Blickpunkt

Erst vor 13 Jahren gelang die Kultivierung von menschlichen Stammzellen aus Blastozysten, jenem Frühstadium der Embryonalentwicklung, in dem die Zellen noch alle gleich und undifferenziert, also auch zu jeder Entwicklung fähig sind. Obwohl solche Blastozysten bei der künstlichen Befruchtung (In-vitro-Fertilisation, IVF) in großer Zahl übrig bleiben, ist ihre Verwendung zur Gewinnung von Stammzellen in Deutschland nach wie vor umstritten und gesetzlich verboten. Sie müssen zerstört werden. Forscher dürfen nach dem im Jahr 2008 aktualisierten Stammzellgesetz importierte Stammzellen nutzen, wenn die Kulturen vor dem 1, Mai 2007 hergestellt wurden.
In Ländern wie Großbritannien, USA und Israel setzte hingegen intensive Forschung ein mit dem Ziel, eines Tages defekte Organe mit Ersatzteilen aus Stammzellkulturen zu ersetzen. Dieser Traum von einer regenerativen Medizin ist allerdings nicht so einfach umzusetzen, da Probleme wie die immunologische Abstoßung transplantierter Organe und die Möglichkeit, dass undifferenzierte Stammzellen zu Krebsgeschwüren wuchern, zu berücksichtigen sind.
Eine Alternative zur Verwendung embryonaler Stammzellen (ES-Zellen) zeichnete sich im Jahr 2006 ab, als Shinya Yamanaka zeigte, dass die verstärkte Produktion von nur vier Faktoren ausreicht, um die Entwicklungsuhr zurückzudrehen und eine ausdifferenzierte Zelle in einen stammzellähnlichen Zustand zurückzuführen, in der ihr alle Entwicklungsmöglichkeiten offen stehen (Pluripotenz).1 Diese Art von Zellen heißen induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen).
Zwar hatte das Klonschaf Dolly bereits demonstriert, dass sich die Entwicklungsuhr der Zelle in der biologischen Umgebung einer Eizelle auf Null zurückstellen lässt, doch dass dies auch in vitro und mit einem relativ einfachen Versuchsprotokoll möglich ist, überraschte. Allerdings war einer der vier Faktoren ein bekannter Auslöser für Krebserkrankungen. Spätere Varianten des Protokolls verzichteten auf diesen Faktor. Aber das Experiment zeigte einmal mehr die enge Verbindung von Pluripotenz und Krebs.
Erst vor kurzem kam eine dritte Option für die regenerative Medizin hinzu, nämlich die direkte Umwandlung von differenzierten Zellen eines Typs in einen anderen ohne den Umweg über pluripotente Zellen: die Transdifferenzierung.


<h2>Die Verwandlung</h2>
Im Februar 2010 berichtete die Arbeitsgruppe von Marius Wernig an der Universität von Stanford über die rasche und effiziente In-vitro-Umwandlung von ausdifferenzierten Bindegewebszellen (Fibroblasten) in funktionierende Nervenzellen (Neuronen).2 Fibroblasten waren auch bei der Herstellung von iPS-Zellen benutzt worden. Wernig erreichte die Umwandlung, indem er drei für den angestrebten Zelltyp charakteristische Transkriptionsfaktoren induzierte. Das heißt, er verstärkte die Produktion von Proteinen, welche die Genaktivität steuern, indem sie die Herstellung von Boten-RNA beeinflussen. Damit war es zum ersten Mal gelungen, völlig verschiedene Zelltypen ineinander umzuwandeln. Vorher war das lediglich innerhalb einer Gruppe von ähnlichen Typen möglich, etwa eine Art von Neuronen in eine andere zu verwandeln.
Im November vorigen Jahres berichtete die Arbeitsgruppe von Mickie Bhatia an der McMaster-Universität in Hamilton (Kanada) von einer ähnlichen Transdifferenzierung für menschliche Fibroblasten, die in diesem Fall in Blutvorläuferzellen umgewandelt wurden.3 Anfang diesen Jahres meldete die Gruppe von Sheng Ding am Scripps-Institut in La Jolla (Kalifornien) die Erzeugung von funktionierenden Herzzellen aus Mäuse-Fibroblasten.4
Viele Experten setzen ihre Hoffnungen auf die iPS-Zellen. Denn sie teilen die den pluripotenten Zellen grundsätzlich anhaftenden Risiken der Entartung vermutlich nicht. Dies muss allerdings noch in systematischen Studien überprüft werden. Andererseits kann man ausdifferenzierte Zellen nicht endlos in Kultur züchten, wie es mit Stammzellen prinzipiell möglich ist. Eine einheitlich normierte, klinisch geprüfte Zelltherapie wäre also auf diesem Weg nicht so leicht möglich. Im Prinzip wäre jede neue Verwandlung ein neues Experiment.


<h2>Angebotsvergleich</h2>
Welche der drei Optionen (ES, iPS oder transdifferenzierte Zellen) die Ersatzteilmedizin nutzen wird, ist noch völlig offen, da — von ethischen Bedenken abgesehen — Sicherheitsprobleme und Effizienzfragen noch nicht geklärt sind. Anfang des Jahres erschienen fünf Studien, welche die Qualität von ES- und iPS-Zellen untersuchten. Einen vergleichenden Überblick über diese Studien liefert ein Kommentar des US-amerikanischen Pharmakologen Martin Pera.5
Die Untersuchungen ergaben, dass genetische und epigenetische (also die Markierungen der Gene betreffende) Veränderungen in iPS-Zellen viel häufiger auftreten als in ES-Zellen. Zu den Problemen, die bei iPS-Zellen gefunden wurden, gehören Chromosomen-Fehlverteilungen, zehnmal höhere Mutationshäufigkeit als bei den Fibroblasten, von denen die Zellen sich ableiten, und eine unerwartet hohe Zahl von Kopienzahl-Variationen (z. B. Verdoppelung von DNA-Abschnitten oder Verlust von zusätzlichen Kopien).
Diesem vernichtenden Befund widerspricht allerdings eine neuere Studie der Arbeitsgruppen von Kristin Baldwin am Scripps-Institut und Ira Hall an der Universität von Virginia. Sie untersuchten aus besonders frischen Mäusefibroblasten erzeugte iPS-Zellen auf Mutationen und andere Fehler. Die Forscher fanden deutlich weniger Probleme als nach den vorhergegangenen Studien zu erwarten war und kommen zu dem Schluss, dass die Fehlerhäufigkeit durch Optimierung der Verfahren zu handhaben sei.6
Auch wenn embryonale Stammzellen den iPS-Zellen in der Qualität überlegen sind, so haben sie doch nur geringe Chancen auf einen Einsatz in der Medizin, da sie immunologisch von dem zu behandelnden Patienten verschieden sind, und man, ebenso wie bei einer Organspende, mit Abstoßungsreaktionen zu kämpfen hätte. Es sei denn, man produziert Stammzellen und die für die immunologische Erkennung zuständigen dendritischen Zellen im Kombipack. So lässt sich dem Empfänger gleich auch die immunologische Toleranz der Stammzellbehandlung beibringen. Diese Vorgehensweise untersuchen Paul Fairchild und andere an der Universität Oxford, allerdings bisher überwiegend bei Mäusen. Vor kurzem präsentierte Fairchilds Arbeitsgruppe allerdings eine neuartige Methode, menschliche dendritische Zellen aus Stammzellen zu gewinnen, was die therapeutische Anwendung der Kombination einen Schritt näher bringt. Um embryonale Stammzellen zu erzeugen, die ein Patient ohne weiteres verträgt, müsste man diesen Menschen klonen.


<h2>Therapeutisches Klonen?</h2>
Die Idee, einen Patienten nur zum Zweck der Stammzellgewinnung zu klonieren, also therapeutisches Klonen, war in den Jahren 2004 und 2005 beliebt. Im Jahr 2006 überzeugte aber die überraschend einfache Gewinnung von iPS-Zellen. Nachteilig beim therapeutischen Klonen war zudem der immense Aufwand, der dabei für jeden Patienten erneut anfallen würde. Außerdem bestand das Problem, dass das Klonen durch Kerntransfer (wie beim Klonschaf Dolly) beim Menschen nicht zu funktionieren scheint. Das therapeutische Klonen schien obsolet.
Doch vor wenigen Wochen gab es eine Erfolgsmeldung, die eine Wiederkehr des therapeutischen Klonens möglich erscheinen ließ: Die Arbeitsgruppe von Dieter Egli am New York Stem Cell Foundation Laboratory untersuchte den Kerntransfer an Hunderten von menschlichen Eizellen und fand heraus, dass die Entfernung des ursprünglich in der Eizelle enthaltenen Chromosomensatzes das Verfahren zum Scheitern verurteilt. Lässt man diesen (einfachen) Chromosomensatz dort, wo er ist, und fügt den (doppelten) Chromosomensatz einer differenzierten Zelle hinzu, dann entwickelt sich die Zelle ganz normal zu einem Blastozysten, aus dem man dann Stammzellen gewinnen kann.8
Damit ist das Problem nicht gelöst, da diese Stammzellen immer noch einen dreifachen statt einen doppelten Chromosomensatz haben und so für medizinische Anwendungen nicht in Frage kommen. Ein selektives Entfernen der Chromosomen, die von der Eizelle stammen, ist in diesem Stadium nicht praktikabel. Doch da man nun weiß, dass sich das zum Erfolg benötigte Wundermittel im oder auf dem Chromosomensatz der Eizelle befindet, besteht immerhin die Hoffnung, dass man herausfindet, worum es sich genau handelt. In diesem Fall könnte man womöglich die überzähligen Chromosomen von vornherein entfernen und nur den essenziellen Faktor setzen.
Bevor dieser Faktor gefunden ist, kann allerdings niemand sagen, in welche Richtung sich die regenerative Medizin entwickeln und auf welche der drei Möglichkeiten sie zurückgreifen wird.
Michael Groß ist freier Wissenschaftsautor in Oxford, England. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a></ext-link>


— — — Aus embryonalen Stammzellen kann jede andere Zelle entstehen.
 Ausdifferenzierte Zellen lassen sich in einen stammzellähnlichen Zustand zurückführen. Diesen induzierten pluripotenten Stammzellen stehen alle Entwicklungsmöglichkeiten offen.
Seit neuestem ist es möglich, Zelltypen ineinander umzuwandeln wie Bindegewebszellen in Nerven- oder in Blutvorläuferzellen.



<ul>
<li>
1 

 
M. Groß, 
<source>Nachr. Chem. 
(2007), 
55, 
995.
</li>
<li>
2 

 
T. Vierbuchen, 
A. Ostermeier, 
Z. P. Pang et al., 
<source>Nature 
(2010), 
463, 
1035.
</li>
<li>
3 

 
E. Szabo et al., 
<source>Nature 
(2010), 
468, 
521.
</li>
<li>
4 

 
J. A. Efe, 
S. Hilcove, 
J. Kim et al., 
<source>Nature Cell Biol. 
(2011), 
13, 
215.
</li>
<li>
5 

 
M. F. Pera, 
<source>Nature 
(2011), 
471, 
46.
</li>
<li>
6 

 
A. R. Quinlan, 
M. J. Boland, 
M. L. Leibowitz et al., 
<source>Cell Stem Cell 
(2011), 
9, 
366. 
</li>
<li>
7 

 
K. M. Silk, 
S. Y. Tseng, 
K. P. Nishimoto, 
<source>Methods Mol Biol. 
(2011), 
767, 
449.
</li>
<li>
8 

 
S. Noggle, 
H.-L. Fung, 
A. Gore et al., 
<source>Nature 
(2011), 
478, 
70.
</li>
</ul>

Artikel

Drei Optionen für die Ersatzteilmedizin

Erst vor 13 Jahren gelang die Kultivierung von menschlichen Stammzellen aus Blastozysten, jenem Frühstadium der Embryonalentwicklung, in dem die Zellen noch alle gleich und undifferenziert, also auch zu jeder Entwicklung fähig sind. Obwohl solche Blastozysten bei der künstlichen Befruchtung (In-v...

Ein kleines Unternehmen mit großen Kesseln, ein Zehnmannbetrieb, der nur forscht, nicht produziert: So unterschiedlich können mittelständische Chemieunternehmen sein.
Das Gelände des ehemaligen VEB Chemiekombinats Bitterfeld und des Fotochemischen Kombinats Wolfen beherbergt nun den privat geführten P-D Chemiepark Bitterfeld Wolfen. Dort siedeln etwa 50 Chemieunternehmen und 300 Dienstleister sowie Ver- und Entsorger. Fast alle sind kleine und mittlere Unternehmen (KMU).


<h2>“Gefährliche Reaktionen”</h2>
Eines der forschenden KMU ist Organica Feinchemie Wolfen. Der Diplomchemiker Bodo Schulze, Organicas Mitgründer und Geschäftsführer, arbeitet seit dem Jahr 1974 in den Gebäuden, die Teil der Filmfabrik Wolfen waren. Organica war im Jahr 1990 eine der ersten erfolgreich privatisierten Abteilungen des Produktionsbereichs “Film” des volkseigenen Betriebs. Schulze startete im Chemiepark mit 34 Mitarbeitern; im Jahr 2010 machte das Unternehmen mit jetzt 74 Mitarbeitern fast 10 Mio. Euro Umsatz, mehr als 60 Prozent davon im Ausland.
Organica produziert organische Feinchemikalien im 100-Kilogramm- bis Tonnenmaßstab, besonders in gefährlichen Reaktionen, an die andere sich nicht herantrauen. Eine davon läuft mit Natriumazid, das als giftig und umweltgefährlich eingestuft ist. Die Ergebnisse, 5-substituierte Tetrazole, sind Stabilisatoren in der grafischen Industrie und Zwischenprodukte für die Pharmazie. Einige Räume sind entsprechend den amerikanischen Herstellungsstandards für Arznei-, Futter- und Lebensmittel eingerichtet (cGMP-zertifiziert und Reinraumklasse C).
Je etwa zur Hälfte dient die eigene F + E Kundensynthesen und eigenen Produkten wie der Entwicklung von Techniken für die Herstellung von Sensibilisierungsfarbstoffen für Farbstoffsolarzellen (Grätzel-Zelle). Hierfür arbeitet Organica mit dem Erfinder Michael Grätzel zusammen, Professor für Chemische Technologie in Lausanne.
Bodo Schulze hält Wachstum aus eigener Kraft für wichtig. Dabei zieht er selten Banken oder Investoren hinzu. Um die vorhandenen Kapazitäten besser zu nutzen, arbeitet das Unternehmen seit Beginn des Jahres im Dreischichtensystem. Sind Erweiterungen notwendig, nutzt Schulze noch den letzten Winkel eines Gebäudes für einen neuen Kessel. Die Mitarbeiter können sich über Darlehen am Unternehmen beteiligen.
Schulze konzentriert sich auf sein Kerngeschäft: Forschung und Auftragssynthesen für organische Feinchemikalien. Er sagt: “Dass diese Strategie richtig ist, zeigt das Jahr 2011: Bereits im Oktober haben wir beim Umsatz 10 Mio. Euro überschritten und uns im Vergleich zum Vorjahr um 20 Prozent gesteigert.”


<h2>“Forschungszulieferer für Asien”</h2>
Auf dem Chemieparkgelände steht auch das Technologie- und Gründerzentrum Wolfen-Bitterfeld (TGZ). Der Landkreis Anhalt-Bitterfeld und die Stadt Bitterfeld-Wolfen bieten hier 25 Unternehmen mit 160 Mitarbeitern Platz. Sie nutzen neben den Laboren ein Gemeinschaftssekretariat und Beratungen für Existenzgründer.
Das Spezialchemieunternehmen Convertex gründete der promovierte Chemiker Uwe Steffan im Jahr 1997 im TGZ. Er hatte nach einer Zeit in Japan vergeblich in Westdeutschland nach passenden Räumen gesucht. Er sagt: “Es gab nur wenige Angebote und die zu horrenden Mietpreisen.” Heute befinden sich seine Labors in einem im Jahr 2000 renovierten und zu einem Laborgebäude umgebauten ehemaligen Produktionsgebäude der Filmfabrik. Hier arbeiten vier Chemiker und fünf Laboranten.
Die Aufträge sind zwischen Produktion und Dienstleistung angesiedelt: Synthesen, Forschung und Verfahrensentwicklung bis zu ein paar hundert Kilogramm. Sind einmal größere Anlagen notwendig, kann Convertex Kessel bei Organica nutzen. Convertex bietet nur wenige eigene Katalogprodukte an. “Die sind bei Auftragssynthesen abgefallen. Das sind Produkte, die nicht wie die meisten anderen unter die Geheimhaltung fallen, aber die man so sonst nicht kaufen kann”, sagt Steffan.
Noch kommen 80 Prozent der Aufträge aus Europa, aber Steffan geht davon aus, dass bald 80 Prozent aus Asien kommen werden. Weil die in China forschenden Chemieunternehmen ihre Leistungen nicht mehr so günstig anbieten können wie früher, schauen sich die Auftraggeber in Europa um. Steffan erklärt: “Chinesische Forschungsfirmen subventioniert der Staat, daher arbeiten sie günstig, nicht mehr wegen der geringen Lohnkosten wie früher. Die Löhne sind stark gestiegen, im letzten Jahr um 15 Prozent.” 
Steffan erhält jetzt sogar von seiner asiatischen Konkurrenz Aufträge. Allerdings ist das nur mit ausgezeichneten Kontakten vor Ort möglich. Trotz bester Empfehlungen können die Verhandlungen bis zum Projektstart 18 Monate dauern. Dafür zahlen aber seine asiatischen Kunden bereits nach 14 Tagen; europäische und US-amerikanische Auftraggeber lassen zurzeit schon mal zwei Monate verstreichen.


<h2>“Zwischen Grundlagenforschung und angewandter Entwicklung”</h2>
Organica und der im TGZ angesiedelte chemische Dienstleister Chiroblock haben sich im Netzwerk 4chiral organisiert. Dazu gehören unter anderem Institute der Universitäten Halle-Wittenberg und Leipzig. Die Institute und acht Unternehmen arbeiten zusammen, um chirale Verbindungen zu entwickeln, zu produzieren, zu reinigen und zu analysieren.
Im Jahr 1999 gründeten drei Chemiker nach der Promotion Chiroblock. Das Unternehmen vermarktet Wissen. Einer der Gründer, Oliver Seidelmann, sagt: “Wir sehen uns in der Lücke zwischen Grundlagenforschung und angewandter Entwicklung. Unsere Kunden sind die Forschungsabteilungen anderer Unternehmen.” Ein Beispiel liefert der Auftrag, bei einem Produkt die Reinheit zu verbessern. Während der Produzent mit immer aufwendigeren Reinigungsverfahren gearbeitet hatte, ging Seidelmann einen anderen Weg: “Wir haben die Synthese so umgestellt, dass der Dreck gar nicht erst entstand.”
Zurzeit synthetisiert Chiroblock mit 16 Mitarbeitern, von denen neun Chemiker sind, chirale Spezialreagenzien wie b-Aminosäuren als Eigenentwicklungen. Im Auftrag forschen sie an Feinchemikalien für die Pharma-, Kosmetik- und Biotechnikindustrie. Das Verhältnis von Eigen- zu Auftragsforschung beträgt 20 zu 80. Die Aufträge kommen zu 60 Prozent aus Deutschland; etwa ein Drittel kommt aus dem europäischen Ausland.
Am Standort im TGZ schätzen die Gründer die für Labors geeigneten Räume und die chemisch orientierte Umgebung. Mangel an gut ausgebildeten Arbeitskräften herrscht hier nicht. Pro Jahr stellt Seidelmann aber nicht mehr als ein bis zwei neue Mitarbeiter ein, da das Unternehmen nicht fremdfinanziert, sondern nur mit eigenen Geldern wachsen soll. Jeder Gesellschafter ist auch Mitarbeiter im Unternehmen. Das steigert die Motivation. Außerdem soll das Konzept der kleinvolumigen Synthesen bleiben, denn “Kesselkapazität gibt es genug auf der Welt”.
Maren Bulmahn ist promovierte Chemikerin und Redakteurin bei den Nachrichten aus der Chemie.


— — — Von den etwa 2000 Chemiebetrieben in Deutschland sind über 90 Prozent kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Sie haben jeweils bis zu 500 Beschäftigte und weniger als 50 Mio. Euro Umsatz. KMU der Chemie bieten ungefähr ein Drittel der Arbeitsplätze der Branche und erwirtschaften etwa ein Drittel des Umsatzes. Dabei tragen sie ein Viertel, im letzten Jahr ungefähr 2,5 Mrd. Euro, der Ausgaben für Forschung und Entwicklung (F + E) der chemischen Industrie Deutschlands. Besonders viele dieser KMU gibt es auf Grund der Privatisierungen nach der Wiedervereinigung im mitteldeutschen Chemiedreieck [Nachr. Chem. 2010, 58, 146].


— — — Frage 56: Was kommt mit der US-Patentgesetzreform auf uns zu?
Antwort: In den USA wird seit einigen Jahren an einer Patentrechtsreform gearbeitet. Lange Zeit gab es keinen Fortschritt zu verzeichnen. Im Lauf dieses Jahres passierten allerdings zwei unabhängige Gesetzesvorlagen dazu den Senat und das Repräsentantenhaus. Nachdem beide genehmigten Fassungen aufeinander abgestimmt wurden, hat der Präsident das Gesetz Mitte September unterzeichnet und damit in Kraft gesetzt. Die neuen Bestimmungen enthalten zwei Änderungen des Patentgesetzes, die allerdings erst für Patentanmeldungen gelten, die 18 Monate nach der Unterzeichnung eingereicht werden:
Erstens wird das US-Patentrecht vom bisherigen “first to invent”- auf das in der restlichen Welt übliche “first to file”-Prinzip umgestellt. Das bedeutet im Fall, dass zwei Erfinder (oder Erfindergemeinschaften) unabhängig voneinander dieselbe Erfindung machen, wird das Patent demjenigen erteilt, der es zuerst anmeldet. Im Wesentlichen aus innenpolitischen Gründen heißt dies in den USA nun “first inventor to file”. Dabei wird gleichzeitig eine Neuheitsschonfrist eingeführt, wonach Publikationen des Erfinders vor der Patentanmeldung für die Frage der Neuheit nicht zu beachten sind [s. Frage 2, Nachr. Chem. 2006, 54, 544]. Konsequenzen für europäische Anmelder ergeben sich daraus nicht. Es bleibt dabei, dass Patente so schnell wie möglich nach Fertigstellung der Erfindung eingereicht werden sollten, um die Erteilungschancen zu wahren. Entfallen könnte künftig aber der Dokumentationsaufwand, den Unternehmen betreiben, um für ein mögliches Interference-Verfahren gerüstet zu sein. In diesem wird nach heutigem US-Recht der erste Erfinder ermittelt.
Zweitens soll ein Einspruchsverfahren (post-grant review) gegen erteilte US-Patente eingeführt werden, das den Verfahren in Deutschland und Europa ähnelt und die Einsprechenden nicht wie bisher benachteiligt [s. Frage 55, Nachr. Chem. 2011, 59, 1073]. Dabei soll es im Hinblick auf die Verfahrensstellung, den -ablauf und die verfügbaren Rechtsmittel Waffengleichheit von Patentinhaber und Einsprechendem geben. Es gilt eine neunmonatige Frist (ab Patenterteilung) zur Einlegung dieses Einspruchs. Die Einführung eines solchen Verfahrens dürfte die Rechtssicherheit vergrößern, weil Patente mit vertretbarem Aufwand von jedem auf Rechtsbeständigkeit überprüft werden könnten.
In einem Punkt bleibt es aber bei den Problemen der bisherigen Prozeduren (re-examination): Der Einsprechende kann Dokumente, die er für das Einspruchsverfahren benutzt oder die er hätte benutzen können, nicht mehr in einem späteren Gerichtsverfahren als Beweismittel für die Patentnichtigkeit verwenden. Wer sich durch ein US-Patent gestört fühlt, muss alle Verfahrensvarianten durchdenken, um die beste Prozess taktik zu ermitteln.
Fragen für Thomas Seuß an: nachrichten@ <a href="https://gdch.de" target="_blank">gdch.de</a>. Info zur kostenfreien Beratung unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.gdch.de/rechtsberatung" target="_blank">www.gdch.de/rechtsberatung</a></ext-link>

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Drei Optionen für die Ersatzteilmedizin

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