Technologien sind in der Lage, Aktivitäten zu verändern, indem sie die Dinge einfacher oder einfacher zu erreichen machen. Die Biotechnologie ist heute so weit fortgeschritten, dass sie das volle Potenzial für die Entwicklung neuer Technologien zum Wohle des Menschen nutzt.
Sequenzierung von Fortschritten und Anwendungen
Einzelzellige Genom- und Transkriptom-Sequenzierungsmethoden erzeugen eine neue Welle biologischer Erkenntnisse über Entwicklung, Krebs und Neurowissenschaften. Genom- und Transkriptom-Sequenzierung benötigen mehr Ausgangsmaterial als die wenigen Pikogramme in einer einzelnen Zelle und verschieben die Grenzen der Amplifikationstechnologie. Starke Verstärkung verbreitet auch Fehler und Verzerrungen, was zu ungleichmäßiger Abdeckung, Rauschen und ungenauer Quantifizierung führt. Die jüngsten technischen Fortschritte haben dazu beigetragen, diese Herausforderungen zu mildern, indem sie die Einzelzellen-Sequenzierung zu einer attraktiven Möglichkeit gemacht haben, um eine wachsende Anzahl von Problemen zu lösen. Seltene Zelltypen, heterogene Proben, Phänotypen, die mit Mosaikismus oder Variabilität verbunden sind, und Mikroben, die nicht kultivierbar sind, sind gute Kandidaten für Einzelzellansätze. Die Einzelzell-Sequenzierung kann die Entdeckung von klonalen Mutationen, kryptischen Zelltypen oder transkriptionellen Merkmalen ermöglichen, die in Massengewebeuntersuchungen verdünnt oder gemittelt werden. Die einzellige Genomanalyse beeinflusst heute so unterschiedliche Bereiche wie mikrobielle Ökologie, Krebs, pränatale genetische Diagnostik und die Untersuchung der Struktur und Variation des menschlichen Genoms.
Biomarker-Analyse
Die Biomarker-Analyse nutzt Veränderungen der Kennzahlen als prädiktive, präventive oder personalisierte Werkzeuge für den Krankheitszustand, z.B. mit miRNA zur Erkennung von Lungentumoren im Vergleich zu herkömmlichen Screening-Methoden. Da das Wissen über Biomarker einschließlich zirkulierender Nukleinsäuremarker immer verfeinert wird, dürften viele weitere Beispiele für diese Vordiagnose auftauchen. Die Bedeutung von Früherkennung und geeigneter Therapie für das Ergebnis ist nicht zu unterschätzen.
Die Explosion komplexer biologischer Daten über Krankheitszustände war ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung maßgeschneiderter, patientenspezifischer Therapiekonzepte. Anhand von Daten aus der Biomarkeranalyse können Begleitdiagnostikansätze diejenigen Patienten identifizieren, die am ehesten positiv auf bestimmte Behandlungen ansprechen, oder diejenigen Patienten, bei denen unerwünschte Arzneimittelwirkungen am ehesten auftreten. Die sinkenden Kosten für die DNA- und RNA-Sequenzierung erhöhen die patientenspezifischen Vorzüge dieser Art von Verfahren, und es gibt eine Vielzahl von Beispielen für den Einsatz von Biomarkern in der prognostischen Diagnose oder Behandlung von Krankheiten.
CRISPR-Cas und Genombearbeitung
Die Genombearbeitung von Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic-Repeats (CRISPR) ermöglicht präzise genetische Modifikationen und ermöglicht bei Verwendung mit geeigneten Leit- und Tracer-RNAs die Gestaltung einzigartiger Modifikationsstellen sowohl auf der gesamten Genomebene als auch auf der konventionellen Ebene der genetischen Elemente. Die Kraft und der universelle Nutzen dieses Instruments, und auch anderer wie TALENS, wurden mit den Restriktionsendonuklease und PCR-Revolutionen der letzten Jahrzehnte verglichen. CRISPR-Tools werden häufig mit dem Einsatz der programmierbaren DNA-Endonuklease Cas9 kombiniert und wurden bereits bei mehr als 25 Arten eingesetzt, von Viren bis Reis, vom Zebrafisch bis zum Affen.
Die Geschwindigkeit der Entwicklung von CRISPR-Cas-Anwendungen nimmt dramatisch zu. Dieser Ansatz für präzise gezielte Genommodifikationen beschleunigt die Zuchtzyklen bei Mäusen von 6 Monaten auf 3 Wochen und bietet ein breites Anwendungsspektrum, das vom Gen-Silencing über ganz genomweite funktionelle Screening-Techniken bis hin zur Visualisierung der sich ständig verändernden Dynamik von Genomen reicht. CRISPR-Cas wird sich als besonders wichtig für Krankheitsmodellierungsstudien erweisen, wurde kürzlich von chinesischen Wissenschaftlern erfolgreich bei mikroinjizierten Kynomolgusaffen (Macaca fascicularis) eingesetzt, um Primaten mit spezifischen Zielmutationen zu entwickeln. Spezifische Mutationen im Ppar-y-Gen, die die metabolische Regulation beeinflussen, und im Rag1-Gen, die für die Gesundheit des Immunsystems notwendig sind, wurden bisher untersucht. Während diese Demonstration genau gezielter Modifikationen noch nicht zu praktischen Anwendungen in der Biomedizin geführt hat, wird sich die Etablierung der Fähigkeit dazu in einem Primatenmodell als unschätzbar erweisen, um Krankheitszustände zu untersuchen, bei denen 2.000 Mutationen mit 300 Zuständen, der Entwicklungsbiologie und der epigenetischen Kontrolle der Genexpression assoziiert zu sein scheinen.
Gentherapie
Hunderte von Gentherapieversuchen wurden durchgeführt, von denen viele den Einsatz von adeno-assoziierten Viren als Trägersystem beinhalten. Sehsysteme bieten einen fruchtbaren Bereich für die Gentherapie, da es eine Reihe guter Entwicklungsmodelle gibt, die vom Zebrafisch bis zur Maus reichen, und die Auswirkungen von Leistungsänderungen relativ einfach gemessen werden können. Die Gentherapie wurde erfolgreich eingesetzt, um bei 6/6 Patienten mit Aderlähmung, einer X-verknüpften progressiven Form der Erblindung, die durch den Verlust der Funktion der Lichterntezellen an der Rückseite des Auges nachhaltig zu verbessern.
Mit Hilfe eines adeno-assoziierten Virusverabreichungssystems wurden die Patienten mit dem CHM-Gen verabreicht, das für das Rab Escort Protein (Rep1) kodiert. Dieser Ansatz der Verwendung von adeno-assoziierten Virusinfektionsmethoden zur Korrektur von visuellen Systemdefekten könnte sich als sehr vielversprechendes Instrument zur Bekämpfung der Makuladegeneration erweisen, der Hauptursache für Erblindung in Entwicklungsländern in den kommenden Jahren, und es wurde bereits gezeigt, dass er die Netzhautdegeneration mit dem Lysophosphatidylcholin-Acyltransferase-1-Gen bei Mäusen heilt. Die sich abzeichnenden Anwendungen für diesen Ansatz erstrecken sich weitaus weiter, einschließlich der Aussicht auf eine organellare Gentherapie, bei der Proteine verwendet werden, die beispielsweise auf Mitochondrien ausgerichtet sind, und die das Potenzial haben, Herzmuskeldefekte zu korrigieren und neue Genverabreichungsinstrumente für bestimmte Organe zu entwickeln, wie z.B. Elektroporation zur Einführung von hirnerzeugten neurotrophen Faktorgenen zur Verbesserung der Leistung von bionischen Ohr-Cochlea-Implantaten bei Meerschweinchen. Die Fähigkeit von Stammzellen, Funktionsverluste zu überwinden, z.B. im Zusammenhang mit fortschreitender Blindheit, oder bei der Behandlung der Multiplen Sklerose, bei der in jüngster Zeit vielversprechende Ergebnisse mit menschlichen Stammzellen bei Mäusen erzielt wurden, um Lähmungen und eine Reihe anderer Kommunikationsstörungen des Nervensystems zu überwinden, sollte nicht unterschätzt werden.
3D-Drucktechnologien
Der 3D-Druck ist eine 30-jährige Technologie, die heute für alle immer zugänglicher wird, wobei die Einstiegskosten auf bis zu 600 US-Dollar sinken und mehr als 100 verschiedene Substrate für die Entwicklung von Prototypen oder Produkten verwendet wurden. Die universelle Verfügbarkeit von computergestützten Designwerkzeugen und der weltweite Austausch von Open-Access-Designelementen sorgt für eine kreative Explosion, die Elemente von Design, Zusammensetzung, Festigkeit und Verarbeitungseigenschaften kombiniert, um eine wachsende Anzahl von Prototypen und Produkten herzustellen, die das Beste aus Technik und Biomaterialien kombinieren, die von jedem und überall hergestellt werden können. Der 3D-Druck wird massive Fortschritte beim Screening von therapeutischen Arzneimittelkandidaten bringen, z.B. durch den Einsatz von zellbeschichteten Nanosphären sowie von Surrogaten auf Gewebeebene, wodurch einer der größten Engpässe in Produktentwicklungspipelines für einen Biotechnologie-Sektor mit einem Forschungs- und Entwicklungsbudget von >148 Mrd. USD pro Jahr deutlich reduziert wird.
Bionanomaterialien
Die Nanotechnologie-Revolution weist in Verbindung mit Erkenntnissen aus der geschichteten und personalisierten Medizin den Weg zu einer drastischen Verbesserung der angestrebten Abgabe, der kontrollierten Dosis und der Freisetzungsraten neuartiger Therapeutika. Die Nanopartikelbiosynthese ist ein hochflexibles und anpassungsfähiges System zur Herstellung neuartiger Therapeutika oder biotechnologischer Werkzeuge. Mehr als 20 Nanopartikel-Therapeutika haben inzwischen die Zulassung der US Food & Drug Administration erhalten. . Noch vielversprechender für die Zukunft sind kombinierte intelligente Bionanomaterialien, die Module mit unterschiedlichen Funktionen kombinieren werden, so dass bestimmte Zielzellen durch Signalmodule identifiziert, erkannt und durch separate Effektor-Module gebunden werden, was zu einer höheren Genauigkeit der Behandlung führt. Die Zukunftsperspektiven für Bionanomaterialien umfassen auch die Verwendung von Nanomaterialien der Graphenfamilie, vielleicht nur eines einzigen Moleküls in einer Dicke, mit einer Vielzahl von Formen und Funktionen, die sich nicht nur auf die Biomedizin beschränken, sondern auch wichtige Anwendungen in den Bereichen Biosensorik, Genübertragung, fortschrittliches Tissue Engineering und Echtzeit-Bildgebung beinhalten.
Flexibilität und Potenzial für phantasievolle neue Produkte zeigen sich an den Fortschritten in der Origami-DNA, bei denen lange DNA-Stränge zu fast jeder dreidimensionalen Nanostruktur geformt werden können, z.B. im Bioinformatikbereich, wo DNA-basierte Roboter als logische Tore, Kanäle und Komponenten von künstlichen Maschinen eingesetzt werden, die kürzlich auf lebende Schaben (Blaberus discoidalis) ausgedehnt wurden, um das Zellziel zu kontrollieren.
Tragbare Geräte
Das Potenzial für tragbare Geräte, die in der Routine-Telemedizin eingesetzt werden können, zeigen auch die jüngsten Pläne von Apple, in den Gesundheitssektor zu expandieren, die von CEO Tim Cook als „explodiervorbereitet“ beschrieben wurden. Die viel gereifte iWatch kann beispielsweise über eingebaute Funktionen zur Überwachung des Blutzuckerspiegels und der Ernährung sowie zur Überwachung der Aktivität verfügen und aus der Ferne eine Reihe anderer physiologischer Funktionen wie Blutdruck, Herzfrequenz, Temperatur, Hydratation und Antioxidantienstatus übermitteln. Apple soll hochkarätige Teams von biomedizinischen Wissenschaftlern, Ingenieuren, Soft- und Hardware-Gurus aus einer Reihe von Telemedizin- und Sensortechnologieunternehmen, darunter Vital Connect, Sano Intelligence und O2 MedTech, zusammengestellt haben, weitere Entwicklungen von tragbaren Telemedizingeräten sind unvermeidlich.
Bürgerwissenschaft
Neue Anwendungen der Technologie beschränken sich nicht nur auf industrielle oder forschungsorientierte Prozesse. Einzelne Bürger können sich über die Initiativen der „Citizen Science“ an der Prüfung oder Analyse biotechnologischer Daten beteiligen. Während Handy-Apps es der Öffentlichkeit ermöglichen, Inzidenzen ungewöhnlicher Pflanzenkrankheiten zu erfassen und zu melden, die aus der Ferne identifiziert und kartiert werden können, können sich die Bürger auch direkt an der Analyse von Originaldaten beteiligen, die in großen, interdisziplinären Projekten gewonnen wurden.
Solche Initiativen beziehen häufig Mitglieder der Öffentlichkeit in die Analyse genomischer oder Microarray-Daten ein, um bei der Kartierung oder dreidimensionalen Modellierung zu helfen. Die Allgegenwart leistungsfähiger Computerwerkzeuge in unserem Alltag ermöglicht es uns allen, als Citizen Scientists zur Weiterentwicklung des Wissens beizutragen – und dabei etwas Spaß zu haben.
