Mikroorganismen als Quelle biogener Drogen

Gerd Bader

Mikroorganismen stellen heute neben landwirtschaftlich angebauten oder in den natürlichen Biotopen gesammelten Arzneipflanzen eine der wichtigsten Quellen zur Gewinnung von biogenen Drogen dar. Der ökonomische Vorteil mikrobieller Kulturen zur Gewinnung von Arzneistoffen oder pharmazeutisch relevanten Hilfsstoffen basiert auf

· den sehr vielfältigen Möglichkeiten zur Biosynthese von Primär- und Sekundärstoffwechselprodukten in zumeist sehr hohen Ausbeuten,

· der hohen Zellteilungsrate der Mikroorganismen und der damit verbundenen hohen Effektivität im Vergleich zu vegetativen Pflanzen sowie pflanzlichen Zellsuspensions- und Kalluskulturen,

· der Verwendung billiger Biomasse als Ausgangsmaterial,

· der Nutzung von Wasser als Reaktionsmedium sowie

· der Ausnutzung niedriger Reaktionstemperaturen.

Relativ komplizierte organische Stoffe können im Vergleich zur chemischen Vollsynthese mittels Mikroorganismen zumeist stereospezifisch und mit weniger Aufwand produziert werden.

Nachteile einer mikrobiologischen Arzneistoffproduktion erwachsen aus der Notwendigkeit der Gewährleistung relativ steriler Produktionsbedingungen. Durch Kontaminationen eingeschleppte Bakterien oder Pilze können während der biotechnologischen Produktion in Konkurrenz zu den Produktionsorganismen gehen oder diese gegebenenfalls sogar fast völlig verdrängen. Hochleistungs-Produktionsstämme, die in Mutations-Selektionsprogrammen gezüchtet oder durch Rekombination ihres genetischen Materials entstanden sind, neigen weiterhin zu Degenerationen und Mutationen. Diese genannten Nachteile relativieren sich jedoch durch das schnelle Mikroorganismenwachstum im Vergleich mit anderen Zellkultursystemen.

Produktion von Arzneistoffen mittels Mikroorganismen

Die meisten Arzneistoffe werden heute unter Nutzung diskontinuierlicher Submerskulturen (Suspensionskulturen) hergestellt. Kontinuierliche Submerskulturen, die offene Systeme darstellen und in denen ständig die notwendigen Nährstoffe erneuert werden, sind hinsichtlich der Sterilhaltung problematischer. Die früher gebräuchlichen Emerskulturen (Oberflächenkulturen) scheinen nur noch eine untergeordnete Bedeutung zu besitzen. Bestimmte Arzneistoffe werden in Sonderkulturen produziert, wie z.B. Mutterkornalkaloide in parasitischen Kulturen von Claviceps purpurea.

Die Produktgewinnung kann zumeist aus dem Kulturfiltrat erfolgen, andere Stoffe müssen durch aufwendige Verfahren aus den Produktionsorganismen isoliert werden.

Hochleistungsstämme verschiedener Bakterien und Pilze werden für die direkte biotechnologische Produktion von antibakteriellen, antifungalen und cancerostatischen Antibiotika, Immunsuppressiva, Steroiden, Oligo- und Polysacchariden, Vitaminen, Nucleotiden, organischen Säuren und Aminosäuren, Enzymen und Alkaloiden verwendet. Tabelle 1 zeigt eine Auswahl entsprechender Arznei- oder Hilfsstoffe und die dazugehörigen Mikroorganismengattungen, wobei den Antibiotika die größte Bedeutung bei der mikrobiellen Arzneistoffproduktion zukommt.

Tabelle 1: Arznei- und Hilfsstoffe mikrobieller Herkunft

70 % aller bisher bekannten bioaktiven mikrobiellen Stoffwechselprodukte werden innerhalb der Bakterienordnung Actinomycetales und hier insbesondere in der Gattung Streptomyces gebildet. Die Gattung Bacillus der Bakterienordnung Eubacteriales produziert ca. 10 % aller Antibiotika mikrobieller Herkunft. Pilzgattungen, haupsächlich Penicillium und Cephalosporium, erbringen einen Anteil von 20 % an der Gesamtzahl der mikrobiellen Antibiotika, jedoch ist deren strukturelle Vielfalt geringer als bei den Streptomyceten.

Biogenetisch entstammen die therapeutisch gebräuchlichen Antibiotika dem Acetat- und Propionat-Stoffwechsel oder werden aus Monosaccharid- oder Aminosäurebausteinen aufgebaut. Im erstgenannten Biosyntheseweg werden Polyketide wie Anthracycline, Ansamycine, Tetracycline, Makrolide und Griseofulvin sowie das 4-Nortriterpen Fusidinsäure gebildet. Aminoglykosidantibiotika stellen Oligosaccharide dar, die aus Monosaccharidbausteinen – zumeist Aminozucker – aufgebaut sind. Andererseits enthalten Antibiotika wie die Lincomycine und Polyen-Makrolide glykosidisch gebundene Aminozucker. β-Lactam-Antibiotika (Penicilline, Cephalosporine) sowie Purin-Analoga stellen von Aminosäuren abgeleitete Verbindungen dar. Bacitracin, Vancomycin, Bleomycine, Actinomycine, Tyrothricin und Polymyxine werden zu den Polypeptidantibiotika gerechnet. Charakteristisch ist bei diesen von Aminosäuren abgeleiteten Stoffen insbesondere das Vorkommen von D- und L-Aminosäuren.

Von den bisher ca. 8000 aus Mikroorganismen isolierten Antibiotika werden nur relativ wenige Substanzen zur Therapie von Infektionen mit Bakterien und Pilzen sowie zur Behandlung von Tumorerkrankungen eingesetzt.

Wirkungsmechanismen und Anwendungsbereiche

Tabelle 2 zeigt Wirkungsmechanismen wichtiger, therapeutisch verwendeter Antibiotika natürlicher Herkunft, wobei partialsynthetische Produkte nicht erwähnt werden, obwohl diese einen erheblichen therapeutischen Stellenwert besitzen. Da sich die Resistenzsituation der natürlich gewonnenen, antibakteriellen Antibiotika zunehmend verstärkt, sind bereits heute viele der aufgeführten Verbindungen durch partialsynthetische oder andere Wirkstoffe substituiert worden. Jedoch sind auch weiterhin die natürlichen Verbindungen als Ausgangsmaterialien für Partialsynthesen sowie als Leitstrukturen für die Wirkstoffentwicklung und -optimierung von Interesse. Gegenwärtig werden partialsynthetische Penicilline, Cephalosporine, Cephamycine, Tetracycline, Lincomycine und Ansamycine therapeutisch verwendet, deren strukturelle Vorstufen aber biotechnologisch produziert werden. Lediglich Chloramphenicol, das ursprünglich in Streptomyces venezuelae entdeckt wurde, wird heute vollsynthetisch hergestellt. In der Therapie von Infektionen mit Bakterien und Pilzen werden weiterhin viele vollsynthetische Substanzen eingesetzt, die dem oftmals widersprüchlich ausgelegten Begriff Antibiotika zugeordnet werden.

Tabelle 2: Wirkungsmechanismen therapeutisch verwendeter Antibiotika

Das Wirkungsspektrum eines antibakteriellen oder antifungalen Antibiotikums richtet sich zumeist nur gegen eine begrenzte Anzahl von Krankheitserregern. Je breiter das Wirkungsspektrum ist, desto breiter ist zumeist auch die Toxizität gegenüber dem Wirtsorganismus. Das Ausmaß der Nebenwirkungen der in Tabelle 2 aufgeführten Antibiotikagruppen mikrobiellen Ursprungs ist in Abhängigkeit vom Wirkungsmechanismus sehr unterschiedlich. Antibiotika, die die Zellwandsynthese von Bakterien beeinflussen, zeigen bei Mensch und Tier zumeist nur sehr geringe Nebenwirkungen, wohingegen bei der Hemmung der Transkription und Replikation von Nucleinsäuren mit den schwerwiegendsten Nebenwirkungen gerechnet werden muß. Aus diesem Grunde werden derartige Verbindungen auch nur noch vereinzelt in der Therapie bakterieller Infektionen eingesetzt. Hauptanwendungsgebiet ist heute die zytotoxische Chemotherapie von bestimmten Tumorerkrankungen. Hemmstoffe der ribosomalen Translation, die vorwiegend die bakterielle Proteinsynthese beeinflussen, nehmen hinsichtlich des Ausmaßes ihrer Nebenwirkungen eine Zwischenstellung zwischen den ersten beiden Gruppen ein. Antibiotika, die die Permeabilität von Zytoplasmamembranen erhöhen, sind ebenfalls relativ toxische Substanzen und können aus diesem Grunde zumeist nur lokal appliziert werden.

Die in Tabelle 1 genannten Immunsuppressiva werden therapeutisch zur Prophylaxe oder Behandlung von Transplantat-Abstoßungen sowie bei autoimmun bedingten entzündlichen Prozessen eingesetzt. Der Wirkungsmechanismus von Ciclosporin A (Ciclosporine) und Tacrolimus besteht in der Hemmung der Expression von Cytokinen und Cytokin-Rezeptor-Proteinen. Daraus resultiert die selektive, dosisabhängige und reversible Hemmung der Aktivierung und Proliferation zytotoxischer T-Lymphozyten sowie von B-Lymphozyten bzw. Plasmazellen. Mycophenolatmofetil, das aus Mycophenolsäure hergestellt wird, führt zur nichtkompetitiven, reversiblen Hemmung der Inosinmonophosphat-Dehydrogenase und damit ebenfalls zur Proliferationshemmung von T- und B-Zellen.

Das Pseudotetrasaccharid Arcabose wird aufgrund seiner antihyperglykämischen Wirkung, die durch die Hemmung intestinaler alpha-Glucosidasen und der damit verbundenen Unterdrückung des Abbaus von Nahrungskohlenhydraten bedingt wird, für die Zusatztherapie bei Diabetes mellitus Typ II eingesetzt.

Da mikrobielle Zellen zu 80 bis 90 % aus Enzymen bestehen können, eignen sich diese besonders auch zur biotechnologischen Produktion dieser Stoffe. Von den bisher 2000 bis 3000 Enzymen mikrobieller Herkunft haben heute ca. 50 industrielle Bedeutung erlangt. Das Hauptanwendungsgebiet dieser Produkte liegt zwar in der Waschmittel-, Lebens- und Futtermittel-, Textil- und Lederindustrie, jedoch haben auch einige Enzyme pharmazeutische Verwendung gefunden. Mikrobielle Amylasen, Lipasen und Proteasen werden neben pankreatischen Enzymen tierischer Herkunft ebenfalls als Verdauungshilfsmittel bzw. in der Substitutionstherapie verwendet. Mikrobielle Hyaluronidase ist eine Glykosidase, die Hyaluronsäure-Polymere in Dimere mit 4,5-ungesättigten Glucuronsäureresten spalten kann, wohingegen bei der Einwirkung tierischer Hyaluronidase entprechende Tetrasaccharide entstehen. Therapeutisch eingesetzt wird dieses Enzym zur Beseitigung von Ödemen und Exsudaten und zur Förderung der Resorption von Exsudaten. L-Asparaginase katalysiert die Hydrolyse von Asparagin zu Asparaginsäure und Ammoniak. Einige wenige Tumorzellarten weisen einen Mangel an Asparaginsynthetase auf und sind auf die Zufuhr von Asparagin angewiesen. Mittels der Applikation von L-Asparaginase bei Formen von lymphatischer Leukämie wird die Asparaginkonzentration im Blut niedrig gehalten und die Tumorzellen damit ausgehungert. Streptokinase ist zwar selbst kein Enzym, wirkt jedoch als Plasminogen-Aktivator, wodurch Plasminogen in Plasmin überführt wird. Plasmin ist ein proteolytisches Enzym, das Fibringerinnsel (Thromben) zu löslichen Proteinen depolymerisiert. Streptokinase wird parenteral als Fibrinolytikum zur Auflösung frischer Venenthromben bei Lungenembolie und akutem Myokardinfarkt sowie äußerlich zur Reinigung fibrinös eiternder Wunden eingesetzt.

Weitere Anwendungsgebiete von Mikroorganismen

Neben der direkten Produktion von Arznei- oder Hilfsstoffen mit pharmazeutischer Bedeutung finden Mikroorganismen auch Anwendung als Lieferanten von Ausgangsstoffen für die Synthese von Steroidhormonen (Ergosterol) sowie bei strukturellen Transformationen von Naturstoffen. In Betracht kommen bei Partialsynthesen insbesondere regio- und stereospezifische Oxidationen sowie stereoselektive hydrolytische Spaltungen unter Ausnutzung mikrobieller Enzyme.

Weiterhin werden Mikroorganismen heute in zunehmendem Maße als Bestandteile von Wirt-Vektor-Systemen zur gentechnologischen Produktion von zahlreichen Pharmaka mit Proteinstruktur verwendet. Rekombinante DNA-Techniken sind insbesondere effizient zur Produktion körpereigener Wirkstoffe mit Proteincharakter, wenn die Isolierung aus Körperflüssigkeiten oder Organen aufgrund sehr geringer Konzentrationen unbefriedigend ist oder die Totalsynthese aufgrund der Molekülgröße und aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht realisierbar ist. Produktionsorganismen sind vielfach das Bakterium Escherichia coli und der Sproßpilz Saccharomyces cerevisiae. Rekombinante Peptid-Hormone, Cytokine und Impfstoffe können alternativ entweder mittels Mikroorganismen oder Säugetierzellinien produziert werden. Der Vorteil der Mikroorganismen liegt in ihrer hohen Zellteilungsrate, in der einfachen Massenproduktion in etablierten Fermentern und in der hohen Produktionsleistung, wobei das rekombinante Protein bis zu 50 % eines bakteriellen Gesamtproteins ausmachen kann. Posttranslationale Glykosidierungen und damit die Synthese von Glykoproteinen sind jedoch mittels Bakterien nicht möglich. Hefepilze sind zwar prinzipiell dazu in der Lage, jedoch entstehen zumeist andere Glykosidierungsmuster. Tabelle 3 gibt einen Überblick zu gegenwärtig in Deutschland für ausgewählte Indikationen zugelassenen, mittels mikrobieller Wirte produzierter Protein-Pharmaka. Die Anzahl dieser Stoffe und die dazugehörigen Indikationen wird sich wahrscheinlich in den nächsten Jahren erheblich erhöhen. Das Potential an therapeutisch relevanten Proteinen, die nur gentechnisch hergestellt werden können, wird heute bereits auf ca. 1000 geschätzt. Denkbar wäre auch die mikrobiell-gentechnische Produktion von Blutgerinnungsfaktoren, Wachstumsfaktoren und Enzymen sowie weiteren Impfstoffen, Cytokinen und Peptidhormonen.

Tabelle3: In mikrobiellen Wirten hergestellte rekombinante Protein-Pharmaka

Literatur:

Schneider, G., Hiller, K.: Arzneidrogen. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin 1999.

Teuscher, E.: Biogene Arzneimittel. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart 1997.

Gräfe, U.: Biochemie der Antibiotika: Struktur-Biosynthese-Wirkmechanismus. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, New York 1992.

Reichling, J., Baron, D., Saller, R.: Produktion und Anwendung von gentechnisch hergestellten Arzneimitteln. Zeitschrift für Phytotherapie 19 (1998) 263-268.

Bader, G.: Therapeutischer Einsatz von gentechnologisch hergestellten Zytokin-Pharmaka. BIOforum 20 (1997) 216-219.