Methylenblau und Neurotransmitter: Serotonin, Dopamin, GABA und Acetylcholin

Eine häufige Aussage über Methylenblau lautet, es erhöhe Serotonin und Dopamin, beruhige GABA und steigere die Wirkung von Acetylcholin, alles gleichzeitig. Diese Aussage behandelt vier getrennte Laborbefunde wie eine einzige Wirkung im menschlichen Körper. Die zugrunde liegenden Arbeiten untersuchten unterschiedliche Zielstrukturen in unterschiedlichen Präparaten bei Konzentrationen, die sich um etwa den Faktor tausend unterscheiden. Betrachtet man die Zielstrukturen getrennt, ergibt sich ein Bild, das zugleich interessanter ist und mehr Zurückhaltung verlangt, als diese eine Aussage erkennen lässt.

Der Leitgedanke ist einfach. Ein Molekül, das im Reagenzglas an ein Enzym bindet, hat genau eines getan: im Reagenzglas an ein Enzym gebunden. Ob sich dadurch die Konzentration eines Neurotransmitters in einem lebenden Gehirn verändert, hängt davon ab, welche Konzentration das Gewebe erreicht, in welcher chemischen Form das Molekül dort ankommt und was es bei derselben Konzentration sonst noch bewirkt. In jedem der folgenden Abschnitte werden diese drei Fragen zusammen mit dem jeweiligen Befund betrachtet.

Serotonin: zwei Zielstrukturen, zwei Konzentrationen

Für Serotonin ist die Evidenz unter den vier Systemen am stärksten. Sie stammt von zwei unterschiedlichen molekularen Zielstrukturen, die nicht zusammengefasst werden sollten.

Die erste Zielstruktur ist die Monoaminoxidase Typ A, das mitochondriale Enzym, das Serotonin abbaut. Methylenblau hemmt gereinigte menschliche MAO-A als stark bindender Inhibitor mit einem Ki von etwa 27 Nanomolar. MAO-B wird dagegen erst bei deutlich höheren Konzentrationen beeinflusst, wie die kinetische Studie zeigt, die den Farbstoff mit Serotonintoxizität in Verbindung brachte. Eine ergänzende Forschungsreihe fand dieselbe Selektivität im Zirbeldrüsengewebe von Ratten. Dort erhöhte die MAO-A-Blockade die Menge der aus Serotonin gebildeten Indole, senkte den Serotoninmetaboliten 5-HIAA und veränderte einen mit Serotonin verbundenen Aufrichtreflex bei Fröschen. Darüber berichtet die Studie zu Redoxfarbstoffen und Indolen der Zirbeldrüse. Zwei unterschiedliche Präparate, dieselbe Richtung: weniger Abbau, mehr erhaltenes Serotonin an den Stellen, an denen das Enzym es sonst abgebaut hätte.

Die zweite Zielstruktur ist der Serotonintransporter selbst. In Zellen, die den menschlichen Transporter exprimieren, verringerte Methylenblau die Aufnahme sowohl eines fluoreszierenden Substrats als auch von markiertem Serotonin mit einer IC50 von etwa 1.4 Mikromolar. Außerdem unterdrückte es durch Serotonin ausgelöste Ströme in Patch-Clamp-Aufzeichnungen, wie die direkte Charakterisierung von Methylenblau am SERT zeigt. Die Autoren prüften die naheliegenden alternativen Erklärungen und stellten fest, dass die Wirkung unabhängig von der cGMP-Signalübertragung, Veränderungen des Calciumspiegels und der Expression des Transporters an der Zelloberfläche war.

Beachten Sie den Abstand zwischen den beiden Zahlen. Die MAO-A-Hemmung tritt im nanomolaren Bereich auf. Für die Transporterhemmung wird ungefähr fünfzigmal mehr Farbstoff benötigt. Eine niedrige Exposition, bei der das Enzym bereits vollständig gehemmt wird, kann den Transporter kaum beeinflussen. Wer daraus eine einzige Aussage über Serotonin macht, fasst zwei unterschiedliche Konzentrationsbereiche zu einem zusammen.

Ob eine der beiden Zielstrukturen bei einem Menschen relevant ist, der andere serotonerge Arzneimittel einnimmt, ist eine Frage der Medikation und gehört in den Leitfaden zu Arzneimittelwechselwirkungen. Dieser Artikel beschreibt die Zielstrukturen; die andere Seite enthält die klinischen Hinweise.

Dopamin: die schwächste direkte Evidenz

Bei Dopamin verlangt eine ehrliche Darstellung die größte Zurückhaltung. Es gibt keine gut etablierte Studie, die zeigt, dass Methylenblau den Dopamintransporter blockiert oder direkt an Dopaminrezeptoren bindet. Die häufig zitierte Transporter-IC50 von 1.4 Mikromolar gehört zum Serotonintransporter, nicht zu DAT, und darf niemals anders zugeordnet werden.

Die vorhandenen Befunde sind stattdessen indirekt. Da MAO-Enzyme auch Dopamin verstoffwechseln, vermindert die MAO-Hemmung neben dem Abbau von Serotonin und Noradrenalin auch den von Dopamin. In mitochondrialen Präparaten blockierte Methylenblau die durch MAO-B vermittelte Umwandlung des Neurotoxins MPTP in dessen für dopaminerge Neuronen toxisches Produkt. Die Wirkstärke war mit der des Parkinson-Arzneimittels Deprenyl vergleichbar, wie die Studie zur Bioaktivierung von MPTP und verwandte Arbeiten zu MAO-B beschreiben. Tierexperimentelle Arbeiten liefern weitere Einzelbefunde: einen etwa dreifachen Anstieg der basalen Dopaminfreisetzung aus Striatumschnitten von Ratten bei 10 Mikromolar, untersucht im Zusammenhang mit der Stickstoffmonoxid-Signalübertragung und nicht als Transporterblockade. Nach systemischer Gabe zeigten sich zudem je nach Hirnregion unterschiedliche Ergebnisse. Einige Studien fanden einen Anstieg von Serotonin und Noradrenalin, während sich Dopamin kaum veränderte.

Die Befunde zu Dopamin sind also vorhanden, aber indirekt. Sie beruhen auf einem Enzym, das mehrere Monoamine gleichzeitig verarbeitet, nicht auf einer dopaminspezifischen Zielstruktur. Jede Behauptung, Methylenblau erhöhe Dopamin beim Menschen, überspringt den Schritt, in dem dies tatsächlich nachgewiesen werden müsste.

GABA: Blockade der Bremse an der Bindungstasche

Der GABA-Befund ist präzise und widerspricht dem Ruf des Farbstoffs. In Zellen, die menschliche GABA-A-Rezeptoren exprimieren, hemmte Methylenblau die durch GABA ausgelösten Ströme ab etwa 3 Mikromolar. Für die häufige alpha1-beta2-gamma2-Konfiguration lag die IC50 bei etwa 31 Mikromolar, wie die elektrophysiologische Studie zur Lokalisierung des Wirkorts zeigt.

Besonders aufschlussreich ist die Lokalisierung der Bindungsstelle. Mutationen an der Picrotoxin-Bindungsstelle ließen die Hemmung unverändert, und die Benzodiazepin- und Zink-Bindungsstellen wurden durch Vergleiche der Untereinheiten ausgeschlossen. Dagegen verringerten Mutationen an zwei Aminosäureresten, die bekanntermaßen die GABA-Bindungstasche selbst bilden, die Blockade deutlich. Das kennzeichnet die Wirkung als kompetitiven Antagonismus an der Agonisten-Bindungsstelle und nicht als allosterische Modulation an anderer Stelle. Die Wirkung trat bei verschiedenen synaptischen und extrasynaptischen Untereinheitenkombinationen auf und verschwand nach dem Auswaschen rasch.

Daraus ergibt sich ein tatsächlicher Widerspruch, der klar benannt werden sollte. Ein Molekül, das zur Unterstützung des Gedächtnisses untersucht wird, unterdrückt in der Kulturschale zugleich die schnelle inhibitorische Signalübertragung. Ob diese Unterdrückung auch in einem lebenden Gehirn auftritt, hängt von der lokalen Konzentration ab. 31 Mikromolar ist im Vergleich zu den meisten systemischen Expositionen hoch; darauf geht der letzte Abschnitt ein. Der Widerspruch selbst ist der Befund. Um ihn aufzulösen, wären Experimente nötig, die bislang niemand durchgeführt hat.

Acetylcholin: zwei gegenläufige Angriffspunkte

Für Acetylcholin gibt es zwei Befunde, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Genau deshalb müssen sie getrennt dargestellt werden.

Einerseits hemmt Methylenblau die Enzyme, die Acetylcholin abbauen. Acetylcholinesterase aus roten Blutkörperchen von Kühen wurde bei etwa 0.57 Mikromolar kompetitiv gehemmt, ein Enzympräparat vom Rind bei etwa 0.42 Mikromolar und die Esteraseaktivität im menschlichen Plasma bei etwa 1.1 Mikromolar. Butyrylcholinesterase wurde je nach Spezies und Präparat im Bereich von ungefähr 0.4 bis 5.3 Mikromolar gehemmt. Diese Befunde fasst die Übersichtsarbeit zu den Wirkungen von Methylenblau im Nervensystem zusammen. Ein verlangsamter Abbau lässt mehr Transmitter im synaptischen Spalt zurück. Auf demselben Prinzip beruhen mehrere zugelassene Alzheimer-Arzneimittel.

Die chemische Wirkung ist jedoch an eine Bedingung geknüpft. Die oxidierte blaue Form hemmt das Enzym; die reduzierte farblose Form tut dies nicht. Bei langen Inkubationen, während derer der Farbstoff reduziert werden kann, wird allein aus diesem Grund eine schwächere Hemmung gemessen. Jeder Messwert aus einem Cholinesterase-Assay enthält damit eine nicht unmittelbar sichtbare Variable: Wie viel des Farbstoffs war zum Zeitpunkt der Messung noch blau?

Andererseits blockiert Methylenblau den nikotinischen alpha7-Rezeptor, einen der Rezeptoren, an denen Acetylcholin wirkt. Menschliche alpha7-Rezeptoren, die in Froschoozyten exprimiert wurden, wurden mit einer IC50 von etwa 3.4 Mikromolar gehemmt. Dies geschah durch einen nichtkompetitiven, spannungsunabhängigen Antagonismus, der die Wirkstärke des Agonisten unverändert ließ. Zudem unterbanden 3 Mikromolar die durch Cholin ausgelösten synaptischen Antworten in Hippocampusschnitten von Ratten vollständig, wie die Studie zum alpha7-Rezeptor berichtet. Bei ähnlich niedrigen mikromolaren Konzentrationen vermindert der Farbstoff also den Abbau des Transmitters und hemmt zugleich einen seiner Rezeptoren. Die Gesamtwirkung auf die cholinerge Signalübertragung lässt sich aus keinem der beiden Befunde allein ableiten. Diese Unklarheit steht im Zusammenhang mit der breiteren Alzheimer-Literatur und der zugehörigen Diskussion über Kognitions- und Krankheitsforschung, wird hier aber nicht aufgelöst.

Der Vergleich im Überblick

Zwischen der empfindlichsten und der unempfindlichsten Zielstruktur liegen drei Größenordnungen. Diese Spannweite fasst den Artikel in einer Tabelle zusammen.

Werden diese Konzentrationen im Gehirn erreicht?

Ein Messwert aus dem Reagenzglas sagt ohne einen danebenstehenden Expositionswert nichts aus. Nach einem intravenösen Bolus von etwa 1.4 mg pro kg wurden beim Menschen mittlere Plasmaspiegel von ungefähr 5 Mikromolar berichtet. Eine orale Dosis von 100 mg führte dagegen in der einschlägigen Literatur zu Vollblutspiegeln von etwa 0.08 Mikromolar. Untersuchungen zur Verteilung bei Ratten finden im Gehirn ungefähr zehn- bis zwanzigmal höhere Konzentrationen als im Blutkreislauf. Dabei handelt es sich allerdings um die Gesamtmenge des Farbstoffs in homogenisiertem Gewebe, nicht um freien oxidierten Farbstoff an einer Synapse. Eine Plasmaproteinbindung von etwa 94 Prozent und die Verteilung in Blutzellen verringern den freien Anteil zusätzlich.

Im Vergleich mit der Tabelle ergibt sich ein abgestuftes Muster, keine einfache Ja-Nein-Antwort. Die für die MAO-A-Hemmung erforderliche Konzentration liegt weit unter den typischen Expositionen nach intravenöser Gabe. Diese Hemmung ist daher bei einer solchen Verabreichung pharmakologisch plausibel. Die Wirkungen auf Cholinesterase und alpha7 liegen im niedrigen mikromolaren Bereich, den intravenöse Spitzenkonzentrationen erreichen, übliche orale Dosen aber möglicherweise nicht. Die GABA-A-IC50 von 31 Mikromolar liegt über den meisten plausiblen systemischen Expositionen. Deshalb lässt sich gerade diese Blockade am schwersten auf den gesamten menschlichen Organismus übertragen. Für jede Zeile dieses Vergleichs gilt dieselbe Einschränkung: Entscheidend ist die Konzentration des freien, oxidierten, extrazellulären Farbstoffs an der Zielstruktur. Diese Größe wird durch keine Blutentnahme direkt gemessen.

Welche Schlussfolgerungen sich nicht ziehen lassen

Keine Zeile der Tabelle belegt, dass Methylenblau beim Menschen einen Neurotransmitter vorhersehbar erhöht oder senkt. Enzymhemmung in einem gereinigten Präparat, Transporterblockade in einer Zelllinie und Rezeptorantagonismus in einem Gewebeschnitt liegen jeweils einen kontrollierten experimentellen Schritt von den tatsächlichen Verhältnissen an der Synapse entfernt. Der Abschnitt zum cholinergen System zeigt zudem, wie zwei zutreffende Befunde in entgegengesetzte Richtungen weisen und den Gesamteffekt unklar lassen. Diese Seite sollte als Übersicht der nachgewiesenen molekularen Angriffspunkte mit Angaben zur jeweiligen Wirkstärke verwendet werden. So bleibt die Diskussion über Mechanismen an das gebunden, was tatsächlich gemessen wurde. Wie diese Angriffspunkte mit verschriebenen Arzneimitteln zusammenwirken, behandelt der Leitfaden zu Wechselwirkungen. Weitere Einordnung bieten die Grundlagen der Pharmakologie und der ergänzende Artikel zu den Mechanismen.