Antibiotika

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Einleitung

Antibiotika (griechisch anti: gegen; biotikos: zum Leben gehörig), von Bakterien, Pilzen, Flechten, Algen und höheren Pflanzen oder anderen Lebewesen produzierte chemische Verbindungen, die zur Abtötung oder Wachstumshemmung infektiöser Organismen angewandt werden.

Alle Antibiotika sind selektiv toxisch (giftig): Sie wirken giftiger auf eindringende Erreger als auf deren Wirt, sei es ein Tier oder ein Mensch. Penicillin ist das bekannteste Antibiotikum. Es wurde zur Bekämpfung vieler Infektionskrankheiten eingesetzt, beispielsweise gegen Syphilis, Gonorrhö, Tetanus und Scharlach. Ein anderes sehr bekanntes Antibiotikum, Streptomycin, wird zur Behandlung der Tuberkulose angewandt. Ursprünglich bezeichnete man nur solche organischen Verbindungen als Antibiotika, die von Bakterien oder Schimmelpilzen gebildet wurden und auf andere Mikroorganismen toxisch wirkten. Heute schließt dieser Begriff auch synthetische und halbsynthetische Stoffe mit ein. Die Bezeichnung Antibiotika bezieht sich vorwiegend auf Substanzen, die antibakteriell wirken, umfasst im weiteren Sinne aber auch Mittel gegen Protozoen, die etwa der Malariabekämpfung dienen, sowie gegen Pilze oder Viren. Spezifisch gegen bestimmte Organismen wirkende antibiotische Substanzen bezeichnet man als Bakterizide oder Bakteriostatika (gegen Bakterien), Fungizide bzw. Antimykotika (gegen Pilze allgemein bzw. gegen krankheitserregende Pilze) oder Virostatika (gegen Viren wirkend), wobei der Ausdruck -statika für wachstumshemmend, die Endung -zide für abtötend steht.

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Geschichte

Obwohl die antibiotische Wirkungsweise erst im 20. Jahrhundert wissenschaftlich erforscht wurde, war das Prinzip der Anwendung organischer Verbindungen gegen Infektionen schon seit dem Altertum bekannt. Rohe Pflanzenauszüge wurden z. B. schon jahrhundertelang medizinisch eingesetzt. Es gibt sogar anekdotische Hinweise auf die Verwendung von Käseschimmel zur äußerlichen Infektionsbehandlung. Die erste Beobachtung einer antibiotischen Wirkung (wie man es heute nennen würde) machte der französische Chemiker Louis Pasteur im 19. Jahrhundert. Er entdeckte, dass bestimmte saprophytische Bakterien (Fäulniserreger) Milzbrandkeime abtöten können. Etwa im Jahr 1900 isolierte der deutsche Bakteriologe Rudolf von Emmerich Pyocyan, einen antibiotischen Stoff, der im Laborversuch die Erreger von Cholera und Diphtherie abtötete. Für die Heilung dieser Krankheiten erwies er sich allerdings nicht als geeignet.

Im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts begann der deutsche Arzt und Chemiker Paul Ehrlich mit der Synthese organischer Substanzen zu experimentieren, die selektiv infektiöse Organismen angreifen sollten, ohne deren Wirt zu schaden. Seine Versuche führten 1909 zur Entwicklung von Salvarsan, einer synthetischen Substanz, die Arsen enthielt. Dieses Mittel zeigte eine selektive Wirkung gegen Spirochäten, jene Bakterien, die die Syphilis verursachen. Salvarsan blieb bis zur Reinigung von Penicillin in den vierziger Jahren das einzig wirksame Mittel zur Behandlung von Syphilis. In den zwanziger Jahren fand Alexander Fleming, der später auch das Penicillin entdeckte, dass viele Körperausscheidungen wie Tränen und Schweiß das Enzym Lysozym enthielten, ebenso wie bestimmte pflanzliche und tierische Stoffe; dieses Lysozym weist starke antimikrobielle Eigenschaften auf, vor allem wirkt es gegen Bakterien.

Penicillin, die Urform und das bekannteste aller Antibiotika, wird von dem Schimmelpilz Penicillium notatum und verwandten Penicillium-Arten produziert. Penicillin wurde 1928 von Fleming durch Zufall entdeckt. Er wies in Laborkulturen nach, dass bei der Anzucht von Penicillium notatum benachbarte Bakterien (Staphylokokken) im Wachstum gehemmt wurden. Er konnte belegen, dass die Wirkung auf einen bestimmten, von den Schimmelpilzen ausgeschiedenen Stoff zurückzuführen ist, der auch für sich allein diesen Effekt zeigte und den er Penicillin nannte. Später erkannte man, dass Penicillin gegen so verschiedene Krankheiten wie Gonorrhö, bestimmte Formen der Meningitis und Septikämie (Blutvergiftung) wirkte. Nachdem die Fleming’sche Entdeckung zunächst für einige Zeit unbeachtet blieb, gelang es 1941 einer Forschergruppe unter Howard Florey und Ernst Chain in Oxford erstmals, ein bestimmtes Penicillin, das Penicillin G (bei den Penicillinen handelt es sich um eine Stoffgruppe, siehe unten), gegen Infektionskrankheiten beim Menschen erfolgreich anzuwenden.

Das erste Antibiotikum, das zur Krankheitsbehandlung beim Menschen angewandt wurde, war Tyrothricin, ein Stoff, den der amerikanische Bakteriologe René Dubos 1939 aus bestimmten, im Boden lebenden Strahlenpilzen (Actinomyceten) isoliert hatte. Diese Substanz ist für den generellen Einsatz zu toxisch, wird jedoch bei bestimmten Infektionen zur äußerlichen Behandlung verwendet. Andere Antibiotika, die von im Boden lebenden Strahlenpilzen gebildet werden, erwiesen sich als erfolgreicher für den medizinischen Einsatz. Zu dieser Gruppe zählt auch Streptomycin, das 1944 von dem amerikanischen Biologen Selman Waksman und seinen Mitarbeitern entdeckt wurde. Es ist gegen viele Krankheitskeime wirksam, darunter auch solche, die nicht auf Penicillin ansprechen wie den Erreger der Tuberkulose. Eine amerikanisch-australische Forschergruppe vom Biotechnologischen Institut der University of Maryland und vom Australian Institute of Marine Science berichtete 2000 über zahlreiche bislang unbekannte Arten Antibiotika produzierender Actinomyceten, die in Schwämmen aus dem Great Barrier Reef gefunden worden waren. Wie US-amerikanische Wissenschaftler 2001 in der Zeitschrift Science berichteten, wurde bei so genannten Q-beta-Viren ein Protein nachgewiesen, das die Zellwandsynthese von Bakterien der Spezies Escherichia coli blockiert. Q-beta ist ein Bakteriophage, also ein Virus, das Bakterien befällt. Man hofft, das Phagenprotein im Labor herstellen und als Antibiotikum im Kampf gegen zunehmend resistenter werdende pathogene Bakterien einsetzen zu können.

Seit Antibiotika in den fünfziger Jahren zur allgemeinen Anwendung kamen, veränderten sie die damalige Medizin drastisch. Viele Erkrankungen, die einst als Todesursachen die Sterblichkeitsstatistiken anführten, wie etwa Tuberkulose, Lungenentzündung und Blutvergiftung, rangieren nun auf den hinteren Plätzen der Statistiken. Auch der Chirurgie kamen Antibiotika außerordentlich zugute, da nun lange und komplizierte Operationen durchgeführt werden können, auf die zuvor aufgrund des hohen Infektionsrisikos eher verzichtet wurde.

Chemische Mittel wurden auch zur Behandlung oder Vorbeugung von Krankheiten eingesetzt, die durch Protozoen oder Pilze hervorgerufen werden, vor allem gegen Malaria, eine der Haupttodesursachen in Entwicklungsländern. Langsamere Fortschritte sind auf dem Gebiet der chemotherapeutischen Behandlung von Viruserkrankungen zu verzeichnen; bisher wurden solche Arzneimittel z. B. gegen Gürtelrose (siehe Herpes) und Windpocken entwickelt und angewandt. Derzeit bemüht man sich mit großem Einsatz, ein Heilmittel für die Infektion durch das Aidsvirus HIV zu finden.

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Klassifikation

Antibiotika lassen sich auf sehr verschiedene Arten klassifizieren. Die Unterteilung kann nach der Art der Wirkungsweise erfolgen, nach den Zielorganismen, die durch die Antibiotika abgetötet oder im Wachstum gehemmt werden, oder nach der chemischen Struktur, die ihnen zugrunde liegt (siehe unten). Dabei kann die Einteilung auch auf einem unterschiedlichen Niveau vorgenommen werden; man kann z. B. von Antibiotika im engeren Sinne sprechen, wenn man sich nur auf allgemein gegen Bakterien wirkende Stoffe bezieht, man kann sich aber bei den Zielorganismen auch auf ganz spezielle Bakteriengattungen oder -stämme beziehen, auf die die Mittel wirken, etwa gegen Staphylokokken, Streptokokken oder Escherichia coli, also eine einzige Art.

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Wirkungsspektrum

Bakterien werden gewöhnlich durch eine Farbreaktion, die Gram-Färbung, in zwei große Gruppen unterteilt, die so genannten grampositiven (violett färbbar) und die gramnegativen Bakterien (rot färbbar). Die Reaktion beruht auf dem unterschiedlichen Aufbau der bakteriellen Zellwände. Bei der einen Gruppe besteht sie hauptsächlich aus einer dicken Peptidoglycanschicht; bei der anderen ist diese Schicht wesentlich dünner, und sie verfügen stattdessen über eine Außenmembran. Diese Strukturunterschiede bewirken, dass die Bakterien unterschiedlich auf den Farbstoff Gentianaviolett und andere Lösungen, die bei der Gramfärbung benutzt werden, reagieren, so dass sie auch unterschiedlich eingefärbt werden (blauviolett bei dicker Peptidoglycanschicht, je nach Verfahren farblos oder rötlich bei dünner Peptidoglycanschicht und vorhandener Außenmembran). Diese Färbeeigenschaften sind wichtig, da sie auch mit vielen anderen Unterscheidungsmerkmalen einhergehen. Auch bei der Einteilung der Antibiotika sind sie nützlich, denn viele dieser Substanzen wirken entweder nur gegen grampositive oder gramnegative Bakterien.

Antibiotika lassen sich unterteilen in Mittel mit Schmal- und Breitspektrumwirkung, auch Breitbandantibiotika genannt. Schmalspektrum-Penicilline bekämpfen viele grampositive Bakterien. Aminoglycoside, ebenfalls mit schmalem Wirkungsspektrum, wirken gegen gramnegative Erreger. Tetracycline und Chloramphenicole zählen beide zu den Breitspektrum-Antibiotika. Sie können sowohl gegen grampositive als auch gegen gramnegative Bakterien eingesetzt werden.