Grüne Gentechnik gegen Krebs und Infektionen

Seit über 30 Jahren wird nun an der Produktion von Pflanzen-basierten Impfstoffen geforscht. Durch eine kostengünstige Produktionsweise soll Menschen auf dem gesamten Globus der Zugang zu sicheren Impfstoffen ermöglicht werden.

Seit über 30 Jahren wird nun an der Produktion von Pflanzen-basierten Impfstoffen geforscht. Durch eine kostengünstige Produktionsweise soll Menschen auf dem gesamten Globus der Zugang zu sicheren Impfstoffen ermöglicht werden.

Seit über 30 Jahren wird nun an der Produktion von Pflanzen-basierten Impfstoffen geforscht. Das Ziel: Durch eine kostengünstige Produktionsweise Menschen auf dem gesamten Globus den Zugang zu sicheren Impfstoffen zu ermöglichen. Doch der Weg dorthin war und ist nicht leicht. Die Forschungsgruppen mussten unterschiedliche Hindernisse überwinden, um dort anzugelangen, wo sie heute stehen.

Hindernisse überwinden in der grünen Gentechnik

Einige Probleme konnten bereits gelöst werden, während andere noch auf ihre Lösung warten: Ein Schutz vor dem proteolytischen Abbau des Impfstoffes innerhalb des menschlichen Verdauungsstraktes ist die durch die Pflanzenwand geschaffene Bioenkapsulation der Antigene. Eine korrekte Faltung und eine korrekte posttranslationale Modifizierung sind essentiell für die biologische Wirksamkeit des Pflanzen-basierten Impfstoffes.1 Geringe Ernteerträge von sogar unter 1% machen in einigen Fällen den Forschern zu schaffen.2 Auch die Dosisfindung der auf diese Weise gewonnenen Impfstoffe ist nicht leicht. 4-8 Der heutige Blog-Artikel bietet einen kleinen Überblick über den Stand der Dinge bei den Pflanzen-basierten Impfstoffen.

Der Wunsch: Eine Schluckimpfung gegen Krebs

Eine Infektion mit dem Hepatitis-B-Virus erhöht das Risiko an einem hepatozellulären Karzinom zur erkranken um das 100- bis 200-fache (im Vergleich zu nicht infizierten Individuen). Die bisher angewandten Impfstoffe werden in CHO-Zellen (immortalisierte Zelllinie aus den Ovarien des Chinesischen Zwerghamsters) oder auch in Hefezellen produziert. Für Entwicklungsländer ist diese Produktionsweise leider zu teuer. Auch besteht oft ein Mangel an geschultem medizinischem Personal, dass die Impfung mittels Injektion verabreichen kann. Dies führt zu einer Unterversorgung der Bevölkerung sowie einer Zunahme der Hepatitis-B-Infektionen und mit ihr auch des hepatozellulären Karzinoms. Eine in Pflanzen produzierte Schluckimpfung würde ein großes globales Problem lösen können.9

Tabak, mal zu etwas gut!

Wir beginnen mit einem Paradoxon: Mit Hilfe einer sonst krebsverursachenden Pflanze wird seit über 20 Jahren an der Impfung gegen das hepatozelluläre Karzinom geforscht. Bereits 1992 konnte ein erster Erfolg gefeiert werden: Ein Pflanzen-basierter Impfstoff gegen das Hepatitis-B-Virus konnte mittels gentechnisch veränderter Tabakpflanzen produziert werden.10 Doch der Weg bis, dieser Impfstoff unseren klinischen Alltag erreicht, ist länger als gedacht. Das Problem ist die Applikationsform des Pflanzen-basierten Hepatitis-B-Impfstoffes. Pniewski T. zufolge hat sich mittlerweile die ursprüngliche Idee vom "nadelfreien" essbaren Pflanzen-basierten Hepatitis-B-Impfstoff gewandelt. Sie ist der parenteral-oral kombinierten Applikationsweise der in Pflanzen produzierten Antigene gewichen.11

Die "5 am Tag"-Kampagne in einem neuen Licht

Seit der Produktion eines Pflanzen-basierten Hepatitis-B-Impfstoffes in Tabakpflanzen sind nun auch weitaus bekömmlichere pflanzliche Nahrungsquellen zur Produktion von Pflanzen-basierten Impfstoffen hinzugetreten: Tomaten, Kartoffeln, Papaya, Karotten und Quinoa reihen sich hier mit ein. Die ersten Versuche in Tiermodellen waren bereits erfolgreich. Die genannten Pflanzen eignen sich zur Produktion der Impfstoffe: In den verschiedenen Versuchsreihen zeigte sich eine korrekte Faltung der gewünschten Proteine. Auch die Immunogenität, der auf diese Weise produzierten Antigene, konnte überzeugen.8,9,11,12 Derzeit wird die Entwicklung von kostengünstigen Hepatitis-B-Impfstoffen in Tabakpflanzen, Kopfsalat und in Maispflanzen untersucht.13

Erste Erfolge in Phase-I-Studien

 Oral verfügbare Pflanzen-basierte Impfstoffe gegen enteropathogene E.coli Stämme und das Norwalk Virus zeigten bereits Erfolge in Phase-I-Studien. Für die Verabreichung der Impfdosis ist hier der Verzehr der transgenen rohen Kartoffeln und Maiskörner notwendig.14-18

Grüne Gentechnik im Kampf gegen Krebs

Derzeit werden Pflanzen-basierte Impfstoffe gegen Krebs intensiv erforscht. In der Entwicklung befinden sich Pflanzen-basierte Impfstoffe gegen das durch Humane Papillomaviren verursachte Zervixkarzinom, gegen Darmkrebs, gegen den durch Helicobacter pylori verursachten Magenkrebs und gegen Brustkrebs.19

Nächstes Mal erfahren wir, wie die durch grüne Gentechnik produzierten Antikörper ZMapp den Menschen während der Ebolafieber-Epidemie geholfen haben.

Referenzen:
1. Chan H. T. (2015).  Plant‐made oral vaccines against human infectious diseases—Are we there yet? Plant Biotechnology Journal. 
2. Diamos A. G. et al. (2019). Vaccine synergy with virus-like particle and     immune complex platforms for delivery of human papillomavirus L2 antigen. Vaccine. 2019 Jan 3;37(1):137-144. doi: 10.1016/j.vaccine.2018.11.021. Epub 2018 Nov 17.
3. Lössl A. G. et al. (2011). Chloroplast-derived vaccines against human diseases: achievements, challenges and scopes, Plant Biotechnology Journal, vol. 9, no. 5, pp. 527–539, 2011. 
4. Kwon K.-C. et al. (2013). Oral delivery of bioencapsulated exendin-4 expressed in chloroplasts lowers blood glucose level in mice and stimulates insulin secretion in beta-TC6 cells, Plant Biotechnology Journal, vol. 11, no. 1, pp. 77–86, 2013.
5. Walmsley A. M. et al. (2003). Expression of the B subunit of Escherichia coli heat-labile enterotoxin as a fusion protein in transgenic tomato, Plant Cell Reports, vol. 21, no. 10, pp. 1020–1026, 2003. 
6. Chan H.-T. et al. (2015). Plant-made oral vaccines against human infectious diseases-are we there yet? Plant Biotechnology Journal, vol. 13, no. 8, pp. 1056–1070, 2015.  
7. Concha C. et al. (2017). Disease prevention: an opportunity to expand edible plant-based vaccines? Vaccine, vol. 5, no. 2, pp. 14–23, 2017. 
8. Shchelkunov S. N. et al. (2010). Plant-based vaccines against human hepatitis B virus. Expert Review of Vaccines. Vol. 9. 2010-Issue 8, Pages 947-955.
9. Waheed M. T. et al. (2015). Plastids: the green frontiers for vaccine production. Frontiers in Plant Science, vol. 6, article 1005, 2015.  
10. Mason H.S. et al. (992). Expression of hepatitis B surface antigen in transgenic plants. Proc Natl Acad Sci U S A, 1992. 89(24): p. 11745-9. 
11. Pniewski T. et al. (2012). Is an oral plant-based vaccine against hepatitis B virus possible? Curr Pharm Biotechnol. 2012 Dec;13(15):2692-704.
12. Criscuolo E. et al. (2019). Alternative Methods of Vaccine Delivery: An Overview of Edible and Intradermal Vaccines. Journal of Immunology Research Volume 2019, Article ID 8303648, 13 pages.
13. Hayden C. A. et al. (2012). Production of highly concentrated, heat stable hepatitis B surface antigen in maize. Plant Biotechnol J. 2012 Oct; 10(8): 979–984. 
14. Kapusta, J., et al., A plant-derived edible vaccine against hepatitis B virus. FASEB J, 1999. 13(13): p. 1796-9.
15. Tacket, C.O., et al., Immunogenicity of recombinant LT-B delivered orally to humans in transgenic corn. Vaccine, 2004. 22(31-32): p. 4385-9.
16. Tacket, C.O., et al., Immunogenicity in humans of a recombinant bacterial antigen delivered in a transgenic potato. Nat Med, 1998. 4(5): p. 607-9.
17. Tacket, C.O., et al., Human immune responses to a novel norwalk virus vaccine delivered in transgenic potatoes. J Infect Dis, 2000. 182(1): p. 302-5. 
18. Lamprecht R. L. et al. (2016). Production of Human papillomavirus pseudovirions in plants and their use in pseudovirion-based neutralisation assays in mammalian cells. Scientific Reports volume 6, Article number: 20431 (2016).
19. Wong-Arce A. et al. (2017): Plant-Made Vaccines in the Fight Against Cancer. In: Trends in Biotechnology. Ther Adv Vaccines. 2015 Sep; 3(5-6): 139–154.

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