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Zellkulturtechnik als Lehrfach: Es fehlen weitere Biberachs

Zellkulturtechnik wird nur an wenigen Hochschulen gelehrt. An der Biberacher Hochschule ist das interdisziplinäre Fach Herzstück des Studiengangs Pharmazeutische Biotechnologie. Wir sprachen darüber mit dem Gründungsdekan des Studiengangs Pharmazeutische Biotechnologie, Jürgen Hannemann, und Friedemann Hesse, Professor für das Lehrgebiet Zellkulturtechnik.

Der Molekularbiologe Jürgen Hannemann besitzt langjährige Erfahrung in der Zellkultur, vor allem in denjenigen Schritten, die vor der Fermentation liegen. Geforscht hat Hannemann an hämatopoetischen Zellen am Insitute of Cancer Research in London, bei einem mittelständischen Unternehmen war er Geschäftsführer und Herstellungsleiter und beschäftigte sich dort mit orthopädischen Zellpräparaten, die unter GMP-Bedingungen Patienten entnommen, vermehrt und geerntet wurden. © Pytlik
Der Chemiker Friedemann Hesse kam erst in seiner Doktorarbeit mit Zellkulturtechnik in Berührung, wechselte als Postdoc an die GBF (Gesellschaft für Biotechnologische Forschung) nach Braunschweig, wo er sich auf die Kultivierung von Zellen im industriellen Maßstab spezialisierte. In seiner achtjährigen Tätigkeit beim Austrian Center of Biopharmaceutical Technology in Wien blieb er dem Thema treu. 2009 wurde Hesse zum Ordentlichen Professor nach Biberach berufen. © Pytlik

Zellkulturtechnik ist ein Begriff, der nicht eindeutig ist?

Hannemann: Man wird unterschiedliche Definitionen des Begriffs finden. Meine Begriffsbestimmung ist, glaube ich, relativ verbreitet. Es geht um die Kultivierung von Zellen, die nicht in Petrischalen endet, sondern technisch in Fermentern umgesetzt wird.

Hesse: Da  sind wir gar nicht so weit auseinander. Das ist zum einen die Technik, die nötig ist, um Zellen zu kultivieren, unabhängig vom Größenmaßstab. Das fängt bei einer kleinen Kulturschale an und reicht  bis zum 15-Kubikmeter-Fermenter. Andererseits verstehe ich darunter auch den Aspekt der Anwendung von Zellkulturen zur Herstellung von Produkten.

Wo wird Zellkulturtechnik gelehrt?

Auch der Umgang mit Bioreaktoren wird in Biberach gelehrt. © Hochschule Biberach

Hesse: Die Kultivierung von Zellen in Kulturflaschen kann man an sehr vielen Hochschulen, in biologischen und biochemischen Instituten und Einrichtungen erlernen. Will man Zellkulturtechnik anwenden, beispielsweise weil man Proteine für Forschungszwecke exprimieren will, muss man tiefer in die Materie einsteigen. Da muss sichergestellt werden, dass die richtige Zelllinie das Richtige macht. Will ich das in einen größeren Maßstab umsetzen, muss ich die ganze technische Infrastruktur beherrschen, vom Bioreaktor bis hin zu Prozessführungsstrategien. Den Einsatz dieser technischen Peripherie kann man hierzulande nur an wenigen Einrichtungen erlernen.

Hannemann: Ich würde sogar noch einen Schritt weiter gehen. Es gibt in Deutschland Forschungsinstitute wie Max-Planck und Fraunhofer, die Zellkulturtechnik sehr qualifiziert betreiben. Das aber sind keine klassischen Lehranstalten, dorthin geht man erst in der Phase der Promotion. In Bachelor- und Master-Studiengängen hingegen fällt mir die Universität Bielefeld (CeBiTec) ein.

Hesse: Oder Technische Universitäten wie Braunschweig, Stuttgart oder Berlin, auch einige Hochschulen. Tatsächlich gibt es nicht viele. In Europa gibt es noch einige Institutionen wie die Universität für Bodenkultur in Wien, die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Wädenswil (Schweiz), die IMC FH Krems (Österreich) oder das IBET in Portugal. Das Angebot  ist aber überschaubar.

Wo braucht man denn überhaupt die Zellkulturtechnik?

Hesse: Sie ist nicht unwichtig, insbesondere im pharmazeutischen Bereich sehr wichtig. Schaut man sich die Statistiken der neu zugelassenen Medikamente an, dann sind das heute zu einem großen Prozentsatz monoklonale Antikörper, die alle mit diesen Technologien hergestellt werden. 

Hannemann: Neben den monoklonalen Antikörpern gibt es immer mehr 
rekombinante Proteine. Achtzig Prozent davon werden mit Hilfe von 
tierischen Zellen hergestellt.

Hesse: Die Zellkultivierung geschieht natürlich auch in Bakterien-Zellen. Auch dafür müssen Sie die technische Infrastruktur beherrschen.

Wird das Lehrgebiet angesichts seiner Bedeutung nicht etwas stiefmütterlich behandelt?

Hannemann: Das kann man unterschiedlich bewerten. Wir sind zuerst einmal froh, dass wir Absolventen mit guten bis sehr guten Berufsaussichten hervorbringen. Man sollte andersherum fragen: Warum machen das so wenige Hochschulen? Zum einen ist diese Technik nicht gerade günstig, wenn ich an unsere acht Fermenter denke, so kosten diese sicherlich eine halbe Million Euro. Zum anderen kann man mit diesen technischen Arbeiten nicht so viele Publikationen generieren. In den letzten 20 Jahren zumindest war es mit molekularbiologischen Arbeiten leichter akademische Reputation zu erlangen. Fermentation oder gar Downstream hat eigentlich niemanden interessiert.

Hesse: In der deutschen Forschungslandschaft ist obendrein bei den Helmholtz-Zentren ein gewisser Strategiewechsel erfolgt. Ich war ja fünf Jahre bei der GBF (Gesellschaft für Biotechnologische Forschung, Anm. d. Red.), heute heißt die Einrichtung Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung. Sieht man vom Forschungszentrum Jülich ab, besitzt Deutschland kein biotechnologisches Forschungszentrum mehr. Ich glaube, dass wir in diesem Feld in Deutschland unterversorgt sind. Die Tatsache, dass es uns hier in Biberach gibt, bestätigt dies indirekt, weil sich die Industrie im Umkreis sehr dafür eingesetzt hat, dass dieser Studiengang eingerichtet wird.

Es gibt also einen Fachkräftemangel, den Ihre Einrichtung nicht allein abdecken kann?

Hesse: Es bräuchte sicherlich mehrere Biberachs.

Welchen Stellenwert besitzt das Lehr- und Fachgebiet Zellkulturtechnik für den Bachelor- und Master-Studiengang?

Hannemann:  Ziel des Bachelor-Studienganges ist die Wirkstoffherstellung, wenn man es auf einen Begriff reduzieren möchte. Dies wiederum geschieht zentral in der Zellkulturtechnik. Natürlich gehört dazu auch die Protein-Aufreinigung. Das sind für mich die zwei zentralen Themen.

Hesse: Das spiegelt sich bei uns in den Praktika wider. Im dritten Semester kommen die Studierenden mit technischer Mikrobiologie, im vierten mit Zellkulturtechnik in Berührung, im fünften Semester schließlich mit dem großen Praktikum Bioprozesstechnik, wo sie den Herstellprozess vom Auftauen der Zellen bis zum isolierten Produkt unter GMP-ähnlichen Bedingungen selbst durchführen. Die Herstellung wird in einem Fed-Batch-Prozess, dem gängigsten Verfahren, durchgeführt.

Wo werden Theorie und Praxis der Zellkulturtechnik vermittelt?

Hannemann: Zellkulturtechnik ist keine abgeschlossene Lerneinheit. Zuerst müssen Kenntnisse in Zellbiologie, zum Beispiel zum Zellzyklus, vermittelt werden. Das passiert in der Vorlesung Zellbiologie im zweiten Semester. Da unsere Studierenden auch wissen sollen, wie Bakterien funktionieren, um diese auch fermentieren zu können, gehören natürlich auch die Mikrobiologie und im dritten Semester die technische Mikrobiologie dazu. Da lernen die Studenten auch, wie man mit Fermentern umgeht, wie man sie auseinanderbaut oder reinigt. Parallel dazu im zweiten Semester kommt die Zellbiologie dazu, im vierten Semester theoretisch wie praktisch die Zellkultivierung. Das baut sich auf, das geht nicht in einem Semester. Im fünften Semester wird die Proteinaufreinigung in Theorie und Praxis vermittelt, um schließlich in Herrn Hesses Praktikum zu gelangen, wo man alles macht: die Zellen auftaut, sie fermentiert und das Protein aufreinigt und analysiert.

Hesse: Zellkulturtechnik integriert verschiedene Disziplinen. Wir brauchen die Physiologie, weil wir wissen müssen, wie die Zelle funktioniert. Wir brauchen die Biochemie, um zu wissen, welche Reaktionen in der Zelle ablaufen. Dann brauchen wir die Verfahrenstechnik, deren Vermittlung auch schon im zweiten Semester einsetzt. All das wird integriert im Praktikum des fünften Semesters.

Ist das bei Ihnen vermittelte Wissen auch für Absolventen hilfreich, die nicht in die Industrie, sondern in die biomedizinische Forschung gehen wollen?

Hesse: Ja. Unsere Absolventen gehen ja in sehr unterschiedliche Bereiche, auch in die Forschung, wo es beispielsweise um Tissue Engineering geht. Wir haben da ein sehr positives Feedback von vielen Forschungseinrichtungen und Firmen, zum Beispiel von der Fraunhofer-Gesellschaft in Stuttgart oder kleinen Spin-Off-Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind. 

Hannemann: An unserer Fakultät gibt es drei Personen (Gaisser, Hesse und Hannemann, Anm. d. Red.), die sich in der Lehre mit Fermentation von Bakterien und tierischen Zellen und Zellkulturtechnik beschäftigen. Auf Seiten der Forschung gibt es in Deutschland sicherlich Exzellenz, aber in der Lehre sind wir hier in Biberach sehr gut aufgestellt. Wir haben hier im Bachelorstudiengang ein sehr hohes Niveau in der Zellkultur bis zur Fermentation. Da gibt es allenfalls noch einige wenige TUs in Deutschland, die das ähnlich machen.

Sie beschäftigen sich nicht nur mit tierischen Zellen…

Hesse: Wir beschäftigen uns auch mit Mikroorganismen. Wenn die Studenten das erste Mal mit Fermentationstechnologien in Berührung kommen, arbeiten sie mit Mikroorganismen. Später übertragen sie das Gelernte dann auf die Arbeit mit tierischen Zellen. Wir benutzen hier in erster Linie Zelltypen, die auch in der Industrie verwendet werden, wie CHO-Zellen und Hybridomazellen. 

Auch humane Zellen, pflanzliche Zellen?

Hannemann: Humane Zellen wie HeLa und HEK (human embryonic kidney)-Zellen haben wir im Masterstudiengang, pflanzliche nicht. Außerdem arbeiten wir mit E. coli und zwei Antibiotika produzierenden Bakterien-Stämmen.  

Hesse: Zusätzlich verwenden wir mittlerweile auch Insektenzellen im Masterstudiengang, weil diese auch für die biopharmazeutische Forschung und Entwicklung in bestimmten Bereichen geeignet sind.

Hannemann: In der Wirkstoffproduktion gibt es nicht nur das therapeutische Protein. Manche Proteine müssen auch modifiziert werden. Die Modifikation mancher Proteine erfolgt durch Enzyme (sog. Hilfsstoffe), die z. B. in Insektenzellen hergestellt werden, weil dort in sehr kurzer Zeit sehr hohe Protein-Mengen produziert werden können. 

Hesse: Es werden häufig Enzyme oder Rezeptoren für die Wirkstofftargetforschung exprimiert. Das geschieht oft in solchen Insektenzellkultursystemen.

Ab wann braucht die Zellkultur die Technik?

Hesse: Sie brauchen eine Technik, um die Zellen kultivieren zu können. Sie müssen sicherstellen, dass nur die Zelllinie, die Sie kultivieren wollen, auch in Ihrer Kultur vorhanden ist. Sie brauchen vom ersten Moment an Technik, um kontaminierende Keime ausschließen zu können. Sie müssen eine sterile Arbeitstechnik etablieren.

Hannemann: Man kann Technik auf zweierlei Weise verstehen. Man kann die Technik auch als Maschine verstehen, wie sie z.B. ein Fermenter darstellt. Also wann brauche ich einen Bioreaktor, wann brauche ich Verfahrenstechnik?

Hesse: Man kann nicht in jedem Labor Zellkulturtechnik betreiben. Sie brauchen eine Menge Technik, bis Sie mit der Zellkultivierung anfangen können.

Was und wie lernen Ihre Studenten in den Praktika in den Laboren?

Hannemann: Vorneweg: Das erfordert viel Betreuung. Allein beim sterilen Arbeiten kann man bei jedem Schritt Fehler machen. Jeder Millimeter, auf dem man sich bewegt, kann eine Kontamination verursachen. Wir haben in unserem Zellkultur-Labor sechs Lamina AirFlows und betreuen die Arbeiten der Studierenden mit jeweils drei Betreuern. D.h. hinter jeweils zwei LAFs steht ein Betreuer, der darauf achtet, dass immer nur unter einer von diesen zwei LAFs gearbeitet wird, das wechselt sich dann jeweils ab mit der zweiten LAF. Das ist sehr personalintensiv und auch anstrengend, weil nicht jeder Studierende gleichermaßen dieselbe Feinmotorik mitbringt.

Was vermitteln Sie Ihren Studierenden im Bioprozess-Praktikum?

Auf dieTheorie folgt die Laborpraxis. © Pytlik

Hesse: Das Praktikum ist in drei Bereiche geteilt. Zunächst lernen die Studierenden, selbst die Arbeitsanweisungen nach den Regeln des GMP (Good Manufacturing Practice) zu erstellen. Mit den korrigierten Arbeitsanweisungen arbeiten sie dann im Praktikum. Dann werden die Zellen herangezogen, vom 10-ml- bis zum 500-ml-Maßstab. Anschließend erfolgt der Transfer in den 2-Liter-Bioreaktor, wo die eigentliche Produktion im Fed-Batch-Verfahren erfolgt. Das heißt, das Kulturvolumen im Fermenter wird durch die Zugabe von Nährmedium über die Kultivierungszeit vergrößert und der Bioreaktor langsam aufgefüllt. Nach zweiwöchiger Fermentation wird der Zellüberstand geerntet, das Produkt aufgearbeitet und analysiert. All diese Schritte führen die Studenten selbstständig nach den zuvor erstellten Arbeitsanweisungen durch.

Wo steht die Zellkulturtechnik heute, wo sehen Sie Entwicklungspotenzial?

Hesse: Der Trend geht eindeutig zu kleineren Bioreaktoren und Einwegsystemen. Ich glaube, dass in der Zukunft in der industriellen Fertigung die großen 15-Kubikmeter-Reaktoren keine große Rolle mehr spielen werden. Zum einen, weil sie sehr viel Kapital binden. Zum anderen haben sich die Produktivitäten so sehr verbessert, dass heute meistens kleinere Bioreaktoren ausreichen, um die benötigten Produktmengen herzustellen. Hierfür werden bereits heute vielfach Einweg-Bioreaktoren verwendet, da dies Kosten spart und die Flexibilität erhöht. Probleme kann es auch hierbei geben, beispielsweise mit der Verfügbarkeit der Einweg-Bioreaktoren über längere Zeiträume. Das könnte in unserer schnelllebigen Firmenwelt ein Problem darstellen. Vielleicht erleben wir deshalb in zehn Jahren ein Revival der Stahlkessel. Der größte Flaschenhals in der Produktion von Biopharmazeutika ist nach wie vor die Produktaufreinigung. Hier fallen bis zu 80 Prozent der Kosten an. In diesem Bereich sehe ich daher noch großen Entwicklungsbedarf.

Sind neue Produktionszellen am Horizont?

Hesse: Ja. Bis zur Einführung der humanen Zelllinie Per.C6 vor einigen Jahren hat die Zulassung neuer Zelllinien lange Zeit stagniert. Heute sind verschiedene Zelllinien in der Entwicklung; Vogel-Zelllinien zählen dazu, auch humane Zelllinien. Da wird sich in nächster Zeit einiges tun. Humane Zelllinien haben den Vorteil, dass sie die rekombinanten Wirkstoffe mit den Zuckerstrukturen versehen können, die auch im Menschen vorkommen, wodurch das Medikament dann eine bessere Verträglichkeit und Wirksamkeit aufweist.

Bringt der neue Bachelor-Studiengang Industrielle Biotechnologie veränderte Inhalte in puncto Zellkulturtechnik?

Hannemann: Ja, das wird auch Änderungen mit sich bringen. Allerdings läuft der Studiengang erst an. Die inhaltlichen Planungen sind noch nicht abgeschlossen. Es ist absehbar, dass unser Zellspektrum sich möglicherweise beispielsweise um Hefen erweitert.

Hesse: Die weiße Biotechnologie, wenn man den Begriff mal übernimmt, bedient mit ihren Produkten die Chemie und zwar meist den Low-budget-Bereich. Da lassen sich tierische Zellen aus Kostengründen nicht einsetzen. Hier kommen vielmehr Pilze wie beispielsweise Aspergillus zum Einsatz. Auch die Biokatalyse, d. h. die Anwendung von Enzymen aus Mikroorganismen in chemischen Produktionsprozessen, spielt eine wesentliche Rolle.

Die Fragen stellte Walter Pytlik, BioRegionUlm.

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