Paul Ehrlich und Methylenblau: Wie ein Farbstoff die Arzneimittelforschung prägte

Paul Ehrlichs Beitrag zur Medizin war kein Arzneimittel. Es war eine Überlegung dazu, wie man ein Arzneimittel untersuchen sollte.

1878 reichte er eine Dissertation ein, deren erster Abschnitt den Titel „Die chemische Auffassung der Färbung“ trug. Darin vertrat er die Auffassung, dass das Färben eines Gewebeschnitts und das Färben eines Stücks Stoff derselben Logik folgen. In beiden Fällen haftet die Farbe aufgrund einer chemischen Affinität zwischen dem Farbstoff und dem Material, nicht weil das Gewebe saugfähig oder fettig ist oder durch seine Form ein Pigment festhält. Ehrlich hatte schon als Kind seinem Cousin, dem Pathologen Karl Weigert, bei der Herstellung gefärbter Schnitte zugesehen. Was seine Aufmerksamkeit fesselte, waren nicht die Bilder, sondern die Tatsache, dass der Farbstoff bestimmte Bereiche auswählte.

Die Aussage klingt bescheiden. Das ist sie nicht. Wenn ein Farbstoff aus chemischen Gründen an ein Gewebe bindet, dann gibt das Färbemuster Auskunft über die Chemie dieses Gewebes. Ein gefärbtes Präparat ist damit keine bloße Abbildung mehr, sondern eine Messung.

Darauf baute er unmittelbar auf. 1880 kombinierte er Methylenblau mit Säurefuchsin und bezeichnete das Gemisch als neutrale Färbung, als neutralen Farbkörper. Damit ließen sich die verschiedenen Arten weißer Blutkörperchen unterscheiden, was mit den damals verwendeten Einzelfarbstoffen nicht möglich war. Zwei Jahre später stellte er eine Methode zur Färbung von Tuberkelbazillen mit Methylviolett vor, und Koch übernahm das Verfahren für seine eigene Arbeit.

Die Theorie, die diesen Verfahren später eine gemeinsame Grundlage gab, ist davon zu unterscheiden; ihre zeitliche Einordnung wird regelmäßig verkürzt. Ehrlichs Seitenkettentheorie, also die Vorstellung, dass eine Substanz auf eine Zelle wirkt, weil beide chemisch zueinander passen, gehört in die 1890er-Jahre und nicht in die Zeit seiner frühen Farbstoffarbeiten. Diese früheren Arbeiten lieferten die vorausgehende Überzeugung: Selektivität beruht auf Chemie, und deshalb lässt sie sich gezielt suchen, statt nur zufällig entdecken.

Das Experiment, das den Farbstoff zur Karte machte

1885 veröffentlichte Ehrlich eine Monografie über den Sauerstoffbedarf des Organismus, mit dem Untertitel einer farbenanalytischen Studie. Seine Methode bestand darin, Farbstoffe zu injizieren, deren Farbe vom Oxidationszustand abhängt, und anschließend zu vergleichen, wie verschiedene Organe sie reduzierten oder unverändert ließen. Der Farbstoff wurde als Messinstrument eingesetzt, ähnlich einem Thermometer: Er gab Auskunft über Bedingungen im Gewebe, die sich nicht direkt untersuchen ließen. Ehrlich selbst beschrieb das Ziel als die Bestimmung der Reduktionskraft lebender Organe mithilfe bestimmter Farbstoffe.

Das Ergebnis mit Methylenblau erschien 1886 in einer Arbeit über die Reaktion des Farbstoffs mit lebender Nervensubstanz, die er im Dezember des Vorjahres vor einer medizinischen Gesellschaft vorgetragen hatte. Methylenblau wurde in den Kreislauf eines lebenden Tieres eingebracht. Anschließend entnahm man dünne Gewebeschnitte und setzte sie der Luft aus, sodass der angereicherte farblose Farbstoff wieder zur blauen Form oxidierte und sichtbar machte, wo er sich angesammelt hatte. Nervenzellen und Nervenfasern nahmen die Farbe auf, und zwar so selektiv, dass die Technik zu einem Standardverfahren zur Darstellung von Nervengewebe wurde. Die Verbindung war nicht mehr nur ein Färbemittel, das auf einem Labortisch auf einen toten Gewebeschnitt aufgetragen wurde. Sie war ein Marker, der sich innerhalb eines lebenden Körpers verteilte, und diese Verteilung ließ sich ablesen.

Die Eigenschaft, die beiden Experimenten zugrunde liegt, muss klar benannt werden, denn alles Weitere in dieser Geschichte hängt davon ab. Methylenblau lässt sich reversibel umwandeln. Seine reduzierte Form, Leukomethylenblau, ist farblos und wird bei Kontakt mit Sauerstoff wieder zum blauen Kation. Eine Glucoselösung des Farbstoffs in einem verschlossenen Gefäß ist farblos; öffnet man das Gefäß, wird sie blau. Ehrlich soll diesen Zusammenhang unmittelbar demonstriert haben, indem er gefärbte Schnitte sowohl mit Eisenchlorid als auch mit Luft behandelte und beobachtete, wie die Farbe zurückkehrte. Ein Farbstoff, dessen Farbe sich mit dem Redoxzustand seiner Umgebung ändert, dient als Sonde für diese Umgebung.

Damit standen zwei Eigenschaften nebeneinander. Ein Farbstoff konnte ein Gewebe von einem anderen unterscheiden. Und ein Farbstoff konnte durch eine Änderung des Oxidationszustands gewissermaßen ein- und ausgeschaltet werden.

Rückblickend betrachtet liegt in der zweiten Eigenschaft der Anfang der Chemotherapie. Wenn eine Verbindung an eine Gewebeart bindet und an eine andere nicht, könnte dieselbe Verbindung auch eine Art von Organismus erreichen und eine andere nicht. Ehrlich formulierte die Schlussfolgerung ausdrücklich: Wenn sich ein Krankheitserreger selektiv anfärben ließ, könnte die Färbung auf eine spezifische Schädigung dieses Erregers hinweisen. Ein Farbstoff könnte sich deshalb als Arzneimittel eignen, das auf einen Eindringling statt auf den Patienten gerichtet ist.

Der erste Versuch an einem Patienten galt nicht der Malaria. 1890 berichtete Ehrlich gemeinsam mit dem Psychiater Arthur Leppmann, dass Methylenblau Schmerzen bei neuralgischen und rheumatischen Beschwerden an Muskeln, Gelenken und Sehnen linderte. Die beiden diskutierten, ob das Mittel auf psychische Erkrankungen wirken könnte, und entschieden sich gegen einen Versuch. Ein italienischer Arzt, Pietro Bodoni aus Genua, unternahm ihn dennoch. Seine Arbeit von 1899 trägt einen Titel zur sedierenden Wirkung bei verschiedenen Formen von Psychosen: Er beschrieb eine Beruhigung bei vierzehn erregten Patienten und merkte an, dass andere Ärzte in Genua den Farbstoff bereits zum selben Zweck einsetzten. Sedierung ist keine Wirkung auf die Erkrankung selbst, und diese Unterscheidung taucht in dieser Geschichte immer wieder auf.

Die Malariaarbeit folgte 1891 gemeinsam mit dem Pathologen Paul Guttmann am Krankenhaus Moabit in Berlin. Zwei Patienten erhielten Methylenblau, und der Bericht erschien in der Berliner klinischen Wochenschrift vom 28. September 1891. Im ersten Fall nahm der Patient am Abend des 29. Juni 0.5 g des Farbstoffs auf einmal ein; der erwartete Anfall trat nicht in voller Ausprägung ein, und als einzige anschließende Beschwerde wurde eine leichte Strangurie bei blauem Urin vermerkt. Die Fieberanfälle verschwanden in den ersten Tagen, und spätestens am achten Tag waren die Parasiten aus dem Blut verschwunden. Die Autoren fassten selbst zusammen, ihre Erwartungen seien vollständig erfüllt worden. Zwei Fälle ohne Kontrollgruppe sind kein Nachweis. Die ausführlichere Darstellung zu Methylenblau und Malaria, einschließlich der modernen Studien, gehört auf eine eigene Seite. Die interessante Frage ist hier enger gefasst: Wie viel von Ehrlichs Überlegungen hielt dem Abgleich mit dem Parasiten stand?

Wo die Überlegungen Bestand hatten und wo sie scheiterten

Vom vorgeschlagenen Mechanismus blieb wenig übrig, zumindest in der von Ehrlich angenommenen Form. Die einfache Erklärung, nach der sich ein flaches trizyklisches Kation zwischen die Basenpaare der Parasiten-DNA schiebt, hält der Prüfung bei Plasmodium nicht stand. Methylenblau wird von einer infizierten roten Blutzelle so leicht reduziert, dass es den Parasiten gar nicht als planares Kation erreicht. Die Interkalationserklärung, die zu den Acridinfarbstoffen passt, passt nicht zu diesem Farbstoff.

Was die Befunde tatsächlich stützen, ist weniger eindeutig. Methylenblau hemmt die Glutathionreduktase des Parasiten in Konzentrationen, die bei einem Patienten erreichbar sind. Es blockiert die Umwandlung von Häm in Hämozoin, das inerte Pigment, das der Parasit bildet, um nicht durch seine eigene Verdauung von Hämoglobin vergiftet zu werden. Dies geschieht ungefähr so wirksam wie bei Chloroquin und deutlich wirksamer als bei Chinin. Seine Redoxzyklen erzeugen außerdem reaktive Sauerstoffspezies in einer Zelle, die solche bereits produziert. Welcher dieser Vorgänge der eigentliche Wirkmechanismus ist oder ob alle dazu beitragen, ist weiterhin ungeklärt.

Es gibt eine weitere Komplikation, die bei der Einordnung jeder historischen Aussage über diese Verbindung berücksichtigt werden sollte. Handelsübliches Methylenblau jener Zeit bestand nicht aus einer einzigen Substanz. Proben enthielten Azure B, die einfach demethylierte verwandte Verbindung, und in älteren Lösungen reicherte sich mehr davon an. Azure B ist ein metachromatischer Farbstoff mit anderen Zielstrukturen: Er färbt doppelsträngige DNA tiefblau und RNA grün. Ein Gemisch aus zwei Farbstoffen mit unterschiedlichen Zielstrukturen, deren Mengenverhältnis niemand dokumentiert hat, erlaubt keine eindeutige Aussage darüber, was das darin enthaltene Methylenblau bewirkte.

Der Farbstoff selbst verdrängte Chinin nie. Die Methode war erfolgreicher. Ehrlichs Schüler Wilhelm Roehl, der für den Farbstoff- und Arzneimittelkonzern IG Farben arbeitete, trieb die Entwicklung von Farbstoffderivaten als Arzneimittel gegen Tropenkrankheiten weiter voran und lieferte das fehlende Werkzeug: den mit einer Vogelmalaria infizierten Kanarienvogel als routinemäßiges Testmodell für Wirkstoffkandidaten. Werner Schulemann veränderte anschließend die Seitenkette, und das daraus entstandene Phenothiaziniumsalz heilte die experimentelle Infektion. Es färbte die Patienten weiterhin blau.

Als dauerhaftes Ergebnis erwies sich weder der Farbstoff noch das Ringsystem, sondern die Seitenkette. Das Anfügen einer Dialkylaminoalkylaminogruppe veränderte das Verhalten des Moleküls, und dieses Fragment blieb bei jeder späteren Neugestaltung erhalten. Behält man diese Gruppe bei und ersetzt den Phenothiaziniumring durch ein Acridin, erhält man Quinacrin. Setzt man stattdessen ein Chinolin ein, erhält man Chloroquin. Pamaquin, Primaquin und Amodiaquin, die weiterhin zum Bestand der Malariamittel gehören, tragen dieselbe Gruppe. Die Verbindung, die sich als Behandlung nicht durchsetzte, lieferte den Bestandteil, der erfolgreich war.

Die Verbindung zu den Antipsychotika führt über den Ring und nicht über das Arzneimittel. Die Aufklärung der Struktur von Methylenblau führte Heinrich August Bernthsen 1883 zur Stammstruktur des Phenothiazins. An diesem unterschiedlich substituierten Grundgerüst arbeiteten Chemiker bei Rhône-Poulenc in den 1940er-Jahren auf der Suche nach Antihistaminika. Eine dieser Verbindungen wurde gegen Ende des Jahres 1950 synthetisiert und vom Chirurgen Henri Laborit getestet, der bemerkte, dass sie Patienten ruhig und gleichgültig machte. Die erste veröffentlichte psychiatrische Anwendung bei einem Patienten mit Manie folgte im Januar 1952. Das erste Antipsychotikum ist weniger ein Nachkomme von Ehrlichs Malariamittel als vielmehr ein entfernter Verwandter des Farbstoffs, mit dem er begonnen hatte.

Drei Arbeitsweisen, die aus dieser Episode bleiben sollten

1. „Erstes synthetisches Arzneimittel in der Medizin“ bezeichnet eine Kategorie, und die Einschränkungen reichen weiter, als die Formulierung vermuten lässt. Die Wendung hat sich etabliert; eine häufig zitierte Übersichtsarbeit von Schirmer und Kollegen in Neurobiology of Aging bezeichnet Methylenblau als das allererste vollständig synthetische Arzneimittel, das in der Medizin eingesetzt wurde. Chloralhydrat wurde bereits 1869 als synthetisches Sedativum eingeführt, mehr als zwanzig Jahre zuvor. Die Arbeit von 1891 liefert selbst einen Teil der Antwort, denn ihre Autoren nennen die synthetischen Antipyretika, die sich gegen Malaria bereits als wirkungslos erwiesen hatten, darunter Chinolin, Antipyrin und Antifebrin. Ehrlichs eigenes arsenhaltiges Mittel gegen Syphilis kam noch später. Die vertretbare Fassung der Aussage betrifft die Methode und nicht die zeitliche Priorität: Methylenblau gehört zu den frühesten synthetischen Verbindungen, die auf Grundlage einer chemischen Theorie der Selektivität gezielt gegen einen bestimmten Organismus ausgewählt wurden.
2. Selektive Verteilung ist kein selektiver Nutzen. Ehrlichs Ergebnis von 1886 war, dass der Farbstoff ins Nervengewebe gelangt. Wohin eine Verbindung gelangt und was sie dort bewirkt, sind zwei verschiedene Messgrößen, und die erste lässt sich wesentlich leichter bestimmen. In dieser Lücke bewegen sich seither die meisten Aussagen über Methylenblau und das Gehirn.
3. Reinheit gehört zur Beweislage, nicht zum Marketing. Genau aus diesem Grund sind die historischen Befunde mehrdeutig. Kleine strukturelle Unterschiede verändern, wohin diese Verbindung gelangt. Deshalb muss ein Analysezertifikat einer bestimmten Charge zugeordnet sein, statt lediglich als allgemeine Aussage zu dienen, dass ein Produkt getestet wurde. Ein Verkäufer, der die Übereinstimmung mit der Arzneibuchmonografie behauptet, aber nur Schwermetalle prüft, behauptet mehr, als der Bericht belegt. Blupreme bezieht Methylenblau von einem pharmazeutischen Hersteller und prüft die vollständige Spezifikation der Monografie: Identität, Reinheit, organische Verunreinigungen, Restlösungsmittel, elementare Verunreinigungen, Glührückstand, mikrobiologische Grenzwerte und bakterielle Endotoxine. Der Bericht wird zusammen mit dem Produkt veröffentlicht. Die Seite zu Methylenblau in USP-Qualität erläutert diese Grenzwerte und erklärt, warum man zuerst nach dem Ergebnis für Azure B suchen sollte.

Eine chronologische Übersicht der Quellen

Die chronologische Abfolge der Meilensteine, einschließlich der Farbstoffchemie vor Ehrlich sowie der Qualitätsstufen und Spezifikationen nach ihm, wird gesondert in der Geschichte von Methylenblau dargestellt. Die Identität der Verbindung selbst erläutert die Seite Was ist Methylenblau?.

Die Abbildungen, auf denen diese Darstellung beruht und die in der Übersichtsarbeit von Krafts, Hempelmann und Skórska-Stania aus dem Jahr 2012 wiedergegeben sind, haben nicht denselben Beweiswert. Ein Beispiel zeigt, warum. Die Abbildung von 1891 ist das Primärdokument des Versuchs; das danebenstehende Porträt von 1910 dokumentiert einen Ruf zu einem bestimmten Zeitpunkt und nichts weiter. Seiten aus Andersags Notizbuch von 1934 sind der unmittelbare Beleg für die Chinolinsubstitution, in der Handschrift des Chemikers selbst.

Die ehrliche Zusammenfassung von Ehrlichs Farbstoffexperimenten lautet: Er erkannte die Selektivität und das Ziel, verfehlte aber den Mechanismus. Methylenblau reichert sich tatsächlich im Nervengewebe an und schädigt tatsächlich den Malariaparasiten. Das Zweite geschieht nicht aufgrund des Ersten, und die chemische Erklärung, die er für beides anbot, war falsch. Was er zweifelsfrei nachwies, war beständiger als ein zutreffender Mechanismus: Eine Verbindung lässt sich gezielt auswählen, statt zufällig finden, und diese Auswahl kann auf Befunden beruhen, die erhoben werden, bevor jemand sie einem Patienten verabreicht.