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Biochips, Glykomik und Nanobiotech: Neueste Trends in der Biotechnologie
Auswirkungen der Biotechnologie auf die pharmazeutische Industrie - eine Analyse von Technical Insights
22.07.2004
Biochips, Glykomik und Nanobiotechnologie sind die gegenwärtig interessantesten Entwicklungen in der Biotechnologie, die vor allem der Pharmaindustrie wichtige Impulse verleihen. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Analyse von Technical Insights, einem Unternehmensbereich der Unternehmensberatung Frost & Sullivan, zum gegenwärtigen Stand der Biotechnologiebranche.
Der vorläufige Höhepunkt in der Entwicklung der Biotechnologie ist ihre Verbindung mit Halbleitertechnologien wie mikroelektromechanischen Systemen, die in die Entwicklung von Biochips mündet. Mit solchen Biochips bieten sich der Pharmaindustrie modernste Instrumente für die schnellere Erforschung von Wirkstoffen, für genauere Diagnosen und das Verstehen biologischer Mechanismen.
Giradhar Rao, Branchenanalyst von Technical Insights erläutert: "DNA- und Proteinbiochips tragen zur Beschleunigung der Wirkstoffentwicklung bei und senken die durchschnittlichen Kosten des Wirkstoff-Screenings erheblich von zwei US-Dollar auf 0,0001 US-Dollar. Für die erfolgreiche Herstellung von Biochips ist allerdings die bei der Produktion von Siliziumchips und der Handhabung empfindlicher DNA-Moleküle erforderliche Präzision unverzichtbar."
Weiterhin Nachfrage nach Biochips
Mit Biochips lässt sich auch die Dekodierung von Genen vereinfachen, wenn es darum geht, deren Rolle im Zusammenhang mit Gesundheit und Krankheit besser zu verstehen. Andere praktische Anwendungen sind Kleingeräte zum Nachweis von Mikroorganismen in Lebensmitteln und zur Analyse des genetischen Fingerabdrucks. Außerdem können Biochips entscheidend zum Aufspüren biologischer und chemischer Kampfstoffe beitragen, weshalb die zunehmende Bedrohung durch Bioterror und biologische Waffen zu einer steigenden Nachfrage nach Biochips führen dürfte.
Nachdem die Idee eines medizinischen Labors auf einem Chip (Lab-on-chip - LOC) mittlerweile verwirklicht wurde, liegt der Schwerpunkt nun auf der Entwicklung kleinerer und dichter belegter Biochips. Im Vergleich zur herkömmlichen Laboranalyse sind bei LOCs weder ausgebildetes Personal noch teure Ausrüstungen erforderlich, sodass sich erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen ergeben.
"Lab-on-a-pill" - Neue Wege in der Diagnostik
Neueste Entwicklungen bilden die Grundlage für das "Lab-on-a-pill"-Projekt, das völlig neue Wege für die Diagnostik der Zukunft eröffnet. Mithilfe eines Biosensors und der System-on-chip-Technologie werden hier Körperflüssigkeiten auf wichtige Parameter wie Temperatur, Sauerstoffgehalt und pH-Wert untersucht. Außerdem dürfte die Benutzerfreundlichkeit dieser Biochips den Ersatz invasiver endoskopischer Verfahren stimulieren und bei der Früherkennung von Darmkrebs helfen.
Mit der Biosensor-Chip-Technologie lassen sich auch wichtige Informationen über DNA-Schädigungen durch Krebs erregende Substanzen schneller und leichter gewinnen. Eine laserbasierte hochauflösende Niedertemperatur-Fluoreszenzmethode liefert anders als herkömmliche Biosensormethoden einen direkten Fingerabdruck des Moleküls.
Protein-Mikrochips in der Entwicklung
Sowohl mit Kunststoff-, Silizium- als auch Glas-Protein-Biochips lassen sich Moleküle einfangen. Die Proteine koppeln allerdings nur an den Teil des Chips an, wo sie einen natürlichen Interaktionspartner lokalisieren. In Europa wird nun an einem neuen Protein-Mikrochip gearbeitet, der auf Siliziumdioxid-Nanopartikeln basiert, die sich nicht so selektiv verhalten und zahlreiche Proteine einfangen können. Damit wäre eine größere Empfindlichkeit für die molekularbiologische Forschung, das Wirkstoff-Screening und die Diagnostik gegeben, was etwa der Früherkennung von Krankheiten zugute kommen dürfte.
Neuartige Biowirkstoffe durch Glykomik
Mit der rasanten Entwicklung der Glykomik als einer logischen Fortsetzung der Proteomik vertieft sich das Verständnis der Glykoproteine und der Glykosylierung sowie ihrer Rolle bei der Proteinfunktion. Damit erschließen sich der biopharmazeutischen Industrie neuartige proteinbasierte Biowirkstoffe.
Beleg für die Fortschritte der Glykomik in der biopharmazeutischen Industrie ist die Existenz von etwa einem halben Dutzend Wirkstoffen, bei denen eine Manipulation von Kohlehydraten und Proteinen zu verbesserten Wirkstoffeigenschaften geführt hat. So enthält beispielsweise der glykotherapeutische Wirkstoff Epogen zwei zusätzliche Kohlehydratgruppen, die die Halbwertzeit im Kreislauf verlängern und die Wirkung erhöhen.
Glykoprotein-Therapeutik immer wichtiger in biopharmazeutischer Industrie
"Die Glykoprotein-Therapeutik ist das am schnellsten wachsende Segment der biopharmazeutischen Industrie, das gegenwärtig vor der Herausforderung steht, die Produktionskapazität um mindestens das Vierfache zu steigern", so Rao weiter. "Neben den Säugetier- und Mikroben- bzw. Pilzzellkultursystemen dürften alternative Herstellungsmedien wie Transgene Pflanzen und Tiere eine wichtige Rolle bei der Lösung dieses Problems spielen."
Pilzzelllinien bieten erhebliche Zeit- und Kostenvorteile gegenüber Säugetierzelllinien. Die Arbeit mit letzteren ist aber nicht nur ein langwieriger Prozess, sondern dabei dürften sich auch die Eigenschaften des am Ende gewonnenen therapeutischen Glykoproteins verändern. Im Vergleich dazu erleichtern Pilzzelllinien wie etwa speziell entwickelte Hefe-Expressionssysteme die Produktion von human glykosyliertem Protein, gewährleisten eine schnellere Fermentation und eine höhere Ausbeute.
Genomik und Nanobiotechnologie als weitere Profiteure der Biotechnologie
Die umgekehrte Genomik, die therapeutische Proteine durch eine dekonstruktivistische Herangehensweise identifiziert, ist ein weiteres relativ neues Arbeitsgebiet, das von dem Erfolg der Biotechnologie profitiert. Es bedient sich der chemischen Genomik und Proteomik, um potenziell therapeutische Verbindungen an Proteine anzubinden, die Rolle dieser Proteine in zellulären Stoffwechselbahnen zu definieren und letztlich die Wirkungsweise von Wirkstoffkandidaten aufzudecken.
Auch die Nanobiotechnologie sorgt für revolutionäre Veränderungen in der Pharmabranche, die ein ständiges Interesse an der Verbesserung der Wirkstofftransport- und -freisetzungssysteme hat. Einzigartige physikalische Kleinststrukturen und elektronische Eigenschaften ermöglichen eine neuartige regiospezifische und kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen. Außerdem können kleinste Nanopartikel wie Quanten-Punkte als Bildgeber dienen und dadurch völlig neue Möglichkeiten für die diagnostische Bilderzeugung eröffnen.
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