Nachhaltigkeit kann Leben retten |
 | 13.12.2016 10:00 Uhr |
Von Ulrike Holzgrabe, Tessa Lühmann und Lorenz Meinel, Würzburg / Bei der Entwicklung neuer Antibiotika sind zwei Ebenen der Nachhaltigkeit zu bedenken. Wir suchen Antibiotika mit neuartiger Struktur und neuem Wirkmechanismus, die idealerweise schon in kleinen Konzentrationen bakterizid wirken, nahezu komplett bioverfügbar und vollständig abbaubar sind. Die zweite Ebene betrifft die Herstellung eines Antibiotikums.
Warum ist Nachhaltigkeit für die Antibiotikaentwicklung so wichtig? Beängstigend ist die Entwicklung von Resistenzen, die durch den übermäßigen Gebrauch von Antibiotika bei Patienten mit Infektionen jeglicher Art sowie in der Landwirtschaft zustande kommt. Wir »züchten« nicht nur resistente Bakterien in Mensch und Tier durch unsachgemäße Anwendung, sondern bereiten das Feld der Resistenzentwicklung schon in der Natur, denn durch die Ausscheidung aus Mensch und Tier gelangen Antibiotika auf die Felder und in das Wasser.
Selbst vermeintlich banale Keime wie Escherichia coli haben bereits vielfältige Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt.
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Andererseits kamen in den vergangenen Jahrzehnten kaum oder keine neuen Antibiotika mit neuen Wirkprinzipien auf den Markt. Somit wird es immer schwieriger, ein geeignetes Antibiotikum zur Therapie einer Infektion zu finden. Mit anderen Worten: Wir verlassen im Feld der Antibiotika den von der Brundtland-Kommission angemahnten Gleichgewichtszustand (Kasten). Fraglich ist, ob wir unseren Schatz an Antibiotika durch mehr Nachhaltigkeit bewahren und anreichern können.
Sowohl die WHO in ihrem Antimicrobial Resistance Global Report on Surveillance (1) als auch das amerikanische Center for Disease Control (CDC) und das europäische Pendant ECDC mahnen mit Statistiken die sich verschlechternde Resistenzsituation weltweit an. Zur Verbesserung der Lage wurden in mehreren europäischen Ländern und in den USA Strategien entwickelt, die neben dem rationaleren Gebrauch von Antibiotika, hygienischen Maßnahmen und Antibiotika-Überwachung auf die Entwicklung von Impfstoffen und neuen Antibiotika mit neuem Wirkmechanismus zielen. Klar ist: Spricht ein Wirkstoff neue Zielstrukturen an, verläuft die Entwicklung von in diesem Fall neuen Resistenzen langsamer als bei Me-too-Antibiotika, da es erst einmal keine Kreuzresistenzen zu vorhandenen Antibiotika gibt.
Was bewirken subletale Antibiotikakonzentrationen?
Einige Antibiotika werden vom menschlichen und tierischen Körper kaum verstoffwechselt, zum Beispiel Fluorchinolone, Tetracycline oder Aminoglycoside. Sie gelangen deshalb in die Umwelt, wo sie aufgrund der Verdünnung in subletalen Dosen vorliegen. Über die Nahrungskette nehmen wir sie wieder auf. Subletale Dosen entstehen auch durch nicht fachgerechte Produktion von Antibiotika (2). Ein Beispiel von vielen aus Indien und China wurde im Oktober 2016 von der Firma Aurobindo aus Hyderabad berichtet (3). Im Abwasser der Firma wurden nicht nur Antibiotika nachgewiesen, sondern bereits resistente Bakterien und zwar Fluorchinolon-resistente Escherichia coli.
Im Duden findet man die Definition »längere Zeit anhaltende Wirkung«. Ursprünglich wurde der Begriff Nachhaltigkeit als forstwirtschaftliches Prinzip von Hans Carl von Carlowitz schon 1713 eingeführt. Er wollte zum Ausdruck bringen, dass man nicht mehr Holz fällen solle als nachwachsen kann – dies vor dem Hintergrund der »holzfressenden« Silberminenausbeutung.
In den letzten 300 Jahren hat es vielfältige Diskussionen – ja sogar Ringen – um den Begriff der Nachhaltigkeit gegeben. Neben dem Club of Rome hat sich insbesondere der Brundtland-Report 1987 damit auseinandergesetzt und definiert als »nachhaltige Entwicklung eine Entwicklung, die gewährt, dass künftige Generationen nicht schlechter gestellt sind, ihre Bedürfnisse zu befriedigen als gegenwärtig lebende« (1). Wie bei von Carlowitz geht es also um einen dauerhaften Gleichgewichtszustand.
Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass subletale Dosen eines Antibiotikums nicht nur Bakterienmutanten mit vorhandenen antimikrobiellen Resistenzen (AMR) selektieren können, sondern dass sich Bakterien an diese Konzentrationen adaptieren und sogar molekulare Schutzmechanismen wie die SOS-Antwort (Reparatur der geschädigten DNA) entwickeln können. Die sogenannte »Mutant Selection Concentration« (MSC) ist für Ciprofloxacin 230-fach und bei Tetracyclinen 150-fach niedriger als die jeweilige Minimale Hemmkonzentration (MHK). Konzentrationen, in denen Antibiotika in der Nahrung vorkommen, liegen häufig bereits im MSC-Bereich. Eine Faustregel besagt, dass normalerweise eine höhere Konzentration notwendig ist, um AMR zu entwickeln. Für die Selektion resistenter Bakterien reichen aber schon die MCS aus.
Unter dem Einfluss von MSC von sehr stark wirksamen Antibiotika reichern sich vor allem schon existierende AMR-Mutanten durch horizontalen Gentransfer an, also mittels Bakteriophagen, Phagen und Plasmiden. Es wird vermutet, dass dies in der Landwirtschaft passiert und für den Transfer der Resistenzen zu humanen Pathogenen verantwortlich ist. Ferner bietet das Darm-Mikrobiom eine ideale Umgebung für den Transfer von AMR-Genen. Während Einzelmutationen im Gen eines Bakteriums die sogenannte Fitness normalerweise herabsetzen, können Mehrfachmutationen durch horizontalen Gentransfer die Fitness der resistenten Bakterien sogar erhöhen und diese lebensfähiger machen als Pathogene ohne Mutationen. Das nennt man positive Epistasis. Biozide und Schwermetalle verstärken diese Entwicklung.
Zudem ist schon lange bekannt, dass MSC, zum Beispiel von Streptomycin, zu Lesefehlern bei der Translation führen können, die letztlich neue antimikrobielle Resistenzen auslösen, was die Geschwindigkeit der Resistenzentwicklung erhöht. Auch MSC von anderen Antibiotika könnten zur Neuentstehung von Resistenz führen (4, 5, 6).
Beim Pivampicillin (oben) ist die freie Carboxylgruppe des Ampicillins verestert, sodass das Prodrug hydrophober ist als Ampicillin und daher besser durch biologische Membranen diffundiert. Erst beim sauren pH wird intrazellulär der Ester hydrolysiert und das antibiotisch wirksame Ampicillin (unten) freigesetzt.
Das Ziel muss sein, jegliche Ausbringung von Antibiotika zu verhindern. Einerseits gibt es bisher keine Technik, die das Abwasser vollständig reinigt; andererseits gibt es in der Landwirtschaft keine Kontrolle über die Verbringung von Antibiotika in die Natur. Folgende Maßnahmen sollten also bei Einsatz und Entwicklung neuer Antibiotika berücksichtigt werden:
Der Verbleib eines Antibiotikums in der Natur in Form eines »Environment Risk Assessment« muss seit etwa zehn Jahren schon beim Antrag auf Zulassung eines neuen Arzneistoffs in Europa und den USA nachgewiesen werden (8). Jedoch wird der vollständige (Bio-)Abbau vom Gesetzgeber nicht gefordert und damit von der Pharmazeutischen Industrie auch nicht verfolgt. Diese Risikoabschätzung gilt nicht für Arzneimittel, die vor 2006 zugelassen sind.
Neuigkeiten in der Pipeline?
Die Frage nach wirklich neuen Antibiotika mit neuem Wirkmechanismus kann man im Grunde verneinen, sieht man von Linezolid und Daptomycin ab, die beide schon vor Jahrzehnten entdeckt wurden und seit Jahren in Deutschland eingesetzt werden. Der überwiegende Teil der Antibiotika in der Pipeline sind Abkömmlinge bestehender Gruppen wie Cephalosporine, Fluorchinolone, Tetracycline, Macrolide, Oxazolidinone, Lipopeptide oder der Dihydrofolatreduktase-Inhibitor Iclaprim. Nach Markteinführung werden wir relativ bald Kreuzresistenzen beobachten können.
Allein Inhibitoren der Fettsäuresynthese, insbesondere der bakteriellen Enoyl-Acyl-Carrier-Protein-Reduktase FabI, stellen eine neue Klasse von Antibiotika mit neuem Wirkmechanismus dar. Jedoch befindet sich keine Substanz in Phase III klinischer Studien, sodass der Nutzenbeleg noch aussteht. Es bleibt also nur die Option, die vorhandenen Antibiotika besser zu nutzen.
Optimierte Prodrugs
Abbildung: Elektronenmikroskopische Aufnahmen von bioabbaubaren Poly-alkylcyanoacrylat-Nanopartikeln. A: Öl enthaltende Nanokapseln nach Anfärbung mit Uranylacetat.B: Öl enthaltende Nanokapseln nach Anfärbung mit Phosphowolframsäure. Maßstabsbalken 200 nm.
Nachdruck mit Genehmigung von Elsevier (15)
Subletale Dosen sind ein wichtiger Grund für die Entwicklung multiresistenter Keime. Umso wichtiger ist ein möglichst effektiver Transport der Wirkstoffe über Permeabilitätsschranken hinweg.
Die wesentlichen Schranken sind der sich um die Bakterien bildende Biofilm sowie eine ungenügende Aufnahme oral einzunehmender Antibiotika. Zur Behandlung intrazellulärer Erreger muss der Wirkstoff zudem durch die Zellmembran in die infizierten Zellen gelangen. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil intrazelluläre Pathogene ein Reservoir für rekurrierende Krankheitsverläufe bilden.
Geht man von einem nur passiven Transport bei (patho-)physiologischem pH-Wert aus, passieren ungeladene Moleküle biologische Barrieren besser als geladene. Dieser Strategie folgen viele Prodrug-Konzepte erfolgreich. Ein etabliertes Beispiel ist das Pivampicillin, bei dem die freie Carboxylgruppe des Ampicillins zunächst verestert ist, sodass dieses Prodrug hydrophober ist als Ampicillin und daher besser durch biologische Membranen diffundiert. Erst beim sauren pH wird intrazellulär der Ester hydrolysiert und das wirksame Ampicillin freigesetzt (Abbildung).
Pivampicillin ist aktiv gegen intrazelluläre Listerien und zwar auch dann, wenn dem Medium β-Lactamase zugesetzt wird. Dies deutet darauf hin, dass die Spaltung des Prodrugs zumindest teilweise intrazellulär erfolgt (9). Die verbesserte passive Diffusion des Prodrugs ist auch dafür verantwortlich, dass Pivampicillin eine deutlich bessere Bioverfügbarkeit hat als Ampicillin selbst (10, 11).
Technologische Verbesserungen
Galenische Strategien versuchen, die therapeutische Aktivität von Antibiotika zu verbessern, indem die Bioverfügbarkeit verbessert, die Serumstabilität erhöht oder pharmakokinetische Profile optimiert werden (12, 13). Dazu werden die Wirkstoffe in eine Matrix eingeschlossen, zum Beispiel einen nanopartikulären Träger, der sie schützt.
Ein ringförmiges Erythem kann eine Borrelien-Infektion anzeigen. Die topische Applikation eines Azithromycin-Gels konnte in Studien eine Borreliose verhindern.
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Die ersten nanopartikulären Träger von Antibiotika waren allerdings wenig effektiv, denn die Partikel wurden rasch von phagozytierenden Zellen des retikuloendothelialen Systems (RES) vor allem in der Milz und der Leber aufgenommen. Erst später konnte man das Problem lösen: Die Oberfläche der Partikel wurde modifiziert und »getarnt« (daher der englische Begriff »stealth formulations«), sodass diese weniger gut vom RES entfernt wurden. Zudem spielt die Größe der Nanopartikel eine Rolle (Abbildung).
Optimale Formulierungsparameter tragen entscheidend zum Erfolg von antibiotischen Therapien bei (14, 15). So konnte in mit Salmonella typhimurium infizierten Mäusen gezeigt werden, dass die Dosis von Ampicillin, das an die Oberfläche von Nanopartikeln gebunden war, mehr als 30-fach geringer sein konnte im Vergleich zu einfachem Ampicillin. Zudem beobachtete man bei einmaliger Gabe der Nanopartikel vergleichbare Effekte wie bei dreimaliger Gabe von Ampicillin. Möglicherweise beruht dies zum Teil darauf, dass die intrazelluläre Verfügbarkeit des Wirkstoffs durch Phagozytose der Nanopartikel verbessert wird (6).
Allerdings sind diese Wirkstoffträger aufwendig in der Produktion und nicht einfach zu stabilisieren. Daher konnten sich partikuläre Nanoformulierungen trotz intensiver Forschung und nachweisbarer Erfolge nicht breit durchsetzen.
Kolloidale Träger hingegen, ebenfalls »Nanoformulierungen«, sind erfolgreicher – aber nicht im Antibiotika-Bereich. Der erste große Erfolg gelang 1995 mit der Zulassung von Doxil®, einer liposomalen Zubereitung mit »stealth«-Eigenschaften des Anthrazyklins Doxorubicin.
Pluspunkte für Azithromycin-Gel
Aber auch mit konventionellen Formulierungen kann man interessante Effekte erzielen. So berichten Studien der Universität Leipzig über die prophylaktische Wirksamkeit eines Azithromycin-Gels zur Verhinderung der Lyme-Borreliose, der am häufigsten durch Zecken übertragenen Infektionskrankheit in Europa.
Beim Zeckenstich können Spirochäten übertragen werden, die am Ort des Stichs verbleiben und zunächst eine lokale Infektion hervorrufen können. Sichtbares Zeichen ist ein Erythema migrans, seltener ein Borrelien-Lymphozytom. Lediglich ein kleiner Teil der Infizierten erleidet schwerere Krankheitsverläufe, die vor allem Haut, Gelenke oder Nervensystem betreffen. Obwohl noch nicht geklärt ist, in welchem Ausmaß die Borrelien zunächst am Ort des Stichs verbleiben, konnte eine Borreliose durch mehrfaches Auftragen des Azithromycin-Gels (16) verhindert werden. Interessanterweise reichte es aus, bis zu drei Tage nach der Exposition mit der lokalen Behandlung des Zeckenstichs zu beginnen.
Gelangen Antibiotika in Boden und Wasser, drohen neue Resistenzen
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Diese Arbeiten wurden grundsätzlich durch ein anderes Labor bestätigt (17). Jedoch sind noch keine placebokontrollierten Studien zur Wirksamkeit beim Menschen publiziert. Daher diskutieren die Leitlinien der Deutschen Dermatologischen Gesellschaft zur kutanen Lyme-Borreliose dieses Gel zwar, empfehlen es aber aufgrund der fehlenden klinischen Daten derzeit nicht (18).
Dieses Beispiel zeigt, wie mit minimalen Mengen von Antibiotika – hier einige Mikrogramm, die lokal aufgebracht werden – und mit speziellen galenischen Zubereitungen, die die Wirkstoffe effizient in die Haut transportieren, nachfolgend große Mengen eingespart werden können. Denn eine effiziente Prophylaxe minimiert den nachträglichen Einsatz von Antibiotika.
Nachhaltigkeit bei der Produktion
Die zwölf Grundprinzipien der Grünen Chemie lassen sich wie folgt zusammenfassen: Abfallvermeidung, Atomökonomie, ungefährliche Synthesen, sichere Chemikalien, sichere Lösungsmittel, minimaler Energieverbrauch, nachwachsende Rohstoffe, einfache Chemie, Katalyse, Abbaubarkeit, Echtzeitanalysen und Unfallverhütung (19).
Bei etablierten Arzneistoffen wird der Hersteller die Produktion aufgrund der regulatorischen Hürden, die überwunden werden müssen, kaum mehr umstellen, nur um den Prinzipien der Grünen Chemie zu genügen. Dies gilt insbesondere für die älteren Antibiotika. Gleichwohl haben sich führende, weltweit agierende Pharmafirmen unter dem Dach des American Chemical Society (ACS) Green Chemistry Institute (GCI) zu einem Pharmaceutical Roundtable zusammengefunden, um ihre Leistungsfähigkeit in Bezug auf Nachhaltigkeit bei der Entwicklung und Herstellung von Arzneistoffen zu verbessern (20). Allerdings gehören keine Antibiotika-produzierenden Pharmafirmen aus China und Indien zu diesem Runden Tisch.
Gegen hochresistente Bakterien helfen nur neue Antibiotika. Doch die sind rar.
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Viele Antibiotika stammen aus der Natur und werden partiell biotechnologisch hergestellt, was dem Prinzip der Grünen Chemie entspricht. Allen voran sind es die β-Lactam-Antibiotika, deren Grundstrukturen, Aminopenicillansäure und Aminocephalosporansäure, biotechnologisch hergestellt und dann chemisch modifiziert werden.
Tetracycline, Erythromycin, Vancomycin oder Streptomycin entstammen dem Sekundärmetabolismus von Actinomyceten, in dem Fall der Gattung Streptomyces. Genau diese Organismen auch für die Produktion der Antibiotika zu verwenden, kann in der Praxis aber schwierig sein, vor allem was die Produktionsausbeute angeht. Außerdem ist die »biochemische Fabrik« der Actinomyceten recht komplex, sodass man sich gerne Modellorganismen wie E. coli bedient. Dabei werden komplette Gen-Cluster eines Antibiotika produzierenden Stamms in E. coli oder S. cerevisiae (Bäckerhefe) übertragen und optimiert. Oder mehrere Cluster werden kombiniert.
Alles in allem ist »metabolic engineering« ein äußerst faszinierendes Forschungsgebiet. Ein schönes Beispiel ist für das Polyketid-Antibiotikum Erythromycin beschrieben (21).
Polypeptid-Antibiotika als Idealfall?
In puncto Nachhaltigkeit bieten Antibiotika auf Polypeptidbasis etliche Vorteile. Im Fokus der pharmazeutischen Forschung stehen natürlich vorkommende und synthetische antimikrobielle Peptide und Proteine (AMP), die in vielen Organismen des Tier- und Pflanzenreichs vorkommen. Die überwiegend positiv geladenen Moleküle wirken bakterizid, indem sie an die bakterielle Zellwand binden und somit das Pathogen entweder direkt abtöten oder indirekt gegen mikrobielle Biofilme wirken (22). Aufgrund der proteinogenen Struktur können AMP standardisiert über biotechnologische Verfahren in Mikroorganismen und Pflanzen oder rein synthetisch mithilfe der Festphasen-Peptidsynthese hergestellt werden.
Ferner ermöglicht die peptidische Struktur einen vollumfänglichen proteolytischen Abbau im Zielgewebe durch extrazelluläre Proteasen und/oder den renalen Metabolismus. Das bedeutet: Es reichern sich keine AMP während der Produktion sowie nach Ausscheidung aus dem Organismus in der Umwelt an.
Es liegt jedoch nahe, dass bioabbaubare Antibiotika auf AMP-Basis für eine Erfolg versprechende Applikation galenisch stabilisiert werden müssen. Zurzeit werden vorrangig Freisetzungssysteme entwickelt, die auf Konjugation an zum Beispiel Polyethylenglycol (PEG) und Verwendung von partikulären Trägermaterialien basieren (23).
Weiteres Plus: Die »Synthese« im Produktionsstamm findet in wässriger Umgebung statt. Dadurch kann der Einsatz organischer Lösungsmittel minimiert werden. Doch eine biotechnologische Synthese alleine garantiert nicht, dass die entstehenden Antibiotika umweltverträglich sind. Tatsächlich wird zum Beispiel das biotechnologisch produzierte Erythromycin in Flusswasser (24), wenn auch nicht im Grundwasser gefunden (25).
Was muss in naher Zukunft passieren?
Die öffentliche Diskussion über die notwendige Entwicklung neuer Antibiotika hat in den vergangenen Jahren Fahrt aufgenommen. Der politische Druck ist offensichtlich ausreichend groß, denn einige wenige Pharmafirmen scheinen sich wieder für Antibiotika zu interessieren. Dabei geht es um mehr als nur neuartige Antibiotika. Wir müssen durch einen optimalen Metabolismus und eine verbesserte Galenik dafür sorgen, dass diese neuen Substanzen nicht in die Natur gelangen, auch nicht in verdünnter Form. Sonst holen uns die Resistenzen immer wieder ein. Zudem ist es wichtig, die vorhandenen Antibiotika besser einzusetzen und besser zu formulieren. Nachhaltigkeit ist gerade bei der Antibiotikaentwicklung unbedingt notwendig und ein zukunftsträchtiges Forschungsfeld. /
Literatur
Ulrike Holzgrabe studierte Chemie in Marburg und Pharmazie in Marburg und Kiel. Es folgten Approbation, Promotion und Habilitation in Pharmazeutischer Chemie (1989) sowie 1990 Rufe auf C3-Professuren nach Bonn und Berlin. Als C3-Professorin ging Holzgrabe bis 1999 nach Bonn und wurde schließlich 1999 Lehrstuhlinhaberin in Würzburg. Den Ruf einer C4-Professur 2004 in Berlin lehnte sie ab, gleichermaßen das Angebot zur BfArM-Präsidentschaft 2008. Holzgrabe war von 1997 bis 1999 Prorektorin der Universität Bonn, von 2004 bis 2007 Präsidentin der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft und von 2008 bis 2011 Mitglied des Executive Committees der European Federation for Pharmaceutical Sciences (EUFEPS). Holzgrabe ist Vorsitzende des BfArM-Ausschusses Pharmazeutische Chemie sowie Mitglied der Deutschen Arzneibuchkommission am BfArM, Mitglied des wissenschaftlichen Beirats und der Europäischen Arzneibuchkommission am BfArM.
Lorenz Meinel studierte Pharmazie an der Universität Würzburg und erhielt 1999 die Approbation. Seine erste, naturwissenschaftlich ausgerichtete Doktorarbeit zu Arzneistoff-Freigabesystemen fertigte er an der ETH Zürich an. Im Anschluss ging er 2002 ans Massachusetts Institute of Technology, Cambridge/USA. Eine zweite, medizinische Doktorarbeit schloss Meinel 2005 an der Universität Frankfurt/Main über die Regeneration von Knochen und Knorpel mit Hilfe von Stammzellen und Proteingerüsten ab. Nach der Promotion 2005 übernahm er leitende Positionen bei Novartis Pharma, Zürich. 2007 habilitierte er sich an der ETH Zürich. Im Oktober 2010 übernahm er den Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie an der Uni Würzburg. Seine Forschungsthemen sind unter anderem Biokonjugate, bioresponsive Arzneistoff-Freigabesysteme und die Formulierung von schlecht wasserlöslichen Verbindungen.
Tessa Charlotte Lühmann studierte Biochemie an der Universität Leipzig und erhielt 2006 ihr Diplom. Anschließend arbeitete sie an ihrer Promotion an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich im Department für Materialwissenschaften. 2009 wurde Lühmann promoviert. Nach ihrer Postdoktoranden-Zeit an der ETH wechselte sie 2011 an die Universität Würzburg und arbeitet dort seit 2013 im Arbeitskreis von Professor Lorenz Meinel an ihrer Habilitation. Sie erforscht bioresponsive Freisetzungssysteme von Proteinwirkstoffen.
Professor Dr. Ulrike Holzgrabe
Institut für Pharmazie und Lebensmittelchemie
Universität Würzburg
Am Hubland
97074 Würzburg
E-Mail: u.holzgrabe@pharmazie.uni-wuerzburg.de
