Heparin: Neuartige Methode zur Synthese im Labor entwickelt

Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), USA, haben herausgefunden, wie man Heparin im Labor herstellen kann. Sie haben auch einen Weg zu einem biologischen Herstellungsprozess entwickelt, der die Versorgung der Welt mit diesem wichtigen Medikament möglicherweise revolutionieren könnte.

Die Heparin-Kontaminationskrise von 2008, die wiederholten Ausbrüche von Schweinekrankheiten und die Probleme in der Lieferkette bei der COVID-19-Pandemie haben die Verfügbarkeit von Heparin gestört und Forscher dazu veranlasst, nach Möglichkeiten zu suchen, Heparin ohne Tiere herzustellen. Am RPI führte die Suche nach tierversuchsfreiem Heparin zur Gründung des Heparin Applied Research Center im Jahr 2015.

In den folgenden Jahren entwickelte das Wissenschaftlerteam eine neuartige Methode zur Synthese von Heparin, die nicht nur praktisch nicht von Heparin tierischen Ursprungs zu unterscheiden ist, sondern auch in großem Maßstab hergestellt werden kann. Mit ihrem patentierten Verfahren, das in einer in der Fachzeitschrift „PNAS“ veröffentlichten Studie ausführlich beschrieben wird, arbeiten die Forscher mit der US-amerikanischen Behörde Food and Drug Administration (FDA) zusammen.

„In den letzten Jahren haben Krankheiten und Verunreinigungen die globale Versorgungskette für Schweineheparin unterbrochen und möglicherweise Millionen von Patienten gefährdet. Es ist klar, dass wir die Art und Weise, wie wir dieses Medikament herstellen, diversifizieren müssen“, kommentiert Dr. Jonathan Dordick, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen. „Unsere Arbeit wird es ermöglichen, Heparin herzustellen, das sowohl durchgängig verfügbar als auch sicher ist“, so Dordick weiter. „Während die aktuelle Studie die Produktion von Heparin im Labormaßstab beschreibt, bewegen wir uns auch auf einen Prozess im kommerziellen Maßstab zu, der die gleiche hohe Qualität des Heparins bietet, um das Medikament für klinische Studien zu erzeugen“, erklärt Dr. Robert Linhardt, emeritierter Professor für Biokatalyse.

Komplexe Kette verschiedener Kohlenhydrate erschwert Synthese im Labor

„Im Gegensatz zu Insulin – einem anderen sehr wichtigen Medikament, das früher von Schweinen stammte und heute künstlich hergestellt wird – besteht Heparin nicht nur aus einem einzigen Protein oder Molekül, sondern aus einer komplexen Kette verschiedener Kohlenhydrate. Das macht es sehr schwer, es in einer Weise zu synthetisieren, die sich für eine herkömmliche Großproduktion eignet”, erklärt Dordick. Der Forscher vergleicht die Synthese von Heparin im Labor mit dem Schmücken eines Weihnachtsbaums: „Wir beginnen mit dem Kern der Heparinstruktur, der wie der nackte Baum ist. Dann fügen wir mit Hilfe verschiedener Enzyme Moleküle hinzu – die Ornamente, das Lametta, die Lichter. Wie Sie sich vorstellen können, gibt es viele Möglichkeiten, einen Baum zu schmücken, und die Herausforderung besteht darin, die richtige Dekoration für die Herstellung von Heparin zu finden.“

In den letzten Jahrzehnten hätten wissenschaftliche Teams auf der ganzen Welt versucht, genau das zu tun, allerdings ohne Erfolg: „Frühere Forschungen verwendeten native Enzyme, um die Heparin-Herstellung im Schweinedarm nachzuahmen. Dabei wird jedoch nur eine winzige Menge Heparin produziert, die nicht in großem Maßstab hergestellt werden kann. Unsere größte Errungenschaft war die Erkenntnis, dass wir die Enzyme für eine höhere Ausbeute und Stabilität optimieren konnten“, erläutert Dr. Elena Paskaleva, leitende Wissenschaftlerin am RPI.