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Moleküle auf die Umwelt zuschneiden

Wer chemische Evolution spielt, muss auch Verantwortung tragen. Hormonrückstände in Flüssen, Zytostatika in Seen, Schmerzmittel im Grundwasser: Die meisten Pharmaunternehmen haben bisher Methoden des Moleküldesigns nur eingesetzt, um die therapeutische Wirkung ihrer Substanzen zu optimieren. Dass die gleichen Techniken aber helfen können, Arzneimittel umweltverträglicher zu machen, wollen bisher nur wenige glauben. Die große Mehrheit erkennt nicht, welche enormen wirtschaftlichen Vorteile das bringen würde. Prof. Dr. Klaus Kümmerer von der Universitätsklinik Freiburg untersucht seit Jahren, wie man die chemischen Strukturen von Medikamenten und anderen Chemikalien so modifiziert, dass sie in den Flüssen und Böden schneller abgebaut werden. „Ein Umdenken muss her“, sagt er. „Die richtigen Methoden sind schon da.“

Giftige Ableitungen einer Industrieanlage © www.wikipedia.de / Andrew Dunn, 1992

Wasser ist das Medium, in dem unsere Zellen schwimmen. Es ist ein Grundnahrungsmittel. Wir sägen also an unserem eigenen Ast. Weibliche Hormone aus der Antibabypille, Schmerzmittel, Medikamente gegen Krebs – alles gelangt in den Kreislauf, entweder mit unseren Ausscheidungen oder durch das unsachgemäße Entsorgen nicht mehr benötigter Tabletten über die Toilette. Genau das Gleiche passiert mit anderen Chemikalien, Waschmittelinhaltsstoffen etwa, oder Textilhilfsstoffen. Oder mit Medikamenten für Tiere. Was richten diese Substanzen in der Umwelt an? Sind Organschäden bei Fischen oder das Absterben von Plankton das einzige Problem? Oder ist der unerklärliche Anstieg von Krebsraten in den letzten Jahrzehnten etwa ein Beispiel für schleichende Auswirkungen auf den Menschen? „Wir können es nicht sagen, weil bisher umfassende Untersuchungen fehlen“, sagt Prof. Dr. Klaus Kümmerer vom Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene der Universitätsklinik Freiburg. „Aber eines ist klar: Die Belastung der Gewässer steigt, und wir sind den Rückständen von Medikamenten und anderen Chemikalien chronisch ausgesetzt. Also warum sollten wir nicht etwas dagegen tun, bevor es zu spät ist?“

Mit dem virtuellen Baukasten optimieren

Es wäre einfach, etwas zu tun. Man müsste nur ganz am Anfang der Kausalkette ansetzen, bei den Medikamenten und Chemikalien selbst. Ein modernes Pharmaunternehmen etwa, das heute nach einem geeigneten Mittel gegen Krebs oder Epilepsie sucht, benutzt immer öfter die Methode des sogenannten "Rational Design". Es produziert nicht einfach Hunderttausende von verwandten Molekülen, um dann an Zellkulturen und in Tierversuchen zu testen, welches am besten wirkt. Dieser Schritt passiert virtuell, im Computer. Dort baut ein Wissenschaftler, wie mit einem Lego-Baukasten, Moleküle ausgehend von Leitstrukturen zusammen. Der Computer ist schon vorher mit Daten zu der wahrscheinlichen Wirkung von bestimmten chemischen Gruppen gefüttert worden. Er spuckt Modelle aus, die eine mögliche Wirkung der zusammengebauten Moleküle vorhersagen. So lässt sich die therapeutische Wirkung eines potenziellen Medikaments ohne Synthese vergleichsweise schnell und billig optimieren. Welche chemische Gruppe muss ich meinem Medikament wo anhängen, damit es noch besser wirkt? Wesentlich weniger Experimente sind notwendig: Sparen beim Material und bei der Arbeitszeit also. „Genau das gleiche Verfahren könnten Pharmafirmen aber auch einsetzen, um die Medikamente umweltfreundlicher zu machen“, sagt Kümmerer.

Das würde nicht einmal die therapeutische Wirkung beeinflussen, wie Kritiker fürchten. Jede chemische Substanz hat einen Lebenszyklus, egal ob Medikament oder Pflanzenschutzmittel. Es wird gebildet, es wechselwirkt mit Zielstrukturen, es wird wieder abgebaut. Es liegt nie isoliert vor, es interagiert immer mit einer chemischen Umwelt. Ein Medikament wirkt nur, weil es auf die chemische Umgebung im menschlichen Organismus zugeschnitten ist. Bestimmte chemische Gruppen in seiner Struktur treten in Kontakt mit chemischen Gruppen von Enzymen oder Lipiden in unserem Körper. Aber gelangt das Medikament durch den Urin in einen Fluss oder in einen See, dann herrschen ganz andere Bedingungen vor – Temperatur, pH-Wert oder die chemische Zusammensetzung des Mediums können vollkommen unterschiedlich sein. Am Ende wird das Molekül oft auch von einem Mikroorganismus aufgenommen, in dessen Inneren wieder ein ganz anderes Milieu vorherrscht. Andere Bereiche im Molekül interagieren jetzt womöglich mit den Enzymen des Bakteriums, das das Medikament zerlegt und damit letztendlich unschädlich macht.

Nachhaltige Pharmazie und Chemie sind möglich

„Moleküldesign zugunsten einer besseren Abbaubarkeit würde die Wirkung eines Medikaments oder die gewünschten Eigenschaften einer anderen Chemikalie nicht notwendigerweise mindern“, sagt Kümmerer. „Und zwar weil für Wirkung und Abbaubarkeit meistens unterschiedliche Bereiche des Moleküls verantwortlich sind.“ Ein Beispiel: Kümmerer und sein Team arbeiteten zusammen mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg und gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) etwa an der Optimierung eines Krebsmedikaments. Die Forscher vom DKFZ setzten den Computer ein, um die Struktur des Stoffes zu manipulieren. Ihre Substanz hinderte danach Krebszellen wesentlich besser am Wachstum. „Während der Computerarbeit standen wir daneben und haben Vorschläge für Manipulationen in anderen Bereichen des Moleküls gemacht“, sagt Kümmerer. „Danach haben wir in unserem Labor getestet, wie gut der Stoff durch Licht oder Bakterien abgebaut werden kann.“ Die Forscher erhöhten die Abbaurate um das Dreifache.

Die chemische Formel von Ifosfamid © Jürgen Martens

Kümmerer und seine Kollegen kennen viele positive Beispiele für Medikamente, die wirksam und gleichzeitig gut in der Umwelt abbaubar sind. In diesen Fällen ist das bei der Entwicklung der Medikamente schon zufällig passiert, wie im Falle des Krebsmittels Glufosfamid, das aus einer Modifikation des Krebsmittels Ifosfamid hervorgegangen ist. Das Mittel weist sogar bessere pharmakologische Eigenschaften auf und ist für Patienten besser verträglich. Kümmerer plädiert daher für ein Umdenken in den Köpfen. Nachhaltige Pharmazie und Chemie sind möglich. Und sie bedeuteten nicht einmal höhere Kosten, im Gegenteil. „Immer mehr Patienten und Ärzte fragen nach der Umweltverträglichkeit eines Medikaments“, sagt Kümmerer. „In dem Maße, in dem das ökologische Bewusstsein der Kunden steigt, wächst auch der Markt für grüne Medikamente.“ Ganz zu schweigen davon, dass umweltverträgliche Arzneimittel nicht mehr aus dem Grundwasser gefischt werden müssen. Die heutigen Techniken in Kläranlagen, wie etwa Oxidation mithilfe von Licht oder Chemikalien, sind teuer, emittieren CO2 in die Atmosphäre und sind nicht immer effizient. Oft erzeugen sie Umbauprodukte und die können dann sogar noch giftiger sein.

Kümmerer hat in einer seiner Publikationen auch eine Strategie formuliert, mit der ein Umdenken nach und nach erreicht werden kann. Die Politik müsse zum Beispiel Anreize schaffen, etwa durch Preisauslobungen oder Förderprogramme. Das neue Denken müsse in die Hochschulen. Die Chemiker von morgen sollen ein anderes Selbstverständnis haben. Sie sind nicht mehr nur diejenigen, die ein Medikament oder einen Waschmittelzusatz synthetisieren. Sie sollen sich als kluge Designer begreifen, die etwas tun, was auch für die gesamte Gesellschaft und für die Umwelt wichtig ist. Wer Evolution spielt, muss sich seiner Verantwortung bewusst werden. In diesem Falle wäre das sogar noch lukrativ.

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