Die 10 wichtigsten Biotech-Innovationen, die Sie kennen sollten

Jennifer Huen, freiberuflicher Biochemiker auf Kolabtree, stellt die 10 wichtigsten Biotech-Innovationen vor, die heute auf dem Markt sind. Lesen Sie mehr über die besten Life-Science-Produkte und -Dienstleistungen und die Unternehmen, die hinter ihnen stehen.  

Biotechnologische Innovationen haben in den letzten 10 Jahren stetig zugenommen, nicht nur in der Medizin, sondern auch in den Bereichen Landwirtschaft, Umwelt und Energie. Fast alle diese Biotech innovations involve genetic engineering, diagnostics, or assays, reflecting on the importance of synthetic biology on current biotechnological developments. Here are the top 10 biotech innovations that are transforming the industry. 

 1. Single Cell Technologies

Einzelzelltechnologien bieten detaillierte Einblicke in die zelluläre Umgebung und sind wichtige Instrumente für die Arzneimittelforschung und die klinische Forschung. Zusammen mit Sequenzierung der nächsten GenerationDie Einzelzelltechnologien vermitteln ein realistischeres Bild einer Zellpopulation, was insbesondere für das Verständnis der Heterogenität der Tumorumgebung wichtig ist. Da diese Technologien hauptsächlich in der Forschung eingesetzt werden, bieten eine Reihe von Auftragsforschungsunternehmen Einzelzellsequenzierungs- und Analyseplattformen mit spezifischen DNA-Panels an. Zum Beispiel, Mission Bio bietet ihre Tapestri-Plattform an, mit der Forscher ein genetisches Profil jeder Zelle in einer bestimmten Population erstellen können, indem sie einen zweistufigen mikrofluidischen Arbeitsablauf mit der Einzelzellsequenzierung kombinieren [1]. Krankheitsspezifische Profile können mit Hilfe spezifischer DNA-Panels erstellt werden, wie z. B. dem Panel für akute lymphoblastische Leukämie [1]. Für Einzelzellanalysen sind in der Regel mehrere Geräte mit separaten Protokollen erforderlich. Berkeley Lights ist jedoch einen Schritt weiter gegangen und hat ein einziges Gerät entwickelt, mit dem Zellen einzeln und gleichzeitig verarbeitet und analysiert werden können. Der Beacon ist in der Lage, mehrere Einzelzellmanipulationen auf einem optofluidischen Chip durchzuführen, der Zehntausende winziger Zellkammern enthält [2]. Mit Hilfe der lichtinduzierten Dielektrophorese werden spezifische Zellen für die weitere Analyse aufgeteilt, z. B. für das Screening des Antikörperrepertoires, wie es das Unternehmen für Arzneimittelforschung demonstriert hat, Aldevron [2, 3]. Der Lightning wurde kürzlich auch für die T-Zell-spezifische Forschung eingeführt [4].

2. Aptamer-Biosensoren 

Blutzuckermessgeräte, Schwangerschaftstests und Schwermetallsensoren sind nur einige der auf Biosensoren basierenden Detektoren, die seit den 1960er Jahren entwickelt und eingesetzt werden [5]. Biosensoren bestehen aus Enzymen, Antikörpern oder Mikroben, die ein Auslesen der nachgewiesenen Verbindung ermöglichen. Neuere Sensortechnologien haben sich auf Methoden auf der Basis von Nukleinsäure-Aptameren konzentriert, da diese das Potenzial haben, empfindlicher, stabiler und kostengünstiger zu sein als frühere Methoden. Aptamer-Biosensoren are typically developed by systematic evolution of ligands using exponential enrichment (SELEX,[6]), which generate stable DNA or RNA molecules that are highly selective to its target. For environmental testing or medical diagnostics where sample complexity is high, aptamers might just be the right type of molecule and a number of companies have focused on developing aptamers for these purposes. For example, South Korea-based Aptamer Sciences has developed an in vitro diagnostic test called the AptoDetect-Lung that assesses the risk of a patient developing lung cancer by detecting seven lung cancer Biomarker [7]. The test was shown to improve diagnostic accuracy compared to CT scan examination [8]. AptoDetect-Lung was recently granted diagnostic approval by the Korean Ministry of Food and Drug Safety [7].

3. Current Cell Therapies 

Die Behandlung chronischer Krankheiten erfordert manchmal wiederholte medikamentöse Behandlungen, aber stellen Sie sich vor, es gäbe eine Möglichkeit, die Medikamente dorthin zu bringen, wo sie gebraucht werden, wenn es benötigt wird, automatisch. Hier entwickeln Wissenschaftler medikamentenabgebende Zelltherapien [9]. Bei Typ-1-Diabetikern führen geschädigte β-Zellen der Bauchspeicheldrüse zu Insulinmangel und einem Anstieg des Blutzuckerspiegels, was zu Symptomen wie häufigem Wasserlassen, übermäßigem Durst und Kopfschmerzen führt [10]. Eine mögliche Lösung wird derzeit entwickelt von Seraxis: ein implantierbares Gerät, das aus im Labor gezüchteten Pankreaszellen besteht und direkt auf den Blutzuckerspiegel des Patienten reagiert [11]. Das Gerät enthält Inselzellen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) hergestellt wurden, und soll die medikamentöse Behandlung dieser Patienten überflüssig machen. Ein weiteres Unternehmen, das derzeit implantierbare, einmalige Behandlungen entwickelt, ist das in Auckland ansässige Technologien für lebende Zellen. Ihre NTCell-Therapie besteht aus einer mit Alginat beschichteten Kapsel, die neonatale Aderhautplexuszellen enthält und in das Gehirn von Parkinson-Patienten implantiert wird [12]. Aderhautplexuszellen liefern Liquor, Mitogene und andere Faktoren, die das Wachstum und die Funktion von Neuronen unterstützen [12]. Im Jahr 2013 sponserte Living Cell Technologies die weltweit erste klinische Studie zur regenerativen Zelltherapie der Parkinson-Krankheit und evaluiert derzeit NTCell für weitere Studien.

4. Stem Cell Applications

Seit Anfang der 1980er Jahre untersuchen Wissenschaftler die Bedingungen und kontrollieren die Identität der Stammzellen differentiate. The ability to generate the desired cell type by controlled differentiation proved to be industrially important in areas such as Arzneimittelentwicklung, regenerative medicine, and the manufacture of valuable bio-materials. For example, one Canadian-based company, NovoHeart, developed a solution for researchers looking to conduct drug tests for cardiac diseases. Their MyHeart platform utilizes iPSCs to generate human cardiac tissue or organ models, such as their human ventricular cardiac organoid chamber (or human heart-in-a-jar), which more closely mimics the actual human heart environment than animal models typically used during preclinical development [13, 14]. MyHeart is intended to predict, more accurately, the effects of new drugs before they head to klinische Studien. Another company is focused on bringing stem cell technology directly to the point of need. Thrombozyten-BioGeneseein 2014 gegründetes Unternehmen mit Sitz in Massachusetts, entwickelt einen mobilen Bioreaktor für die Zelltherapie vor Ort, z. B. in militärischen Lazaretten [15, 16]. Der Bioreaktor stellt iPSC-abgeleitete plättchenartige Zellen her, die derzeit zur Behandlung von Blutgerinnungskrankheiten wie Immunthrombozytopenie entwickelt werden [16].

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"Durch die Integration von @HarvardDurch die Kombination der Bioreaktortechnologie von Novoheart mit unserer eigenen, patentrechtlich geschützten Herz-in-einem-Gefäß-Technologie wird Novoheart seine Fähigkeiten zur Krankheitsmodellierung auf ein noch nie dagewesenes Niveau der Biotreue für In-vitro-Untersuchungen des menschlichen Herzens bringen" - Kevin Costahttps://t.co/zBwXX48EPL

- Novoheart (@Novoheart) 19. Dezember 2019

 Stammzellentechnologien beschränken sich keineswegs auf die medizinische Forschung und Behandlung, wie die Zahl der Unternehmen zeigt, die in kultiviertes Fleisch und alternative Proteine investieren. Mit Hilfe der zellulären Landwirtschaft können Unternehmen wie Zukünftige Felder, Memphis Meatsund Super-Fleisch entwickeln im Labor gezüchtete Hühner, Rinder, Enten, Eier und Milch. Der erste Hamburger-Patty wurde 2013 im Labor von Mark Post an der Universität Maastricht hergestellt, allerdings für den kolossalen Preis von rund $300.000 USD [17, 18]. Seitdem bemühen sich Unternehmen um eine Senkung der Herstellungskosten, wobei das in Israel ansässige Unternehmen Super Meat das Rennen möglicherweise anführt: Im Oktober dieses Jahres wird in seinem Restaurant The Chicken das erste Degustationsmenü mit Hühnchen aus dem Labor angeboten [19, 20].

5. CRISPR-based Platforms

Seit der Entdeckung des Streptokokkus pyogenes CRISPR-Cas9 adaptive immune response by the groups of Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier [21], both of whom are this year’s Nobel prize recipients in Chemie, a number of CRISPR-based companies have been established. However, the first commercial application actually began in 2007 when scientists at Danisco (acquired by DuPont in 2011) discovered short repeat sequences in the genome of one of their yogurt bacteria, Streptokokkus thermophilus [22, 23]. Sie stellten fest, dass es sich dabei um "clustered regularly interspaced short palindromic repeats" (CRISPR) handelt, die von S. thermophilus um Bakteriophageninfektionen abzuwehren [23]. Dupont nutzte diese Entdeckung später, um phagenresistente Stämme für die Joghurtherstellung zu entwickeln [22, 23]. Etwa ein Jahrzehnt später sind verschiedene CRISPR-Cas-Systeme bis hin zur atomaren Struktur charakterisiert worden, wobei CRISPR-Cas9 das am meisten untersuchte ist.

Der Trend zur Entwicklung industriell wichtiger Organismen hält bis heute an und ist mit der CRISPR-Cas9-Technologie schneller als je zuvor. Synthetic Genomikentwickelt in Zusammenarbeit mit Exxon Mobile CRISPR-veränderte Mikroalgen mit erhöhtem Lipidausstoß, was die Ölherstellung verbessern und möglicherweise die CO2 Emissionen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen [24, 25]. PLANTeDit und Toolgen setzen CRISPR-Cas9 ein, um nachhaltige Nutzpflanzen wie Sojabohnen zu entwickeln, ohne fremde DNA einzuführen [26]. Dies wird als DNA-freies Genom-Editing bezeichnet, und obwohl ihre Pflanzen gentechnisch verändert werden, würden sie die regulatorischen Hürden von GVO umgehen [26].

Die ersten Unternehmen, die mit einem CRISPR-basierten Therapeutikum klinische Studien am Menschen begonnen haben, waren CRISPR-Therapeutika und Vertex Pharmazeutika im Jahr 2018 [27-29]. CTX001 ist ein ex vivo Therapie, die für die Behandlung von β-Thalassämie und Sichelzellenanämie untersucht wird [30]. Bei der Therapie werden Blutstammzellen des Patienten entnommen, mit CRISPR-Cas9 gentechnisch verändert und die Zellen dem Patienten wieder zugeführt. Obwohl die klinische Bewertung von CTX001 noch in den Kinderschuhen steckt, zeigten vorläufige Ergebnisse (die im Juni dieses Jahres vorgestellt wurden) den potenziellen Nutzen der Behandlung bei Patienten mit Hämoglobinopathien [31].

6. Directed Evolution Platforms

Im Jahr 2018 erhielten Frances Arnold, George Smith und Gregory Winter den Nobelpreis für Chemie für ihre Forschung im Bereich der gerichteten Evolution von Enzymen, Peptiden und Antikörpern [32]. Gezielte Evolutionsplattformen umfassen in der Regel die Erzeugung großer, randomisierter genetischer Bibliotheken, die Varianten des gewünschten Gens exprimieren. Diese Bibliotheken werden gescreent, indem diejenigen Proteinvarianten ausgewählt werden, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen, wie z. B. eine erhöhte Ligandenbindung oder katalytische Aktivität. Dieser Prozess wird in der Regel durch das Screening weiterer Bibliotheken auf der Grundlage der ausgewählten Varianten wiederholt, bis ein Selektions-Cut-off erreicht ist. Eine Reihe von Therapeutika auf Proteinbasis wurden mit diesem Verfahren entwickelt: Humira (AbbVie), Lumoxiti (MedImmune), und Gamifant (NovImmune) [33].

Ein Unternehmen hat die Technologie der gerichteten Evolution weiterentwickelt. Carmot-Therapeutika, a drug discovery company based in Berkeley, developed the Chemotype Evolution platform to identify novel drugs. During Chemotype Evolution, a set of small molecules are linked to a proprietary fragment collection to generate a library of candidate drugs. The library is screened against a human target and selected candidate drugs are submitted to further rounds of linkage and selection until the candidate drug has evolved into an high-affinity binding molecule [34]. Using Chemotype Evolution, Carmot identified two candidate compounds that are currently in clinical trials [34]. Other companies are using directed evolution to generate microbial platforms. Primordial Genetics, a San Diego-based biotech, is developing a platform that produces large microbial libraries through combinatorial genetics called the Function Generator [35]. Function Generator allows them to select for specific microbes that can potentially address a range of issues, from identifying stress tolerant yeasts for biofuel production to microbes capable of degrading plastics efficiently [35].

7. Microbiome-based Innovations 

Im Jahr 2007 riefen die United States National Institutes of Health das Human Microbiome Project (HMP) ins Leben, um finanzielle Unterstützung, Referenzdatenbanken und andere Ressourcen für die Mikrobiomforschung bereitzustellen [36]. Dementsprechend führte die Einrichtung des HMP zu einem Aufschwung der Forschungsergebnisse und zu einer deutlichen Erhöhung der finanziellen Unterstützung [36]. Im Laufe der Jahre entstanden vor allem computergestützte und statistische Forschungswerkzeuge (aufgrund der riesigen Datensätze, die erzeugt wurden) und eine Reihe von Mikrobiom-Unternehmen. Viele dieser Unternehmen konzentrierten sich auf die Behandlung von Krankheiten beim Menschen, wie z. B. topische Lösungen zur Wiederherstellung des Hautmikrobioms (AOBiome, [37]) oder die Verabreichung von Medikamenten mithilfe von Darmbakterien (Blue Turtle Bio, [38]), während einige Unternehmen Mikrobiom-Technologien auf andere Weise nutzten. Aster Bio developed the Environmental Genomics platform to assist their clients in monitoring liquid waste output and prevent contamination of natural water bodies [39]. The platform profiles waste samples by detecting genetic biomarkers that are specific to key microbes, informs on potential operational issues (such as insufficient ammonia removal), and directs waste water treatment [39]. Sunnyvale-based Floragraph untersucht ebenfalls Abfälle, will aber die Mikrobiomanalyse direkt in die Haushalte bringen [40]. Ihr tragbares Mikrobiom-Gerät ist für Kunden gedacht, die an der Selbstüberwachung chronischer Krankheiten interessiert sind oder die Gesundheit von Haustieren durch die Analyse des Mikrobioms von Stuhlproben verfolgen wollen [40]. Obwohl es ungewiss ist, wie viele Menschen ihre eigene Kacke zu Hause analysieren wollen, bietet der Floragraph eine tragbare, kostengünstige und zugängliche Lösung für die Mikrobiomanalyse. Für medizinische und Forschungsanwendungen vor Ort könnte dieses Gerät genau die richtige Lösung sein.

8. DNA Hard Drives

Von den Anfängen elektronischer Datenspeichersysteme wie der Magnettrommel und der Diskette bis heute ist es ein weiter Weg. Der technologische Fortschritt hat unsere Datenspeicherkapazität um enorme Größenordnungen erhöht, von einigen zehn Kilobyte (Magnettrommel) bis in den Petabyte-Bereich (Cloud-Server) [41]. Mit dieser enormen Speicherkapazität geht auch ein enormer Platzbedarf für die Unterbringung der Serverfarmen einher, die die Cloud unterstützen. Wissenschaftler haben sich erstmals 1988 mit der Verwendung von DNA-Molekülen zur Datenspeicherung befasst, wobei 35 Bits aus Einsen und Nullen ein 5 x 7-Bit-Quadratbild in die E. coli Genom [42, 43]. Seitdem haben verschiedene Institutionen und Unternehmen ihre Bemühungen in die Entwicklung von DNA-basierten Datenspeichersystemen investiert, da die Kosten, der Energieverbrauch und der Platzbedarf im Vergleich zum Betrieb von Serverfarmen deutlich geringer sind [42]. Bemerkenswerterweise wird geschätzt, dass die Speicherung aller Daten der Welt in nur 1 kg DNA komprimiert werden könnte [42]. Wie kann man also seine Fotos oder Musik in die DNA "hochladen"? Wissenschaftler des Universität von Washington und Microsoft versuchten dies in ihrer Proof-of-Concept-Studie für ein automatisches DNA-Speichersystem anzugehen [44]. Sie wiesen nach, dass ihr Gerät in der Lage war, ein 5 Byte langes "Hello" in eine DNA-Sequenz zu kodieren, die DNA zu synthetisieren, zu speichern, zu sequenzieren und das "Hello" abzurufen [44]. Der gesamte Prozess dauerte 21 Stunden und wäre heute nicht praktikabel, um ein einziges Foto zu speichern. Aber angesichts der Geschwindigkeit, mit der solche Technologien entwickelt werden, wäre es keine Überraschung, wenn sie in naher Zukunft verfügbar wären.

9. DNA Origami 

Die Basenpaarung der Nukleotide in DNA und RNA macht sie zu einem attraktiven biomolekularen Material mit "selbstorganisierenden" Fähigkeiten. Dies wurde Mitte der 2000er Jahre von verschiedenen Gruppen nachgewiesen [45-47], darunter Paul Rothemund, der eine Methode vorstellte, mit der sich DNA zu zweidimensionalen Quadraten, Dreiecken, glücklichen Gesichtern und anderen Formen zusammensetzen lässt [48]. Im Jahr 2017 gelang es mehreren Forschungslabors, die größten DNA-Nanostrukturen zu konstruieren: große Nanostäbchen, Ziegelsteine und Kacheln, die sich zu riesigen Strukturen mit Längen im Bereich von Hunderten von Nanometern bis zu über einem Mikrometer zusammenfügen [49-51]. Diese Studien zeigen klare, dreidimensionale Bilder der DNA-Nanostrukturen, die zeigen, dass Nukleinsäuren so gestaltet werden können, dass sie sich zu einer beliebigen Anzahl von Strukturen zusammenfügen, die in der Medizin, der Elektronik und bei Biomaterialien Anwendung finden können. Derzeit wird das DNA-Origami entwickelt, um Plattformen für die Verabreichung von Medikamenten zu schaffen (Genisphäre), diagnostische Nanoroboter (Nanovery) und in Enzyme eingebettete Nanostoffe für Anwendungen wie die Metabolitenproduktion (StoffNano) [52]. Nanovery’s nanorobots are designed using künstliche Intelligenz to detect circulating tumor DNA (ctDNA) [53]. Their diagnostic nanorobot is intended to replace current liquid biopsy tests for ctDNA, which require extensive time and cost. The nanorobot is inserted into a blood sample and if cancerous DNA is detected, lights up within 1-2 hours. As mutations continue to accumulate in cancerous DNA, Nanovery intends to continuously evolve their nanorobots to detect these new mutations [53].

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— Genetic Engineering & Biotechnologie News (@GENbio) Dezember 10, 2017

10. Artificial Intelligence in Medicine

Obwohl künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen are not considered biotechnologies, they deserve a mention due to their impact in the medical field. Research interest in AI-based medical applications has grown significantly over the past decade, as shown by the 20-fold increase in relevant publications from 2010 (596 papers) to 2019 (12422) [54]. At the time of writing, there were a little over 70 market approved AI algorithms for medical applications, according to a study conducted by the University of Groningen and the Medical Futurist Institute [54, 55]. A number of these applications use image-based machine learning algorithms for the analysis, diagnosis, or assessment of disease. QuantX von Qlarity Imaging Software ist ein Hilfsmittel für Radiologen, um abnorme Stellen auf MRT-Bildern der Brust schneller und genauer zu erkennen [56]. In einer klinischen Studie, in der die Fähigkeit eines Radiologen bewertet wurde, bösartige Läsionen in MRT-Bildern korrekt zu erkennen, schnitten die Radiologen besser ab, wenn sie die QuantX-Software verwendeten [57]. Das Forschungsinteresse gilt vor allem der Entwicklung völlig autonomer medizinischer Roboter, die derzeit für die Ausführung sehr spezifischer Aufgaben trainiert werden. Das IDx-DR-Gerät, entwickelt von Digitale Diagnostikerfasst Netzhautbilder zur Diagnose der diabetischen Retinopathie, einer Ursache für die Erblindung von Diabetikern [58]. Die Bilder werden von einer KI-Maschine analysiert, die darauf trainiert ist, Biomarker wie Proteinablagerungen und Exsudate zu erkennen, und die innerhalb von 30 Sekunden einen Diagnosebericht erstellt. Derzeit wird auch an der Entwicklung von völlig autonomen chirurgischen Robotern, medizinischen Assistenten für zu Hause und Robotern zur Unterstützung der psychischen Gesundheit gearbeitet.

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