: Körperfremde (Zellen)
Wer sind die Pioniere des Tissue Engineering?
Die Gebrüder Vacanti
Begründen sie, weshalb 3D-Strukturen bei der in vitro Herstellung von Zellen Geweben und Organen für die Transplantationsmedizin realisiert werden!
Dass Zellen nicht in monoschichten wachsen -> mehrlagig und spezialisiert.
Weshalb kann beim Tissue Engineering in Verbindung mit dem Einsatz von Stammzellen auch von therapeutischen Klonen gesprochen werden?
Weil man nach Zellen Stammzellen sucht, die sich gezielt zu gewollten Geweben ausdifferenziert werden können.
