Methylenblau und Hormesis: Dosis-Wirkungs-Kurven erklärt

Eine Ratte erhält 4 Milligramm Methylenblau pro Kilogramm, nachdem sie gelernt hat, ein Objekt wiederzuerkennen, und erinnert sich am nächsten Tag daran. Eine andere Ratte erhält 50 und bewegt ihr Laufrad kaum noch. Das Molekül ist dasselbe. Die Richtung der Wirkung ist es nicht. Wer mehr als nur einige Arbeiten zu Methylenblau gelesen hat, ist dieser Umkehr begegnet. Sie hat einen Namen: Hormesis, eine biphasische Reaktion, bei der niedrige und hohe Expositionen denselben Endpunkt in entgegengesetzte Richtungen verschieben.

Der Begriff ist nur dann nützlich, wenn klar ist, was er verspricht und was nicht. Dieser Artikel erläutert vier veröffentlichte Datensätze zu Methylenblau, jeweils mit einem eigenen Endpunkt, Konzentrationsbereich und Versuchsaufbau, und zeigt, warum die Chemie des Farbstoffs solche Umkehrungen plausibel macht. Er endet mit dem Warnhinweis, den die Daten verlangen: Eine Kurve, die in einem Experiment einen Höhepunkt erreicht, beschreibt dieses Experiment. Sie ist keine Methode zur Auswahl einer persönlichen Dosis.

Das Muster hat einen Namen, und dessen Bedeutung ist enger, als es klingt

Der Begriff Hormesis wurde 1943 von Southam und Ehrlich geprägt und erhielt durch Calabrese und Baldwin seine moderne quantitative Form: eine adaptive biphasische Reaktion, die direkt oder durch Kompensation nach einer Störung der Homöostase entsteht. Entscheidend ist, was in dieser Definition fehlt. Das Wort „vorteilhaft“ kommt darin nicht vor. Hormesis besagt, dass die Kurve ihre Richtung ändert, mehr nicht.

Die sichtbare Form hängt davon ab, welcher Endpunkt auf der vertikalen Achse steht. Ist der Endpunkt eine positiv bewertete Funktion wie Enzymaktivität, Sauerstoffverbrauch oder Gedächtnisleistung, ergibt eine Stimulation bei niedriger Dosis mit anschließender Hemmung bei hoher Dosis ein umgekehrtes U. Ist der Endpunkt etwas Nachteiliges, etwa die Krankheitshäufigkeit, ergibt eine Verringerung bei niedriger Dosis mit anschließender Zunahme bei hoher Dosis ein J oder U. Derselbe Zusammenhang, eine andere Ordinate. Die meisten Arbeiten zu Methylenblau messen positiv bewertete Funktionen. Deshalb spricht dieser Artikel von umgekehrten U-Kurven, wobei der Buchstabe lediglich von der gewählten Darstellung abhängt.

Die Übersichtsarbeit von 2008, die hormetische Reaktionen auf Methylenblau zusammengetragen hat, macht die Größenordnung greifbar. Bei Verhalten, Physiologie und Biochemie erreichen die Reaktionen innerhalb des stimulierenden Bereichs ungefähr 130 bis 160 Prozent des Kontrollwerts, im Durchschnitt etwa 140. Mit weiter steigender Dosis fallen sie dann wieder auf den Kontrollwert und schließlich darunter. Diese Spanne fasst viele Experimente zusammen; sie ist keine Eigenschaft des Moleküls. Jede der folgenden Kurven hat ihren eigenen Höhepunkt in ihren eigenen Einheiten.

Warum gerade dieses Molekül eine Wirkungsumkehr erwarten lässt

Methylenblau ist kein einfacher Elektronendonator. Es ist ein reversibler Elektronenüberträger. Die oxidierte blaue Form nimmt Elektronen auf und wird dabei zur farblosen reduzierten Form. Die reduzierte Form kann diese Elektronen anschließend weitergeben. Die Elektronenweitergabe hinter diesen Kurven wird in der Darstellung beschrieben, wie Methylenblau Elektronen transportiert. Dieser Übertragungszyklus ist hier der zentrale Mechanismus.

Bei niedrigen Konzentrationen bietet dieser Zyklus der Zellatmung einen alternativen Weg. Der reduzierte Farbstoff kann an der Cytochromoxidase, dem letzten Enzym der Elektronentransportkette, oxidiert werden. Dadurch steigen deren Umsatzrate sowie der Sauerstoffverbrauch und die Atmungskapazität. Bei höheren Konzentrationen beginnt dieselbe ausgeprägte Fähigkeit zur Elektronenaufnahme, mit der normalen Kette zu konkurrieren, statt sie zu unterstützen: Elektronen werden von ihrem üblichen Weg abgezweigt, Sauerstoff wird direkt verbraucht und reaktive Sauerstoffspezies entstehen, statt für die Energiegewinnung genutzt zu werden. Ein kleiner katalytischer Elektronenüberträger erhöht den Fluss; eine übermäßige konkurrierende Elektronensenke verringert ihn. Die Chemie macht einen Richtungswechsel plausibel. Sie garantiert jedoch nicht, wo ein bestimmter Endpunkt seinen Höhepunkt erreicht.

Unabhängige Belege für die Konzentrationsabhängigkeit stammen aus Zellen, die überhaupt keine Mitochondrien besitzen. In den Erythrozytenexperimenten von 1976 stimulierte eine niedrige Konzentration von 1 Mikromolar den Hexosemonophosphatweg über einen Mechanismus, der stark von Oxyhämoglobin abhing. Eine hundertfach höhere Konzentration von 0.1 Millimolar war dagegen kaum davon abhängig, ob Oxyhämoglobin vorhanden war, und erzeugte Wasserstoffperoxid, das mit allen drei verwendeten Nachweisverfahren festgestellt wurde. Derselbe Farbstoff, zwei Mechanismen, getrennt durch die Konzentration. Rote Blutkörperchen betreiben keine mitochondriale Zellatmung. Dies ist daher keine mitochondriale Kurve. Sie zeigt jedoch, dass die Redoxchemie des Farbstoffs mit steigender Konzentration ihren Charakter ändert, genau wie es die Erklärung des mitochondrialen Geschehens voraussetzt.

Vier Kurven, vier Versuchsaufbauten

Die folgende Abbildung stellt die vier Datensätze neu gezeichnet nebeneinander dar. Jede Teilabbildung behält ihre eigenen Achsen und Bedingungen, denn sie auf einer gemeinsamen Skala übereinanderzulegen, wäre die erste falsche Darstellung, die dieser Artikel liefern könnte. Die Zeichnung ist schematisch; genaue Werte und Bedingungen stehen im Text.

Teilabbildung A: Cytochromoxidase in Rattenhirnhomogenat. Die eindeutigste mitochondriale Kurve stammt aus zweiter Hand und wurde in der Übersichtsarbeit anhand von Daten aus Rattenhirnhomogenat dargestellt: etwa 138 Prozent der Kontrollaktivität bei 0.5 Mikromolar, Rückkehr zum Kontrollwert bei etwa 5 Mikromolar und ein Abfall unter den Ausgangswert bei etwa 10 Mikromolar. Für diesen letzten Bereich vermuten die Autoren, dass der Farbstoff den regulären Komplexen der Kette Elektronen entzieht. Homogenat, Mikromolar, spektrophotometrischer Test. Dieser Satz umfasst den gesamten Kontext. Außerhalb davon hat die Kurve keine Aussagekraft.

Teilabbildung B: Gedächtnis und Laufradaktivität bei Ratten. In der Studie zum Gedächtnis von Ratten wurden die Auswirkungen einmaliger Injektionen nach dem Training 24 Stunden später untersucht. Bei Dosen von 1 bis 10 Milligramm pro Kilogramm waren Fortbewegung und Nahrungsaufnahme nicht von denen nach Kochsalzlösung zu unterscheiden. Dosen von 50 bis 100 Milligramm pro Kilogramm verringerten die Laufradaktivität dagegen stark (Median 35 gegenüber 279 Umdrehungen). Die höchste Dosis verursachte Piloerektion, unkoordinierte Bewegungen und einen Todesfall. Die Dosis von 4 Milligramm pro Kilogramm verbesserte Habituation und Objekterkennung: Behandelte Ratten beschäftigten sich fast 10 Sekunden länger mit dem neuen Objekt. Der Sauerstoffverbrauch des Gehirns stieg sowohl in Homogenat, das niedrigen mikromolaren Konzentrationen des reduzierten Farbstoffs ausgesetzt wurde, als auch in Gehirnen, die 24 Stunden nach einer In-vivo-Gabe von 1 Milligramm pro Kilogramm entnommen wurden. Die Trennung ist entscheidend: Für das Verhalten wurden systemische Dosen nach dem Training verwendet; für den Sauerstoffverbrauch wurden Homogenatkonzentrationen sowie eine In-vivo-Dosis untersucht. Das sind zwei Experimente, keine gemeinsame Kurve.

Teilabbildung C: Zebrafische im T-Labyrinth. In der Zebrafischstudie wurden trainierte Fische nach dem Training 12 Stunden lang nominalen Badkonzentrationen von 0.1, 0.5, 5.0 oder 10.0 Mikromolar ausgesetzt. Als Kontrolle diente ein blauer Lebensmittelfarbstoff. Die Gruppe mit 0.5 Mikromolar schnitt am besten ab, die Gruppe mit 5.0 entsprach der Kontrolle, und die Gruppe mit 10.0 schnitt schlechter ab als die Gruppen mit niedrigeren Dosen. Zur Teilabbildung gehören zwei Einschränkungen. Eine mikromolare Konzentration im Bad ist keine mikromolare Konzentration im Blut oder Gehirn; zwischen dem Wasser im Becken und dem Gewebe liegen Verteilung und Anreicherung. Außerdem ist die statistische Aussagekraft geringer, als die Form nahelegt: Die hohe Dosis unterschied sich von den Gruppen mit niedrigeren Dosen; weitere signifikante Gruppenunterschiede wurden nicht berichtet. Die Kurve ist real, aber nur grob bestimmt.

Teilabbildung D: der Hexosemonophosphatweg in Erythrozyten. Metz und Kollegen verglichen 1 Mikromolar mit 0.1 Millimolar in menschlichen roten Blutkörperchen unter Luft, Kohlenmonoxid und einem Gasgemisch, das bei physiologischem Sauerstoffpartialdruck nahezu vollständige Carboxyhämoglobinbildung bewirkte. Die Stimulation bei niedriger Dosis brach ohne Oxyhämoglobin ein; die Stimulation bei hoher Dosis wurde davon kaum beeinflusst. Peroxid trat nur bei der hohen Dosis auf. Diese Teilabbildung gehört als chemischer Befund neben die anderen, nicht als vierter Punkt auf irgendeiner übergreifenden Kurve: keine Mitochondrien, ein hundertfacher Konzentrationsunterschied, gezielt veränderte Gasgemische.

Warum die Höhepunkte nicht übereinstimmen und das auch nicht sollten

Die vier Höhepunkte liegen bei 0.5 Mikromolar in einem Homogenat, bei 4 Milligramm pro Kilogramm als Injektion nach dem Training, bei 0.5 Mikromolar im Beckenwasser und bei einem Vergleich niedriger und hoher Konzentrationen in roten Blutkörperchen, die sich um das Hundertfache unterscheiden. Zwei davon als dieselbe Größe zu behandeln, ist ein Kategorienfehler. Jeder Endpunkt hat seine eigene Kurve: Das Optimum für die Gedächtnisleistung muss nicht mit dem Optimum für Oxidaseaktivität, Sauerstoffverbrauch, Fortbewegung oder Peroxidbildung übereinstimmen. Jede Konzentrationsangabe bedeutet etwas anderes: Mikromolar im Homogenat, nominale Mikromolar im Bad, systemische Milligramm pro Kilogramm sowie Konzentrationen in Plasma, Gehirn und Mitochondrien sind unterschiedliche Größen. Die Neigung von Methylenblau, sich in Mitochondrien und im Gehirn anzureichern, sorgt dafür, dass diese Größen voneinander abweichen. Jedes Modell bringt seine eigene Pharmakokinetik mit: Spezies, Verabreichungsweg und Zeitpunkt bestimmen, welches Gewebe wie viel Farbstoff für wie lange ausgesetzt ist.

Hier wird auch die Bedeutung von Dosis und Verabreichungsweg für die Sicherheit von Methylenblau relevant. Die Wirkungen hoher Dosen in diesen Arbeiten, eingeschränkte motorische Aktivität, unkoordinierte Bewegungen, eine tote Ratte und Peroxidbildung, sind Toxizitätssignale innerhalb der jeweiligen Versuchsaufbauten. Sie definieren keine Sicherheitsabstände für andere Situationen. Wer versucht ist, 4 Milligramm pro Kilogramm bei einer Ratte in ein Anwendungsschema für Menschen umzurechnen, sollte zuerst lesen, wie sich tierexperimentelle Befunde zur Evidenz beim Menschen verhalten: Eine einfache Umrechnung nach Milligramm pro Kilogramm zwischen Spezies reicht nicht aus.

Der Fehler, den es zu vermeiden gilt

Das umgekehrte U ist verführerisch, weil es wie ein Dosierregler mit markiertem Idealpunkt aussieht. Das ist es nicht. Hormesis beschreibt, was mit einem Endpunkt in einem Versuchsaufbau geschehen ist. Legt man vier solcher Beschreibungen nebeneinander, erhält man vier Höhepunkte in vier Einheitensystemen. Das ist das Gegenteil eines Dosierreglers. Diese Kurven lassen sich sinnvoll zum Vergleich und als Warnhinweis nutzen: Man sollte damit rechnen, dass Wirkungen mit der Konzentration ihre Richtung ändern, dass jeder Endpunkt dies an seiner eigenen Stelle tut, und jeder Behauptung misstrauen, die den Höhepunkt eines Experiments heranzieht, um eine Dosis für eine andere Spezies, einen anderen Verabreichungsweg, ein anderes Gewebe oder einen anderen Zweck zu rechtfertigen. Die Unterscheidung zwischen experimentellen Mustern und persönlichen Dosierungsentscheidungen ist die Kernaussage dieses gesamten Artikels. Sie wird hier nochmals ausdrücklich genannt, damit sie nicht übersehen wird.

Wie Sie die nächste Arbeit zu Dosis-Wirkungs-Beziehungen lesen

Vier Fragen passen zu fast jeder Methylenblaukurve, auf die Sie stoßen werden. Welcher Endpunkt steht auf der vertikalen Achse, und würde seine Richtungsumkehr ein U oder ein J ergeben? Welche Konzentration gibt die horizontale Achse tatsächlich an: nominale Badkonzentration, Homogenat, Plasma, geschätzte Gehirnkonzentration oder verabreichte systemische Dosis? Welches Modell und welcher zeitliche Ablauf haben die Kurve hervorgebracht: Homogenat, Zellkultur mit oder ohne Beleuchtung, trainierte Tiere mit Verabreichung vor oder nach dem Training, und zu welchem Zeitpunkt wurde getestet? Und was war die Kontrolle: Kochsalzlösung, blauer Lebensmittelfarbstoff oder Trägerlösung, und stützt die Statistik der Arbeit jede Aussage aus einem paarweisen Vergleich oder nur die Gesamtform? Eine Arbeit, die alle vier Fragen beantwortet, ist Ihre Zeit wert. Eine Arbeit, die ohne diese Angaben einen Höhepunkt nennt, liefert eine Zahl ohne zugehörigen Kontext.