Paul Ehrlich és a metilénkék: hogyan formálta egy festék a gyógyszerkutatást

Paul Ehrlich nem egy gyógyszerrel járult hozzá az orvostudományhoz. Hanem egy érveléssel arról, hogyan érdemes vizsgálni egy gyógyszert.

1878-ban benyújtott doktori értekezésének nyitófejezete „A festődés kémiai értelmezése” címet viselte. Azt állította, hogy egy szövetmetszet megfestése és egy textildarab festése ugyanazt a logikát követi. A szín mindkét esetben a festék és az anyag közötti kémiai affinitás miatt kötődik meg, nem azért, mert a szövet nedvszívó, zsíros, vagy az alakja révén csapdába ejt egy pigmentet. Ehrlich úgy nőtt fel, hogy látta unokatestvérét, Karl Weigert patológust festett metszeteket készíteni. Figyelmét nem a képek kötötték le, hanem az, hogy a festék megválasztotta, hová kerül.

Ez az állítás szerénynek hangzik. Nem az. Ha egy festék kémiai okokból kötődik egy szövethez, akkor a festődés mintázata a szövet kémiájáról ad hírt. A festett tárgylemez többé nem illusztráció, hanem mérés.

Ehrlich azonnal továbbépített erre. 1880-ban a metilénkéket savas fukszinnal kombinálta, és a keveréket semleges festéknek, neutralen Farbkörper-nek nevezte. Ez elkülönítette a fehérvérsejtek különböző típusait ott, ahol az akkoriban önmagukban használt festékek erre nem voltak képesek. Két évvel később bemutatott egy metilibolyás eljárást a tuberkulózisbacilusok festésére, amelyet Koch a saját munkájában is átvett.

Az elmélet, amely később közös alapot adott ezeknek a gyakorlatoknak, külön történet, és a keletkezésének idejét rendszeresen összemossák a korábbi munkákéval. Ehrlich oldallánc-elmélete, vagyis az az elképzelés, hogy egy anyag azért hat egy sejtre, mert kémiailag összeillenek, az 1890-es évekből származik, nem a festékkísérletek időszakából. A korábbi munka az ezt megelőző meggyőződést adta: a szelektivitás kémiai természetű, ezért célzottan kereshető, nem csupán véletlenül lehet rábukkanni.

A kísérlet, amely térképpé tette a festéket

1885-ben Ehrlich monográfiát jelentetett meg a szervezet oxigénigényéről, színanalitikai vizsgálat alcímmel. Módszere olyan festékek befecskendezése volt, amelyek színe az oxidációs állapotuktól függ, majd összehasonlította, hogy a különböző szervek hogyan redukálják vagy őrzik meg őket. A festéket mérőeszközként használta, ahogyan a hőmérőt szokás: olyan szöveten belüli körülményekről adott információt, amelyeket közvetlenül nem lehetett felmérni. Ehrlich saját megfogalmazása szerint a cél az élő szervek redukálóképességének meghatározása volt bizonyos festékek segítségével.

A metilénkékkel kapcsolatos eredmény 1886-ban jelent meg, egy a festék élő idegszövettel való reakciójáról szóló közleményben, amelyet az előző decemberben olvastak fel egy orvosi társaság előtt. A metilénkéket egy élő állat keringésébe juttatták, majd vékony szövetszeleteket távolítottak el, és levegőnek tették ki őket. Így a felhalmozódott színtelen festék oxidálódva ismét kékké vált, és megmutatta, hol gyűlt össze. Az idegsejtek és az idegrostok felvették a színt, méghozzá annyira szelektíven, hogy az eljárás az idegszövet kimutatásának bevett módszerévé vált. A vegyület többé nem csupán egy laborasztalon fekvő, elhalt metszetre felvitt színezőanyag volt. Olyan jelölőanyag lett, amely egy élő testben oszlott el, és ez az eloszlás leolvasható volt.

A két kísérlet mögött álló tulajdonságot érdemes világosan kimondani, mert ebben a történetben minden más ezen múlik. A metilénkék átalakulása reverzibilis. Redukált formája, a leukometilénkék színtelen, oxigénnel érintkezve pedig visszaalakul a kék kationná. A festék glükózt tartalmazó oldata egy lezárt üvegben színtelen; ha az üveget kinyitjuk, kékké válik. A beszámolók szerint Ehrlich ezt közvetlenül is bemutatta: a festett metszeteket a levegő mellett vas-kloriddal is kezelte, és megfigyelte a szín visszatérését. Az a festék, amely környezete redoxállapotával együtt változtatja a színét, ennek a környezetnek a vizsgálatára szolgáló szonda.

Így két tulajdonság állt egymás mellett. Egy festék képes volt megkülönböztetni az egyik szövetet a másiktól. És egy festék színe az oxidációs állapot megváltoztatásával be- és kikapcsolható volt.

Visszatekintve a második tulajdonság a kemoterápia kezdete. Ha egy vegyület kötődik az egyik szövettípushoz, de a másikhoz nem, akkor ugyanez a vegyület elérheti az egyik fajta élőlényt, a másikat viszont nem. Ehrlich közvetlenül megfogalmazta a következtetést: ha egy kórokozó szelektíven megfesthető, a festődés az adott kórokozóra gyakorolt sajátos károsító hatást jelezhet. Egy festék tehát gyógyszerként is használható lehet, amely nem a beteget, hanem a behatolót célozza meg.

Az első, betegen végzett próba nem a malária ellen irányult. 1890-ben Ehrlich Arthur Leppmann pszichiáterrel együtt arról számolt be, hogy a metilénkék enyhítette az izmok, ízületek és inak neuralgiás és reumás állapotaiban jelentkező fájdalmat. A két férfi megvitatta, hogy a szer hathat-e mentális betegségekre, de úgy döntöttek, nem próbálják ki. Egy genovai olasz orvos, Pietro Bodoni mégis megtette. 1899-es közleményének címe a pszichózis különböző formáiban észlelt nyugtató hatásra utal: tizennégy izgatott beteg megnyugvását írta le, és megjegyezte, hogy más genovai orvosok már ugyanerre a célra használták a festéket. A nyugtatás nem a betegségre gyakorolt hatás, és ez a különbség újra meg újra felbukkan ebben a történetben.

A maláriával kapcsolatos munka 1891-ben következett, Paul Guttmann patológussal, a berlini Moabit kórházban. Két beteg kapott metilénkéket, és a beszámoló a Berliner klinische Wochenschrift 1891. szeptember 28-i számában jelent meg. Az első esetben a beteg június 29-én este egyszerre 0.5 g festéket vett be; a várt roham nem bontakozott ki teljesen, és az egyetlen később feljegyzett panasz enyhe, fájdalmas vizelési inger volt, kék vizelettel. A lázrohamok az első napokban megszűntek, a paraziták pedig legkésőbb a nyolcadik napra eltűntek a vérből. A szerzők saját összegzése szerint várakozásaik maradéktalanul teljesültek. Két kontroll nélküli eset azonban nem bizonyító erejű. A metilénkék és a malária részletesebb története, a modern vizsgálatokkal együtt, külön oldalra tartozik. Itt egy szűkebb kérdés az érdekes: Ehrlich érveléséből mennyi állta ki a parazitával való találkozás próbáját.

Hol állta meg a helyét az érvelés, és hol vallott kudarcot

A feltételezett mechanizmusból nem sok maradt fenn, legalábbis nem abban a formában, ahogyan Ehrlich felvetette. Az egyszerű változat, amelyben egy sík, triciklusos kation becsúszik a parazita DNS-ének bázispárjai közé, nem állja meg a helyét a Plasmodium esetében. Egy fertőzött vörösvérsejt olyan könnyen redukálja a metilénkéket, hogy az egyáltalán nem jut el sík kationként a parazitához. Az akridinfestékekre illő interkalációs magyarázat erre a festékre nem alkalmazható.

A bizonyítékok ennél összetettebb képet támasztanak alá. A metilénkék gátolja a parazita glutation-reduktázát olyan koncentrációkban, amelyek egy beteg szervezetében elérhetők. Gátolja a hem hemozoinná történő átalakulását. Ez az a közömbös pigment, amelyet a parazita azért hoz létre, hogy ne mérgezze meg a hemoglobin saját emésztése. A gátlás körülbelül olyan hatékony, mint a klorokin esetében, és jóval hatékonyabb, mint a kininé. Redoxciklusa emellett reaktív oxigénformákat is termel egy olyan sejtben, amely már eleve termeli ezeket. Továbbra sem tisztázott, hogy ezek közül melyik a tényleges mechanizmus, vagy mindegyik hozzájárul-e a hatáshoz.

Van egy további bonyodalom is, amelynek befolyásolnia kell, hogyan értelmezünk bármilyen történelmi állítást erről a vegyületről. Az akkori kereskedelmi metilénkék nem egyetlen anyag volt. A minták azure B-t, a vegyület egyszeresen demetilezett rokonát is tartalmazták, a régebbi oldatokban pedig több halmozódott fel belőle. Az Azure B metakromatikus festék, eltérő célpontokkal: a kétszálú DNS-t mélykékre, az RNS-t zöldre festi. Két, eltérő helyekre jutó festék keveréke, amelynek arányait senki sem jegyezte fel, nem alapozhat meg egyértelmű állítást arról, hogy mit tett a benne lévő metilénkék.

Maga a festék sosem szorította ki a kinint. A módszer eredményesebbnek bizonyult. Ehrlich tanítványa, Wilhelm Roehl, aki az IG Farben festék- és gyógyszeripari konszernnél dolgozott, továbbra is szorgalmazta a festékszármazékok alkalmazását trópusi betegségek elleni gyógyszerekként. Ő adta a hiányzó eszközt is: a madármaláriával fertőzött kanárit, amely a lehetséges vegyületek rutinszerű szűrésére szolgált. Werner Schulemann ezután módosította az oldalláncot, és az így létrejött fenotiazíniumsó meggyógyította a kísérletes fertőzést. A betegeket azonban továbbra is kékre színezte.

A maradandó eredmény végül nem a festék és nem is a gyűrűrendszer lett, hanem az oldallánc. Egy dialkilaminoalkilamino-csoport hozzáadása megváltoztatta a molekula viselkedését, és ez a részlet minden későbbi áttervezést túlélt. Ha ezt a csoportot megtartjuk, és a fenotiazíniumgyűrűt akridinre cseréljük, az eredmény kinakrin. Ha kinolinra cseréljük, klorokint kapunk. A pamakin, a primakin és az amodiakin, amelyek mindmáig szerepelnek a maláriaellenes szerek között, ugyanezt a csoportot hordozzák. A kezelésként kudarcot vallott vegyület adta azt a részt, amely sikeressé vált.

Az antipszichotikumokhoz vezető kapcsolat nem a gyógyszeren, hanem a gyűrűn keresztül húzódik. A metilénkék szerkezetének tisztázása vezette el Heinrich August Bernthsent 1883-ban az alap fenotiazinvázhoz. Ennek a váznak a különféleképpen szubsztituált változatain dolgoztak a Rhône-Poulenc vegyészei az 1940-es években, antihisztaminokat keresve. Az egyik ilyen vegyületet 1950 vége táján szintetizálták, és Henri Laborit sebész próbálta ki. Ő figyelt fel arra, hogy a betegek nyugodtak és közömbösek lettek tőle. Első közölt pszichiátriai alkalmazására 1952 januárjában került sor egy mániás betegnél. Az első antipszichotikum nem annyira Ehrlich maláriaellenes szerének leszármazottja, mint inkább annak a festéknek a távoli rokona, amelyből kiindult.

Három szemléletbeli szokás, amelyet érdemes megőrizni ebből a történetből

1. „Az orvoslásban használt első szintetikus gyógyszer” egy kategóriát ír le, és több megszorítást igényel, mint amennyit a megfogalmazás sugall. Ez a kifejezés állandósult; Schirmer és munkatársai sokat idézett áttekintése a Neurobiology of Aging folyóiratban a metilénkéket az orvoslásban használt legelső, teljesen szintetikus gyógyszernek nevezi. A klorál-hidrátot azonban 1869-ben, több mint húsz évvel korábban vezették be szintetikus nyugtatóként. Az 1891-es közlemény maga is megadja a válasz egy részét, mivel szerzői felsorolják azokat a szintetikus lázcsillapítókat, amelyek korábban már kudarcot vallottak a malária ellen, köztük a kinolint, az antipirint és az antifebrint. Ehrlich saját, szifilisz elleni arzénvegyülete még később jelent meg. Az állítás védhető változata inkább a módszerről szól, mint az elsőségről: a metilénkék a legkorábbi olyan szintetikus vegyületek közé tartozik, amelyeket a szelektivitás kémiai elmélete alapján választottak egy meghatározott élőlény elleni hatás céljából.
2. A szelektív eloszlás nem jelent szelektív előnyt. Ehrlich 1886-os eredménye az volt, hogy a festék az idegszövetbe jut. Az, hogy egy vegyület hová kerül, és az, hogy odaérve mit tesz, két különböző mérés tárgya, amelyek közül az első sokkal könnyebben elvégezhető. Azóta a metilénkékkel és az aggyal kapcsolatos állítások többsége ebben a résben kapott helyet.
3. A tisztaság a bizonyítékokhoz tartozik, nem a marketinghez. A történelmi feljegyzések éppen emiatt kétértelműek. Apró szerkezeti eltérések megváltoztatják, hogy ez a vegyület hová jut. Ezért az analitikai bizonylatnak egy meghatározott gyártási tételhez kell kapcsolódnia, nem pedig pusztán azt kell állítania, hogy a terméket bevizsgálták. Ha egy eladó a gyógyszerkönyvi monográfiának való megfelelést állítja, de csak a nehézfémeket vizsgálja, többet állít annál, mint amit a jelentés alátámaszt. A Blupreme gyógyszeripari gyártótól szerzi be a metilénkéket, és a monográfiában meghatározott teljes specifikációt vizsgálja: azonosság, tisztaság, szerves szennyezők, maradék oldószerek, elemi szennyezők, izzítási maradék, mikrobiológiai határértékek és bakteriális endotoxinok. A jelentést a termék mellett teszi közzé, az USP-minőségű metilénkékről szóló oldal pedig elmagyarázza ezeket a határértékeket, és azt, hogy miért az azure B eredményét érdemes először megnézni.

A források időrendben

A mérföldkövek időrendi sorát, beleértve az Ehrlich előtti festékkémiát és az őt követő minőségi fokozatokat és specifikációkat, külön ismerteti a metilénkék története. Magának a vegyületnek a mibenlétét pedig a mi a metilénkék című oldal tárgyalja.

Az e beszámoló hátteréül szolgáló ábrák, amelyeket Krafts, Hempelmann és Skórska-Stania 2012-es áttekintése is közöl, nem egyenértékűek. Egy példa megmutatja, miért. Az 1891-es ábra a vizsgálat elsődleges dokumentuma; a mellette látható 1910-es portré csak a hírnévhez rendel dátumot, semmi máshoz. Andersag 1934-es jegyzetfüzetének lapjai a kinolinra történő csere közvetlen nyomai, a vegyész saját kézírásával.

Ehrlich festékkísérleteinek őszinte összegzése az, hogy a szelektivitást és a célpontot eltalálta, a mechanizmust viszont nem. A metilénkék valóban feldúsul az idegszövetben, és valóban károsítja a maláriaparazitát. A másodikat nem az első miatt teszi, és a kémiai magyarázat, amelyet Ehrlich mindkettőre adott, téves volt. Amit azonban minden kétséget kizáróan bemutatott, maradandóbbnak bizonyult egy helyes mechanizmusnál: egy vegyületet nemcsak megtalálni, hanem kiválasztani is lehet, mégpedig olyan bizonyítékok alapján, amelyeket azelőtt gyűjtöttek össze, hogy bárki beadná egy betegnek.