3. Pflanzliche Arzneimittel

3. Pflanzliche Arzneimittel

Da Pflanzen weder vor Feinden noch vor sich verändernden Umweltbedingungen weglaufen können, haben sie andere Strategien entwickelt, sich davor zu schützen. Sekundäre Pflanzenstoffe helfen dabei, sich vor Fraßfeinden zu schützen, Pilze oder Bakterien fernzuhalten, Bestäuber anzulocken, oder auch  Artgenossen fernzuhalten. Sekundäre Pflanzenstoffe sind sehr spezifisch für bestimmte Arten oder Gattungen und kommen nicht gleichmäßig in allen Pflanzen vor. Meist handelt es sich um komplexe Substanzgemische, die dann die jeweilige Wirkung entfalten. Es wirkt dann größtenteils nicht nur eine Substanz, sondern der gesamte Cocktail. Dabei kann man wirksamkeitsbestimmende Inhaltsstoffe und wirksamkeitsmitbestimmende Stoffe unterscheiden. Letztere können z.B. die Aufnahme im Körper verbessern.

Zumeist nutzt der Mensch das komplette Substanzgemisch, das auf verschiedene Arten aus der Pflanze extrahiert wird (Phytopharmaka). In einigen Fällen werden auch ganz gezielt einzelne Reinsubstanzen isoliert und wie chemisch-synthetische Arzneistoffe weiterverarbeitet, wie z.B. Menthol (aus der Ackerminze), Morphin (aus Schlafmohn) oder Digoxin (aus dem Wolligen Fingerhut).

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch die Vielfalt an pflanzlichen Wirkstoffen zur Behandlung von Krankheiten und Unwohlsein. Die Entdeckung der medizinischen Wirkung bestimmter Pflanzenstoffe hat das heutige Verständnis der Medizin entscheidend beeinflusst. Bis zu 70 % der Arzneistoffe sind von Naturstoffen abgeleitet. So werden heutzutage einige bedeutende Arzneimittelwirkstoffe künstlich nach dem Vorbild der Natur synthetisiert, wie z.B. die als Schmerzmittel Aspirin bekannte Acetylsalicylsäure, die natürlich in Weidenrinde vorkommt.

Aber es gibt auch mehrere wichtige Beispiele für Arzneimittel mit wirtschaftlicher Bedeutung, die aus Pflanzen gewonnen werden. So wird beispielsweise Taxol, ein Chemotherapeutikum zur Behandlung von Brust- und Eierstockkrebs, aus der Rinde der Pazifischen Eibe (Taxus brevifolia) gewonnen. Weitere pflanzliche Arzneimittel sind Vincristin, ein Krebsmedikament, das aus der Rosafarbenen Catharanthe (Catharanthus roseus) gewonnen wird, und Artemisinin, ein Malariamittel, das aus dem Einjährigen Beifuß (Artemisia annua) gewonnen wird.

In einigen Gegenden der Welt, in denen synthetisch hergestellte Arzneimittel nicht erhältlich oder unerschwinglich sind, spielt diese traditionelle Medizin auch heute noch eine große Rolle. Praktiken der traditionellen chinesischen Medizin oder der Ayurveda sind darüber hinaus weltweit wissenschaftlich anerkannt. Eine Veröffentlichung zum Thema aus dem Jahr 1993 (Akerele 1993) geht davon aus, dass 80 % der Weltbevölkerung ausschließlich auf diese traditionelle Medizin angewiesen sind. Im Bereich der Selbstmedikation haben pflanzliche Arzneimittel auch in den westlichen Ländern eine bedeutende Marktrelevanz.

Terpene

Terpene oder Terpenoide können sehr unterschiedlich aufgebaut sein, sind für die jeweilige Pflanze aber sehr charakteristisch. Unter dem Begriff Terpene werden eine Vielzahl von Stoffen zusammengefasst, sie basieren aber alle auf dem Molekül Isopren (C5H8), das durch Einbau von Phosphat in die aktivierte Form Isopentenyldiphosphat überführt wird.

Das oben genannte Taxol zur Krebsbekämpfung aus der Pazifischen Eibe, gehört ebenso zur Gruppe der Terpene wie Kautschuk, der eine wichtige technische und wirtschaftliche Bedeutung hat. 

Terpene sind im Grunde Kohlenwasserstoffe mit jeweils charakteristischen funktionellen Gruppen und gehören chemisch gesehen zu den Lipiden.

Terpene werden anhand der enthaltenen C-Atome in Hemi- (C5), Mono- (C10), Sesqui- (C15), Diterpene (C20), usw. Bei mehr als 40 C-Atomen spricht man von Polyterpenen.

Pflanzen synthetisieren Terpene für die unterschiedlichsten Einsatzgebiete:

• zur Abwehr von Fraßfeinden (antimikrobiell)
• zum Anlocken von Bestäubern (Geruchs- und Geschmacksstoffe)
• als Signalstoffe, Wachstumsregulatoren (Phytohormone)

Interessant ist auch, dass manche Insekten pflanzliche Terpene aufnehmen und daraus Pheromone (Signalstoffe) synthetisieren, mit denen sie Artgenossen anlocken bzw. warnen können.

Ätherische Öle

Ätherische Öle bestehen zumeist aus Mono- und Sesquiterpenen und bilden eine eigene vielgestaltige Untergruppe der Terpene mit unterschiedlichsten medizinischen Wirkungen. Ätherische Öle haben einen charakteristischen, starken Geruch und Geschmack, sind zwar ölartig, aber trotzdem sehr leicht flüchtig. Sie sind nicht gut in Wasser löslich, bilden einen Film auf der Wasseroberfläche, lösen sich aber in lipophilen Lösungsmitteln (Benzol, Ethanol, fette Öle). Unter der Einwirkung von Licht oder Sauerstoff verändern sich die ätherischen Öle und büßen an Qualität und Geschmack ein.

In allen riechenden bzw. duftenden Teilen von Pflanzen spielen ätherische Öle eine Rolle. Sie locken damit Insekten an oder schützen die Pflanze vor Fraßfeinden, Mikroorganismen oder Pilzen.

Flüchtige ätherische Öle werden durch Wasserdampfdestillation gewonnen. Weniger flüchtige ätherische Öle werden durch Auspressen, überkritisches CO₂ oder Lösemittel extrahiert. Die Anwendung von ätherischen Ölen als Salben, Tees, Spülungen, Tinkturen oder Würzkräuter sind vielfältig. Sie wirken je nach Ursprung durchblutungsfördernd, appetit- und verdauungsanregend, antiseptisch, beruhigend, auswurffördernd oder entzündungshemmend.

Phenolische Verbindungen

Die Gruppe der Phenole oder Phenylpropanoide sind sehr vielfältig und dienen der Pflanze sowohl zur Abwehr von Fraßfeinden oder Pathogenen (Tannine, Phytoalexine), als auch zum Anlocken von Bestäubern oder Samenverbreitern (Farbstoffe) sowie zum Aufbau stützender Strukturen (Lignin). Ausgangsbasis für die Synthese der pflanzlichen Phenole ist die Aminosäure Phenylalanin.

Im Folgenden werden die wichtigsten Stoffgruppen und deren Vorkommen etwas näher beschrieben.

Flavonoide (Farbstoffe)

Der Begriff Flavonoide leitet sich vom lateinischen Wort für Gelb “flavus” ab. Viele früher aus Pflanzen extrahierte Farbstoffe (z.B. aus dem Färberwau) waren gelb. Aber auch andere Blütenfarbstoffe (rötlich, violett, bläulich) gehören zu den Flavonoiden. Sie dienen der Pflanze auch als UV-Schutz. Medizinisch wirksame Flavonoide sind meist an Zucker gebunden und werden dann als Glykoside bezweichnet. Viele Früchte und Gemüse enthalten Flavonoide. Ihnen wird eine gesundheitsfördernde, weil antioxidative, antikarzinogene und radikalfangende Wirkung zugeschrieben.

• Flavonoide stecken in heimischen Obstsorten (z.B.Äpfeln, Birnen, Beeren, Kirschen)
• Zwiebeln, Auberginen
• Tee, Kakao und Rotwein
  Rotes Weinlaub enthält z.B. Quercitrin und Rutin, die eine entzündungshemmende und gefäßabdichtende Wirkung haben und das daher gegen geschwollene Beine eingesetzt wird.

Phytoalexine

Die Phytoalexine können ebenfalls den Flavonoiden zugeordnet werden, können aber auch aus anderen Stoffklassen gebildet werden und sollen daher gesondert vorgestellt werden. Im Gegensatz zu den Farbstoffen erfüllen sie eine komplett gegensätzliche Aufgabe. Sie dienen der Abwehr von pathogenen Pilzen oder Bakterien. Interessant ist, dass diese Stoffe erst nach einer Infektion der Pflanze erzeugt werden und in gesunden Pflanzen nicht vorkommen. Phytoalexine sollen die Ausbreitung oder Vermehrung der schädlichen Invasoren hemmen. Schon nach 24h sind die Phytoalexine in den befallenen Pflanzenteilen nachweisbar. Die Forschung darüber ist noch relativ jung.

Tannine (Gerbstoffe)

Tannine sind Polyphenole und haben sowohl eine technische als auch eine medizinische Bedeutung. Tannine fällen Eiweiße und werden deshalb zur Herstellung von Leder aus Tierhäuten eingesetzt. Heutzutage werden aber in der Industrie meist synthetische Gerbstoffe verwendet. Pflanzen bilden Tannine, um Fressfeinde fernzuhalten. Sie finden sich im Holz und Rinde (z.B. der Eiche), aber auch in Blättern und teilweise in Früchten. Tannine wirken antibakteriell oder auch antiviral und haben damit konservierende Eigenschaften. Da sie mit Eiweißmolekülen reagieren, wirken Tannine adstringierend, d.h. zusammenziehen, was für Mittel gegen Durchfall, vermehrte Schweißbildung oder Entzündungen eingesetzt wird.

Lignin

Auch Lignin gehört zur Gruppe der komplexen phenolischen Verbindungen (Phenylpropanoide). Sie führen zum Verholzen der pflanzlichen Zellwand und dienen damit der Erhöhung der Druckfestigkeit. Die technische Verwendung von Ligninen wird zurzeit noch erforscht, denn zumeist müssen z.B. für die Papierherstellung oder Biokraftstoffherstellung Lignine aus dem Holz aufwändig abgetrennt werden und werden danach vorwiegend energetisch verwertet.

Der Artikel von Rinaldi et al. (2016) bietet einen tieferen Einblick in den Stand der Forschung zur besseren Verwertung von Lignin:

https://doi.org/10.1002/ange.201510351

Alkaloide

Alkaloide basieren auf stickstoffhaltigen Verbindungen. Sie wirken mehrheitlich sehr stark auf das zentrale Nervensystem, oft auch giftig. Prominente Vertreter dieser sehr umfangreichen Substanzgruppe sind Coffein, Nikotin, Kokain, Morphin, Chinin oder Atropin (in der Tollkirsche). 12.000 Alkaloide sind erforscht. Die Pflanze bildet Alkaloide im Aminosäurestoffwechsel und schützt sich damit vor Fraßfeinden. Jede Pflanzenfamilie bringt eine jeweils typische Substanz hervor und bildet diese nur in bestimmten Lebensabschnitten oder Pflanzenteilen. Daher kommt es, dass Pflanzen wie Kartoffel, Tomate oder Paprika, die zur oft Alkaloid-bildenende Familie der Nachtschattengewächse gehören, trotzdem wichtige Speisepflanzen sind. In den verzehrten Teilen dieser Pflanzen wird das Alkaloid mit zunehmender Reife abgebaut bzw. verschwindet spätestens durch die Zubereitung (Schälen, Kochen). In manchen Fällen nimmt der Mensch die leicht giftige, dafür aber auch anregende Wirkung, absichtlich in Kauf. So gehört auch der Tabak zur Familie der Nachtschattengewächse.

3.2 Verfahren zur Gewinnung von Pflanzenwirkstoffen

Bei Pflanzenwirkstoffen, die in verschiedenen Pflanzenteilen enthalten sind, handelt es sich um Feststoffgemische (Pflanzenteile), manchmal auch um Feststoff-Flüssigkeitsgemische (z.B. weiche Früchte). Für diese Gemische gibt es jeweils geeignete Trennverfahren.

Wer sich einen ersten allgemeinen Überblick über physikalisch-chemische Trennverfahren verschaffen möchte, findet hier  eine schöne Übersicht:

Pflanzenwirkstoffe werden meist durch Extraktionsverfahren gewonnen. Für fest-flüssig-Gemische wie z.B. öl- oder safthaltige Früchte eignet sich das Pressen. Größtenteils wird dabei das gesamte Substanzgemisch aus den Pflanzen gewonnen.

Wer sich generell über die Mechanismen der verschiedenen Trennverfahren informieren möchte, kann sich dieses Video hier anschauen: https://www.youtube.com/watch?embed=no&v=Euhwe0QhNxs

 

Extraktion

Heraustrennen einer Komponente eines Feststoffgemisches mithilfe eines Lösungsmittels. Es basiert auf unterschiedlichen Löslichkeit der zu trennenden Stoffe.
Oft handelt es sich um einen vielstufigen Extraktions- und Reinigungsprozess. Dabei werden unerwünschte Inhaltsstoffe entfernt und die erwünschten Wirkstoffe angereichert.

Geeignete Lösemittel sind, je nach Eigenschaften des zu extrahierenden Stoffes:

• Wasser
• Alkohol
• Öle
• Überkritisches Kohlendioxid

Allgemeine Verfahrensschritte

Im ersten Schritt ist es meist empfehlenswert, das Extraktionsgut zu zerkleinern, um die Pflanzenzellen aufzuschließen und die Oberfläche, an der das Lösemittel angreifen kann, zu vergrößern. Danach erfolgt eine intensive Durchmischung von Stoffgemisch und Lösemittel. Der zu lösende Stoff reichert sich im Lösemittel an. Nach mehreren Extraktionsdurchgängen liegen zwei unterschiedliche Phasen vor. Das Extrakt besteht aus dem Lösemittel vermischt mit dem extrahierten Stoff und ein Rückstand, Raffinat genannt.

Wenn beide Phasen einen großen Dichteunterschied aufweisen, kann man sie z.B. mithilfe eines Filters oder Scheidetrichters voneinander trennen. Wenn sie homogen vermischt sind, können Lösemittel und Extrakt auch durch Destillation bzw. Rektifikation (mehrere Destillationen hintereinander) wieder getrennt werden. Beide Substanzen sollten dafür einen deutlich unterschiedlichen Siedepunkt aufweisen.

Um Reinsubstanzen zu gewinnen, werden oft mehrere Löse- und Trennschritte benötigt. Im Folgenden werden kurz ein im pharmazeutisch-technischen Bereich gebräuchliche Extraktionsverfahren vorgestellt.

Überblick Extraktionsverfahren

Perkolation

Die Perkolation wird angewendet, wenn das Extraktionsgut vom Lösemittel gut durchströmt werden kann.
Ein warmes Lösemittel wird durch die Pflanzenteile hindurch geleitet. Das Aufbrühen von Kaffee in einem Kaffeefilter wird hier meist als veranschaulichendes Beispiel genannt. Mehrere Perkolatoren hintereinandergeschaltet nennt man Reperkolation.

Mazeration

Auch kalter Auszug genannt. Die Pflanzenteile in das Lösemittel (Wasser, Öl, Alkohol) eingelegt und einige Zeit ziehen gelassen. Die löslichen Bestandteile gehen in das Lösemittel über (Mazerat).
Wird der Vorgang bei höheren Temperaturen durchgeführt, spricht man vom Digerieren (Digestion).

Digestion

Das zerkleinerte Pflanzenmaterial wird mit dem Lösemittel unter Zufuhr von Wärme verührt. Mit der Zeit setzen sich die nicht-löslichen Bestandteile am Boden ab. Durch Dekantieren oder Filtrieren trennt man die Feststoffe und das Extrakt.
Auch hier gibt es ein anschauliches Beispiel aus der Welt der Kaffeezubereitung. Das Aufbrühen von Kaffee mittels einer French Press Kanne entspricht dem Prinzip der Digestion. Das heiße Wasser (Lösemittel) wird vollständig mit dem Extraktionsgut (Kaffee) vermischt und erst nach einer Weile wieder getrennt. Das Lösemittel wird so immer weiter mit den Extraktstoffen aufkonzentriert. Das heißt aber auch, dass die Extraktion mit zunehmender Konzentration des Extrakts in der Lösung immer langsamer verläuft und damit ganz andere Stoffe aus dem Extraktionsgut gelöst werden, als bei einer Berieslung mit immer frischem Lösemittel. Deshalb muss der Vorgang gestoppt werden, indem Extrakt und Lösemittel wieder voneinander getrennt werden. Dafür können Dekanter (Vollmantel-Schneckenzentrifuge) eingesetzt werden. In der horizontalen Trommel rotiert die Suspension, wie in einer Zentrifuge. Der sich ablagernde Feststoff wird von einer Schnecke kontinuierlich nach außen befördert.
Im Allgemeinen ist das Zentrifugieren ein geeignetes Trennverfahren für Fest-flüssig-Gemische.Hier kann man sich das Prinzip eines Dekanters noch einmal genauer anschauen: 
ProjektWiki zu Dekanter: https://projektwiki.zum.de/wiki/Techniker_Schule_Butzbach/Verfahrenstechnik/Trennverfahren/Zentrifugen/Dekanter
Technisch fortgeschrittenere Verfahren ermöglichen z.B. eine bessere Vermischung des Feststoffes und des Lösemittels durch Rührgeräte, wie bei der Turbo- oder Wirbelextraktion. Auch die Anwendung von Ultraschall versetzt das Extraktiongemisch in Schwingungen und sorgt so für eine intensivere Vermischung während der Extraktion.
Die gewünschten Bestandteile können auch durch Auskochen extrahiert werden, insofern sie hitzebeständig sind. Pflanzenfarbstoffe können zum Beispiel so gewonnen werden.

Ein Experiment dazu, wird hier beschrieben: Abpflanz.PDF (https://www.seilnacht.com/Download/Abpflanz.pdf)

 

Destillation

 

 

 

Ätherische Öle oder Hydrolate (Pflanzenwasser) werden oft durch Destillation gewonnen. Wasser wird mit den Pflanzenteilen gemischt und erhitzt. Der Dampf wird aufgefangen, in einem Kondensator abgekühlt und damit wieder flüssig. Dieses flüssige Kondensat enthält die gelösten Pflanzeninhaltsstoffe und wird aufgefangen. Durch mehrmaliges Wiederholen des Vorgangs kann die Konzentration der extrahierten Substanzen im Destillat erhöht werden. Großtechnische Anlagen nutzen sogenannte Rektifikationskolonnen, in deren Etagen die Destillation kontinuierlich wiederholt wird, indem der Dampf aufsteigt und das Kondensat nach unten fließt.

 

Soxhletverfahren

 

 

 

Ein Laborverfahren, dass die Extraktion löslicher Stoffe aus Feststoffen durch eine Kombination aus Destillation und Perkolation ermöglicht und verfeinert, ist das Soxhletverfahren mithilfe eines Soxhlet Apparats.

• In den Aufsatz (5) wird der Feststoff gefüllt
• Lösemittel wird darunter erhitzt (1)
• Dampf steigt im Dampfrohr auf (3)
• kondensiert (9) und tropft durch den Aufsatz in den Feststoff
• Wenn ein bestimmter Füllstand erreicht ist, läuft das Lösemittel, dass inzwischen etwas von dem Feststoff gelöst hat, in dem dünnen Röhrchen über (6) und zurück in den Kolben.
• Nach und nach reichert sich immer mehr vom gelösten Stoff im Kolben an, bis schließlich alles Lösemittel verdampft ist

 

 

 

Wer das Funktionsprinzip des Soxhlet Apparats es etwas anschaulicher erklärt haben möchte, kann sich dieses Video anschauen:

 

Säulenchromatogaphie

Hierbei wird eine hohe Glassäule verwendet, die mit einem festen bzw. pulvrigen Packmaterial gefüllt wird. Dieses Packmaterial wird als stationäre Phase bezeichnet und besteht meist aus Kieselgelen, Aluminiumoxid oder Calciumcarbonat, manchmal auch aus porösen, synthetischen Polymeren. Es kann die gesamte Säule ausfüllen oder nur die Innenflächen bedecken. Am unteren Ende der Säule befindet sich ein Hahn. In die Säule wird das in einem geeigneten Lösemittel (Aceton, Hexan, Ethanol, Methanol etc.) gelöste Pflanzenmaterial aufgetragen. Dieses Gemisch wird als mobile Phase bezeichnet. Um es durch die Säule zu transportieren, wird von oben kontinuierlich ein sogenanntes Laufmittel aufgetropft. Durch unterschiedliche Polaritäten der Substanzen in der mobilen Phase entstehen Wechselwirkungen mit der stationären Phase. Diese bewirken eine Auftrennung der mobilen Phase, da die Substanzen unterschiedlich schnell durch den Feststoff wandern. Sie trennen sich zonenweise auf und können einzeln abgelassen werden.

Die Säulenchromatographie kann auch als analytisches Instrument eingesetzt werden, indem man die einzelnen Bestandteile des Gemisches nach Auftrennung bestimmen und messen kann.

Im kommerziellen Maßstab wird der Vorgang beschleunigt, indem die mobile Phase mit Druck durch die stationäre gedrückt wird.

Hochdruck-Gasextraktion 

Die Extraktion von Feststoffen kann statt mit flüssigen organischen Lösemitteln auch mit einem überkritischen Fluid durchgeführt werden. Das ist gerade im Lebensmittel- und Pharmabereich hilfreich, da nicht mit teilweise giftigen bzw. gesundheitsschädlichen Lösemitteln gearbeitet werden muss. Das Verfahren nutzt sogenanntes überkritisches Kohlendioxid (CO₂), das unter hohem Druck und hoher Temperatur einen Zustand zwischen Gas und Flüssigkeit annimmt. Mit Hilfe eine Pumpe oder eines Kompressors wird das angewärmte CO₂ durch das Pflanzenmaterial geleitet und löst die gewünschten Substanzen. In einem Separator trennt sich das Extrakt durch Entspannung des CO₂. Das Verfahren eignet sich vor allem für schwerflüchtige, aber thermisch instabile Substanzen.