Arzneien und Pharmazie: Im Dienst der Gesundheit

Seit wann gibt es Arzneimittel?

Vermutlich bereits seit seinen Anfängen kennt der Mensch Möglichkeiten, seine Gesundheit durch den Einsatz von heilkräftigen Pflanzen zu erhalten bzw. wiederherzustellen. Schon die berühmten Ärzte der Antike bereiteten aus getrockneten pflanzlichen und tierischen Produkten (»droog« bedeutet auf niederländisch »trocken«) eine Fülle von Arzneimitteln zu, die sie in Form von Salben oder Pulvern verabreichten. Im Mittelalter wurde die Heilkunst vor allem von arabischen Ärzten und den Klöstern praktiziert und weiterentwickelt. Mönche und Nonnen bewahrten ihre getrockneten Heilkräuter in Räumen auf, die sie mit dem lateinischen Wort »apotheca« (Vorratskammer) bezeichneten.

Zu Beginn des 16. Jahrhunderts standen vielfältig zusammengesetzte Medikamentenmischungen im Vordergrund. Paracelsus (1493–1541) forderte dagegen die gezielte Suche nach reinen Wirksubstanzen. Alchemistische Labortechniken wie Destillation und Sublimation hielten Einzug in die Apothekerkunst. Mineralische Präparate aus Arsen oder Gold wurden ebenfalls als Arzneien erprobt. Im 18. und 19. Jahrhundert hatte die Suche nach einem Wirkprinzip in pflanzlichen Heilmitteln mithilfe chemischer Methoden erste Erfolge. Die Wirksubstanzen Morphin und Chinin wurden isoliert. Doch erst 1910 gelang es erstmals, ein Medikament künstlich im Labor herzustellen: das Syphilismittel Salvarsan.

Wie findet man ein neues Medikament?

Durch ein mehrstufiges Verfahren. Bevor mit der Entwicklung eines neuen Medikaments begonnen werden kann, muss als Erstes nach einem geeigneten Angriffspunkt im Krankheitsgeschehen gefahndet werden, dem Target (Ziel). Meist ist dies ein körpereigenes Molekül, etwa ein Enzym oder Hormonrezeptor. Ist das Target identifiziert, so beginnt die Suche nach einem Wirkstoff, der es in der gewünschten Weise beeinflusst. Dazu wird zunächst überprüft, ob bereits bekannte Substanzen am Target eine Wirkung zeigen. Dieses sog. Screening wird mithilfe von Robotern durchgeführt: In winzigen Gefäßen werden kleine, in Flüssigkeit gelöste Substanzproben mit Targetmolekülen zusammengebracht und etwaige Veränderungen registriert.

Die so ermittelten Wirkstoffkandidaten treten dann in die vorklinische Prüfung ein: An Tieren wird der Einfluss auf Stoffwechsel und Organe sowie die Giftigkeit der Substanz getestet. Anhand dieser Ergebnisse wird die Wirkung auf den Menschen eingeschätzt und in vier klinischen Phasen überprüft. Zunächst nehmen nur wenige freiwillige Patienten das Mittel ein, die zuvor als mit herkömmlichen Arzneien nicht mehr heilbar eingeschätzt worden waren. Phase II dient dazu, die Ergebnisse aus Phase I an einer größeren Anzahl von Patienten zu bestätigen. In Phase III wird dann die Wirkung mit der von anderen Präparaten sowie mit Placebogaben verglichen. Phase IV schließlich beinhaltet Langzeitstudien nach der Zulassung.

Liefern Pflanzen auch heute noch Wirkstoffe für Arzneien?

Ja, beispielsweise wird aus dem Roten Fingerhut (Digitalis purpurea) das Herzpräparat Digitalis gewonnen. Voraussetzung ist, dass die Heilpflanze die gewünschten Inhaltsstoffe in ausreichender Qualität enthält. Und dies hängt nicht zuletzt von den Wachstumsbedingungen der Pflanze ab, also der Bodenqualität oder der Sonneneinstrahlung. Aus diesem Grund werden viele pharmakologisch genutzten Heilkräuter nicht aus dem Freiland gesammelt, sondern in Pflanzungen gezogen. Dort wachsen die Heilkräuter unter kontrollierten Umweltbedingungen auf, wodurch eine stets gleich bleibende Qualität der Wirkstoffe gewährleistet wird.

Es gibt einen weiteren Grund, Heilkräuter gezielt anzubauen: Die Wildformen vieler wertvoller Pflanzen werden durch ungehemmtes und sinnloses Sammeln immer seltener, so dass ein Anbau die natürlichen Bestände schützt. Außerdem bietet die Natur allein oft nicht mehr genügend Pflanzen, um den Bedarf der pharmazeutischen Industrie zu decken.

Wie wird eine Heilpflanze zum Medikament?

Durch verschiedene Arbeitsschritte, in denen die heilkräftigen Wirkstoffe chemisch aus der Pflanze herausgelöst und mit Zusatzstoffen verbunden werden, die eine gute Aufnahme im Körper gewährleisten. Um die gewünschten Wirkstoffe zu erhalten, werden die Pflanzen zerkleinert und die Inhaltsstoffe mithilfe eines Lösungsmittels aus der Pflanze herausgezogen. Nicht immer kommt Wasser oder Alkohol zum Einsatz, oft werden auch chemische Lösungsmittel wie Aceton verwendet. Die entstandene Lösung wird in weiteren Verarbeitungsstufen von unerwünschten Chemikalien gereinigt und so weit eingedickt, bis eine bestimmte Dosis des Wirkstoffs im fertigen Medikament gewährleistet ist.

Doch die isolierten Wirkstoffe benötigen sozusagen ein Vehikel, um verabreicht werden zu können. Werden sie etwa mit Wasser oder auch Alkohol vermengt, entstehen Tropfen bzw. Säfte. Zur äußerlichen Anwendung mischt man die Wirkstoffe z. B. mit Ölen oder einem Salbengrundstoff. Bei getrockneten Wirkstoffen eignet sich beispielsweise Stärke als Trägersubstanz. Erst jetzt ist aus der Pflanze ein Medikament geworden.

Was sind Antibiotika?

Unterschiedliche Stoffe, die von Mikroorganismen hergestellt werden und die das Wachstum anderer Mikroorganismen – darunter auch Krankheiten verursachende Bakterien – hemmen. Allein Sporen bildende Pilze (Streptomyceten) produzieren bislang etwa 500 der 8000 bekannten antibiotischen Substanzen. Nur rund 50 davon werden weltweit eingesetzt, nicht nur in der Medizin, sondern auch in Landwirtschaft und Industrie – so z. B. Streptomycin, Aureomycin und Tetrazykline. Um Antibiotika herzustellen, werden die Mikroorganismen gezüchtet, abgetötet und die Überreste chemisch gereinigt. Ist die chemische Formel des Antibiotikums bekannt, kann man es auch künstlich herstellen.

Übrigens: Antibiotika wirken nur bei wachsenden Bakterien, ruhende Bakterienzellen beeinträchtigen sie nicht. Deshalb ist es für einen erfolgreichen Einsatz außerordentlich wichtig, Antibiotika genau in der vorgeschriebenen Dosis und über den vorgeschriebenen Zeitraum hinweg einzunehmen. Setzen nämlich die ruhenden Zellen zum Wachstum und zur Teilung an, muss im Körper noch eine ausreichende Menge des Wirkstoffs vorhanden sein, um auch sie abzutöten.

Können Hormone künstlich hergestellt werden?

Ja, künstliche Hormone kommen zunächst aus dem Labor. Zur großtechnischen Produktion werden dann gentechnisch veränderte Bakterien herangezogen. Allerdings sind diese Substanzen den Bakterien völlig fremd; sie verfügen weder über die Gene für den Bauplan von Hormonen noch über das enzymatische Werkzeug für ihre Herstellung. Um also menschliche Hormone aus Bakterien zu gewinnen, müssen Bakterien genetisch »umprogrammiert« werden. Dazu muss ein Gen für den Bauplan eines Proteinhormons wie Insulin künstlich in das Bakterium eingeschleust werden; dies geschieht mithilfe der Gentechnik. Fortan produzieren diese genetisch veränderten Bakterien menschliches Protein, und zwar in so großer Menge und so preiswert, wie es bis dahin nicht möglich war.

Das erste menschliche Protein, das auf diese Weise 1977 von Escherichia coli produziert wurde, war Somatostatin. Es wird in einer bestimmten Region des Gehirns, dem Hypothalamus, gebildet und beeinflusst die Wirkung anderer Hormone, z. B. des menschlichen Wachstumshormons. Der bakteriell produzierte Wirkstoff erwies sich als völlig identisch mit dem menschlichen Hormon. Bis heute ist Escherichia coli eine der nützlichsten Bakterien der Gentechnik geblieben.

Was sind Interferone?

Interferone sind kleine Proteine, welche die Vermehrung von Viren in Zellen hemmen. Interferone werden von Immunzellen, etwa Lymphozyten und Makrophagen, produziert und sind auch für das seit langem bekannte Phänomen der »viralen Interferenz« verantwortlich – der Tatsache also, dass eine bereits bestehende Virusinfektion eine Zweitinfektion mit einem anderen Virus verhindert. Allgemein beeinflussen sie die Immunreaktion, lösen diese aus, verstärken sie oder hemmen sie gegebenenfalls auch.

Interferone hemmen darüber hinaus die Zellteilung und fördern die Rückbildung bei Tumoren. Deshalb sind sie als potenzielle Antikrebsmittel interessant. Die Anwendung ist jedoch kompliziert und ein Durchbruch in der therapeutischen Anwendung lässt bislang auf sich warten. Erzeugt werden Interferone durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen.

Wie bringt man Bakterien dazu, Insulin zu produzieren?

Mithilfe der Gentechnik. Das für die Insulinproduktion zuständige Gen liegt in Form eines DNA-Abschnitts im menschlichen Genom vor. Beim Ablesen des Gens entsteht ein spezieller Abschnitt von Ribonucleinsäure, die »Boten-RNA«. Diese kann isoliert und mithilfe von Enzymen wiederum in DNA umgeschrieben werden, die nun cDNA (complementäre DNA) genannt wird. Diese cDNA von Genen wird in der Gentechnik häufig als »künstliches« Gen verwendet. Um das gewünschte Protein herstellen zu können, muss die Bakterienzelle mit der cDNA bestückt werden. Setzt man die Zelle kurzen Pulsen von elektrischen Feldern aus, entstehen Poren in der Zellmembran, durch die die DNA-Stücke in die Zelle gelangen. Damit ist die Bakterienzelle »transformiert«. Bei jeder Zellteilung wird nun die DNA und damit auch das fremde Gen vervielfältigt.