Das Leibniz-Institut DSMZ erhält als erstes Institut in Deutschland GMP-Zertifikat nach Arzneimittelgesetz für die DNA-Sequenzierung zur Erforschung therapeutischer Phagen.
Zertifizierte Phagen-Forschung
Erstmalig erhielt mit dem Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH ein wissenschaftliches Institut in Deutschland die GMP-Zertifizierung zur Identitätsprüfung von Phagen-Prüfpräparaten zur Anwendung am Menschen gemäß § 64 Absatz 3f Arzneimittelgesetz. Das Leibniz-Institut DSMZ kann somit die DNA-Sequenzierung zur Identifizierung von Phagen in Projekten, die an einem therapeutischen Einsatz von Phagen forschen, durchführen. Als zuständige Überwachungsbehörde bestätigte das Staatliche Gewerbeaufsichtsamt Braunschweig die GMP-Zertifizierung am zweiten August 2022. Die Behörde für Arbeits-, Umwelt- und Verbraucherschutz zertifiziert, dass das Leibniz-Institut DSMZ die Anforderungen der „Guten Herstellungspraxis“ (Good Manufacturing Practice = GMP) für die DNA-Sequenzierung zur Identitätsprüfung in Phagenprojekten erfüllt. Damit gehört das Leibniz-Institut DSMZ zu den wenigen Einrichtungen weltweit, die dazu befähigt und anerkannt sind. Die DNA-Sequenzierung zur Identifizierung von Phagen ist die Grundlage der weiterführenden Forschung und kann jederzeit als Identitätskontrolle einer Phagenpräparation dienen.
Innerhalb von zwei Monaten ist es der Arbeitsgruppe „DNA und Sequenzierung“ der DSMZ-Abteilung „Bioinformatik & Datenbanken“ gelungen, die Inspektion des Gewerbeaufsichtsamts im Rahmen der Arzneimittelüberwachung vorzubereiten und im Anschluss erfolgreich zu absolvieren. Das Zertifikat bestätigt, dass die DSMZ für die Sequenzierung zur Identitätsprüfung von Phagen nach den GMP-Richtlinien arbeitet und von Arzneimittelherstellern beauftragt werden kann. Der Bedarf zur GMP-Zertifizierung entstand aus den zwei Forschungsprojekten „PhagoFlow“ und „Phage4Cure“ der von Dr. Christine Rohde geleiteten Arbeitsgruppe „Klinische Phagen und gesetzliche Regulation“ der DSMZ-Abteilung „Bioressourcen für Bioökonomie und Gesundheitsforschung“ unter der Leitung von Prof. Dr. Yvonne Mast. „Das GMP-Zertifikat kann auch über den Einsatz in den beiden Projekten hinaus verwendet werden und zeichnet die DSMZ als bisher einziges Institut in Deutschland aus, das diese Dienstleistung für Bakteriophagen unter GMP-Bedingungen anbietet.“, erläutert die DSMZ-Justiziarin Dr. Hilke Püschner. In den wissenschaftlichen Projekten mit dem Ziel, Phagen als zugelassenes Arzneimittel zu etablieren, entstand der Bedarf einer GMP-konformen Sequenzierung zur Charakterisierung und Freigabe von therapeutischen Phagen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer ITEM in Braunschweig, das im Rahmen der beiden oben genannten Forschungsprojekte therapeutische Phagen herstellt, wurde nach Erkennen des dringenden Bedarfs an der Erstellung einer geeigneten Standardarbeitsanweisung, der Vorbereitung der Infrastruktur in den Laboren und Analytikräumen sowie einem nachvollziehbaren Proben- und Verbrauchsmaterialmanagement gearbeitet.
Die durch Drittmittel geförderte und institutionell stark fokussierte Phagenforschung an der DSMZ begann ab 2005/2006. Heute gehört zur weltweit vielfältigsten Bioressourcensammlung der DSMZ auch die DSMZ-Phagenbank mit mehr als 1.000 Phagen. Aus Anlass der GMP-Zertifizierung hat der Leiter der Stabsstelle Presse und Kommunikation PhDr. Sven-David Müller ein Interview zu Bakteriophagen, die wahrscheinlich die häufigste Daseinsform auf der Erde sind, mit Dr. Christine Rohde und Dr. Johannes Wittmann geführt.
Was sind Bakteriophagen?
Bakteriophagen oder kurz „Phagen“ sind Viren, die nur Bakterien erkennen und mit ihnen interagieren können, sodass sie im nächsten Schritt in die Bakterienzellen eindringen und sich darin vermehren können, um dann die Bakterien schlussendlich zu lysieren. Da Phagen spezifisch nur innerhalb jeweils einer Bakterienart ihre Zielzellen durch Rezeptoren erkennen und dies Voraussetzung für die nachfolgenden Schritte des lytischen Zyklus ist, gibt es in der Natur eine unendliche Zahl und Vielfalt von Phagen. Gegen fast alle Bakterien, die man als „Selektions-Köder“ benutzt, können Phagen aus natürlichen Standorten gefunden werden. Sie sind auch die natürlichen Regulatoren der Bakterienmasse der gesamten Biosphäre und gehören beispielsweise als Bestandteil des Viroms auch in unserem Mikrobiom fest in unser Leben.
Wie könnten Bakteriophagen eingesetzt werden?
Überall da wo Bakterien unerwünscht sind, in der Human- und Tiermedizin, in der Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung. Das letztgenannte Anwendungsgebiet ist das einzige rein präventive, dagegen stellt die Anwendung in der Medizin, aber auch in der Landwirtschaft, besonders der Nutztierhaltung, eine Alternativoption zur Antibiotikaanwendung dar. Aufgrund ihrer Wirtsspezifität können Phagen gezielt eingesetzt werden, wenn die bakteriellen Ziele bekannt sind, eine Voraussetzung. Hinsichtlich der Form der Anwendung gibt es im Prinzip keine Grenzen, solange die Phagen nicht durch Hitze, Säure, Desinfektionsmittel oder Scherkräfte geschädigt werden.
Können Bakteriophagen bei antibiotikaresistenten Keimen effektiv wirken?
Ja, wenn die Phagen nachgewiesenermaßen zu den Keimen passen, also diese effektiv lysieren können. Das muss vorher im Labor in verschiedenen Experimenten beurteilt werden, auch wenn wir damit nicht die Phagenwirkung im Patienten vorhersagen können. Ob ein Keim antibiotikaresistent oder -sensitiv ist, ist nicht ausschlaggebend, sondern viele Aspekte der Phagenbiologie müssen vor Phagenanwendung untersucht worden sein, diese Aspekte betreffen Sicherheit und Effizienz in der Anwendung, denn es gibt bei Phagen auch einige unerwünschte Eigenschaften, die durch Analysen der Phagengenome ausgeschlossen werden können und müssen.
Wie viele Bakteriophagen werden in der DSMZ-Phagensammlung beforscht und gesammelt?
Zurzeit sind es etwas mehr als 1.000, die Sammlung wächst besonders durch die Forschungsprojekte. Beforscht werden aber nicht alle Phagen, der Forschungsbedarf richtet sich meist nach den Fragestellungen der Projekte oder nach spontanen Fragestellungen innerhalb der Arbeitsgruppe oder es ergeben sich Aspekte durch externe Anfragen. Die Phagensammlung ist jedenfalls mittlerweile so umfangreich, dass sie viel „Spielmasse“ bietet.
An welchen Bakteriophagen-Forschungsprojekten sind Sie momentan in welcher Form beteiligt?
Wir sind in vier anwendungsbezogenen Forschungsprojekten der Humanmedizin beteiligt und zwar in allen Fällen im Forschungs- und Entwicklungs-Bereich des mikrobiologischen Labors und erforschen dabei die Phagenbiologie mit allen uns möglichen Verfahren zur Charakterisierung der Phagen, inklusive Sequenzierung und Analyse der Genome (unter anderem Identifizierung von Antibiotikaresistenz-Genen, Virulenzfaktoren oder Lifestyle): Phage4Cure ist eine klinische Studie und die Arbeiten des Gesamt-Konsortiums sind so weit gediehen, dass das Vorhaben zu Beginn 2023 in die klinische Phase I geht. Phagen werden an der Charite Research Organisation GmbH Berlin inhalativ gegen Pseudomonas aeruginosa bei gesunden Probanden und Patienten verabreicht. Im Projekt PhagoFlow wird die Praktikabilität der individuellen Phagenanwendung an einzelnen Patienten am Bundeswehrkrankenhaus Berlin getestet und soll die Voraussetzungen in Deutschland aufzeigen. Ein DZIF-finanziertes klinisches Projekt, IDEAL-EC, ist zunächst nach Plan in den Laboren der DSMZ abgeschlossen worden, dabei wurde ein Phagencocktail gegen bestimmte pathogene E. coli entwickelt und seine Effizienz erforscht, durchgeführt von der Dr. med. Anika Claßen vom Universitätsklinikum Köln. Der Phagencocktail wird an weiteren klinischen Standorten in präklinischen Versuchen auf seine Effizienz getestet. Ebenso von DZIF finanziert ist das im Juli 2022 gestartete Projekt EVREA-Phage. Hier soll ein Phagencocktail gegen Enterococcus faecium (Vancomycin-resistente Stämme) entwickelt werden, der später insbesondere immunsupprimierten hämatologischen Patienten zur Vermeidung von Blutstrominfektionen verabreicht werden soll. E. faecium ist in seinen multiresistenten Varianten in Deutschland stark sowie zunehmend verbreitet und zählt zu den besorgniserregenden Bakterien der WHO-Prioritätsliste. Ohne medizinische Zusammenhang ist die DSMZ Teil eines Schwerpunktprogramms zur Erforschung verschiedener Aspekte von Phagenbiologie (SPP2330 – „New concepts in prokaryotic virus-host interaction“), die AG Phagen unterstützt dort als infrastrukturelles Z-Projekt die einzelnen Forschungsprojekte des Verbunds mit etablierten Technologien und Bioressourcen. Zudem dient sie natürlich auch als Hinterlegungsstelle der im SPP isolierten Bioressourcen und sorgt damit zusammen mit dem Aufbau einer Virus-gewidmeten Datenbank für die Nachhaltigkeit des SPPs.
Wie sehen Sie die Zukunft der Bakteriophagenforschung?
Die Phagenforschung hat mit Sicherheit sehr große Zukunft. Es werden aber zunehmend Fragen hinzukommen, für die die Zeit aktuell insbesondere aus regulatorischer Sicht noch nicht reif ist. Als Beispiel können gentechnisch veränderte Therapiephagen genannt werden oder die Systembiologie. Auch in der Zukunft werden nicht nur anwendungsbezogene Themen wichtig sein, sondern auch Fragen der Grundlagenforschung, um die Phage-Wirt- Wechselwirkung und das Zusammenspiel von Struktur, Funktion und Regulation besser zu verstehen. Aufgrund der Komplexität und Diversität der Phagen werden vermutlich die offenen Fragen nie versiegen. Jedes unserer Forschungsprojekte verdeutlicht fast täglich diese Komplexität und Diversität, aber: „Wer nicht phagt, der nicht gewinnt!“.
Unter welchen Voraussetzungen können Bakteriophagen bei Patienten eingesetzt werden und wann rechnen Sie damit?
Dies braucht eine definierte Infrastruktur, die zunächst auf einem gut etablierten Forschungs und Entwicklungs-Sektor mit einer umfangreichen Phagenbank und Forschungsmöglichkeiten aufbaut. Im nächsten Schritt müssen die Phagen, die als Therapiephagen in Frage kommen, durch fachkundige Herstellungslabore aufgereinigt werden. Das Arzneimittelgesetz darf dabei nicht umgangen werden, es beinhaltet zurzeit noch als Qualitätskriterium bei Phagen die GMP-Herstellung jedes einzelnen Phagenpräparats in der Humanmedizin. Da wir aber in der Expertengemeinschaft erkannt haben, dass eine flexible Vielzahl von Phagen pro Bakterienart nötig ist, die idealerweise als Bank bereits gereinigter Phagen für klinische Anwendung bereitsteht, besteht an dem Punkt noch ein großes Problem, das nur überwunden werden kann, wenn nicht zwingend GMP im gesamten Aufreinigungsprozess nötig ist sondern ein Phagen-angepasstes Qualitätsprüfsystem, das letztlich die individuellen magistralen Phagenmischungen für einen Patienten zeitnah erlaubt.
Werden Bakteriophagen auch bei Tieren eingesetzt?
Neben der Anwendung in der Humanmedizin wurde natürlich auch das Interesse am Einsatz von Phagen in der Veterinärmedizin und auch Lebensmittelindustrie geweckt, um präventiv beispielsweise zoonotische Pathogene zum Beispiel in Ställen oder bei der Lebensmittelverarbeitung zu reduzieren. Aber auch der Einsatz von Phagen zur therapeutischen Behandlung von akuten Infektionen bei Haus- und Nutztieren wird immer interessanter.
Die DSMZ ist das größte Bioressourcenzentren weltweit. Die Sammlung umfasst derzeit über 82.000 Bioressourcen.
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Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen
PhDr. Sven-David Müller, M.Sc.
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