Projekt 13019/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Entwicklung eines halb-technischen, umweltverträglichen Verfahrens zur Herstellung klinisch einsetzbarer Alginate

Projektträger

Julius-Maximilians-Universität Würzburg Lehrstuhl für Biotechnologie
Am Hubland
97074 Würzburg
Telefon: 0931 / 888 45 08

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Hochreine Alginate werden zur Immunisolierung von allogenen oder xenogenen Zellen oder Geweben in der Transplantationsmedizin benötigt. Hochreine Alginate mit standardisierter Zusammensetzung stehen auf dem Weltmarkt aber nicht zur Verfügung. Ziel des beantragten Vorhabens war es, ein umweltschonendes, standardisiertes Extraktions- und Reinigungsverfahren zur Gewinnung von klinisch einsetzbaren Alginaten aus (in Kultur gehaltenen) Algen zu entwickeln und zu etablieren.


Ergebnisse und Diskussion

Ein umweltschonendes, kostengünstiges Extraktions- und Reinigungsverfahren von Alginaten wurde entwickelt, welches in den halb-technischen Maßstab umgesetzt werden konnte. Die Extraktion der Alginate aus Braunalgen sowie die anschließende Aufreinigung des Alginats werden in getrennten Verfahrensschritten vorgenommen, da das Ausgangsmaterial Mikroorganismen enthält, die quantitativ aus dem Endprodukt entfernt sein müssen. Da Alginatlösungen hochviskös sind, musste ein spezieller 90 Liter Fällungsreaktor gebaut werden, der die Abtrennung von mitogenen und toxischen Verunreinigungen quantitativ und unter sterilen Bedingungen erlaubte. Die Regelungstechnik dieses Reaktors wurde von der Firma INTECH, Rimpar, entwickelt.
Die Prozessparameter konnten inzwischen weitgehend optimiert werden. Ein einjähriger Dauerbetrieb der Anlage wird zeigen, wie weit noch weitere Veränderungen vorgenommen werden müssen. Entscheidend ist die Reinheit des Ausgangsmaterials. Als Ausgangsmaterial wurden Algen verwandt, die an der chilenischen und afrikanischen Westküste handverlesen gesammelt wurden. Aufgrund von witterungsbedingten Einflüssen sowie Umweltverschmutzungen kann es aber unter Umständen zu einer Qualitätsminderung des Algenmaterials kommen, die durch den Extraktions- und Reinigungsprozess nicht vollständig erfasst werden. Deshalb kommt der Qualitätskontrolle des Algenmaterials und des Endprodukts eine entscheidende Bedeutung zu, da sie die Voraussetzung für die Beantragung einer Herstellererlaubnis für das Alginat und für die daraus hergestellten immunisolierten Transplantate zum Einsatz in der Klinik ist.
Die genannten Probleme minimieren sich, wenn die Anzucht von Braunalgen in Photobioreaktoren modulartig erfolgt. Die grundlegenden Arbeiten für eine Etablierung von Laminaria pallida Kulturen sind inzwischen zusammen mit Prof. Dr. G. Müller und PD Dr. I. Maier von der Fakultät für Biologie der Universität Konstanz erfolgreich durchgeführt worden. Dabei wurden Kalli eingesetzt, da sie die Eigenschaft haben, bei permanentem Wachstum keine Differenzierung einzugehen. Die Kultur wird axenisch betrieben, wobei die Kalli mittels steriler Luft permanent aufgewirbelt werden, so dass sie optimal dem Licht ausgesetzt und ausreichend mit CO2 versorgt werden. Aus Kalli extrahiertes und gereinigtes Alginat wies eine ähnlich hohe Viskosität und damit Molekulargewichtsverteilung auf wie das Alginat, das aus Algen, die an der afrikanischen Küste gesammelt wurden, extrahiert wurde. Die Qualität der gereinigten Alginate wurde mit Verfahren, die in den einschlägigen ASTM Standards beschrieben sind, überprüft. Gleichzeitig war es (und ist auch heute noch) erforderlich, neue Testverfahren zur Qualitätskontrolle zu entwickeln, da das Molekulargewicht der Alginate, die aus frischen Algen gewonnen wurden, weit höher als das von kommerziellen (verunreinigten) Alginaten lag.
Neben der Optimierung der in vitro Analyseverfahren wurde eine kontinuierliche Überprüfung der Qualität der Alginatprodukte im Kleintiermodell und von Prof. Dr. A. Thiede und von Frau Prof. Dr. K. Ulrichs im Großtiermodell durchgeführt. Als Kleintiermodell wurde die BB/OK Ratte verwandt, da andere Stämme zu unempfindlich auf Verunreinigungen im Alginat reagieren. Die BB/OK Ratten verfügen über ein extrem hochgefahrenes Makrophagensystem, wodurch sie äußerst empfindlich auf mitogene Substanzen mit einer fibrotischen Reaktion ansprechen. Die Versuche wurden von Frau Dr. B. Kuttler, Institut für Pathophysiologie, Karlsburg, durchgeführt. Nach vierwöchiger Transplantation unter die Nierenkapsel konnte in den histologischen Schnitten in der Regel keine nennenswerte fibrotische Reaktion nachgewiesen werden, unabhängig vom Ausgangsmaterial. Allerdings zeigte Alginat, das aus chilenischen Algen gewonnen war, bei allen Transplantationsversuchen die besten Eigenschaften.
Die Tierversuche zeigten auch, dass bei längeren Transplantationszeiten neben der chemischen Biokompatibilität auch der Oberflächentopographie der vernetzten Alginatkapseln eine wichtige Rolle zukommt. Rauhe Oberflächen oder feinste Haarrisse in der Kapsel führen zu einer immunologischen bzw. fibrotischen Reaktion. Zusammen mit Dr. H. Zimmermann vom Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert, konnten Rasterkraftmikroskopie-Verfahren entwickelt werden, die es erstmalig erlauben, routinemäßig die Oberflächen von weichen Objekten (wie sie vernetzte Alginatkapseln darstellen) abzutasten und die Prozesse zu studieren, die zu einer Adhäsion von Zellen und damit zum Auslösen einer immunologischen Reaktion führen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Hillgärtner et al. 1999. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 30, 783-792.
Jork et al. 2000. Applied Microbiology and Biotechnology, 53, 224-229.
Zimmermann et al. 2000. BioTechniques, 29, 564-572.
Zimmermann et al. 2001. Biotechnology, 10, 547-571.


Fazit

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass mit dem entwickelten umweltfreundlichen Verfahren unter Verwendung von geeignetem Ausgangsmaterial ein Alginat im halbtechnischen Maßstab hergestellt werden kann, aus dem biokompatible, immunisolierte Transplantate mit glatter Oberfläche hergestellt werden können. Damit dürfte eine wichtige Grundvoraussetzung für die Anwendung in der Transplantationsmedizin erfüllt sein.

Übersicht

Fördersumme

1.443.462,88 €

Förderzeitraum

01.07.1998 - 31.12.2001

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Klimaschutz
Landnutzung
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik