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Penicillin

Glücksfall einer verdorbenen Bakterienkultur

27.06.2013  15:04 Uhr

Von Edith Schettler / Schotten sagt man nach, sie seien geizig und würfen nichts weg. Sir Alexander Fleming (1881 bis 1955), war glücklicherweise Schotte, denn sonst hätte die Medizin vielleicht noch viele Jahre auf eine bahnbrechende Entdeckung warten müssen. Seine schottische Mentalität und seine penible Beobachtungsgabe bescherten der Menschheit mit dem Penicillin das erste Antibiotikum.

Im Spätsommer des Jahres 1928 verließ der Bakteriologe Fleming, damals stellvertretender Leiter der St. Marys Hospital Medical School, seinen Arbeitsplatz in Paddington nahe London. Er wollte im Urlaub neue Kräfte sammeln und seine Gedanken ordnen. Als er Ende September in sein Labor zurückkehrte, bemerkte er, dass die Staphylokokkenkultur, die er vor seiner Abreise angelegt hatte, an einer kleinen Stelle von Schimmel befallen war.

Bakterium verdrängt

Nun ist es nichts Besonderes, wenn auf einem Nährmedium für Bakterien auch Pilze wachsen. Dem geübten Auge des Forschers fiel jedoch auf, dass rund um die Schimmelkolonie ein freier Ring entstanden war, in dem keine Staphylokokken wuchsen. Fleming vermutete daraufhin, der Schimmelpilz hätte eine Substanz gebildet, mit der er die Bakterien fernhalten konnte. Statt die verschimmelte Kultur zu entsorgen, unterbrach er seine Bakterien-Forschung und beschäftigte sich fortan intensiv mit dem Pilz.

 

Bald hatte Fleming herausgefunden, dass sich in seiner Petrischale ein Pilz aus der Gattung der Pinselschimmel (Penicillium) eingenistet hatte, den er bei genauerer Untersuchung als Penicillium notatum identifizierte. Diese Schimmelpilzart ist weltweit verbreitet und wächst auf totem organischem Material, unter anderem überzieht der Pilz Lebensmittel mit dem typischen grünen Schimmelrasen. Die Sporen des Pilzes sind in der Luft allgegenwärtig, und so ist es nicht verwunderlich, dass sie auch die Agarplatte des Londoner Bakteriologen infiziert hatten. Fleming versuchte nun herauszufinden, wie der Pilz das Wachstum der Bakterien gehemmt oder diese vielleicht sogar abgetötet hatte.

 

Erste Euphorie

Zufälligerweise litt einer der Assistenten des Institutes zu dieser Zeit an einer Entzündung der Nasennebenhöhlen. Also pinselte Fleming die Nase des »Probanden« mehrmals mit einer konzentrierten Schimmelpilzlösung aus und konnte den Patienten auf diese Weise vollständig kurieren. Nun war klar, dass der Pilz eine bakterizide Substanz produzierte. Durch seinen Erfolg motiviert setzte Fleming ein Nähr­medium mit Penicillium notatum an und isolierte daraus eine Substanz, die er Penicillin nannte.

 

Endlich schien ein Stoff gefunden zu sein, der Krankheitserreger abtötete, ohne die menschlichen Gewebezellen zu zerstören. Als Fleming das Verhalten verschiedener Bakterienkulturen gegenüber seiner Nährlösung untersuchte, stellte er fest, dass Penicillin auch andere grampositive Erreger wie Streptokokken und Pneumokokken abtötete, nicht jedoch gramnegative Bakterien wie Salmonellen. Für menschliche Blutzellen war die Substanz hingegen völlig ungiftig.

 

Voller Enthusiasmus veröffentlichte Fleming seine Ergebnisse im Jahr 1929 im British Journal of Experimental Pathology. Leider war der neu gewonnene Wirkstoff so empfindlich, dass er sich immer schon zersetzt hatte, bevor Fleming eine nennenswerte Menge extrahieren konnte. Nach langen Versuchsreihen gaben er und seine Mitarbeiter 1930 schließlich resigniert auf. Für Fleming war das besonders bitter, denn er hatte als Militärarzt im Ersten Weltkrieg erlebt, welches Leid Wundinfektionen über die Soldaten der britischen Armee gebracht hatten. So geriet Penicillin vorübergehend in Vergessenheit.

Der Durchbruch

Zwei junge Forscher, der australische Pathologe Howard Florey (1898 bis 1968) und der deutsch-britische Biochemiker und Bakteriologe Ernest Boris Chain (1906 bis 1979) stießen mehr als ein Jahrzehnt später an der Universität Oxford auf die Veröffentlichung Flemings zum Penicillin. Gerade hatte der Zweite Weltkrieg begonnen, und noch immer gab es keine Medikamente zur Behandlung von Infektionen.

 

Die britische Regierung sah der neuen Flut von Kriegsverwundeten mit Sorge entgegen, weil diese wohl kaum eine erfolgreiche medikamentöse Therapie erhalten würden. So finanzierte sie freizügig das Vorhaben der beiden Mediziner, Penicillin in ausreichenden Mengen zu produzieren und zu Heilzwecken einzusetzen. Tatsächlich gelang es Florey und Chain nach wochenlanger Arbeit, Penicillin durch Gefriertrocknung zu stabilisieren. Zwar reichten die produzierten Mengen, um dessen Wirksamkeit und Verträglichkeit an Labormäusen zu testen. Doch die Wissenschaftler scheiterten zunächst daran, ausreichend große Mengen zu gewinnen.

 

Schließlich verbesserten die Forscher das Verfahren zur Isolierung der Substanz und arbeiteten intensiv an der Aufklärung ihrer chemischen Struktur. Im Jahr 1941 behandelten sie erstmals einen Menschen mit dem reinen Wirkstoff: Der Polizist Albert Alexander hatte sich durch den Stich eines Rosendornes eine schwere Sepsis zugezogen und die Ärzte hatten ihn schon aufgegeben. Als Florey und Chain dem schwer kranken Mann Penicillin verabreichten, besserte sich sein Zustand spürbar. Doch leider reichten die vorhandenen Mengen nicht aus, und der Patient verstarb schließlich doch. Offensichtlich musste die Penicillin-Therapie ausreichend lange erfolgen, um die Krankheitserreger sicher abzutöten. Durch diesen Fall wuchs allerdings außerordentlich das Interesse der Fachwelt an Penicillin.

 

Weltweite Anstrengungen

Großbritannien stieß mit der industriellen Produktion von Penicillin während des Zweiten Weltkrieges bald an seine finanziellen Grenzen. Daher versuchten die Londoner Forscher, das Interesse US-amerikanischer Unternehmen zu wecken. Als die Vereinigten Staaten im Jahr 1941 als Verbündete des Vereinigten Königreiches in den Krieg eintraten, förderten sie die Penicillin-Produktion und trieben sie parallel zu den klinischen Versuchen rasch voran. Mehrere Firmen, Merck & Co., Pfizer & Co. sowie Squibb and Sons, züchteten neue Stämme von Penicillium chrysogenum. Diese hielten sie in flüssigen Nährmedien, wo sie wesentlich größere Mengen an Penicillin produzierten. Im Jahr 1943 stellte sich dann heraus, dass Penicillin keine reine Substanz, sondern ein Stoffgemisch aus vier Varianten ist. Die beiden britischen Forscher hatten mit ihrem Verfahren der oberflächlichen Fermentation hauptsächlich Penicillin F gewonnen, die Amerikaner hingegen erzeugten durch submerse Fermentation vor allem Penicillin V. Daneben entstehen immer kleine Mengen an Penicillin K und X.

 

Auch in Deutschland versuchten sich Forscher an der Penicillin-Synthese. In Jena entwickelte der Arzt und Mikrobiologe Hans Knöll (1913 bis 1978) im Jahr 1942 die erste großtechnische Produktion auf dem europäischen Kontinent. Jedoch verkannte man hierzulande die Bedeutung der Antibiotika und konzentrierte sich stattdessen auf die chemische Synthese der Sulfonamide.

 

Britische Ehren

Hunderttausende Soldaten der Alliierten Truppen verdankten dem Penicillin nach einer Verwundung ihr Leben. Die Zivilbevölkerung profitierte von der Wirksamkeit des neuen Antibiotikums erst nach dem Krieg in den 1950er-Jahren. Endlich schien ein schlimmer Feind der Menschheit besiegt und das Infektionszeitalter überwunden zu sein. Rasch führte die Euphorie jedoch zu einem Missbrauch des Penicillins, unter anderem durch seinen routinemäßigen Einsatz in der Tierhaltung. Dies förderte schließlich die Bildung resistenter Bakterienstämme. Auch heute noch ist die Antibiotikaresistenz ein großes Problem, das Wissenschaftler immer weiter nach neuen Substanzen suchen lässt.

 

Die an der Erforschung des Peni­cillins maßgeblich beteiligten Wissenschaftler wurden für ihren Einsatz geehrt: Alexander Fleming wurde im Jahr 1944 der Adelstitel verliehen, Howard Walter Florey wurde zum Ritter geschlagen und 1965 als Baron zum Life Peer (ein Adelstitel auf Lebenszeit) ernannt. Außerdem erhielt Florey gemeinsam mit Ernest Boris Chain im Jahr 1945 den Nobelpreis für Medizin. /

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