Penicillin

Penicillin ist ein Stoff, den Schimmelpilze der Gattung Penicillium bilden; es tötet viele Bakterienarten, indem es sie am Aufbau ihrer Zellwand hindert. Alexander Fleming bemerkte es 1928, und ein Team in Oxford machte daraus im Zweiten Weltkrieg das erste aus Schimmel gewonnene Antibiotikum, das breit eingesetzt wurde.

Was es ist

Penicillin ist ein Antibiotikum, also ein Arzneimittel, das Bakterien abtötet oder ihr Wachstum hemmt. Anders als die Sulfonamide der 1930er-Jahre, die Chemiker aus Farbstoffen entwickelten, wird es von einem Lebewesen gebildet. Bestimmte Stämme von Penicillium, einer Gattung, zu der auch die blaugrünen Schimmel auf altem Brot und Obst gehören, produzieren es. Gereinigt wurde Penicillin zum ersten Antibiotikum aus einem Schimmelpilz, das Ärzte in großem Umfang einsetzen konnten, und es veränderte die Aussichten bei Infektionen, die oft tödlich verlaufen waren, etwa Blutvergiftung, Lungenentzündung und infizierte Wunden. Schimmel auf Lebensmitteln dagegen ist kein Heilmittel und kann selbst schaden.

Links zeigt die Tafel Flemings berühmte Beobachtung: eine Glasschale mit Bakterienkolonien, auf die zufällig eine Schimmelspore gefallen und zu einer Kolonie herangewachsen ist, umgeben von einem klaren Ring, in dem die Bakterien abgestorben sind. Rechts ist der Schimmelpilz selbst unter dem Mikroskop zu sehen. Seine Sporen wachsen in Ketten an kleinen pinselartigen Köpfen, die der Gattung ihren Namen gaben, vom lateinischen penicillus, kleiner Pinsel.

Wie es funktioniert

Die meisten Bakterien sind Einzeller, umhüllt von einer festen Wand, die sie gegen den Druck des Wassers in ihrem Inneren in Form hält. Diese Wand ist ein Geflecht aus Zuckerketten, die durch kurze Peptidbrücken verbunden sind. Während die Zelle wächst und sich teilt, schneidet sie dieses Geflecht ständig auf und baut es neu.

Penicillin blockiert die bakteriellen Enzyme, die diese Brücken knüpfen. Die Zelle wächst weiter, doch ihre neue Wand ist schwach. Wasser drängt hinein, und die Zelle platzt. Menschliche und tierische Zellen haben keine solche Wand; deshalb kann Penicillin Bakterien abtöten und die Zellen des Patienten weitgehend verschonen. Im Kern des Moleküls sitzt ein gespannter Ring aus vier Atomen, der Beta-Lactam-Ring, der mit diesen Enzymen reagiert und sie außer Gefecht setzt.

Am besten wirkt Penicillin gegen Bakterien mit dicker, frei liegender Wand, etwa Streptokokken und Pneumokokken. Der Syphiliserreger hat eine dünne Wand zwischen zwei Membranen, ist aber ebenfalls sehr empfindlich gegen Penicillin. Gegen Viren, die gar keine Zellwand haben, ist Penicillin wirkungslos.

Bakterien können resistent werden. Manche bilden ein Enzym, die Penicillinase, das den Beta-Lactam-Ring spaltet, bevor er wirken kann. Jeder Einsatz eines Antibiotikums begünstigt die Bakterien, die ihn überleben; deshalb breitet sich Resistenz dort aus, wo Antibiotika leichtfertig verwendet werden. Fleming warnte schon 1945 in seinem Nobelvortrag davor. Manche Menschen sind zudem allergisch gegen Penicillin, gelegentlich schwer. Antibiotika sind Arzneimittel, die nur auf ärztliche Verschreibung eingenommen werden dürfen.

Wie es hergestellt wird

Wie man den Schimmel züchtete, den Wirkstoff aus der Brühe gewann und seine Menge bestimmte, änderte sich zwischen 1940 und 1945 mehrmals.

Norman Heatley entwarf solche Keramikgefäße, um den Schimmel in Oxford in großer Menge zu züchten.

Oberflächenkultur in Oxford. Floreys Team züchtete Flemings Stamm von Penicillium notatum als Pilzdecke, die auf einer flachen Schicht Nährbrühe schwamm. Norman Heatley nahm zunächst alles, was einen breiten, flachen Boden hatte, darunter Bettpfannen, Keksdosen und Pastetenformen, und entwarf dann ein rechteckiges Keramikgefäß, das sich zum Bebrüten liegend stapeln ließ. Eine Töpferei in Staffordshire, James Macintyre & Co., stellte mehrere Hundert davon her, und die ersten wurden zu Weihnachten 1940 beimpft. Ein kleines Team junger Frauen, die man die „Penicillin Girls“ nannte, säte die Sporen aus, zapfte die Brühe ab, sobald der wachsende Schimmel Penicillin an sie abgegeben hatte, und hielt die Gefäße rund um die Uhr in Betrieb.

Extraktion. Die Brühe enthielt nur eine Spur Penicillin, und der Wirkstoff zerfiel in Wärme oder saurer Lösung binnen Stunden. Heatley machte sich zunutze, dass Penicillin eine Säure ist. Angesäuert und kalt gehalten, geht es aus der Brühe in ein Lösungsmittel über, das sich nicht mit Wasser mischt, zuerst Ether, später das weniger entzündliche Amylacetat. Schüttelt man es mit leicht alkalisch gemachtem Wasser, wandert es als Salz ins Wasser zurück, in einem weit kleineren Volumen und von einem großen Teil der Verunreinigungen befreit. Aus Glasröhren, Flaschen und Pumpen baute Heatley eine Apparatur, die das fortlaufend erledigte. Die konzentrierte Lösung wurde anschließend zu einem braunen Pulver gefriergetrocknet, das sich monatelang hielt, auch wenn frühe Chargen großenteils aus Verunreinigungen bestanden.

Heatleys Zylinderplattentest: Je wirksamer die Probe in einem Zylinder, desto breiter der klare Ring um ihn.

Messung. Solange seine Struktur unbekannt war, ließ sich Penicillin nur an seiner Wirkung auf Bakterien messen. Bei Heatleys Zylinderplattentest stehen kleine offene Zylinder auf einer Schale mit Agar, der mit Staphylokokken beimpft ist, und jeder Zylinder wird mit einer Probe gefüllt. Das Penicillin breitet sich im Agar aus, und nach der Bebrütung ergibt die Breite des klaren Rings um jeden Zylinder, verglichen mit dem Ring einer Standardprobe, die Wirkstärke. Das Oxforder Team legte auf diese Weise eine eigene Einheit fest und schickte Proben an andere Labore. 1944 und 1945 einigten sich britische und amerikanische Wissenschaftler auf eine internationale Einheit, die 0,6 Mikrogramm reinem Natrium-Benzylpenicillin entspricht und der Oxforder Einheit nahekommt, und stellten Standardproben her.

Die Fermentation in großen Tanks machte Penicillin in den Vereinigten Staaten zu einem Industrieprodukt.

Tiefentanks in den Vereinigten Staaten. Am Northern Regional Research Laboratory in Peoria steigerte Andrew Moyer zusammen mit Heatley die Ausbeute bis Ende 1941 etwa auf das Zehnfache, indem er der Brühe Maisquellwasser zusetzte, ein Nebenprodukt der Stärkegewinnung aus Mais. Das Labor prüfte Schimmelpilze, die aus aller Welt eingeschickt wurden, und am besten erwies sich ein Stamm von Penicillium chrysogenum (heute als P. rubens eingeordnet) von einer verschimmelten Cantaloupe-Melone, die in Peoria gekauft worden war. Daraus gezüchtete Stämme, darunter mit Röntgen- und UV-Strahlung erzeugte Mutanten, lieferten noch mehr. Der größere Schritt war jedoch, den Schimmel in der ganzen Flüssigkeit statt an ihrer Oberfläche wachsen zu lassen, in geschlossenen Stahltanks, die gerührt und mit steriler Luft versorgt wurden. Pfizer stellte auf diese Weise bereits Gluconsäure her und eröffnete am 1. März 1944 (nach einer Darstellung 1943) in Brooklyn die erste große Penicillinanlage, eine umgebaute Eisfabrik mit vierzehn Tanks zu je 7.500 US-Gallonen (etwa 28.000 Litern). Ein einziger eingeschleppter Keim konnte einen ganzen Tank verderben, deshalb wurden Brühe und Tanks sterilisiert, bevor der Schimmel hineinkam, und Luft und Leitungen hielten während des Wachstums fremde Keime fern.

Halbsynthetische Penicilline. Die Fermentation liefert vor allem Benzylpenicillin, auch Penicillin G genannt, besonders wenn man der Brühe Phenylessigsäure zusetzt, die der Schimmel in das Molekül einbaut. 1957 isolierten Chemiker der Beecham Research Laboratories in Surrey den bloßen Kern des Moleküls, die 6-Aminopenicillansäure, und veröffentlichten die Arbeit 1959. Indem sie an diesen Kern neue Seitenketten anfügten, schufen Chemiker Penicilline, die die Magensäure überstehen, dem bakteriellen Enzym Penicillinase widerstehen oder gegen mehr Bakterienarten wirken, etwa Cloxacillin und Amoxicillin. Heute wird der Kern meist mit einem Enzym aus fermentiertem Penicillin abgespalten, und die Werke prüfen jede Charge vor der Freigabe auf Identität, Reinheit und Wirksamkeit, Injektionspräparate zusätzlich auf Sterilität.

Sicherheit. Dieser Abschnitt beschreibt, wie Labore und Fabriken das Arzneimittel herstellten. Zu Hause lässt sich Penicillin nicht gefahrlos herstellen: Schimmel auf Brot oder Obst enthält wenig oder gar keines und kann zu Arten gehören, die Giftstoffe bilden, und ein unreines Präparat kann schwere Infektionen oder einen Schock auslösen. Penicillin kann außerdem schwere allergische Reaktionen hervorrufen und wird nur auf ärztliche Verschreibung angewendet.

Geschichte und Entwicklung

Seit Jahrhunderten war aufgefallen, dass manche Schimmelpilze bei Wunden zu helfen schienen, und in den 1890er-Jahren berichteten mehrere Forscher, dass Schimmel Bakterien hemmen kann. Keine dieser Beobachtungen führte zu einer Behandlung.

Alexander Fleming, Bakteriologe am St Mary’s Hospital in London, fuhr im Sommer 1928 in die Ferien. Als er Anfang September zurückkam, fand er eine Schale mit Staphylokokken, die von einem Schimmel verunreinigt war; die Kolonien in seiner Nähe waren verblasst. Er züchtete den Schimmel, zeigte, dass seine Nährbrühe viele Bakterienarten abtötete, nannte den Wirkstoff Penicillin und veröffentlichte seine Ergebnisse 1929. Doch Penicillin war instabil und schwer zu gewinnen, und Fleming gelang es nicht, genug davon in reiner Form herzustellen, um Kranke zu behandeln.

Zehn Jahre später nahmen sich in Oxford Howard Florey und Ernst Chain des Problems an. Norman Heatley fand heraus, wie man Penicillin gewinnt und anreichert, und das Team züchtete den Schimmel in Hunderten von Gefäßen. Am 25. Mai 1940 infizierten sie acht Mäuse mit Streptokokken und behandelten vier davon. Am nächsten Morgen waren die vier unbehandelten Mäuse tot, die behandelten lebten noch. Im Februar 1941 wurde der Polizist Albert Alexander einer der ersten Patienten. Zunächst ging es ihm besser, doch der Vorrat ging zu Ende, und er starb.

Das Großbritannien der Kriegszeit konnte Penicillin nicht in großem Maßstab herstellen; deshalb reisten Florey und Heatley 1941 in die Vereinigten Staaten, wo ein staatliches Labor in Peoria, Illinois, und mehrere Arzneimittelfirmen die Arbeit aufnahmen. Im März 1942 reichte der amerikanische Vorrat für einen einzigen Patienten. 1944 produzierten die Fabriken genug für die alliierten Armeen, und ab dem 15. März 1945 gelangte Penicillin über den normalen Handel in die amerikanischen Apotheken.

Fleming, Florey und Chain teilten sich 1945 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Im selben Jahr klärte Dorothy Hodgkin die Struktur des Penicillins mit Röntgenkristallographie auf. Die Suche nach weiteren Antibiotika hatte inzwischen zum Streptomycin geführt, das 1943 entdeckt wurde; Tetracycline und viele andere folgten, und Chemiker schufen später neue Penicilline, indem sie das Molekül abwandelten.