Auch über 50 Jahre nach ihrer Entdeckung gehören Penicillin-Antibiotika zu den am häufigsten verordneten Wirkstoffen. Warum sind sie tödlich für Bakterien und harmlos für den Menschen ?

Die Bakterienhülle besteht aus einem netzförmigen Riesenmolekül, das Experten als Murein bezeichnen. Dieses Mureinnetz hält das Bakterium zusammen. Immer wenn die Bakterienzelle größer wird oder sich teilt, muss sich auch das Netz erweitern. Für ein paar Augenblicke lösen sich dazu die Querfäden, es werden neue Längsfäden eingefügt, und dann schließt ein Reißverschlussenzym die losen Querfäden wieder zusammen.

Penicillin behindert das Wachstum der Zellhülle

1928 entdeckte der englische Bakteriologe Alexander Fleming, dass Bakterien beim Kontakt mit dem Schimmelpilz Penicillium notatum absterben. Aufgrund seiner Beobachtung isolierten die Chemiker Florey und Chain das Antibiotikum Penicillin aus dem Schimmelpilz. Der Wirkstoff erwies sich als wertvolle Waffe gegen eine ganze Reihe von bakteriellen Infektionen. 20 Jahre später war auch geklärt, warum das Penicillin für Bakterien zum tödlichen Gift wird: Es hemmt das Reißverschlussenzym Carboxytranspeptidase, das die Bakterien brauchen, um ihre Mureinhülle zu vergrößern. In Gegenwart von Penicillin können sich deshalb Bakterienzellen nicht vergrößern, und die Krankheitskeime können sich nicht vermehren. Für Menschen und Tiere dagegen ist Penicillin praktisch ungiftig, weil sie keine Mureinzellhülle haben.

Nur kurze Zeit später entdeckte eine amerikanische Forschergruppe, dass auch der Pilz Cephalosporium Antibiotika bildet, die im Prinzip genauso wirken wie Penicillin. Wegen des gleichen Wirkmechanismus und ihrer ähnlichen chemischen Struktur fassen Pharmakologen Penicilline und Cephalosporine zur Gruppe der Betalactam-Antibiotika zusammen.

Damit hatten Ärzte erstmals eine wirksame Waffe gegen bakterielle Infektionen in der Hand, aber ganz zufrieden waren die Pharmaforscher noch nicht: Das aus dem Pilz isolierte Penicillin hatte drei Nachteile: Erstens musste es gespritzt werden, da es im Verdauungstrakt nicht stabil war und praktisch nicht in den Körper aufgenommen wurde. Zweitens gab es Bakterienstämme, gegen die Penicillin nicht wirkte, weil ihre Mureinhülle für sie keine Rolle spielt. Und drittens traten sehr schnell Bakterienstämme auf, denen Penicillin nichts mehr ausmachte, weil sie das Wirkstoffmolekül mit einem Enzym namens Betalactamase spalten können. Deshalb veränderten die Forscher Penicillin chemisch so, dass ihm die Magensäure nichts mehr ausmachte. Die ersten Penicilline zum Einnehmen, Ampicillin und Amoxicillin, werden auch heute noch häufig verordnet.

Das nächste Ziel waren Penicilline, die gegen ein breiteres Spektrum von Keimen Wirkung zeigten. Das gelang mit der Herstellung von Wirkstoffen wie Piperacillin und Mezlocillin.

Bessere Wirkung gegen mehr Krankheitserreger

Um auch Krankheitserreger bekämpfen zu können, die Penicillin spalten konnten, fanden Pharmaforscher zwei erfolgreiche Strategien: Einerseits entwickelten sie Penicilline, die von dem Enzym Betalactamase nicht gespalten wurden. Zum anderen fanden sie Stoffe, welche Betalactamase hemmen und so das Penicillin wieder effektiv machen.

Doch damit ist der Kampf gegen die Bakterien nicht gewonnen, immer wieder treten Keime auf, denen bisher verfügbare Penicilline und Cephalosporine nichts anhaben können oder die mit der Zeit widerstandsfähige Stämme ausbilden. Die Entwicklung neuer Wirkstoffe ist deshalb noch nicht am Ende und es werden ständig neue Antibiotika in den Labors der Pharmaunternehmen erprobt.