Historisches

Hemmung der Acetylcholinesterase

Zwei Chemikerinnen, lse Hagedorn (1921–2005) und Marlene Löffler (geb. 1947), waren in Freiburg maßgeblich an der Entwicklung von Antidoten gegen Phosphorsäureester beteiligt.

Hemmung der Acetylcholinesterase

Philippe de Clermont | © Eugène Pirou, Bibliothèque nationale de France, Public Domain, wikimedia

Beim russischen Ex-Agenten Sergej Skripal, der 2018 gemeinsam mit seiner Tochter im britischen Salisbury vergiftet wurde, war das Nervengift Nowitschok vermutlich an der Türklinke. Beim russischen Oppositionspolitiker Alexej Nawalny, der im Sommer letzten Jahres einen Anschlag knapp überlebte, klebte es womöglich an der Unterhose. Die Rede ist von phosphororganischen Kampfgasen, die eigentlich Flüssigkeiten sind. Man bemerkt sie nicht, und kleinste Mengen reichen für eine lebensgefährliche Vergiftung aus.

Dabei haben diese Verbindungen eine lange Geschichte. Im Unterschied zu den chlorierten cyclischen Kohlenwasserstoffen wie DDT und Lindan sind sie biologisch abbaubar und werden weder im noch außerhalb des Organismus gespeichert. Diesem Vorteil steht eine erhebliche Toxizität gegenüber. Eine hohe Zahl an Vergiftungen und eine hohe Todesrate sowohl beim sachgemäßen Umgang mit diesen Substanzen als auch bei ihrer Verwendung in suizidaler und homozidaler Absicht sind die Folge. Chemisch handelt es sich um Ester oder Amide der Phosphorsäure. Die erste Verbindung dieser Art, das Tetraethylpyrophosphat (TEPP) synthetisierte der französische Chemiker Philippe de Clermont (1831–1921) bereits 1854. 1934 beauftragte die Bayer AG den deutschen Chemiker Gerhard Schrader (1903–1990), Insektizide zu entwickeln. Aus seinen Versuchen, Phosphorverbindungen mit Zyanid zu kombinieren, gingen die hochtoxischen Nervengifte Sarin und Tabun hervor. Die Arbeit war dramatisch: Bei Versuchen mit Vorläufersubstanzen von Sarin zog Schrader sich selbst eine Vergiftung zu und verbrachte mehrere Wochen im Bett. Auch das Folgepräparat war sehr giftig und kam daher als Insektizid nicht infrage. Sowohl Tabun als auch das später entwickelte Sarin übergab man der militärischen Forschung in Spandau.

Gegen Ende des Zweiten Weltkriegs gelang es Schrader und seiner Arbeitsgruppe, die P=O-Funktion des Phosphorsäureesters in eine P=S-Funktion zu überführen. Damit waren die sogenannten Thio-Phosphorsäureester geboren. Ein bekannter Vertreter dieser Gruppe wurde ebenfalls von Schrader synthetisiert: das Diethylparanitrophenylthiophosphat, kurz Parathion oder E 605. Inzwischen gibt es eine große Menge an geprüften Verbindungen, die als Insektizide, Herbizide, Fungizide, zur Bekämpfung der Malaria sowie gegen Parasiten in der Veterinärmedizin eingesetzt werden. Sie sind unterschiedlich giftig. Das hängt vor allem damit zusammen, dass manche Verbindungen, etwa Malathion, von Warmblütern rasch, von Insekten aber nur sehr langsam entgiftet werden können. Im Unterschied zu Insekten verfügen Warmblüter über Enzyme, die die Polarität der Alkylketten verändern und damit die Toxizität deutlich vermindert.

Der Wirkmechanismus ist bei allen Alkylphosphaten gemäß der „Schrader-Formel“ der gleiche: Alkylphosphate reagieren mit Enzymen. Ihr positiv geladener Anteil ist elektrophil und sucht entsprechend nukleophile Reaktanten. In biologischen Systemen bieten sich vor allem Wasser und die katalytischen Zentren in Esterasen an. Alkylphosphate sind starke Inhibitoren der Acetylcholinesterase (AChE), welche Acetylcholin im synaptischen Spalt abbaut. Nach der Reaktion der Acetylcholinesterase mit ihrem biologischen Substrat Acetylcholin wird die ursprüngliche Enzymstruktur rasch und vollständig wiederhergestellt. Dagegen erfolgt etwa bei einer Carbamatvergiftung die Wiederherstellung langsam, aber vollständig (reversible Hemmung), bei einer Vergiftung mit Alkylphosphaten jedoch sehr langsam und unvollständig (irreversible Hemmung).

Die Folge: Der Großteil des Enzyms muss durch Neusynthese ersetzt werden. Solange wird der Organismus mit natürlicherweise freigesetztem Acetylcholin „überflutet“, das nicht mehr abgebaut wird und an Rezeptoren seine Wirkungen entfaltet. An parasympathischen Nervenendigungen sind das „muskarinartige“ Wirkungen: Tränen- und Speichelfluss, erhöhte Sekretion und Spasmen im Bronchialsystem, Koliken, Durchfälle und Erbrechen im Magen-Darm-Trakt, zudem Sehstörungen, vermehrtes Schwitzen und eine Senkung des Blutdrucks. An vegetativen Ganglien und der motorischen Endplatte zeigen sich Tremor, Muskelsteife, -zuckungen und -krämpfe, ferner Sprachstörungen, Verwirrtheit, Bewusstseinstrübungen und Atemlähmung. Ohne Antidot (= Gegenmittel) kommt es zum Tod. Atropin in hohen Dosen blockiert zwar muskarinartige Cholinozeptoren und normalisiert die vegetativen Funktionen. Wegen der lange anhaltenden Hemmung der Acetylcholinesterase muss die Behandlung jedoch lange durchgeführt werden, und hinsichtlich des biochemischen Wirkmechanismus ist sie nicht kausal. Sogenannte Oxime sind dagegen in der Lage, die gehemmte Acetylcholinesterase zu reaktivieren. Sie lösen den Dialkylphosphorylrest vom Enzym. Weil diese Reaktion auch in umgekehrter Richtung verlaufen kann, muss das dabei entstehende phosphorylierte Oxim weiter reagieren. Nach seinem Zerfall in Nitril und Dialkylphosphorsäure ist eine Reaktion mit dem Enzym nicht mehr möglich, die Vergiftung ist gestoppt. Die Krux: Im Laufe der Zeit wird an der phosphorylierten Esterase ein Alkylrest vom Phosphatrest abgespalten. Diesen Vorgang nennt man „Alterung“ – das Oxim kann dann nicht mehr mit der Esterase reagieren. Folglich muss der Einsatz des Oxims so schnell wie möglich erfolgen.

Nach dem Zweiten Weltkrieg hielten die Alliierten Gerhard Schrader zwei Jahre auf Schloss Kransberg im Taunus fest und ließen ihn die Resultate seiner Forschungen über organische Phosphorsäureester aufschreiben. 1949 synthetisierte er mit seiner Arbeitsgruppe Cyclosarin, einen weiteren G-(= German-)Kampfstoff. Nach Sarin und Tabun wurde 1944 auch der Kampfstoff Soman in Deutschland entwickelt. Von den dreien ist Soman am giftigsten und beständigsten. Zudem tritt hier die „Alterung“ des Enzymkomplexes sehr schnell ein. Bis 1960 gab es bei einer Vergiftung kein Gegenmittel – Atropin konnte den Tod nur verzögern, eine kausale Behandlung war nicht möglich.

An dieser Stelle kamen zwei Chemikerinnen ins Spiel: Ilse Hagedorn (1921–2005) und Marlene Löffler (geb. 1947). Geboren in Dresden, studierte Hagedorn Chemie. Durch die alliierten Luftangriffe im Februar 1945 wurden große Teile der Stadt zerstört. Daher konnte sie ihr Studium erst 1948 wieder aufnehmen, drei Jahre später legte sie ihr Diplom ab. Im „VEB Arzneimittelwerk Dresden“ stand ihre erste Dissertation kurz vor dem Ende, doch als man sie zwingen wollte, der SED beizutreten, lehnte sie ab und kündigte. Auch eine universitäre Karriere wäre nur um den Preis einer SED-Mitgliedschaft möglich gewesen. Die Partei akzeptierte ihre zweite Promotion nicht, 1958 wurde sie von der Dresdner Universität suspendiert und suchte Zuflucht im Westen. An der Freiburger Universität bot Arthur Lüttringhaus ihr eine Stelle im chemischen Labor an. Sie nahm zunächst ihre Studien über das Antibiotikum Xanthocillin wieder auf und verfasste über dessen Synthese ihre Dissertation.

Lüttringhaus brachte sie dann auf eine ganz neue Spur. Kurz zuvor hatten drei US-amerikanische Wissenschaftler Synthese, Struktur und die Acetylcholinesterase-reaktivierende Wirkung von TMB-4 (= Trimedoximbromid) bei Hemmung der Acetylcholinesterase durch phosphororganische Verbindungen beschrieben (Poziomek EJ, et al. 1958). Bei TMB-4 sind zwei Pyridin-4-aldoxim-Einheiten durch drei Methylen-Brücken verbunden. Lüttringhaus und Hagedorn ersetzten Letztere durch Dichlordimethylether und fanden LüH6 (1964). Lü steht für Lüttringhaus, H für Hagedorn. LüH6 oder Obidoxim (Handelsname: Toxogonin) war in der Behandlung von Vergiftungen durch Phosphorsäureester den bis dahin verwendeten Antidoten TMB-4 und 2-PAM (= 2-Pyridin-aldoxim-methojodid) überlegen. Zudem war es in der Lage, partiell die Blut-Hirn-Schranke zu passieren.

1971 überprüfte Hagedorn Faktoren, die die Reaktivierung phosphorylierter und damit gehemmter Acetylcholinesterase maßgeblich beeinflussen könnten. Dabei fand sie zwar keinen AChE-Reaktivator, der LüH6 überlegen war. Doch sie beschrieb Kriterien, die für die AChE-Reaktivierung von untergeordneter Bedeutung waren. Damit war zumindest klar, in welche Richtung sich weiterzuforschen nicht lohnen würde. Positiv fand sie, dass nur Oxime mit pKs-Werten zwischen 7,6 und 7,9 als Antidote gut wirksam sind. Der Ks-Wert kennzeichnet die Acidität einer Verbindung bei einer bestimmten Temperatur, der pKs-Wert ist definiert als negativer Logarithmus des Ks-Wertes. Ein hoher pKs-Wert bedeutet demnach schwache Acidität, ein niedriger pKs-Wert starke Acidität. Bei Werten zwischen 7,6 und 7,9 sind zwei Eigenschaften eines geeigneten AChE-Reaktivators vorhanden: eine ausreichende Nucleophilie seiner Anionen und eine ausreichende Acidität des Wasserstoffatoms seiner Methingruppe. Der wirksame Bereich auf der pKs-Skala ist also äußerst schmal, weil die Geschwindigkeit der AChE-Reaktivierung von zwei Parametern abhängt, die umgekehrt proportional sind.

Ab den 1970er-Jahren entwickelten sowjetische Forscher eine Reihe weiterer Nervengifte, gegen die die bekannten Oxime nicht mehr wirksam waren. Mindestens bis in die 1990er-Jahre wurden sie in Russland weiter erforscht. Der Oberbegriff der neuen Substanzen lautete „Nowitschok“ (russ. Neuling). Ihre mittlere letale Dosis bei Kontakt mit der Haut liegt bei etwa einem Milligramm. Damit zählt Nowitschok zu den stärksten Nervengiften. Teilweise sind sie als binäre Kampfstoffe angelegt, das heißt, der eigentliche Kampfstoff entsteht erst durch Vermischung von zwei relativ ungefährlichen Substanzen. Weitere sehr toxische Substanzen bezeichnet man als „Nowitschok“-Typ. Sie wurden entwickelt, um die Nachweisverfahren der Chemiewaffenkonvention und ausländischer Geheimdienste zu umgehen. Zum Teil tarnte man ihre Produktion als organische Phosphorverbindungen für die Landwirtschaft. Alle hemmen die Acetylcholinesterase.

Marlene Löffler wurde in Brasilien geboren. Ab 1977 arbeitete sie bei Ilse Hagedorn an der Freiburger Universität. Bekannt war, dass von Hagedorn entwickelte „H-Oxime“ bei einer Somanvergiftung gemeinsam mit der Gabe von Atropin gut wirksam waren. In ihrer Dissertation untersuchte Löffler 34 Varianten mit dem Ziel, ein optimales Soman-Antidot zu identifizieren. Das gelang mit HLö 7 (Hagedorn, Löffler). Mit und ohne Atropin hat es den gleichen ED (= Effektivdosis-)Wert, das heißt, man kann auf die Gabe von Atropin verzichten. Und in vitro reaktiviert es die durch Soman gehemmte Acetylcholinesterase in fünf Minuten zu 100 Prozent. Ein spektakuläres Ergebnis! Doch im Telefonat mit der Süddeutschen Zeitung sah Löffler ihre damalige Arbeit kritisch: Die Entwicklung wirksamer Gegenmittel führe nur zur Entwicklung noch toxischerer Substanzen. Sie entzog sich dem Wettlauf zwischen Gift und Antidot und wechselte den Beruf. Welche Substanz Alexej Nawalny dabei half zu genesen, ist nicht bekannt. Gut möglich, dass es HLö 7 war, das augenblicklich beste Gegenmittel.

 


Literatur

1. Eyer P: In memory of Ilse Hagedorn. Toxicology 2007; 3–7.
2. Forth W, Henschler D, Rummel W (eds.): Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie. Mannheim: Bibliografisches Institut & F. A. Brockhaus AG 1987.
3. Hagedorn I: Reaktivierung phosphorylierter Acetylcholin-Esterase mit quaternierten Pyridin-Oximen: Ermittlung maßgebender Faktoren. Bonn: Dokumentationszentrum der Bundeswehr 1971.
4. Löffler M: Quartäre Salze von Pyridin-2,4-Dialdoxim als Gegenmittel für Organophosphat-Vergiftungen. Freiburg: Dissertation 1986.
5. Richter P: Sorgt euch. In: Süddeutsche Zeitung, 5. Januar 2021.

 

Entnommen aus MTA Dialog 4/2021