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Historisches zu Pyrogenen und Endotoxinen

Der Begriff "pyrogen" leitet sich vom griechischen Wort pyr = Feuer ab. Pyrogen bedeutet feuererzeugend. Damit ist Fieber gemeint. Hippokrates von Kos (ca. 460/459 bis ca. 375 v. Chr.) sieht im Fieber ein gutes Zeichen während einer Erkrankung, ebenso Paracelsus (1499-1541), der dem Fieber eine reinigende Wirkung zuschreibt. Thomas Sydenham (1624-1689), der von nachfolgenden Ärztegenerationen den Beinamen "Der englische Hippokrates" bzw. "Der zweite Hippokrates" bekommt, studiert und beschreibt ab 1661 sehr genau Fälle von epidemisch auftretendem Fieber. Im Jahre 1676 veröffentlicht er seine Erkenntnisse in dem Buch "Observationes medicae". Seiner Meinung nach sind Krankheiten durch eine Anhäufung von Zeichen charakterisiert. Fieber wertet er als Zeichen für Abwehrreaktionen des menschlichen Körpers [1].

Ein Zeitgenosse Sydenhams ist Thomas Willis (1621-1675), der in Oxford Medizin studiert und in Kreisen bekannter Naturwissenschaftler verkehrt. Fieber ist für Willis eine Folge von Fehlmischungen ("Dyskrasien") des Blutes, die durch eine gestörte Fermentation der Körpersäfte entstehen sollen [2].

Mitte des 18. Jahrhunderts injiziert Albrecht von Haller (1708-1777) Tieren faulige Flüssigkeiten; dies ruft in den Versuchstieren schwere Fieberreaktionen hervor.

Weitere Experimente erfolgen mit Beginn des 19. Jahrhunderts. Die französischen Forscher Gaspard und Cruvelbier injizieren Hunden ebenfalls faulige Flüssigkeiten und schmutziges Hafenwasser; die Tiere erkranken und bekommen hohes Fieber. Der dänische Mediziner Peter Ludvig Panum (1820-1885) untersucht Patienten mit Sepsis und prägt den Begriff "putrides Gift" (putrid = faulig), womit aus heutiger Sicht Endotoxine gemeint sind. Seine Forschungsergebnisse veröffentlicht er 1874 in Virchows Archiv unter dem Titel "Das putride Gift, die putride Infektion oder Intoxikation und die Septikamie". Richard Friedrich Johann Pfeiffer (1858-1945), ein Schüler von Robert Koch, entdeckt 1892 bei dem gramnegativen Bakterium Vibrio cholerae ein hitzeunempfindliches Toxin, von dem er annimmt, dass es aus dem Inneren der Zellen stammt; er nennt dies Endotoxin, auch um es von den damals schon bekannten exkretorischen Toxinen, den Exotoxinen, abzugrenzen (siehe auch Abschn. 1.4). Damit ist der bis heute verwendete Begriff "Endotoxin" geboren.

W.H. Howell (1860-1945) forscht über Blutkoagulation und die Wirkung von Heparin. Er publiziert 1886 in den Mitteilungen der Johns Hopkins University erste wissenschaftliche Beobachtungen, dass die Haemolymphflüssigkeiten der Tiere Limulus polyphemus (engl. horseshoe crab), Cucumaria spec. (Seegurke) und Callinectes hastatus (engl. blue crab) koagulieren können (siehe auch Tab. 2.5). L. Loeb führt die Arbeiten von Howell fort und publiziert seine Ergebnisse in den Jahren zwischen 1903 und 1927. E.C. Hort und W.J. Penfold untersuchen das sogenannte "Injektionsfieber" an Kaninchen und vertreten die Theorie, dass Pyrogene bakteriellen Ursprungs seien. Sie finden, dass pyrogene Substanzen filtrierbar und hitzestabil sind und einen quantitativen Effekt zeigen. Die intravenöse Injektion von pyrogenfreien Salzlösungen in Kaninchen führt zu keinem Anstieg der Körpertemperatur. Hort und Penfold publizieren ihre Ergebnisse im Jahre 1912 [5, 6]. Ihre Erkenntnisse geraten in Vergessenheit, aber die Arbeiten werden in der 1920er-Jahren von Florence Barbara Seibert wieder aufgenommen und fortgeführt [7].

Abb. 1.1 Jack Levin mit Limulus polyphemus am Strand (Pickering Beach, Delaware, USA) Anfang Juni 2019. Foto: Mit freundlicher Genehmigung der Labor LS SE & Co. KG, Bad Bocklet und von Prof. Jack Levin, University of California School of Medicine, San Francisco.

Nach den frühen Arbeiten von Howell und Loeb über die Haemolymphe dauert es bis Anfang der Fünfzigerjahre des 20. Jahrhunderts, als Frederik B. Bang die Untersuchungen am "blauen Blut" des Limulus polyphemus wieder aufnimmt und in den 1960er-Jahren zusammen mit Jack Levin an dem Thema weiterarbeitet.

1.1 Chronologie ab 19. Jahrhundert

1822 Eine der ersten Fossilien der Schwertschwänze wird in Bayern (Solnhofen) gefunden und von Desmarest als Mesolimulus walchii beschrieben. 1862 Carl F. J. Zincken findet einen fossilen Schwertschwanz (Tachypleus decheni). 1856 Peter Ludvig Panum verwendet den Begriff "putrides Gift". 1862 Theodor Billroth benutzt die Bezeichnung "pyrogen". 1886 William Henry Howell beschreibt die Koagulation der Haemolymphe u. a. beim Limulus. 1889 G. Roussy isoliert aus gramnegativen Bakterien eine pyrogene Substanz [3]. 1892 Richard Friedrich Pfeiffer entdeckt in Vibrio cholerae ein hitzeunempfindliches Toxin, das er Endotoxin nennt. 1894 Eugenio Centanni entdeckt in Salmonella typhi ebenfalls ein Toxin, dem er den Namen Piritoxina gibt [4]. 1912 E.C. Hort und W. J. Penfold berichten über die pyrogene Wirkung toter gramnegativer Bakterien [5, 6]. 1912 Aufnahme des Kaninchen-Pyrogentests in die British Pharmacopeia. 1925 Florence B. Seibert entwickelt in den USA den Kaninchen-Pyrogentest [7]. 1942 Aufnahme des Kaninchen-Pyrogentests in die USP XII. 1953 Frederik B. Bang entdeckt die Auslösung der Koagulation der Haemolymphe des Limulus polyphemus durch gramnegative Bakterien [8, 11]. 1963 Zusammenarbeit von Frederik B. Bang und Jack Levin; sie publizieren gemeinsam mehrere Fachartikel, in denen sie den Mechanismus der Koagulation und seine Lokalisation in den Amoebocyten beschreiben und Endotoxine als Auslöser erkennen [9]. 1967 Nobelpreis für Physik für H.K. Hartline für Studien am optischen System des Limulus. 1968 Frederik B. Bang und Jack Levin beschreiben eine standardisierte Methode zum Nachweis von Endotoxinen. Dieser ursprüngliche Test beruhte auf der qualitativen Endpunktbestimmung der Gelbildung [10]. 1969 Beginn der Entwicklung des kommerziellen LAL-Tests durch James F. Cooper und Henry N. Wagner. 1971 Vergleichsuntersuchungen von Jack Levin, James F. Cooper und Henry N. Wagner zwischen LAL-Test und Pyrogentest [12]. 1972 Cooper et al. setzen den LAL-Test zum Endotoxinnachweis in Radiopharmazeutika ein [13]. 1973 FDA publiziert Guidelines für die Herstellung von Limulus-Amoebocyten-Lysat und schlägt Standards vor. 1974 Travenol Laboratories (jetzt Baxter) startet Lysatherstellung für eigene Testzwecke. 1974 Kobayashi gewinnt Lysat aus Tachypleus (TAL-Reagenz). 1977 Associates of Cape Cod (ACC), gegründet von James Sullivan und Stanley Watson, starten ebenfalls die Lysatherstellung. 1979 Mahalanabis gewinnt Lysat aus Carcinoscorpius rotundicauda. 1980 Aufnahme des LAL-Tests in die USP XX, Monografie "Bacterial Endotoxins Test", als Referenzstandard wurde Endotoxin aus E. coli O113:H10:K festgesetzt. 1980 Gründung von Pyroquant, jetzt ACC Europe GmbH, in Mörfelden-Walldorf. 1981 Iwanaga entdeckt den alternativen Aktivierungsweg durch Glucane [15]. 1985 Aufnahme des LAL-Tests ins DAB 9. 1987 FDA-Guideline, die die verschiedenen Methoden beschreibt, im Juli 2011 zurückgezogen [16]. 1991 FDA Interim Guidance, ebenfalls 2011 zurückgezogen [17]. 1993 Bundesanzeiger Nr. 2 v. 6. Januar 1993: Bekanntmachung zur Möglichkeit des Ersatzes der Prüfung auf Pyrogene durch die Prüfung auf Bakterienendotoxine nach DAB 10 [18]. 1995 Vollblutmodell, Hartung und Wendel, Universität Konstanz. 1998 Ph. Eur., USP und JP harmonisieren den RSE aus E. coli O113:H10:K (10 000 IE/Vial). 2001 Monografie zum Endotoxintest ist zwischen Ph. Eur., USP, JP harmonisiert. 2003 Rekombinantes Reagenz (Faktor C) kommt auf dem Markt (Fa. Cambrex, jetzt Lonza). 2006 Portable Test System (PTS) als Kartuschensystem wird von Fa. Charles...