Wie Methylenblau funktioniert: Elektronentransfer und wo die Elektronen landen

Ein verschlossener Kolben auf einer Laborbank ist die kürzeste ehrliche Einführung darin, wie Methylenblau funktioniert. Wasser, Glukose, eine Prise Natriumhydroxid und genug Farbstoff, um die Flüssigkeit in ein tiefes, unverkennbares Blau zu färben. Wartet man einige Minuten, verschwindet das Blau, bis der Kolben wie ein Kolben mit Wasser aussieht. Schüttelt man ihn, kehrt die Farbe schlagartig zurück. Dann verblasst sie wieder, und das geschieht so lange weiter, wie Glukose bereit ist, Elektronen abzugeben, und Sauerstoff bereit ist, sie aufzunehmen.

Am Farbstoff hat sich nichts geändert außer der Anzahl der Elektronen, die er trägt. Oxidiert ist er blau. Reduziert ist er es nicht. Fast alles Weitere in der therapeutischen und wissenschaftlichen Literatur zu diesem Molekül folgt aus diesem einen reversiblen Schritt, denn ein Molekül, das Elektronen von einem Partner aufnehmen und an einen anderen weitergeben kann, ist ein Relais, und ein Relais tut für sich allein nichts. Was es tut, hängt vollständig davon ab, was sich an seinen beiden Enden befindet.

Zwei Formen und warum das Paar wichtig ist

Die oxidierte Form ist ein planares, positiv geladenes Ringsystem. Diese flache, geladene Struktur ist der Grund dafür, dass sie sich an Nukleinsäuren anlagert, an sialylierte Strukturen auf Zellmembranen bindet und sichtbares Licht zwischen ungefähr 600 und 700 Nanometern stark absorbiert – also in dem Teil des Spektrums, den das menschliche Auge als blau wahrnimmt.

Die reduzierte Form verhält sich anders. Sie trägt keine Ladung, löst sich eher in Fett als in Wasser und ist farblos. Ihre Ionisierung ist beim pH-Wert im Körper sehr gering und liegt in der Größenordnung weniger Prozent. Daher kann das reduzierte Molekül durch Diffusion leicht eine Zellmembran passieren und im Zellinneren, wo die Umgebung stärker oxidierend ist, wieder oxidiert und dadurch effektiv eingeschlossen werden. Das oxidierte Ringsystem ist flach; das reduzierte kann sich verdrehen. Diese strukturellen Folgen und der Farbwechsel selbst gehören zur Geschichte der beiden Formen und werden ausführlicher im Vergleich von Methylenblau und Leucomethylenblau behandelt.

Elektronen aufnehmen

Der oxidierte Farbstoff kann Elektronen von einer Vielzahl von Donoren aufnehmen. Glukose im Demonstrationskolben ist einer davon. Innerhalb einer Zelle gehören reduzierte Pyridinnukleotide und Bestandteile der mitochondrialen Elektronentransportkette zu den anderen. Wird Methylenblau in einem sauerstoffhaltigen Gewebe reduziert, verbraucht der dabei entstehende Kreislauf sowohl das Reduktionsmittel als auch Sauerstoff und erzeugt reaktive Sauerstoffspezies, vor allem Wasserstoffperoxid. Der Farbstoff verlässt den Zyklus unverändert und ist bereit, ihn erneut zu durchlaufen.

Dieser letzte Punkt erklärt einen Widerspruch, der sonst nach Nachlässigkeit aussieht. Methylenblau wird in der Literatur sowohl als Prooxidans als auch als Antioxidans beschrieben, und beide Beschreibungen lassen sich begründen. Es kann die Bildung von Superoxid unterdrücken, indem es als künstlicher Elektronenakzeptor wirkt und den Elektronenfluss von den Enzymstellen weglenkt, an denen Sauerstoff sonst in Superoxidradikale umgewandelt würde. In Leberzellkulturen wurde gezeigt, dass es antioxidative Abwehrenzyme der Phase 2 induziert, darunter Thioredoxin-Reduktase 1 und NADPH-Chinon-Oxidoreduktase. Welche der beiden Seiten sichtbar wird, hängt davon ab, an welchem Ende des Relais zu diesem Zeitpunkt Elektronen fehlen. Eine Frage wie „Ist Methylenblau ein Antioxidans?“ ist erst sinnvoll formuliert, wenn angegeben wird, in welchem System, bei welcher Konzentration und in Anwesenheit welcher weiteren Stoffe.

Elektronen weitergeben

Sobald der Farbstoff ein zusätzliches Elektron trägt, können als Nächstes drei sehr unterschiedliche Dinge geschehen, die häufig unter einer einzigen Überschrift zusammengefasst werden. Das sollten sie nicht.

Es kann das Elektron an ein Metallzentrum weitergeben. Der klarste Fall ist Hämoglobin, das vom zweiwertigen Eisen-Zustand zum dreiwertigen Eisen-Zustand oxidiert wurde. In diesem Zustand kann es keinen Sauerstoff transportieren. In roten Blutkörperchen reduziert ein Enzym den Farbstoff, und der reduzierte Farbstoff überträgt anschließend nicht enzymatisch Elektronen auf das oxidierte Häm-Eisen, wodurch funktionsfähiges Hämoglobin wiederhergestellt und der Farbstoff in seine oxidierte Form zurückgeführt wird. Der Farbstoff wird dabei nicht verbraucht; er durchläuft einen Zyklus. Das klinische Bild, das auf dieser Reaktion beruht, gehört in den Krankenhausbereich, und die Erklärung zu Methylenblau bei Methämoglobinämie behandelt, wie es eingesetzt wird und warum die Anwendung so eng überwacht wird.

Ein ehrlicher Hinweis zur Quellenlage: Die beiden Übersichtsarbeiten, auf denen dieser Artikel beruht, nennen für den enzymatischen Schritt nicht denselben reduzierenden Cofaktor; eine nennt NADH, die andere NADPH. Diese Abweichung besteht tatsächlich und wird in den hier verfügbaren Quellen nicht aufgelöst. Daher ist es sicherer, die Rolle der einzelnen Bestandteile zu beschreiben, statt einen einzelnen Cofaktor zu nennen.

Es kann Energie oder ein Elektron an Sauerstoff weitergeben, wenn Licht vorhanden ist. Dieser Weg existiert nur unter Beleuchtung. Der angeregte Farbstoff erreicht einen Triplettzustand, von dem aus zwei Mechanismen möglich sind. Beim ersten interagiert der angeregte Farbstoff direkt mit einem benachbarten Molekül, indem er ein Wasserstoffatom aufnimmt oder ein Elektron überträgt, wodurch Radikale entstehen; eine entsprechende Reaktion mit Wasser erzeugt Hydroxylradikale. Beim zweiten wird die Anregungsenergie direkt auf Sauerstoff übertragen, wodurch Singulett-Sauerstoff entsteht, eine stark elektrophile Spezies, die innerhalb von Mikrosekunden zerfällt und allgemein als der wichtigste Weg gilt, über den beleuchtetes Methylenblau mikrobielle Zellen schädigt. Zu den dokumentierten Folgen gehören Reaktionen mit Lipiden und Peptiden der Zellhülle sowie mit Guaninbasen in der DNA.

Die praktische Folge dieses Weges ist, dass Beleuchtung die Messwerte um Größenordnungen verändert. In den von Wainwright und Crossley zusammengestellten Daten hat Methylenblau gegen Pseudomonas aeruginosa im Dunkeln eine minimale bakterizide Konzentration von etwa 500 Mikromolar und unter einer Lichtdosis von 12 Joule pro Quadratzentimeter etwa 25 Mikromolar. Gegen einen Stamm von Staphylococcus aureus liegen sowohl der Wert im Dunkeln als auch der Wert unter Beleuchtung bei 5 Mikromolar. Mit anderen Worten: Ob das Molekül überhaupt als antimikrobiell gilt, ist keine Eigenschaft des Moleküls allein, sondern eine Eigenschaft des Moleküls zusammen mit dem Licht.

Es kann direkt an einer Enzymstelle wirken, ohne das Relais. Methylenblau oxidiert das an die Stickstoffmonoxid-Synthase gebundene zweiwertige Eisen, wodurch das Enzym deaktiviert wird. Es blockiert die lösliche Guanylatcyclase, und 1 bis 10 Mikromolar ist die dafür routinemäßig verwendete Laborkonzentration. Es hemmt Monoaminoxidase Typ A mit einem IC50 zwischen 27 und 180 Nanomolar. Dieser Mechanismus steht hinter der gut dokumentierten Wechselwirkung mit Serotonin-Wiederaufnahmehemmern und ist der Grund dafür, dass die Arzneimittelwechselwirkungen von Methylenblau eine eigene Kategorie bilden.

Diese drei Wege unterscheiden sich chemisch voneinander. Sie zu der einzigen Aussage zusammenzufassen, Methylenblau funktioniere durch Redoxzyklen, ist der Hauptgrund dafür, dass so viele Texte darüber zugleich bestimmt und vage wirken.

Vier Unterscheidungen, die entscheiden, ob eine Aussage über einen Mechanismus überhaupt etwas bedeutet

Welche Form. Der reduzierte Farbstoff ist nicht mit dem oxidierten Farbstoff austauschbar. Die Hemmung der Acetylcholinesterase zeigt die Falle: Bei einer langen In-vitro-Inkubation wird Methylenblau zunehmend in seine farblose Form reduziert, und die Hemmung nimmt ab, weil das reduzierte Molekül dieses Enzym nicht hemmt. Ein Assay, der lange genug läuft, um die Form zu verändern, wird eine schwächere Wirkung melden und zu einer falschen Erklärung verleiten.

Welche Konzentration. Der Laborbereich für die Hemmung der löslichen Guanylatcyclase liegt bei 1 bis 10 Mikromolar. Um die glutamatvermittelte Signalübertragung in Hippocampus-Schnitten von Ratten aufzuheben, waren 5 bis 50 Mikromolar erforderlich. Toxische Wirkungen in Zellkulturen werden oberhalb von 100 Mikromolar beschrieben. Das sind nicht dieselben Experimente, und ein bei 50 Mikromolar bestätigter Mechanismus steht nicht automatisch bei einem Patienten zur Verfügung, dessen Plasmakonzentration nur einen Bruchteil davon erreicht.

Welcher Verabreichungsweg. Die absolute orale Bioverfügbarkeit liegt bei etwa 72 Prozent, und die terminale Plasmahalbwertszeit beträgt 5 bis 7 Stunden. Eine orale Verabreichung führt zu höheren Konzentrationen in Darm und Leber; eine intravenöse Verabreichung zu höheren Konzentrationen im Gehirn. Der Verabreichungsweg entscheidet, welches Gewebe auf die Elektronen trifft.

Welches Modell und ob das Licht eingeschaltet war. Ein großer Teil der mechanistischen Literatur basiert auf Zellkultur- und Nagetierstudien, und In-vitro-Ergebnisse zu diesem Molekül hängen von der Lichtexposition, dem Membranpotenzial und dem Redoxzustand der Zellen ab, weil bereits eine Mikroskoplampe ausreicht, um es zu photosensibilisieren. Zwischen 65 und 85 Prozent einer verabreichten Dosis werden in roten Blutkörperchen und peripherem Gewebe zur farblosen Form reduziert. Jede dieser Variablen liegt zwischen einem klaren Mechanismus in einer Laborschale und einer Aussage über einen Menschen.

Warum die Reinheitsfrage eine chemische Frage ist

Beleuchtung demethyliert Methylenblau. Das erste Produkt ist Azure B, danach folgen Azure A und Thionin, und eine höhere Lichtintensität führt zu stärkerem Abbau als eine niedrigere. Ein Molekül, dessen Nutzen darin besteht, Elektronen aufnehmen und abgeben zu können, ist daher ein Molekül, dessen wahrscheinliche Abbauprodukte nahe chemische Verwandte sind, die in derselben Lösung verbleiben. Die Zusammensetzung dessen, was sich im Behälter befindet, ist kein kosmetisches Detail.

Aus diesem Grund ist die Konformität mit der USP-Spezifikation für Käufer der aussagekräftige Test. Ein Produkt, das sie nicht erfüllt, ist ein Farbstoff, und ein Farbstoff enthält Verunreinigungen, darunter Azure B, Schwermetalle und Lösungsmittelrückstände, die jemand, der ihn schluckt, nicht haben möchte. Eine weitere Falle ist ein Anbieter, der nur auf Schwermetalle testet und das Ergebnis als vollständige Konformität darstellt. Blupreme arbeitet mit einem pharmazeutischen Hersteller von Methylenblau zusammen und prüft die vollständige Spezifikation: Identität, Reinheit, organische Verunreinigungen, Lösungsmittelrückstände, elementare Verunreinigungen, Glührückstand, mikrobiologische Grenzwerte und bakterielle Endotoxine. Das Labortest-Dokument zu jeder Charge wird veröffentlicht, und bei der Auswahl eines Lieferanten geht es im Wesentlichen darum zu prüfen, ob dieses Dokument existiert und was es abdeckt.

Ein reversibles Paar. Mehrere Wege führen daraus heraus. Der jeweilige Weg entscheidet, welche Aussage sich daraus ableiten lässt.