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Proteine

Therapeutische Proteine sind Wirkstoffe aus der Gruppe der Biologika. Es handelt sich um organische Makromoleküle mit einer hohen Molekülmasse, die hauptsächlich aus langen, linearen Ketten von Aminosäuren aufgebaut sind. Proteine werden heute als Heilmittel in der Regel mit biotechnologischen Methoden hergestellt und für zahlreiche Anwendungsgebiete eingesetzt. Nachteilig ist, dass ihre Herstellung komplex ist und sie auf Umwelteinflüsse empfindlich reagieren. Zu den möglichen unerwünschten Wirkungen gehören Immunreaktionen.

synonym: Eiweisse, Polypeptide, Rekombinante Proteine

Produkte

Therapeutische Proteine werden in der Regel in Form von Injektions- und Infusionszubereitungen verabreicht und müssen im Kühlschrank gelagert werden. Als erstes rekombinantes Protein wurde 1982 Humaninsulin zugelassen.

Einige Proteine sind beispielsweise auch in Form von Tabletten, Kapseln und Pulver erhältlich und bei Raumtemperatur aufbewahrt werden, so zum Beispiel die Lactase für die Behandlung einer Lactoseintoleranz und andere Verdauungsenzyme.

Struktur und Eigenschaften

Proteine sind Makromoleküle und Polymere mit einer hohen Molekülmasse, die hauptsächlich aus Aminosäuren aufgebaut sind. Sie werden in der Natur ausschliesslich von Lebewesen gebildet und gehören zu den Grundbestandteilen allen Lebens auf der Erde (Biomoleküle).

Aufbau der Proteine aus Aminosäuren, zum Vergrössern anklicken. Illustration © PharmaWiki

Natürliche Proteine bestehen aus den 22 unterschiedlichen Aminosäuren, die jeweils sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carbonsäure im Molekül enthalten.

Jede Aminosäure kann sich mit zwei anderen über Peptidbindungen (Amide, -CO-NH-) verbinden. Es entstehen lange Ketten. Eine solche Abfolge wird als Sequenz bezeichnet. Die Ketten ordnen zu einer dreidimensionalen Gestalt an.

Struktur der Peptide und Proteine, zum Vergrössern anklicken. Illustration © PharmaWiki

Als Peptide werden kürzere Ketten mit weniger als etwa 50 Aminosäuren bezeichnet.

Proteine gehören zu den Biologika. Sie wurden als Arzneimittel zunächst aus natürlichen Quellen wie beispielsweise aus Organen isoliert. Seit der Entwicklung der rekombinanten DNA-Technologie in den 1970er-Jahren können sie mit biotechnologischen Methoden hergestellt werden.

Heute können auch künstliche oder modifizierte Proteine mit veränderten pharmakodynamischen und pharmakokinetischen Eigenschaften produziert werden. Für die Herstellung werden unter anderem gentechnisch veränderte Bakterien, Pilze sowie Zellen tierischer oder menschlicher Herkunft eingesetzt. Dabei werden auch weitere Strukturelemente wie beispielsweise Polyethylenglycole (PEG) eingefügt.

Viele Proteine enthalten Zuckerreste. Die Glykosylierung findet erst nach der Translation im Golgi-Apparat und im endoplasmatischen Retikulum statt und kann für die therapeutische Aktivität erforderlich sein. Dabei ist zu beachten, dass Proteine aus bakteriellen Expressionsystemen wie Escherichia coli nicht glykosyliert sind.

Die Abbildung zeigt das Rheumamedikament und Antikörperframent Certolizumab in der Ribbon-Darstellung. Zum Vergrössern anklicken.

Wirkungen

Eine wichtige klassische Anwendung der therapeutischen Proteine ist die Substitutionstherapie. Die Arzneimittel werden dem Körper zugeführt, um die unzureichende Bildung oder das Fehlen eines natürlichen Proteins auszugleichen.

Monoklonale Antikörper zeichnen sich durch eine spezifische und hochaffine Bindung an eine molekulare Zielstruktur aus. Ein häufiger Wirkmechanismus ist die Inaktivierung des Drug Targets. Antikörper können auch die Signalübertragung oder eine Zellzerstörung herbeiführen.

Enzyme sind Biokatalysatoren, welche den Auf- oder Abbau von Substanzen erleichtern.

Impfstoffe sind Bestandteile von Krankheitserregern, die eine Immunantwort auslösen und zu einer Immunität gegen Infektionskrankheiten führen.

Falsche Rezeptoren binden beispielsweise körpereigene oder -fremde Stoffe und hemmen so ihre Effekte.

Anwendungsgebiete

Therapeutische Proteine werden in der Medizin diagnostisch, prophylaktisch und therapeutisch sehr breit eingesetzt und jedes Jahr werden neue Arzneimittel auf dieser Basis zugelassen. Zu den Indikationen gehören beispielsweise Asthma, atopische Dermatitis, Migräne, Krebserkrankungen, multiple Sklerose, Osteoporose, Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes, Hyperlipidämie und Gicht, Erbkrankheiten, die Hämophilie und Infektionskrankheiten, um nur eine kleine Auswahl zu nennen.

Wirkstoffe

Beispiele:

Monoklonale Antikörper wie Adalimumab und Trastuzumab
Enzyme wie die Lactase und Rasburicase
Rezeptoren und Fusionsproteine wie Abatacept und Etanercept
Impfstoffe wie die Grippeimpfung
Blutgerinnungsfaktoren wie der Faktor VIII oder Faktor IX
Hormone wie Insuline, Somatropin, Gonadotropine
Zytokine, Interferone
Toxine: Botulinumtoxin
Allergene

Dosierung

Gemäss der Fachinformation. Therapeutische Proteine werden meistens parenteral als Injektion oder Infusion gespritzt, weil sie im Verdauungstrakt abgebaut werden und sich deshalb in der Regel nicht für eine perorale Gabe eignen. Ein Beispiel für ein oral verfügbares Peptid ist Semaglutid und inhalierbares Insulin ist in einigen Ländern im Handel.

Proteine haben häufig eine lange Halbwertszeit und ein entsprechend langes Dosierungsintervall. Bei Proteinen mit einer kurzen Wirkdauer kann durch strukturelle Veränderungen wie einer Pegylierung eine Verlängerung erzielt werden.

Selten können therapeutische Proteine auch peroral eingenommen werden – so zum Beispiel Verdauungsenzyme.

Missbrauch

Wie andere Wirkstoffe können auch einige therapeutische Proteine missbraucht werden, etwa rekombinantes Erythropoetin (EPO) als Dopingmittel im Sport.

Kontraindikationen

Die vollständigen Vorsichtsmassnahmen finden sich in der Arzneimittel-Fachinformation der jeweiligen Produkte.

Interaktionen

Proteine haben in der Regel ein vergleichsweise geringes Interaktionspotenzial. Vorteilhaft ist auch, dass es körpereigene Produkte sind und beim Abbau keine toxischen Metaboliten entstehen.

Unerwünschte Wirkungen

Die Verabreichung von Proteinen kann zu einer Entwicklung von Autoantikörpern führen, die gegen die Therapeutika gerichtet sind und die Wirkung aufheben. Die Immunogenität kann allergische Reaktionen bis zu einer Anaphylaxie hervorrufen.

Proteine sind gegenüber Umwelteinflüssen sehr empfindlich und aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses handelt es sich in der Regel um teure Produkte. Etwas günstiger sind Biosimilars, also Nachahmerprodukte von Biologika.

siehe auch

Aminosäuren, Biologika, Biosimilars, Monoklonale Antikörper, Verdauungsenzyme, Small Molecules, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Enyzme, Amide, Proteinreiche Lebensmittel, Polymere, Hydrolyse

Literatur

Arzneimittel-Fachinformation (CH)
Dimitrov D.S. Therapeutic proteins. Methods Mol Biol, 2012, 899, 1-26 Pubmed
Rehman K. et al. Delivery of Therapeutic Proteins: Challenges and Strategies. Curr Drug Targets, 2016, 17(10), 1172-88 Pubmed
Lehrbücher der Chemie
Kimchi-Sarfaty C. et al. Building better drugs: developing and regulating engineered therapeutic proteins. Trends Pharmacol Sci, 2013, 34(10), 534-48 Pubmed
Ozgur A., Tutar Y. Therapeutic proteins: A to Z. Protein Pept Lett, 2013, 20(12), 1365-72 Pubmed

Autor

Interessenkonflikte: Keine / unabhängig. Der Autor hat keine Beziehungen zu den Herstellern und ist nicht am Verkauf der erwähnten Produkte beteiligt.