VIELSEITIGER HELFER

Bislang wird das hilfreiche Protein fast ausschließlich aus tierischem Ausgangsmaterial gewonnen: aus Rindern, Schweinen und neuerdings auch Meerestieren wie Fisch oder Quallen. Rund 95 Prozent des in der Pharma- und Medizintechnikindustrie genutzten Kollagens stammen aus diesen Quellen; ein geringer Anteil wird aus der menschlichen Plazenta sowie Zellen der Nabelschnur gewonnen und für Forschungszwecke genutzt (siehe Kollagen: Zahlen und Fakten )

Kollagene aus tierischen Materialien sind jedoch zuweilen problematisch. Sie können Krankheiten übertragen, zum Beispiel BSE, auch bekannt als Rinderwahn. Für viele Konsumenten oder Patienten ist das ein Grund, auf Kollagen zu verzichten. Zudem reagieren zwei bis vier Prozent der Menschen allergisch auf Kollagen, das von Rindern oder Schweinen stammt; ein ähnlich großer Anteil der Bevölkerung ist allergisch gegen Fisch und Meeresfrüchte. Studien haben gezeigt, dass der Kontakt mit tierischem Kollagen bei drei bis zehn Prozent der Bevölkerung eine Immunreaktion auslösen kann. Für Vegetarier, Veganer und Angehörige verschiedener Religionen wie Hinduismus, Buddhismus, Islam oder Judentum sind Produkte auf Basis von Rind beziehungsweise Schwein sowieso tabu.

Mit einem neuartigen Produktionsverfahren begegnet Evonik diesen Herausforderungen. „Unser Prozess kommt komplett ohne tierisches Ausgangsmaterial aus und erlaubt die Produktion einer gut löslichen und hochreinen Form von Kollagen, die sicher und nachhaltig ist“, sagt Andreas Karau, Leiter des Produktbereichs für Biomaterialien. Der Clou an der Technologie: Mit geringem Aufwand lassen sich unterschiedliche Kollagene herstellen – sie liefert also eine Plattform. „Damit befriedigen wir zahlreiche Marktbedürfnisse, die bislang nicht erfüllt wurden“, sagt Karau.

Das Kollagen von Evonik wird mittels mikrobieller Umwandlung hergestellt. Dafür wird die genetische Information einer spezifischen Kollagenstruktur in Mikroorganismen übertragen, die dann in einem Fermentationsprozess in wenigen Tagen Kollagen herstellen. Während dieser Zeit wird das Kollagen in immer größeren Fermentationskesseln vermehrt, bis die gewünschte Menge erreicht ist. Die Evonik- Plattform kann heute bereits vier verschiedene Kollagentypen herstellen. „Der Prozess ist immer der gleiche, aber je nach Kundenwunsch setzen wir Mikroorganismen mit einer spezifischen genetischen Information ein und passen einige Prozessparameter an“, erklärt Karau. „So können wir genau das Kollagen erzeugen, das sich für ein bestimmtes Anwendungsgebiet besonders gut eignet.“

Fermentation gehört zu den Kernkompetenzen der Division Nutrition & Care und ist einer der Wachstumshebel für Evonik. Viele biotechnologische Innovationen der vergangenen Jahre basieren auf mikrobieller Umwandlung und haben in den jeweiligen Marktsegmenten disruptive Entwicklungen angestoßen. Bei fermentativ hergestellten Biotensiden zählt Evonik zu den Marktführern und arbeitet derzeit gemeinsam mit dem Konsumgüterhersteller Unilever an der nächsten Generation vollständig biologisch abbaubarer Reinigungsmittel.

Ebenfalls aus Fermentation entsteht das Omega-3-reiche Algenöl, das Evonik zusammen mit dem niederländischen Partner DSM im Joint Venture Veramaris entwickelt hat. Damit ist es erstmals möglich, Lachse in Aquakultur ohne Fischöl zu züchten. Das trägt zur Nachhaltigkeit dieser Haltungsform bei und schützt die Biodiversität in den Ozeanen.

„Biotechnologie erlaubt es uns, neue Produkte sehr zügig zu entwickeln und im kommerziellen Maßstab herzustellen“, sagt Thomas Riermeier. „Wir sehen im Markt für fermentativ hergestellte Produkte derzeit viel Dynamik und gehen davon aus, dass insbesondere fermentativ hergestellte Proteine künftig einen wesentlichen Teil unseres Portfolios im Bereich der Biotechnologie ausmachen werden.“

Der neue Prozess der Kollagenproduktion ermöglicht auch einen qualitativen Quantensprung. Da die Fermentation unter genau definierten Bedingungen abläuft, ist die Güte des Produkts gleichbleibend hoch. Gerade für medizinische Anwendungen ist es wichtig, dass jede Charge dieselben Eigenschaften aufweist.

Der Bedarf an solchem hochreinen Kollagen in der Pharma- und Medizintechnikbranche wächst jährlich um rund sechs Prozent. 2023 soll er voraussichtlich 1,5 Milliarden US-$ betragen. Ein wichtiger Treiber ist das Tissue Engineering: „Bei der Regeneration beschädigten oder gar zerstörten Gewebes wie etwa Haut, Knochen oder Organen wird Kollagen gern als sogenanntes Matrixmaterial eingesetzt, in dem sich die neuen Zellen bilden“, sagt Andreas Karau. Lebende Zellen werden auf der Matrix wie auf einem Gerüst kultiviert, das neben Nährstoffen weitere Zusätze erhält, die das Wachstum fördern. Das Kollagen sorgt dafür, dass die Zellen in die richtige Form wachsen und ihre biologische Funktion entwickeln. Das ist besonders wichtig bei der Nachbildung von Organen im Labor.

Derzeit führt Evonik mehr als zehn In-vitro-Studien durch, um die sogenannte Biofunktionalität des neuen fermentativen Kollagens zu untersuchen. Sie sollen zeigen, unter welchen Bedingungen das Material in der Lage ist, die Kollagensynthese im Körper anzustoßen, um zum Beispiel den Heilungsprozess nach Operationen zu fördern. Außerdem werden Prozesse zur Entwicklung kollagenhaltiger Hydrogele für die ästhetische und regenerative Medizin erprobt – also etwa zur Faltenunterspritzung oder zur Wundheilung. Die Biotechnologin Maria Montero Mirabet vom Geschäftsgebiet Health Care leitet diese Studien. Sie hat die Entwicklung des neuen Kollagens begleitet und die Zusammenarbeit zwischen den Projektteams an den verschiedenen Evonik-Standorten sowie den Forschungspartnern wie dem Universitätsklinikum und dem Translationszentrum für Regenerative Therapien des Fraunhofer-Instituts in Würzburg koordiniert. „Die Produktionsprozesse haben hauptsächlich Teams in Hanau und an anderen Biotechnologie-Standorten in Europa erarbeitet, die Anwendungstests liefen beim Innovation Management in Darmstadt, dem Medical Device Competence Center in Birmingham (USA) und dem Tissue-Engineering-Projekthaus in Singapur“, so Montero Mirabet.

Die ersten Kunden testen bereits das neue Kollagen von Evonik – als Beschichtung für Implantate, als Dermalfiller zur Glättung der Haut und in mehreren Gefäßanwendungen. Dabei können sie auf das Knowhow von Evonik in der Formulierung, Anwendung und Produktion von Biomaterialien und Arzneimitteln und die Kenntnisse des Unternehmens in der Gewebezüchtung zurückgreifen. So macht Kollagen künftig nicht nur faltenfrei und fit, sondern auch gesund.

Fotos: Ollanski, Stefan Wildhirt/Evonik (3), Evonik, Karsten Bootmann/Evonik

Illustrationen: Maximilian Nertinger (5), Oriana Fenwick/Kombinatrotweiss mit Fotovorlage von Stefan Wildhirt/Evonik