Samstag, Februar 26 2011 18: 16

Biotechnologie-Industrie

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Entwicklung und Profil

Biotechnologie kann definiert werden als die Anwendung biologischer Systeme auf technische und industrielle Prozesse. Es umfasst sowohl traditionelle als auch gentechnisch veränderte Organismen. Die traditionelle Biotechnologie ist das Ergebnis der klassischen Hybridisierung, Paarung oder Kreuzung verschiedener Organismen, um neue Organismen zu schaffen, die seit Jahrhunderten zur Herstellung von Brot, Bier, Käse, Soja, Sake, Vitaminen, Hybridpflanzen und Antibiotika verwendet werden. In jüngerer Zeit wurden auch verschiedene Organismen zur Behandlung von Abwasser, menschlichen Abwässern und industriellen Giftabfällen verwendet.

Die moderne Biotechnologie kombiniert die Prinzipien der Chemie und Biowissenschaften (Molekular- und Zellbiologie, Genetik, Immunologie) mit technologischen Disziplinen (Ingenieurwissenschaften, Informatik) zur Herstellung von Gütern und Dienstleistungen und für das Umweltmanagement. Die moderne Biotechnologie verwendet Restriktionsenzyme, um genetische Informationen, DNA, von einem Organismus zu einem anderen außerhalb lebender Zellen zu schneiden und einzufügen. Die zusammengesetzte DNA wird dann wieder in Wirtszellen eingeführt, um zu bestimmen, ob das gewünschte Merkmal exprimiert wird. Die resultierende Zelle wird als gentechnisch veränderter Klon, rekombinanter oder genetisch manipulierter Organismus (GMO) bezeichnet. Die „moderne“ Biotechnologieindustrie wurde 1961-1965 mit der Entschlüsselung des genetischen Codes geboren und ist seit den ersten erfolgreichen DNA-Klonexperimenten im Jahr 1972 dramatisch gewachsen.

Seit den frühen 1970er Jahren haben Wissenschaftler verstanden, dass die Gentechnik eine äußerst leistungsfähige und vielversprechende Technologie ist, aber dass potenziell ernsthafte Risiken zu berücksichtigen sind. Bereits 1974 forderten Wissenschaftler ein weltweites Moratorium für bestimmte Arten von Experimenten, um die Risiken abzuschätzen und geeignete Richtlinien zur Vermeidung biologischer und ökologischer Gefahren zu erarbeiten (Committee on Recombinant DNA Molecules, National Research Council, National Academy of Sciences 1974 ). Einige der geäußerten Bedenken betrafen das mögliche „Entweichen von Vektoren, die einen irreversiblen Prozess einleiten könnten, mit einem Potenzial, Probleme zu schaffen, die um ein Vielfaches größer sind als diejenigen, die sich aus der Vielzahl genetischer Rekombinationen ergeben, die spontan in der Natur auftreten“. Es gab Bedenken, dass „Mikroorganismen mit transplantierten Genen sich als gefährlich für den Menschen oder andere Lebensformen erweisen könnten. Schaden könnte entstehen, wenn die veränderte Wirtszelle einen Wettbewerbsvorteil hat, der ihr Überleben in einer Nische innerhalb des Ökosystems fördern würde“ (NIH 1976). Es war auch klar, dass Labormitarbeiter die „Kanarienvögel in der Kohlenmine“ sein würden und einige Versuche unternommen werden sollten, die Arbeiter sowie die Umwelt vor den unbekannten und potenziell ernsten Gefahren zu schützen.

Im Februar 1975 fand in Asilomar, Kalifornien, eine internationale Konferenz statt. Ihr Bericht enthielt die ersten Konsensrichtlinien, die auf biologischen und physikalischen Eindämmungsstrategien zur Kontrolle potenzieller Gefahren basierten, die von der neuen Technologie ausgehen. Bestimmte Experimente wurden als so schwerwiegende potenzielle Gefahren beurteilt, dass die Konferenz damals von ihrer Durchführung abriet (NIH 1976). Das folgende Werk wurde ursprünglich verboten:

  • arbeiten mit DNA von pathogenen Organismen und Onkogenen
  • Bildung von Rekombinanten, die Toxin-Gene enthalten
  • Arbeiten, die das Wirtsspektrum von Pflanzenpathogenen erweitern könnten
  • Einschleusen von Arzneimittelresistenzgenen in Organismen, von denen nicht bekannt ist, dass sie diese auf natürliche Weise erwerben, und bei denen die Behandlung beeinträchtigt wäre
  • absichtliche Freisetzung in die Umwelt (Freifelder 1978).

 

In den Vereinigten Staaten wurden 1976 die ersten National Institutes of Health Guidelines (NIHG) veröffentlicht, die die Asilomar-Richtlinien ersetzten. Diese NIHG erlaubten der Forschung, Experimente nach Gefahrenklassen einzustufen, basierend auf den Risiken, die mit Wirtszellen, Vektorsystemen, die Gene in die Zellen transportieren, und Geninserts verbunden sind, wodurch die Durchführung der Experimente auf der Grundlage einer Risikobewertung erlaubt oder eingeschränkt wurde. Die grundlegende Prämisse des NIHG – Arbeitnehmerschutz und damit auch die Sicherheit der Gemeinschaft zu gewährleisten – gilt auch heute noch (NIH 1996). Die NIHG werden regelmäßig aktualisiert und haben sich in den USA zu einem weithin akzeptierten Standard für die Biotechnologie entwickelt. Die Einhaltung wird von Institutionen verlangt, die Bundesmittel erhalten, sowie von vielen örtlichen Stadt- oder Gemeindeverordnungen. Das NIHG bildet eine Grundlage für Vorschriften in anderen Ländern der Welt, einschließlich der Schweiz (SCBS 1995) und Japan (National Institute of Health 1996).

Seit 1976 wurden die NIHG erweitert, um Eindämmungs- und Genehmigungserwägungen für neue Technologien, einschließlich groß angelegter Produktionsanlagen und Vorschläge für somatische Gentherapien bei Pflanzen, Tieren und Menschen, aufzunehmen. Einige der ursprünglich verbotenen Experimente sind jetzt mit ausdrücklicher Genehmigung des NIH oder mit bestimmten Eindämmungspraktiken erlaubt.

1986 veröffentlichte das US Office of Science and Technology Policy (OSTP) sein Coordinated Framework for Biotechnology Regulation. Es befasste sich mit der zugrunde liegenden politischen Frage, ob die bestehenden Vorschriften ausreichen, um aus den neuen Technologien abgeleitete Produkte zu bewerten, und ob die Überprüfungsverfahren für die Forschung ausreichen, um die Öffentlichkeit und die Umwelt zu schützen. Die US-Regulierungs- und Forschungsbehörden (Environmental Protection Agency (EPA), Food and Drug Administration (FDA), Occupational Safety and Health Administration (OSHA), NIH, US Department of Agriculture (USDA) und National Science Foundation (NSF)) stimmten zu Produkte regulieren, nicht Prozesse, und dass keine neuen Sonderregelungen zum Schutz der Arbeitnehmer, der Bevölkerung oder der Umwelt erforderlich seien. Die Richtlinie wurde eingeführt, um regulatorische Programme in integrierter und koordinierter Weise durchzuführen, Überschneidungen zu minimieren, und die Verantwortung für die Produktzulassung würde, soweit möglich, bei einer Behörde liegen. Die Agenturen würden ihre Bemühungen koordinieren, indem sie konsistente Definitionen annehmen und wissenschaftliche Überprüfungen (Risikobewertungen) von vergleichbarer wissenschaftlicher Strenge verwenden (OSHA 1984; OSTP 1986).

Das NIHG und das Coordinated Framework haben für ein angemessenes Maß an objektiver wissenschaftlicher Diskussion und öffentlicher Beteiligung gesorgt, was dazu geführt hat, dass sich die US-amerikanische Biotechnologie zu einer Multimilliarden-Dollar-Industrie entwickelt hat. Vor 1970 waren weniger als 100 Unternehmen in allen Aspekten der modernen Biotechnologie tätig. Bis 1977 kamen weitere 125 Firmen hinzu; 1983 brachten weitere 381 Unternehmen das Niveau der privaten Kapitalinvestitionen auf über 1 Milliarde Dollar. Bis 1994 war die Branche auf mehr als 1,230 Unternehmen angewachsen (Massachusetts Biotechnology Council Community Relations Committee 1993), und die Marktkapitalisierung beträgt mehr als 6 Milliarden US-Dollar.

Die Beschäftigung in US-amerikanischen Biotechnologieunternehmen betrug 1980 etwa 700 Personen; 1994 beschäftigten ungefähr 1,300 Unternehmen mehr als 100,000 Arbeitnehmer (Massachusetts Biotechnology Council Community Relations Committee 1993). Darüber hinaus gibt es eine ganze Hilfsindustrie, die Lieferungen (Chemikalien, Medienkomponenten, Zelllinien), Ausrüstung, Instrumente und Dienstleistungen (Zellbanking, Validierung, Kalibrierung) bereitstellt, die zur Gewährleistung der Integrität der Forschung und Produktion erforderlich sind.

Überall auf der Welt gab es ein großes Maß an Besorgnis und Skepsis hinsichtlich der Sicherheit der Wissenschaft und ihrer Produkte. Der Rat der Europäischen Gemeinschaften (Parlament der Europäischen Gemeinschaften 1987) entwickelte Richtlinien zum Schutz der Arbeitnehmer vor den Risiken im Zusammenhang mit der Exposition gegenüber biologischen Stoffen (Rat der Europäischen Gemeinschaften 1990a) und zur Einführung von Umweltkontrollen bei experimentellen und kommerziellen Aktivitäten, einschließlich der absichtlichen Freisetzung. „Freisetzung“ umfasst die Vermarktung von Produkten unter Verwendung von GVO (Council of the European Communities 1990b; Van Houten und Flemming 1993). Normen und Richtlinien für biotechnologische Produkte wurden von internationalen und multilateralen Organisationen wie der Weltgesundheitsorganisation (WHO), der International Standards Organization (ISO), der Kommission der Europäischen Gemeinschaft, der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (FAO) und dem Microbial Strains Data Network entwickelt ( OSTP 1986).

Die moderne Biotechnologiebranche kann in vier große Industriesektoren unterteilt werden, die jeweils über Labor-, Feld- und/oder klinische Forschung und Entwicklung (F&E) verfügen, die die eigentliche Produktion von Waren und Dienstleistungen unterstützen.

  • biomedizinische Pharmazeutika, Biologika und Medizinprodukte
  • landwirtschaftliche Lebensmittel, transgene Fische und Tiere, krankheitsresistente und schädlingsresistente Pflanzen
  • gentechnisch veränderte Industrieprodukte wie Zitronensäure, Butanol, Aceton, Ethanol und Waschmittelenzyme (siehe Tabelle 1)
  • Umwelt-Abwasserbehandlung, Dekontaminierung von Industrieabfällen.

 

Table 1. Mikroorganismen von industrieller Bedeutung

Name

Wirtsorganismus

Verwendung

Acetobacter aceti

Aerobes Bakterium

Fermentiert Obst

Aspirgillus niger

Asexueller Pilz

Baut organische Stoffe ab
Sicherer Einsatz bei der Herstellung von Zitronensäure und Enzymen

Aspirgillus oryzae

Asexueller Pilz

Wird bei der Herstellung von Miso, Sojasauce und Sake verwendet

Bacillis licheniformis

Bakterium

Industriechemikalien und Enzyme

Bacillis subtilis

Bakterium

Chemikalien, Enzyme, Quelle für einzelliges Protein für den menschlichen Verzehr in Asien

Eierstockzellen des Chinesischen Hamsters (CHO)*

Zellkultur von Säugetieren

Herstellung von Biopharmazeutika

Clostridium acetobutylicum

Bakterium

Herstellung von Butanol, Aceton

Escherichia coli K-12*

Bakterielle Belastung

Klonen für die Fermentation, Produktion von Pharmazeutika und Biologika

Penicillium roqueforte

Asexueller Pilz

Herstellung von Blauschimmelkäse

Saccharomyces cerevisiae*

Hefe

Klonen für die Bierherstellung

Saccharomyces uvarum*

Hefe

Klonen für alkoholische Getränke und industrielle Alkoholproduktion

* Wichtig für die moderne Biotechnologie.

 

Biotechnologische Arbeiter

Die Biotechnologie beginnt im Forschungslabor und ist eine multidisziplinäre Wissenschaft. Molekular- und Zellbiologen, Immunologen, Genetiker, Protein- und Peptidchemiker, Biochemiker und Biochemieingenieure sind den tatsächlichen und potenziellen Gefahren der rekombinanten DNA (rDNA)-Technologie am unmittelbarsten ausgesetzt. Zu den anderen Arbeitnehmern, die möglicherweise weniger direkt rDNA-Biogefahren ausgesetzt sind, gehören Service- und Hilfspersonal wie Lüftungs- und Kältetechniker, Kalibrierdienstleister und Haushaltspersonal. In einer kürzlich durchgeführten Umfrage unter Gesundheits- und Sicherheitsfachleuten in der Branche wurde festgestellt, dass die direkt und indirekt exponierten Arbeitnehmer etwa 30 bis 40 % der Gesamtbelegschaft in typischen kommerziellen Biotechnologieunternehmen ausmachen (Lee und Ryan 1996). Biotechnologische Forschung ist nicht auf die „Industrie“ beschränkt; Es wird auch in akademischen, medizinischen und staatlichen Institutionen durchgeführt.

Biotechnologische Labormitarbeiter sind einer Vielzahl von gefährlichen und toxischen Chemikalien, rekombinanten und nicht-rekombinanten oder „Wildtyp“-Biogefahren, durch menschliches Blut übertragbaren Krankheitserregern und zoonotischen Erkrankungen sowie radioaktiven Materialien ausgesetzt, die in Markierungsexperimenten verwendet werden. Darüber hinaus werden Muskel-Skelett-Erkrankungen und Verletzungen durch wiederholte Belastung aufgrund der umfangreichen Verwendung von Computern und manuellen Mikropipetten immer häufiger als potenzielle Gefahren für Forscher erkannt.

Betreiber von Biotechnologie-Herstellern sind ebenfalls gefährlichen Chemikalien ausgesetzt, jedoch nicht der Vielfalt, die man in der Forschung sieht. Je nach Produkt und Prozess kann es bei der Herstellung zu einer Exposition gegenüber Radionukliden kommen. Selbst bei der niedrigsten Biogefährdungsstufe sind biotechnologische Herstellungsprozesse geschlossene Systeme, und das Potenzial für eine Exposition gegenüber rekombinanten Kulturen ist gering, außer im Falle von Unfällen. In biomedizinischen Produktionsstätten ergänzt die Anwendung aktueller guter Herstellungspraktiken die Biosicherheitsrichtlinien zum Schutz der Arbeiter in der Fabrikhalle. Zu den Hauptgefahren für Fertigungsarbeiter in GLSP-Betrieben (Good Large-Scale Practice) mit ungefährlichen rekombinanten Organismen gehören traumatische Muskel-Skelett-Verletzungen (z. B. Rückenzerrungen und Schmerzen), thermische Verbrennungen durch Dampfleitungen und chemische Verbrennungen durch Säuren und Laugen (Phosphorsäure). , Natrium- und Kaliumhydroxid), die in dem Verfahren verwendet werden.

Mitarbeiter des Gesundheitswesens, einschließlich klinischer Labortechniker, sind während der Verabreichung von Arzneimitteln und der Versorgung von Patienten, die an diesen experimentellen Verfahren teilnehmen, Gentherapievektoren, Exkrementen und Laborproben ausgesetzt. Haushälterinnen können ebenfalls entlarvt werden. Arbeitnehmer- und Umweltschutz sind zwei obligatorische Versuchspunkte, die bei der Beantragung von Humangentherapie-Experimenten beim NIH zu berücksichtigen sind (NIH 1996).

Landarbeiter können während der Anwendung von Pestiziden, beim Pflanzen, Ernten und Verarbeiten rekombinanten Produkten, Pflanzen oder Tieren stark ausgesetzt sein. Unabhängig vom potenziellen Biogefährdungsrisiko durch die Exposition gegenüber genetisch veränderten Pflanzen und Tieren sind auch die traditionellen physikalischen Gefahren im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Geräten und der Tierhaltung vorhanden. Technische Kontrollen, PSA, Ausbildung und medizinische Überwachung werden entsprechend den erwarteten Risiken eingesetzt (Legaspi und Zenz 1994; Pratt und May 1994). PSA einschließlich Overalls, Atemschutzmasken, Arbeitshandschuhe, Schutzbrillen oder Hauben sind wichtig für die Arbeitssicherheit während der Anwendung, des Wachstums und der Ernte der gentechnisch veränderten Pflanzen oder Bodenorganismen.

Prozesse und Gefahren

Bei biotechnologischen Prozessen im biomedizinischen Bereich werden gezielt modifizierte Zellen oder Organismen zu gewünschten Produkten in Monokultur-Bioreaktoren kultiviert. In Säugetierzellkulturen wird das Proteinprodukt von den Zellen in das umgebende Nährmedium ausgeschieden, und eine Vielzahl chemischer Trennverfahren (Größen- oder Affinitätschromatographie, Elektrophorese) kann verwendet werden, um das Produkt einzufangen und zu reinigen. Woher Escherichia coli Wirtsorganismen werden in Fermentationen verwendet, das gewünschte Produkt wird innerhalb der Zellmembran produziert und die Zellen müssen physikalisch aufgebrochen werden, um das Produkt zu ernten. Endotoxin-Exposition ist eine potenzielle Gefahr dieses Prozesses. Häufig werden den Produktionsmedien Antibiotika zugesetzt, um die Produktion des gewünschten Produkts zu steigern oder den selektiven Druck auf ansonsten instabile genetische Produktionselemente (Plasmide) aufrechtzuerhalten. Allergische Empfindlichkeiten gegenüber diesen Materialien sind möglich. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um Aerosolexpositionsrisiken.

Leckagen und Freisetzungen von Aerosolen sind zu erwarten, und eine potenzielle Exposition wird auf verschiedene Weise kontrolliert. Durchdringungen in den Reaktorbehältern sind notwendig für die Zufuhr von Nährstoffen und Sauerstoff, für das Ausgasen von Kohlendioxid (CO2) und zur Überwachung und Steuerung des Systems. Jede Penetration muss versiegelt oder gefiltert werden (0.2 Mikron), um eine Kontamination der Kultur zu verhindern. Die Abgasfiltration schützt auch Arbeiter und Umgebung im Arbeitsbereich vor Aerosolen, die während der Kultur oder Fermentation entstehen. Je nach Biogefährdungspotenzial der Anlage ist eine validierte biologische Inaktivierung flüssiger Abwässer (meist durch Hitze, Dampf oder chemische Verfahren) gängige Praxis. Andere potenzielle Gefahren in der biotechnologischen Fertigung ähneln denen in anderen Branchen: Lärm, mechanische Schutzvorrichtungen, Dampf-/Hitzeverbrennungen, Kontakt mit ätzenden Stoffen und so weiter.

Enzyme und industrielle Fermentation werden hierin an anderer Stelle behandelt Enzyklopädie und umfassen die Prozesse, Gefahren und Kontrollen, die für gentechnisch veränderte Produktionssysteme ähnlich sind.

Die traditionelle Landwirtschaft hängt von der Stammentwicklung ab, die die traditionelle Kreuzung verwandter Pflanzenarten nutzt. Der große Vorteil gentechnisch veränderter Pflanzen besteht darin, dass die Zeit zwischen den Generationen und die Anzahl der Kreuzungen, die zum Erhalt des gewünschten Merkmals erforderlich sind, stark reduziert werden. Auch die derzeit unpopuläre Abhängigkeit von chemischen Pestiziden und Düngemitteln (die zur Verschmutzung durch Abflüsse beitragen) begünstigt eine Technologie, die diese Anwendungen möglicherweise unnötig macht.

Die Pflanzenbiotechnologie umfasst die Auswahl einer genetisch anpassungsfähigen und/oder finanziell bedeutenden Pflanzenart für Modifikationen. Da Pflanzenzellen feste Zellwände aus Zellulose haben, unterscheiden sich die Methoden zum Transfer von DNA in Pflanzenzellen von denen, die für Bakterien und Säugetierzelllinien im biomedizinischen Bereich verwendet werden. Es gibt zwei primäre Methoden, die zum Einführen von fremder gentechnisch veränderter DNA in Pflanzenzellen verwendet werden (Watrud, Metz und Fishoff 1996):

  • eine Partikelkanone schießt DNA in die interessierende Zelle
  • ein entwaffneter, nicht tumorigener Agrobacterium tumefaciens Virus fügt Genkassetten in das Erbgut der Zelle ein.

 

Wildtyp Agrobacterium tumefaciens ist ein natürlicher Pflanzenpathogen, der Kronengallentumoren in verletzten Pflanzen verursacht. Diese entwaffneten, gentechnisch veränderten Vektorstämme verursachen keine Pflanzentumorbildung.

Nach der Transformation durch jedes Verfahren werden die Pflanzenzellen verdünnt, ausplattiert und auf selektiven Gewebekulturmedien für einen relativ langen Zeitraum (im Vergleich zu bakteriellen Wachstumsraten) in Pflanzenwachstumskammern oder Inkubatoren gezüchtet. Pflanzen, die aus dem behandelten Gewebe regeneriert wurden, werden zum weiteren Wachstum in umschlossene Wachstumskammern in Erde verpflanzt. Nach Erreichen des entsprechenden Alters werden sie auf die Ausprägung der gewünschten Merkmale untersucht und dann in Gewächshäusern angebaut. Mehrere Generationen von Gewächshausexperimenten sind erforderlich, um die genetische Stabilität des interessierenden Merkmals zu bewerten und das benötigte Saatgut für weitere Studien zu generieren. Während dieser Phase der Arbeit werden auch Daten über die Umweltauswirkungen gesammelt und mit Vorschlägen an die Regulierungsbehörden für die Freigabe von Freilandversuchen übermittelt.

Kontrollen: Das Beispiel der Vereinigten Staaten

Das NIHG (NIH 1996) beschreibt einen systematischen Ansatz, um sowohl die Exposition der Arbeiter gegenüber als auch die Freisetzung rekombinanter Organismen in die Umwelt zu verhindern. Jede Institution (z. B. Universität, Krankenhaus oder kommerzielles Labor) ist dafür verantwortlich, rDNA-Forschung sicher und in Übereinstimmung mit dem NIHG durchzuführen. Dies wird durch ein Verwaltungssystem erreicht, das Verantwortlichkeiten definiert und umfassende Risikobewertungen durch sachkundige Wissenschaftler und Biosicherheitsbeauftragte, die Umsetzung von Expositionskontrollen, medizinische Überwachungsprogramme und Notfallplanung erfordert. Ein Institutional Biosafety Committee (IBC) stellt die Mechanismen für die Überprüfung und Genehmigung von Experimenten innerhalb der Institution bereit. In einigen Fällen ist die Genehmigung des NIH Recombinant Advisory Committee (RAC) selbst erforderlich.

Der Grad der Kontrolle hängt von der Schwere des Risikos ab und wird in Bezug auf die Biosafety Level (BL) Bezeichnungen 1-4 beschrieben; BL1 ist am wenigsten restriktiv und BL4 am stärksten. Eindämmungsrichtlinien werden für Forschung, Forschung und Entwicklung im großen Maßstab (mehr als 10 Liter Kultur), großtechnische Produktion sowie Tier- und Pflanzenversuche im großen und kleinen Maßstab gegeben.

Anhang G des NIHG (NIH 1996) beschreibt die physische Eindämmung im Labormaßstab. BL1 ist für die Arbeit mit Stoffen geeignet, von denen keine bekannte oder minimale potenzielle Gefahr für das Laborpersonal oder die Umwelt besteht. Das Labor ist nicht von der allgemeinen Verkehrsführung im Gebäude getrennt. Gearbeitet wird auf den offenen Tischplatten. Es sind keine speziellen Eindämmungsvorrichtungen erforderlich oder werden verwendet. Das Laborpersonal wird in Laborverfahren geschult und von einem Wissenschaftler mit allgemeiner Ausbildung in Mikrobiologie oder einer verwandten Wissenschaft beaufsichtigt.

BL2 ist geeignet für Arbeiten mit Arbeitsstoffen mit mittlerem Gefährdungspotenzial für Personal und Umwelt. Der Zugang zum Labor ist während der Arbeit eingeschränkt, die Arbeiter sind im Umgang mit Krankheitserregern speziell geschult und werden von kompetenten Wissenschaftlern geleitet, und Arbeiten, bei denen Aerosole entstehen, werden in biologischen Sicherheitswerkbänken oder anderen Sicherheitseinrichtungen durchgeführt. Diese Arbeit kann gegebenenfalls eine medizinische Überwachung oder Impfungen erfordern, die von der IBC festgelegt werden.

BL3 ist anwendbar, wenn mit einheimischen oder exotischen Arbeitsstoffen gearbeitet wird, die durch Einatmen schwere oder möglicherweise tödliche Krankheiten verursachen können. Die Arbeiter sind speziell geschult und werden von kompetenten Wissenschaftlern überwacht, die Erfahrung im Umgang mit diesen gefährlichen Stoffen haben. Alle Verfahren werden unter Containment-Bedingungen durchgeführt, die spezielle Technik und PSA erfordern.

BL4 ist den gefährlichsten und exotischsten Wirkstoffen vorbehalten, die ein hohes individuelles und gemeinschaftliches Risiko einer lebensbedrohlichen Erkrankung darstellen. Weltweit gibt es nur wenige BL4-Labore.

Anhang K befasst sich mit dem physischen Containment für Forschungs- oder Produktionsaktivitäten in Mengen von mehr als 10 l (großer Maßstab). Wie in den Small-Scale-Richtlinien gibt es eine Hierarchie der Containment-Anforderungen vom niedrigsten zum höchsten Gefahrenpotential: GLSP bis BL3-Large-Scale (BL3-LS).

Das NIHG, Anhang P, deckt die Arbeit mit Pflanzen im Labormaßstab, in der Wachstumskammer und im Gewächshausmaßstab ab. In der Einleitung heißt es: „Der Hauptzweck der Eindämmung von Pflanzen besteht darin, die unbeabsichtigte Übertragung eines rekombinante DNA enthaltenden Pflanzengenoms, einschließlich Kern- oder Organellen-Erbmaterial, oder die Freisetzung von mit Pflanzen assoziierten, von rekombinanter DNA abgeleiteten Organismen zu verhindern. Im Allgemeinen stellen diese Organismen keine Gefahr für die menschliche Gesundheit oder höhere Tiere dar, es sei denn, sie werden zu diesem Zweck absichtlich modifiziert. Die unbeabsichtigte Ausbreitung eines schwerwiegenden Krankheitserregers aus einem Gewächshaus auf eine lokale landwirtschaftliche Nutzpflanze oder die unbeabsichtigte Einführung und Etablierung eines Organismus in einem neuen Ökosystem ist jedoch möglich“ (NIH 1996). In den Vereinigten Staaten sind die EPA und der Tier- und Pflanzengesundheitsinspektionsdienst (APHIS) des USDA gemeinsam für die Risikobewertung und die Überprüfung der generierten Daten verantwortlich, bevor die Genehmigung für Feldfreigabetests erteilt wird (EPA 1996; Foudin und Gay 1995). Fragen wie Persistenz und Ausbreitung in Wasser, Luft und Boden, durch Insekten- und Tierarten, das Vorhandensein anderer ähnlicher Pflanzen in der Umgebung, Umweltstabilität (Frost- oder Hitzeempfindlichkeit) und Konkurrenz mit einheimischen Arten werden bewertet – oft zuerst im Gewächshaus (Libermann et al. 1996).

Die Eindämmungsstufen für Anlagen und Praxen reichen ebenfalls von BL1 bis BL4. Typische BL1-Experimente beinhalten Selbstklonen. BL2 kann die Übertragung von Merkmalen von einem Pathogen auf eine Wirtspflanze umfassen. BL3 kann Toxinexpression oder umweltgefährdende Mittel beinhalten. Der Arbeitnehmerschutz wird auf den verschiedenen Ebenen durch PSA und technische Kontrollen wie Gewächshäuser und Gewächshäuser mit gerichtetem Luftstrom und hocheffizienten Partikelluftfiltern (HEPA) erreicht, um die Freisetzung von Pollen zu verhindern. Je nach Risiko kann der Schutz der Umwelt und der Gemeinschaft vor potenziell gefährlichen Stoffen durch biologische Kontrollen erreicht werden. Beispiele sind ein temperaturempfindliches Merkmal, ein Arzneimittelempfindlichkeitsmerkmal oder ein Ernährungserfordernis, das in der Natur nicht vorhanden ist.

Da die wissenschaftlichen Erkenntnisse zunahmen und die Technologie fortschritt, wurde erwartet, dass das NIHG überprüft und überarbeitet werden müsste. In den letzten 20 Jahren hat sich der RAC getroffen, um Änderungsvorschläge zu prüfen und zu genehmigen. Beispielsweise erlässt das NIHG keine pauschalen Verbote mehr für die absichtliche Freisetzung von gentechnisch veränderten Organismen; Freisetzungen von landwirtschaftlichen Erzeugnissen in Feldversuche und Gentherapieexperimente beim Menschen sind unter geeigneten Umständen und nach angemessener Risikobewertung zulässig. Eine sehr bedeutende Änderung des NIHG war die Schaffung der GLSP-Containment-Kategorie. Es lockerte die Eindämmungsanforderungen für „nicht pathogene, nicht toxigene rekombinante Stämme, die von Wirtsorganismen stammen, die eine lange Geschichte der sicheren Verwendung in großem Maßstab haben oder die eingebaute Umweltbeschränkungen haben, die ein optimales Wachstum im großen Maßstab, aber ein begrenztes Überleben ermöglichen ohne nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt“ (NIH 1991). Dieser Mechanismus hat es der Technologie ermöglicht, sich weiterzuentwickeln und gleichzeitig die Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen.

Kontrollen: Das Beispiel der Europäischen Gemeinschaft

Im April 1990 erließ die Europäische Gemeinschaft (EG) zwei Richtlinien über die Verwendung in geschlossenen Systemen und die absichtliche Freisetzung von GVO in die Umwelt. Beide Richtlinien verpflichten die Mitgliedstaaten sicherzustellen, dass alle geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, um schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder die Umwelt zu vermeiden, insbesondere indem der Benutzer alle relevanten Risiken im Voraus bewerten muss. In Deutschland wurde das Gentechnikgesetz 1990 teilweise als Reaktion auf die EG-Richtlinien erlassen, aber auch um dem Erfordernis einer gesetzlichen Genehmigung zum Bau einer Produktionsanlage für rekombinantes Insulin im Probebetrieb zu entsprechen (Reutsch und Broderick 1996). In der Schweiz basieren die Vorschriften auf dem US NIHG, Ratsrichtlinien der EG und dem deutschen Gentechnikgesetz. Die Schweizer verlangen eine jährliche Registrierung und Aktualisierung der Experimente bei der Regierung. Im Allgemeinen sind die rDNA-Standards in Europa restriktiver als in den USA, und dies hat dazu beigetragen, dass viele europäische Pharmaunternehmen die rDNA-Forschung aus ihren Heimatländern verlagert haben. Die schweizerischen Vorschriften erlauben jedoch eine Kategorie der Sicherheitsstufe Large Scale 4, die nach dem NIHG (SCBS 1995) nicht zulässig ist.

Produkte der Biotechnologie

Einige der biologischen und pharmazeutischen Produkte, die erfolgreich durch rekombinante DNA-Biotechnologien hergestellt wurden, umfassen: menschliches Insulin; menschliches Wachstumshormon; Hepatitis-Impfstoffe; alpha-Interferon; Beta-Interferon; Gamma-Interferon; Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor; Gewebe-Plasminogen-Aktivator; Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor; IL2; Erythropoietin; Crymax, ein Insektizidprodukt zur Bekämpfung von Raupen in Gemüse; Baumnuss- und Weinkulturen; Flavr Savr (TM) Tomate; Chymogen, ein Enzym, das Käse herstellt; ATIII (Antithrombin III), gewonnen aus transgener Ziegenmilch, die zur Verhinderung von Blutgerinnseln bei Operationen verwendet wird; BST und PST (bovines und porcines Somatotropin) werden verwendet, um die Milch- und Fleischproduktion anzukurbeln.

Gesundheitsprobleme und Krankheitsbilder

Es gibt fünf Hauptgesundheitsgefahren durch die Exposition gegenüber Mikroorganismen oder ihren Produkten in der Biotechnologie im industriellen Maßstab:

  • Infektion
  • Reaktion auf Endotoxin
  • Allergie gegen die Mikroorganismen
  • allergische Reaktion auf ein Produkt
  • toxische Reaktion auf ein Produkt.

 

Eine Infektion ist unwahrscheinlich, da in den meisten industriellen Prozessen Nicht-Pathogene verwendet werden. Es ist jedoch möglich, dass als harmlos geltende Mikroorganismen wie z Pseudomonas und Aspergillus Arten können bei immungeschwächten Personen eine Infektion verursachen (Bennett 1990). Die Exposition gegenüber Endotoxin, einem Bestandteil der Lipopolysaccharidschicht der Zellwand aller gramnegativen Bakterien, bei Konzentrationen von mehr als etwa 300 ng/m3 verursacht vorübergehende grippeähnliche Symptome (Balzer 1994). Arbeiter in vielen Branchen, einschließlich traditioneller Landwirtschaft und Biotechnologie, haben die Auswirkungen einer Endotoxin-Exposition erlebt. Auch allergische Reaktionen auf den Mikroorganismus oder das Produkt treten in vielen Branchen auf. Berufsasthma wurde in der Biotechnologiebranche für eine breite Palette von Mikroorganismen und Produkten diagnostiziert, darunter: Aspergillus niger, Penicillium spp. und Proteasen; Einige Unternehmen haben Vorfälle bei mehr als 12 % der Belegschaft festgestellt. Toxische Reaktionen können so vielfältig sein wie die Organismen und Produkte. Es hat sich gezeigt, dass die Exposition gegenüber Antibiotika zu Veränderungen der mikrobiellen Flora im Darm führt. Es ist bekannt, dass Pilze unter bestimmten Wachstumsbedingungen Toxine und Karzinogene produzieren können (Bennett 1990).

Um Bedenken auszuräumen, dass exponierte Arbeiter die ersten sein könnten, die mögliche nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit durch die neue Technologie entwickeln würden, ist die medizinische Überwachung von rDNA-Arbeitern von Anfang an Teil der NIHG. Institutionelle Biosicherheitsausschüsse sind in Absprache mit dem Arbeitsmediziner damit beauftragt, auf Projektbasis zu bestimmen, welche medizinische Überwachung angemessen ist. Abhängig von der Identität des spezifischen Agens, der Art der biologischen Gefahr, den potenziellen Expositionswegen und der Verfügbarkeit von Impfstoffen können die Komponenten des medizinischen Überwachungsprogramms körperliche Untersuchungen vor der Unterbringung, regelmäßige Nachsorgeuntersuchungen, spezifische Impfstoffe und spezifische Impfstoffe umfassen Allergie- und Krankheitsauswertungen, präexpositionelle Seren und epidemiologische Erhebungen.

Bennett (1990) hält es für unwahrscheinlich, dass genetisch veränderte Mikroorganismen ein höheres Infektions- oder Allergierisiko darstellen als der ursprüngliche Organismus, aber es könnten zusätzliche Risiken durch das neuartige Produkt oder die rDNA entstehen. Ein kürzlich erschienener Bericht weist darauf hin, dass die Expression eines Paranussallergens in transgenen Sojabohnen unerwartete gesundheitliche Auswirkungen bei Arbeitern und Verbrauchern haben kann (Nordlee et al. 1996). Andere neuartige Gefahren könnten die Verwendung tierischer Zelllinien sein, die unbekannte oder unentdeckte Onkogene oder Viren enthalten, die potenziell schädlich für den Menschen sind.

Es ist wichtig anzumerken, dass sich die frühen Befürchtungen hinsichtlich der Schaffung genetisch gefährlicher mutierter Arten oder Supertoxine nicht bewahrheitet haben. Die WHO stellte fest, dass die Biotechnologie keine Risiken birgt, die sich von anderen Verarbeitungsindustrien unterscheiden (Miller 1983), und laut Liberman, Ducatman und Fink (1990) „ist der aktuelle Konsens, dass die potenziellen Risiken der rDNA anfänglich überbewertet wurden und dass die Die mit dieser Forschung verbundenen Gefahren ähneln denen, die mit dem verwendeten Organismus, Vektor, DNA, Lösungsmitteln und physikalischen Geräten verbunden sind“. Sie kommen zu dem Schluss, dass von gentechnisch veränderten Organismen zwangsläufig Gefahren ausgehen; es kann jedoch eine Eindämmung definiert werden, um die Exposition zu minimieren.

Es ist sehr schwierig, berufliche Expositionen zu identifizieren, die für die Biotechnologiebranche spezifisch sind. „Biotechnologie“ ist keine separate Branche mit einem charakteristischen Standard Industrial Classification (SIC)-Code; Vielmehr wird es als ein Prozess oder eine Reihe von Werkzeugen betrachtet, die in vielen industriellen Anwendungen verwendet werden. Folglich werden bei der Meldung von Unfällen und Expositionen die Daten zu Fällen, an denen Biotechnologie-Arbeiter beteiligt sind, zu den Daten zu allen anderen gehören, die in der aufnehmenden Industrie (z. B. Landwirtschaft, pharmazeutische Industrie oder Gesundheitswesen) auftreten. Darüber hinaus ist bekannt, dass Laborzwischenfälle und -unfälle zu wenig gemeldet werden.

Es wurden nur wenige Krankheiten gemeldet, die speziell auf genetisch veränderte DNA zurückzuführen sind; sie sind jedoch nicht unbekannt. Mindestens eine dokumentierte lokale Infektion und Serokonversion wurde gemeldet, als ein Arbeiter einen Nadelstich erlitt, der mit einem rekombinanten Vaccinia-Vektor kontaminiert war (Openshaw et al. 1991).

Richtlinienprobleme

In den 1980er Jahren entstanden die ersten Produkte der Biotechnologie in den USA und Europa. Gentechnisch hergestelltes Insulin wurde 1982 zugelassen, ebenso wie ein gentechnisch hergestellter Impfstoff gegen die Schweinekrankheit „scours“ (Sattelle 1991). Es wurde gezeigt, dass rekombinantes Rindersomatotropin (BST) die Milchproduktion einer Kuh und das Gewicht von Fleischrindern erhöht. Es wurden Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Gesundheit und der Produktsicherheit geäußert und ob die bestehenden Vorschriften angemessen seien, um diese Bedenken in all den verschiedenen Bereichen auszuräumen, in denen biotechnologische Produkte vermarktet werden könnten. Die NIHG bieten Schutz für Arbeitnehmer und Umwelt während der Forschungs- und Entwicklungsphase. Die Produktsicherheit und -wirksamkeit liegt nicht in der Verantwortung des NIHG. In den USA werden potenzielle Risiken biotechnologischer Produkte durch das Coordinated Framework von der am besten geeigneten Behörde (FDA, EPA oder USDA) bewertet.

Die Debatte über die Sicherheit der Gentechnik und der Produkte der Biotechnologie geht weiter (Thomas und Myers 1993), insbesondere im Hinblick auf landwirtschaftliche Anwendungen und Lebensmittel für den menschlichen Verzehr. Verbraucher in einigen Gebieten wünschen Produkte, die gekennzeichnet sind, um zu identifizieren, welche die traditionellen Hybriden sind und welche aus der Biotechnologie stammen. Bestimmte Hersteller von Milchprodukten lehnen es ab, Milch von Kühen zu verwenden, die BST erhalten. In einigen Ländern (z. B. Schweiz) ist es verboten. Die FDA hat die Produkte als sicher eingestuft, aber es gibt auch wirtschaftliche und soziale Probleme, die für die Öffentlichkeit möglicherweise nicht akzeptabel sind. BST kann in der Tat einen Wettbewerbsnachteil für kleinere landwirtschaftliche Betriebe schaffen, von denen die meisten familiengeführt sind. Im Gegensatz zu medizinischen Anwendungen, bei denen es möglicherweise keine Alternative zur gentechnischen Behandlung gibt, ist die Öffentlichkeit, wenn traditionelle Lebensmittel verfügbar und reichlich vorhanden sind, für die traditionelle Hybridisierung gegenüber rekombinanten Lebensmitteln. Raue Umgebungen und die derzeitige weltweite Nahrungsmittelknappheit können diese Einstellung jedoch ändern.

Neuere Anwendungen der Technologie auf die menschliche Gesundheit und Erbkrankheiten haben die Bedenken wiederbelebt und neue ethische und soziale Fragen aufgeworfen. Das Human Genome Project, das in den frühen 1980er Jahren begann, wird eine physische und genetische Karte des menschlichen genetischen Materials erstellen. Diese Karte wird Forschern Informationen liefern, um „gesunde oder normale“ und „kranke“ Genexpression zu vergleichen, um die grundlegenden genetischen Defekte besser zu verstehen, vorherzusagen und auf Heilmittel hinzuweisen. Humangenomtechnologien haben neue diagnostische Tests für die Huntington-Krankheit, zystische Fibrose und Brust- und Dickdarmkrebs hervorgebracht. Von der somatischen Gentherapie beim Menschen wird erwartet, dass sie die Behandlung von Erbkrankheiten korrigiert oder verbessert. DNA-„Fingerabdrücke“ durch Restriktionsfragment-Polymorphismus-Kartierung von genetischem Material wird als forensischer Beweis in Fällen von Vergewaltigung, Entführung und Mord verwendet. Es kann verwendet werden, um die Vaterschaft zu beweisen (oder technisch zu widerlegen). Es kann auch in kontroverseren Bereichen verwendet werden, wie zum Beispiel zur Einschätzung der Wahrscheinlichkeit, an Krebs und Herzerkrankungen zu erkranken, für Versicherungsschutz und vorbeugende Behandlungen oder als Beweismittel vor Kriegsverbrechertribunalen und als genetische „Erkennungsmarke“ beim Militär.

Obwohl technisch machbar, wurden Arbeiten an menschlichen Keimbahnexperimenten (von Generation zu Generation übertragbar) aufgrund ernsthafter sozialer und ethischer Erwägungen nicht für eine Zulassung in den USA in Betracht gezogen. In den USA sind jedoch öffentliche Anhörungen geplant, um die Diskussion über die menschliche Keimbahntherapie und die wünschenswerten Merkmalsverbesserungen, die nicht mit Krankheiten in Verbindung gebracht werden, wieder aufzunehmen.

Schließlich entwickeln sich neben Sicherheits-, sozialen und ethischen Fragen immer noch Rechtstheorien über den Besitz von Genen und DNA und die Haftung für Gebrauch oder Missbrauch.

Langfristige Auswirkungen der Freisetzung verschiedener Stoffe in die Umwelt müssen verfolgt werden. Für Arbeiten, die in der Laborumgebung sorgfältig und angemessen kontrolliert werden, für die jedoch nicht alle Möglichkeiten der Umgebung bekannt sind, werden neue Fragen der biologischen Eindämmung und des Wirtsspektrums auftauchen. Entwicklungsländer, in denen möglicherweise kein angemessenes wissenschaftliches Fachwissen und/oder keine Regulierungsbehörden vorhanden sind, können entweder nicht willens oder nicht in der Lage sein, die Risikobewertung für ihr spezielles Umfeld zu übernehmen. Dies könnte zu unnötigen Beschränkungen oder einer unvorsichtigen Politik der „offenen Tür“ führen, die sich beides als schädlich für den langfristigen Nutzen des Landes erweisen könnte (Ho 1996).

Darüber hinaus ist Vorsicht geboten, wenn technisch hergestellte landwirtschaftliche Wirkstoffe in neuartige Umgebungen eingeführt werden, in denen kein Frost oder andere natürliche Eindämmungsdrücke vorhanden sind. Werden sich indigene Populationen oder natürliche Austauscher genetischer Informationen mit rekombinanten Wirkstoffen in freier Wildbahn paaren, was zur Übertragung veränderter Merkmale führt? Würden sich diese Eigenschaften bei anderen Agenten als schädlich erweisen? Was wären die Auswirkungen auf die Behandlungsadministratoren? Werden Immunreaktionen die Ausbreitung begrenzen? Sind gentechnisch hergestellte lebende Agenten in der Lage, Artenbarrieren zu überwinden? Bleiben sie in der Umgebung von Wüsten, Bergen, Ebenen und Städten bestehen?

Zusammenfassung

Die moderne Biotechnologie in den Vereinigten Staaten hat sich seit den frühen 1970er Jahren unter Konsensrichtlinien und lokalen Verordnungen entwickelt. Eine sorgfältige Prüfung hat keine unerwarteten, unkontrollierbaren Merkmale gezeigt, die von einem rekombinanten Organismus exprimiert werden. Es ist eine nützliche Technologie, ohne die viele medizinische Verbesserungen auf Basis natürlicher therapeutischer Proteine ​​nicht möglich gewesen wären. In vielen entwickelten Ländern ist die Biotechnologie eine wichtige Wirtschaftskraft, und um die biotechnologische Revolution herum ist eine ganze Industrie gewachsen.

Medizinische Probleme für Biotechnologie-Arbeiter hängen mit den spezifischen Wirts-, Vektor- und DNA-Risiken und den durchgeführten körperlichen Operationen zusammen. Bisher konnten Arbeitnehmerkrankheiten durch Technik, Arbeitspraktiken, Impfstoffe und biologische Eindämmungskontrollen verhindert werden, die für das Risiko von Fall zu Fall spezifisch sind. Und die Verwaltungsstruktur ist vorhanden, um prospektive Risikobewertungen für jedes neue Versuchsprotokoll durchzuführen. Ob sich diese Sicherheitsbilanz im Bereich der Freisetzung lebensfähiger Materialien in die Umwelt fortsetzt, ist eine Frage der fortlaufenden Bewertung der potenziellen Umweltrisiken – Persistenz, Ausbreitung, natürliche Austauscher, Eigenschaften der Wirtszelle, Spezifität des Wirtsspektrums für verwendete Transfermittel, Art der eingefügtes Gen und so weiter. Es ist wichtig, dies für alle möglichen betroffenen Umgebungen und Arten zu berücksichtigen, um Überraschungen zu minimieren, die die Natur oft bietet.

 

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