Arzneimittel für eine gesunde Umwelt

Dann geht’s uns gut

von Dr. Maximilian Hempel, Dr. Hans-Christian Schäfer

Arzneimittel sind ein unverzichtbarer Bestandteil unseres modernen Lebens. Sie ermöglichen eine hohe Lebensqualität und hohe Lebenserwartung. Aber in der Umwelt können die Wirkstoffe Schäden anrichten. Eine nachhaltige Pharmazie hat nicht nur die erwünschte Wirkung der Arznei im Blick. Sie zielt auch auf den schonenden Umgang mit Ressourcen, die effiziente Herstellung und eine möglichst emissionsarme Anwendung der Wirkstoffe ab und trägt so zum Schutz der Umwelt bei.

Arzneimittel in der Umwelt

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass Arzneimittel in die Umwelt gelangen. Die Wirkstoffe und ihre Metabolite werden vom Körper ausgeschieden und gelangen so in Kläranlagen, wo sie nur unvollständig eliminiert werden. Mehr als 150 unterschiedliche Arzneimittelrückstände lassen sich in Umweltproben nachweisen, wie eine aktuelle Studie des Umweltbundesamtes belegt. Dabei treten viele von Ihnen in Oberflächengewässern, einige aber auch in Grund- und Trinkwasser auf. Die gemessenen Konzentrationen liegen in Deutschland weit unterhalb humanwirksamer Konzentrationen. Andere Organismen, vor allem aquatische Lebewesen, werden jedoch nachweislich beeinträchtigt. In vier Fällen wurde die Einflussnahme von Arzneimitteln auf die belebte Umwelt wissenschaftlich dokumentiert. So hat das Schmerzmittel Diclofenac in den vergangenen 15 Jahren die Aasgeierpopulation auf dem Subkontinent Indien um 10 bis 20 Mio. Tiere reduziert. Das synthetische Östrogen Ethenylöstradiol, das zur Empfängnisverhütung verwendet wird, verändert auch die Geschlechtsmerkmale bei Fischen. Ein weiteres Beispiel ist das Antidepressivum Fluoxetin; es stimuliert die Eiablage bei Muscheln. Und der Betablocker Propanolol regt die Fortpflanzung bei Fischen an. Die Arzneimittelkonzentrationen im Trinkwasser liegen weit unterhalb der Humanwirksamkeit, dennoch ist ihr dauerhaftes Vorkommen dort unerwünscht. Anders sieht die Situation in Schwellenländern aus. Aus Untersuchungen von Larrson ist bekannt, dass im Ablauf von Generikaherstellern in Indien Wirkstoffe in therapeutisch wirksamen Konzentrationen vorhanden sind. Hier ist ein massiver Einfluss auf die belebte Umwelt zu erwarten und eine Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit, z. B. durch Resistenzbildung bei Krankheitserregern, nicht auszuschließen.
Derzeit werden in Deutschland und in anderen Industrieländern bei der Trinkwasseraufbereitung zusätzliche Reinigungsstufen zur Entfernung von Arzneimitteln und anderen Spurenstoffen (micropollutants) erprobt und eingeführt. Berücksichtigt man aber, dass weltweit nur etwa jeder vierte Mensch Zugang zu einem Abwasser- bzw. Trinkwassersystem hat, so wird klar, dass allein end-ofpipe-Technologien nur einen begrenzten Beitrag zur Lösung dieses wachsenden globalen Problems liefern können.

Effizienzpotentiale in der pharmazeutischen Industrie

Ein zweites Umweltproblem der Arzneimittel liegt in der geringen Effizienz ihrer Herstellung, die mit einem hohen Verbrauch an Ressourcen einhergeht. Zur Abschätzung des Umweltverbrauchs von Produktionsprozessen führte Sheldon den E-Faktor ein, berechnet als der Quotient von Produkt und Abfall bzw. Nebenprodukt. Der von Sheldon berechnete E-Faktor für Pharmazeutika liegt mit Werten zwischen 25 und 100 ausgesprochen hoch. Aktuelle Studien zeigen, dass in der pharmazeutischen Industrie der Ressourcenverbrauch, z. B. an Wasser und Lösungsmittel, auch heute noch sehr hoch ist. Eine Kennzahl zur Messung der Effizienz eines Prozesses ist die Materialeffizienz, das Verhältnis der Materialmenge in den erzeugten Produkten zu der für ihre Herstellung eingesetzten Materialmenge. Eine höhere Materialeffizienz soll durch eine Reduzierung des Materialeinsatzes erreicht werden, wie beispielsweise durch Verringerung des Ausschusses, durch Reduzierung von Verschnitt, durch verringerten Einsatz von Hilfsstoffen oder durch die Optimierung der Produktkonstruktion. (demea, 2012).
Steinbach et al. konnten zeigen, dass die stöchiometrische Ausbeute in der Pharmabranche relativ hoch ist (86 %) und hier wenig Optimierungspotential liegt. Anders sieht es bei der Verwendung von Hilfsstoffen aus. Gerade bei kleinvolumigen und diskontinuierlichen Verfahren werden große Mengen an Lösungsmitteln und Hilfsstoffen verbraucht. Es wird deutlich, dass sowohl die Herstellung als auch die Verwendung von Arznei mitteln mit erheblichen Umweltbelastungen einhergehen kann. Daher ist es nur schlüssig, der Frage nachzugehen, wie die Herstellung und die Verwendung pharmazeutischer Produkte durch die pharmazeutische Industrie (aber auch durch Mediziner und Patienten) effizienter und umweltschonender und somit nachhaltiger werden kann.
Zentrale Fragen sind: Was sind nachhaltige Strategien, um den Eintrag von Arzneimittelrückständen in die Umwelt, in Oberflächengewässer und Trinkwasser zu vermeiden? Wie können wir den Ressourcenverbrauch und die Abfallmenge bei der Produktion von Arzneimitteln reduzieren? Wie kann der Eintrag an nicht gebrauchten Arzneimitteln in die Umwelt verringert werden? Welche Anreizmöglichkeiten stehen uns zur Verfügung, um die pharmazeutische Industrie umweltfreundlicher und somit nachhaltiger werden zu lassen?

Projektförderung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) widmet sich der Aufgabe, das Innovations- und Umweltentlastungspotenzial der pharmazeutischen Industrie durch geeignete Fördermaßnahmen zu entfalten. Ein zentrales Anliegen der DBU ist die Entwicklungund Nutzung neuer, umweltentlastender Technologien und Produkte im Sinne eines vorsorgenden und integrierten Umweltschutzes unter besonderer Berücksichtigungkleiner und mittlerer Unternehmen. Im Rahmen der Projektförderung verfolgt die DBU die praktische Umsetzung viel versprechender Ergebnisse in Form von Kooperationen zwischen Hochschulen und Forschungseinrichtungen auf der einen Seite und mittelständischen Unternehmen auf der anderen Seite. Auch im Pharmabereich wurden bereits Projekte gefördert.

„benign by design“

Prof. Klaus Kümmerer von der Leuphana Universität verfolgte in einem DBU-Projekt den Ansatz „benign by design“, also einen neuen Wirkstoff zu entwickeln, der möglichst umweltfreundlich hergestellt werden kann und wenige „Nebenwirkungen“ bei Patient und Umwelt hervorruft. Eine frühe Beurteilung einer möglichen toxischen Belastung des Patienten wird immer wichtiger. Dies wird durch die computergestützte Entwicklung und die Berücksichtigung von Strukturwirkungsbeziehungen von Wirkstoffen möglich. Kümmerer konnte zeigen, dass ein nicht biologisch abbaubares und cancerogenes Zytostatikum zur Krebsbehandlung durch die Modifikation seiner Struktur nicht nur umweltverträglicher wird, sondern sehr viel besser verträglich für den Patienten wird. Auch die Anwendungseigenschaften des neuen Zytostatikums Glufosfamid konnten verbessert werden. (Kümmerer & Schramm, 2008, Kümmerer 2009).

Antibiotika mit verbesserter Abbaubarkeit

Einen anderen Ansatz verfolgt Prof. Gerd Hamscher von der Universität Gießen. Viele Tierarzneimittel werden nach ihrer Verwendung ausgeschieden und die Wirkstoffe gelangen über Gülle und Mist in die Umwelt. Sulfonamide sind Antibiotika, die gegen Infektionen sowohl beim Mensch als auch in der Tiermedizin eingesetzt werden. Prof. Hamscher konnte zeigen, dass unterschiedliche Sulfonamide ein unterschiedliches Abbauverhalten aufweisen. Er versucht nun, einen systematischen Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und Abbauverhalten zu finden. Ziel ist es, ein medizinisch wirksames Sulfonamid mit möglichst rascher Abbaubarkeit zu identifizieren und dies anschließend zu optimieren. Das Projekt wird in Kooperation mit Prof. Kietzmann von der Tierhochschule Hannover sowie der Wirtschaftsgenossenschaft deutscher Tierärzte eG durchgeführt.

Effiziente Schmerzmittelsynthese dank Biotechnologie

Profene (?-Arylpropionsäuren) wie Ibuprofen und Naproxen sind gängige Antirheumatika und Schmerzmittel. Bei der chemischen Profensynthese entstehen das R-Enantiomer und das hundertmal wirksamere S-Enantiomer zu gleichen Teilen. Daher sind nur maximal 50 Prozent der chemisch synthetisierten Ausbeute medizinisch tauglich. Einen biotechnologischen Weg zu enantiomerenreinen Profenen zu etablieren, ist das Ziel einer DBU-geförderten interdisziplinären Kooperation mit sechs Partnern aus Wissenschaft, mittelständischer Wirtschaft und Großindustrie. In einer dynamisch-kinetischen Racematspaltung werden racemische Aldehyde mit Hilfe stereoselektiv arbeitender Dehydrogenasen zu den gewünschten Profen-Enantiomeren oxidiert, so dass die Ausbeute annähernd 100 Prozent beträgt. Weiterhin widmet sich das Projekt der Regeneration des Enzym-Cofaktors und der Stabilisierung der Enzyme durch ein spezielles Coating. Die Vorteile des neuen Verfahrens sind:

- eine verdoppelte nutzbare Ausbeute
- eine um 80 Prozent verringerte Abfallmenge
- einen Ersatz der bisher verwendeten Schwermetallkatalysatoren durch Enzyme und die Verwendung nicht-toxischer Lösungsmittel

Das bedeutet eine gesteigerte Effizienz und eine deutlich Umweltentlastung sowie daraus folgend geringere Produktionskosten.

Aktuelle Auschreibung

Eine nachhaltige Pharmazie (sustainable pharmacy) hat nicht nur die erwünschte Wirkung der Arznei im Blick. Sie zielt auch auf den schonenden Umgang mit Ressourcen, die effiziente Herstellung und eine möglichst emissionsarme Anwendung der Wirkstoffe ab und trägt so zum Schutz der Umwelt bei.

Ziel

Ziel der Initiative ist

- die Vermeidung und Verminderung von Arzneimittelrückständen in der Umwelt sowie
- die ressourcenschonende und emissionsarme Herstellung von Arzneimitteln (so weit wie möglich tierversuchsfrei).

Vorrangig werden Projekte gefördert, die sich durch folgende Merkmale auszeichnen:

1. Entwicklung neuer umweltfreundlicher Synthese- und Aufreinigungsverfahren mittels Methoden der Green Chemistry,
2. Entwicklung neuer umweltfreundlicher Synthese- und Aufreinigungsverfahren mittels Methoden der industriellen Biotechnologie,
3. Verbesserung der Absorption und Metabolisierung des Wirkstoffes im Körper,
4. Verminderte Emission durch Änderung der Formulierung, Darreichungsform (Galenik) bzw. Applikationsform,
5. Substitution umweltproblematischer durch umweltfreundlichere Hilfsstoffe. Geförderte Vorhaben beinhalten in der Regel eine ökobilanzielle Bewertung.

Literatur

Bergmann, A. Fohrmann, R. Weber, F.-A. (2011) Zusammenstellung von Monitoringdaten zu Umweltkonzentrationen von Arzneimitteln, UBA Texte 66/2011, Forschungskennzahl 360 14 013; abrufbar unter http://www.uba.de/uba-info-medien/4188.html
Demea (2012): http://www.demea.de/was-ist-materialeffizienz Steinbach, R. Winkenbach, H. Ehmsen: Materialeffizienz und Nachhaltigkeit in der Chemie: wo stehen wir heute? Chem. Ing. Tech., 2011, 83, No. 3, 295-305.
R. A. Sheldon (1992) “Organic synthesis; past, present and future”, Chem. Ind.(London), 1992, 903-906;
R. A. Sheldon (2011) Fundamentals of green chemistry: efficiency in reaction design.- Chem. Soc. Rev., 41, 1437-1451
K. Kümmerer, E. Schramm (2008): Arzneimittelentwicklung: Die Reduzierung von Gewässerbelastungen durch gezieltes Moleküldesign. UWSF 20(4), 249-263, 2008
K. Kümmerer (2009): Nachhaltige Chemie von Anfang an: Aktuelles zur Nachhaltigen Chemie.-S. 65-66. ISBN 978 936028 55 3 (http://www.aktuelle-wochenschau.de/2008/woche15/woche15.html)
K. Kümmerer, M. Hempel (2010) Green and Sustainable Pharmacy. Springer Verlag Heidelberg, 313 Seiten
J. Larsson, C. Pedro, N. Paxeus (2007) Effluent from drug manufactures contains extremely high levels of pharmaceuticals; Journal of Hazardous Materials, 148, 3, 751-755.

Foto: © Dr. Maximilian Hempel / Dr. Hans-Christian Schäfer