Evidenz in der Suchtprävention im militärischen Kontext

Evidence for Addiction Prevention in Military Context

Markus Staudt^a, Nadine Hartmann^a, Manuela Andrea Hoffmann^a,b

^a Institut für Präventivmedizin der Bundeswehr; Andernach und ASt
Koblenz

^b Universitätsmedizin Mainz

Zusammenfassung

Sucht und Konsum suchterzeugender Substanzen haben, besonders im militärischen Kontext, einen nicht unerheblichen Einfluss auf Soldatinnen und Soldaten, z. B. auf deren Kampfkraft, körperliche und mentale Leistungsfähigkeit, aber auch auf die Sicherheit der Truppe insgesamt. Selbst die neuesten Berichte von Beteiligten aktueller militärischer Konfrontationen und Kriege zeigen überdeutlich, dass der Gebrauch insbesondere bewusstseinsverändernder Substanzen weit verbreitet ist und häufig sogar noch „inoffiziell“ gefördert wird.

Abgeleitet von den seitens des Bundesministeriums für Gesundheit veröffentlichten Zahlen von Suchterkrankungen in der deutschen Gesellschaft („Die Bundeswehr ist ein Spiegel der Gesellschaft“) und verschiedenen Berichten oder Erzählungen von Soldatinnen und Soldaten in Einsätzen ist davon auszugehen, dass es auch in der Bundeswehr nicht unerheblichen Handlungsbedarf im Hinblick auf Sucht und Suchterkrankungen gibt. Neben der Notwendigkeit einer offenen Kommunikation zu diesem herausfordernden Thema, ist es auch erforderlich, frühzeitig die richtigen präventiven Maßnahmen zu identifizieren und diese planvoll und nachhaltig umzusetzen.

Als geeignetes Mittel zur Vorbeugung einer Suchtentwicklung ist die Suchtprävention beschrieben, die folgerichtig auch eine der vier Säulen der deutschen Suchtpolitik ist: Suchtprävention, Repression, Schadensminimierung und Therapie. Die richtige Auswahl wirksamer suchtpräventiver Maßnahmen für die Bundeswehr ist erforderlich, aber nicht ohne Weiteres umzusetzen. Die hierzu wichtigsten Ressourcen – Zeit, Personal und finanzielle Mittel – stehen häufig nicht im ausreichenden Maß zur Verfügung. Die zu identifizierenden Maßnahmen sollten daher den größtmöglichen suchtpräventiven Effekt bei minimalem Aufwand erzielen.

Zur Identifizierung der für die Bundeswehr geeigneten Maßnahmen führte das Institut für Präventivmedizin der Bundeswehr (InstPrävMedBw) eine eigene systematische Recherche (Beobachtungszeitraum: 12 Jahre) in zwei internationalen wissenschaftlichen Datenbanken durch, ergänzt durch „Graue Literatur“, Empfehlungen offizieller Stellen und eine nachfolgende Handsuche. Die systematische Recherche zeigte überraschenderweise ein höchst inhomogenes, uneindeutiges Bild der untersuchten Suchtpräventionsprogramme und deren Wirksamkeit bzw. Effekte. Daneben sind bei der Suche nach Effektivität auch eklatante Mängel in der wissenschaftlichen Qualität zu beklagen. Aus den qualitativ höherwertigen Publikationen, gepaart mit den Empfehlungen deutscher Behörden und den Fachbüchern der „Grauen Literatur“, konnten dennoch zumindest allgemeine Grundsätze abgeleitet werden.

Eine effektive Suchtprävention in der Bundeswehr sollte (i) frühzeitig beginnen, (ii) professionell (von Experten) durchgeführt werden, (iii) die Resilienz fördern, (iv) die Inhalte aufeinander aufbauen, (v) in einem tragfähigen Netzwerk organisiert sein und (vi) möglichst modern bzw. ansprechend gestaltet sein. Zur begleitenden wissenschaftlichen Beurteilung und Erarbeitung von Verbesserungsvorschlägen für die durchgeführten Maßnahmen verfügt das InstPrävMedBw über Fachexpertise.

Schlüsselwörter: Sucht, Suchterkrankung, Suchtprävention, suchtpräventive Maßnahmen, militärischer Kontext, bewusstseinsverändernd

Summary

Addiction and the consumption of addictive substances, particularly in a military context, have a significant impact on soldiers, e.g., on their combat effectiveness, physical and mental performance, and overall troop safety. Even the latest reports from participants in current military confrontations and wars demonstrate very clearly that the use of especially mind-altering substances is widespread and often even “unofficially” encouraged.

Based on figures published by the Federal Ministry of Health on addiction in German society (“The Bundeswehr reflects society”) and various reports and accounts from soldiers on deployment, it can be assumed that there is also a considerable need for action regarding addiction and addictive disorders within the Bundeswehr itself. In addition to the need for open communication on this challenging topic, it is also essential to identify the proper preventive measures at an early stage on and implement them systematically and sustainably.

Addiction prevention is described as a suitable means of preventing the development of addiction. It is consequently one of the four pillars of German addiction policy: addiction prevention, repression, harm minimization, and therapy. Selecting the appropriate effective addiction prevention measures for the German Armed Forces is necessary, but not easy to achieve. The most essential resources for this purpose – time, personnel, and financial support – are often not available to the employer in sufficient quantities. The measures to be identified should therefore have the greatest possible preventive effect on addiction with minimal effort. To identify measures suitable for German military personnel, the Bundeswehr Institute for Preventive Medicine (InstPrävMedBw) conducted its own systematic review (observation period: 12 years) across two international scientific databases, supplemented by “Grey Literature”, recommendations from official bodies, and a subsequent manual search. Surprisingly, the systematic research revealed a highly heterogeneous and ambiguous picture of the addiction prevention programs examined and their effectiveness or effects. Furthermore, there are glaring deficiencies in scientific quality when evaluating effectiveness. Nevertheless, at least some general principles could be derived from higher-quality publications, coupled with recommendations from German authorities and specialist books from the “Grey Literature”.

Effective addiction prevention in the Bundeswehr should (i) begin early, (ii) be carried out professionally (by experts), (iii) promote resilience, (iv) be structured sequentially in terms of content, (v) be organized within a sustainable network, and should be designed as modern and appealing as possible. For the accompanying scientific assessment and advice for improvement of the measures implemented as a result, the needed specialist expertise is available at the InstPrävMedBw.

Keywords: addiction; addiction disorder; addiction prevention; preventive measures; military context; mind-­altering

Einleitung und wehrmedizinische Relevanz

Sucht ist, auch in industriell geprägten Gesellschaften, kein Problem von Randgruppen, sondern kann jeden Menschen im Laufe seines Lebens betreffen, unabhängig von Bildungsniveau, Beruf oder persönlichen Verhältnissen. Dabei ist beim Begriff „Sucht“ nicht allein eine Abhängigkeitserkrankung oder ein Abhängigkeitssyndrom (Definition der WHO) gemeint, sondern die Gesamtheit riskanter, missbräuchlicher und abhängiger Verhaltensweisen [3]. Neben stoffgebundenen Süchten mit legalen und illegalen Substanzen gewinnen Verhaltenssüchte wie Glücksspiel und der pathologische Gebrauch von Internet und Social Media in den letzten Jahren stark an Bedeutung [2]. Anhaltend hohe Zahlen Suchterkrankter werden auch in Deutschland Jahr für Jahr veröffentlicht [3][6] und weisen allgemein auf einen erheblichen politischen und gesellschaftlichen Handlungsbedarf hin. Dabei ist die Suchtprävention, neben Repression, Schadensminimierung und Therapie, eine der vier Säulen der deutschen Suchtpolitik.

Im militärischen Kontext haben Sucht und Suchterkrankungen darüber hinaus eine ganz eigene Konnotation. Seitdem es schriftliche Aufzeichnungen in der Menschheitsgeschichte gibt, wird in teils jahrtausendealten Quellen (z. B. Mesopotamien [1]: Sumerer, Babylonier) z. B. der Gebrauch von berauschenden Getränken mit Alkohol (z. B. Met, Bier, Wein) und z. T. bewusstseinsverändernden Substanzen – auch vor Kampfhandlungen – erwähnt. In aktuellen Konflikten berichten Soldatinnen und Soldaten über die missbräuchliche Anwendung bzw. Verwendung von Medikamenten und Drogen, z. B. um wach zu bleiben, in Kampfhandlungen „ruhig“ zu werden oder nach dem Gefecht Ruhe oder Schlaf zu finden – manchmal auch nur, um einfach vergessen zu können (Drogen im UKR-Krieg: [7][9]).

Dass der Konsum bewusstseinsverändernder Substanzen, gerade beim Umgang mit Waffen, kompliziertem technischem (Groß-)Gerät und explosiven Stoffen, hochriskant ist und auch schon zu schweren Unfällen mit ­Todesfolge geführt hat, leitet zu der Überzeugung, dass dieser im militärischen Kontext nicht geduldet werden darf.

Suchtproblematiken können sich auch in Auslandseinsätzen der Bundeswehr zeigen. Außerhalb des gewohnten sicheren privaten Umfeldes befindet sich die Soldatin oder der Soldat in einer Gemengelage aus zum Teil lebensgefährlichen Situationen, Stress und Entscheidungsdruck, gepaart mit Leerlauf, Langeweile und ungewohnter Umgebung. Für die Betroffene oder den Betroffenen kann sich dabei ein beängstigendes inneres Spannungsfeld aufbauen, das in vielen Fällen ausgehalten werden muss. In der Folge dieser als bedrohlich wahrgenommenen mentalen Situation, beginnen Menschen häufig eigene „Gegenstrategien“ zu entwickeln. Einige dieser „Strategien“ können später direkt oder indirekt zu einem Missbrauch oder einer Sucht führen. Bekannt sind dabei unter anderem die deutliche Zunahme des Alkohol- oder des Nikotinkonsums sowie verändertes Verhalten auf Social Media oder im Internet. Besonders „exotisch“ wirken die drei folgenden Beispiele aus den 2000er-Einsätzen im ehemaligen Jugoslawien (SFOR und KFOR).

Drei Einsatzbeispiele von Substanzmissbrauch

Der „Paracetamol-Joint“:

Das Schmerz- und Fiebermittel Paracetamol kann missbräuchlich eingenommen werden. Dabei ist allein der „Konsum“ dieses nicht verschreibungspflichtigen Arzneimittels ohne medizinische Indikation schon kritisch zu betrachten, vor allem im Hinblick auf die Hepatotoxizität. Nach älteren Berichten kann das Arzneimittel unter bestimmten Umständen eine „milde Euphorie“ hervorrufen; aufgrund dieser Berichte wird mittlerweile wissenschaftlich untersucht, ob die Substanz tatsächlich auch „seelischen Schmerz“ lindern kann, also eine Wirkung auf die Psyche hat [5]. In den Auslandseinsätzen auf dem Balkan wurde „im Kameradenkreis“ darüber berichtet, dass Paracetamol mit Tabak gemischt „gut geraucht werden kann“. Dieser „Arzneimittel-Joint“ soll bei einigen Kameraden und Kameradinnen tatsächlich eine milde Euphorie ausgelöst haben bzw. habe „das innere Spannungsgefühl deutlich abgebaut“. Es muss an dieser Stelle betont werden, dass diese Art des Konsums eines ansonsten sicheren Arzneimittels in hohem Maße missbräuchlich und gefährlich ist!

Die „Einsatz-Brause“:

Unter diesem Begriff verstanden mehrere Einsatzkontingente in den 2000er Jahren ein alkoholisches Mixgetränk, in dem das (mittlerweile nicht mehr in Bundeswehr-Apotheken hergestellte) Fuß-Spray der Deutschen Bundeswehr (das eigentlich zur Fußpilz-Prophylaxe beim längeren Tragen von Kampfstiefeln bestimmt war) enthalten war. Durch die sich gegenseitig verstärkende Wirkung von Ethanol (z. B. aus Bier, Wein oder Spirituosen) und Isopropanol (aus dem Fuß-Spray) kam es zu einer schnellen Bewusstseinstrübung bis hin zur Bewusstlosigkeit und anschließendem „komatösen Schlaf“. Dadurch, dass das Fuß-Spray angenehm duftende Hilfsstoffe enthielt (Menthol, Citral und Limonen), wurde ein „Isoprop-Brause-Drink“ angenehmer zu trinken – obwohl Isopropanol als „die Schleimhäute unangenehm reizend“ beschrieben wird. In nahezu allen Desinfektionsmitteln sind reizende oder toxische Chemikalien enthalten, die bei oraler oder nasaler Aufnahme (Trinken, Einatmen) gefährliche Kurz- und Langzeitfolgen für die menschliche Gesundheit haben (siehe „Sicherheitsdatenblatt Isopropanol“). Vor der missbräuchlichen Verwendung (Konsum) von Desinfektionsmitteln kann nur mit Nachdruck gewarnt werden!

Das „Einsatz-Nutella“

Militärisches Personal einer verbündeten Nation im KFOR-Einsatz berichtete über einen unglaublichen Substanzmissbrauch innerhalb der eigenen Truppe. Schwarze Schuhcreme wurde dabei ca. 1 cm dick auf ein halbiertes Brötchen aufgetragen und luftdicht in Folie gewickelt. Über Nacht an einen warmen Platz gelegt, ziehen verschiedene Stoffe aus der Schuhcreme in das Brot. Nach 8–12 h wird die Schuhcreme entfernt (abgekratzt) und das nun mit Chemikalien getränkte Brötchen gegessen. Nach Aussagen konsumierender Soldatinnen und Soldaten soll die „Brot-Schuhcreme-Mischung“ das Bewusstsein stark verändert haben.

Es muss an dieser Stelle noch einmal mit Nachdruck davor gewarnt werden, die drei aufgeführten Beispiele oder andere „Fantasie-Mischungen“ selbst auszuprobieren! Die Substanzen sind extrem giftig und solche „Konsum-Experimente“ bergen unkalkulierbare Gefahren in sich.

Das Suchtproblem und die aktuellen präventiven Maßnahmen in der Bundeswehr

Ausmaß und Umfang des Suchtproblems in der Bundeswehr sind eine weitgehend unbekannte Größe. Neben Datenschutz, ärztlicher Schweigepflicht und fehlender systematischer Erfassung, verläuft mancher Missbrauch bzw. manche Sucht eher „unterhalb des Radars“ – d. h. keine Kenntnis bzw. keine Erfassung durch Stellen der Bundeswehr. Dass eine wirksame und nachhaltige Suchtprävention auch in der Bundeswehr dennoch erforderlich ist, lässt sich wie folgt ableiten:

Der Anteil der 260 000 Menschen, die in der Bundeswehr ihren Dienst versehen, entspricht etwa 0,31 % der Gesamtbevölkerung in Deutschland (ca. 84 Mio.). Die Bundeswehr ist ein Spiegel der deutschen Gesellschaft. Die erfassten Zahlen suchterkrankter Menschen in Deutschland können u. a. im Online-Auftritt des Bundesgesundheitsministeriums (BGM) eingesehen werden [3]. Legt man statistisch nun den Faktor 0,31 % zugrunde, erhält man Zahlen, mit denen man auf die Anzahl suchterkrankter Menschen in der Bundeswehr schließen kann (Tabelle 1).

Tab. 1: Gemeldete Suchterkrankungen in Deutschland [BMG] und statistischer Anteil bei 260 000 Personen

Wissenschaftlich gesehen kann diese Herangehensweise zu Recht kritisiert werden, zeigt aber plastisch, dass auch in der Bundeswehr mit nicht unerheblichen Fällen von Sucht und Missbrauch gerechnet werden kann. Hieraus lässt sich ableiten: Auch in der Bundeswehr besteht ein Bedarf an wirksamer Suchtprävention.

Um der Sucht in allen ihren Formen präventiv zu begegnen, existiert auch in der Bundeswehr ein breites Angebot an suchtpräventiven Maßnahmen verschiedener Institutionen wie z. B. der Militärseelsorge, der truppenärztlichen Versorgung, bei den Sozialdiensten und im Zentrum Innere Führung, in dem auch die Zentrale Ansprechstelle verortet ist [4][8]. Ähnlich wie im zivilen Bereich sind finanzielle Mittel und Personalressourcen im präventiven Bereich begrenzt. Daneben gibt es nicht die EINE wirksame Suchtprävention, denn persönliche Suchthistorien sind multikausal. Eine zusätzliche Herausforderung bietet das Suchtmittel, das in Art, Stärke, Reinheit und Wirkung stark variieren kann. Dennoch gebieten Kameradschaft und Fürsorge, das eigene Personal vor diesen Gefahren bestmöglich zu schützen. Die ausgewählten suchtpräventiven Maßnahmen sollten daher auf die Bedürfnisse der Zielgruppe abgestimmt und ökonomisch gestaltet werden.

Material und Methoden

Untersucht wird, wie Suchtprävention wissenschaftlich fundiert und für den Arbeitgeber Bundeswehr wirksam gestaltet werden kann. Das InstPrävMedBw ist eine Ressortforschungseinrichtung des Bundes und hat u. a. den Auftrag, die Führung mit der gebotenen Fachexpertise zu beraten und das militärische Personal praxisnah bei der Erhaltung und Steigerung der Leistungsfähigkeit zu unterstützen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Präventivmedizin. Ein integraler Bestandteil der Präventivmedizin ist wiederum die Suchtprävention. Bei der wissenschaftlichen Annäherung an die Thematik stellt sich zuallererst die Herausforderung, dass sich Wirkstärken (oder präventive Effekte) suchtpräventiver Maßnahmen nicht ohne Weiteres messen lassen. Daneben ist es nicht möglich, den Umfang des Suchtproblems bzw. des stoffbezogenen Missbrauchs in den deutschen Streitkräften zu beziffern.

Wir führten eine systematische Literaturrecherche zur Thematik Evidenz in der Suchtprävention im militärischen Kontext durch, um einen Überblick darüber zu erhalten, welche suchtpräventiven Maßnahmen weltweit (zivil und militärisch) zur Anwendung kommen und für welche dieser Maßnahmen eine ausreichende wissenschaftliche Evidenz nachgewiesen ist. Hierzu wurden internationale Publikationen zur Thematik aus zwei großen wissenschaftlichen Datenbanken (PubMed und Epistemonikos, Zeitrahmen: 12 Jahre) untersucht. Die eingeschlossenen Publikationen wurden um relevante „Graue Literatur“ sowie Empfehlungen offizieller deutscher Stellen erweitert. Aus den anfangs nahezu 6 000 wissenschaftlichen Publikationen, die mit drei unabhängigen Gutachtern nach wissenschaftlichen Kriterien geprüft und auf Eignung beurteilt wurden, konnten bisher 35 Reviews und Meta-Studien in die Auswertung aufgenommen werden.

Ergebnisse

Auffällig ist insgesamt eine große Variabilität der Studiendesigns, die teilweise für die von uns aufgeworfene Fragestellung ungeeignet sind. Es wurden viele Studien zu Alkohol veröffentlicht, wogegen andere Suchtmittel kaum oder gar nicht untersucht wurden. Die wissenschaftliche Vorgehensweise einiger Autoren war so unterschiedlich, dass vergleichende Betrachtungen zwischen den Studien nahezu unmöglich waren. Viele Studien lieferten zudem unklare oder uneindeutige Ergebnisse. Es wurden häufig Kurzzeitwirkungen gemessen, jedoch fehlten Untersuchungen zu Langzeiteffekten. In einigen Fällen wurden mehrere Präventionstypen gleichzeitig untersucht, wodurch keine Rückschlüsse auf die Wirksamkeit einzelner Maßnahmen möglich waren.

Ein starker präventiver Effekt konnte in keiner Studie nachgewiesen werden.

Schwache, positive und moderate präventive Effekte zeigten sich, wenn suchtgefährdete Personen durch Massenmedien, das Internet und Social Media, aber auch am Arbeitsplatz informiert wurden; hierdurch wurde der Einstieg in den Missbrauch von Suchtmitteln verzögert und konsumierte Mengen konnten reduziert werden. Noch effektiver ist ein Ansprechen der Personen unmittelbar vor dem Konsum (z. B. vor einer Party-Location). Ein signifikanter Langzeiteffekt wurde nicht gemessen bzw. war nicht Bestandteil der Studie.

Keine präventiven Effekte bzw. Studien zur Wirksamkeit hinsichtlich „Glaubwürdigkeit der Informationsquelle“, Maßnahmen, die die „sozialen Normen“ beeinflussen sollten, oder die Beeinflussung des Suchtverhaltens durch „Gamification oder Serious Gaming“ lieferten unklare Ergebnisse. Die „Graue Literatur“ und die Veröffentlichungen behördlicher Stellen konnten teilweise in die Zusammenfassung und die Empfehlungen einfließen.

Zusammenfassung und Empfehlungen

Die von uns durchgeführte systematische Literaturrecherche konnte die von uns aufgeworfene Fragestellung nach der Evidenz suchtpräventiver Maßnahmen, insbesondere im militärischen Kontext, nicht abschließend beantworten. Dies zeigt zum einen die große wissenschaftliche Herausforderung im Zusammenhang mit dem Thema Missbrauch und Sucht, zum anderen offenbart sich eine große Uneinheitlichkeit und wenig Konsens in der Suchtpräventionsforschung.

Die Kombination der Ergebnisse unserer systematischen Literaturrecherche mit denen der Grauen Literatur und der offiziellen Behörden und Organisationen lässt jedoch die in Abbildung 1 gemachten allgemeingültigen Aussagen zu wirksamer Suchtprävention zu.

Abb. 1: Schlagworte zu wirksamer Suchtprävention

Patch-Clamp-Technologie: Effizientes Substanzscreening zur Verbesserung der Patientenversorgung bei Organophosphatintoxikationen

Patch-Clamp-Technology: Efficient substance screening to improve patient care in cases of ­organophosphate poisoning

Lara Maria Molitor^a, Dirk Steinritz^a und Thomas Seeger^a

^a Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Bundeswehr

Zusammenfassung

Organophosphatintoxikationen sind nach wie vor eine ernsthafte toxikologische Gefährdung. Durch die irreversible Hemmung der Acetylcholinesterase (AChE) führen diese zu einer Überstimulation und Desensitisierung der nikotinischen Acetylcholinrezeptoren (nAChR). Bestehende Therapieansätze sind in ihrer Wirksamkeit begrenzt, wodurch die Entwicklung neuer Strategien zur Wiederherstellung der Rezeptorfunktion an Bedeutung gewinnt.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Möglichkeiten der Patch-Clamp-Technologie als präzise Methode zur funktionellen Untersuchung ligandengesteuerter Ionenkanäle. Mithilfe dieses automatisierten Patch-Clamp-Systems wurden exemplarische Messungen an Zellen mit humanen nAChR-α7- und GABA_A-Rezeptoren durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen typische Rezeptorantworten, einschließlich der positiv allosterischen Modulation des nAChR-α7 durch PNU-120596 sowie der hemmenden Wirkung von Picrotoxin am GABA_A-Rezeptor. Diese Beispiele verdeutlichen die Eignung der Methode zur qualitativen und quantitativen Bewertung substanzspezifischer Effekte in pharmakologischen und toxikologischen Kontexten.

Die Patch-Clamp-Technologie ist eine tierversuchsfreie und effiziente Methode zur Charakterisierung neuroaktiver Substanzen und zur Unterstützung der Wirkstoffentwicklung bei neurotoxikologischen Fragestellungen hervorragend geeignet.

Schlüsselwörter: Organophosphatintoxikation, nikotinischer Acetylcholinrezeptor, GABA_A-Rezeptor, Patch-Clamp-Technologie, neurotoxikologische Wirkstoffforschung

Summary

Organophosphate intoxications continue to represent a serious toxicological challenge, as they cause overstimulation and desensitization of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) through irreversible inhibition of acetylcholinesterase (AChE). Existing therapeutic approaches are limited in their efficacy, emphasizing the need for novel strategies to restore receptor function.

This study highlights the applicability of the patch-clamp technique as a precise tool for the functional assessment of ligand-gated ion channels. Using an automated patch-clamp system, exemplary recordings were ­performed on cells expressing human nAChR-α7 and ­GABA_A receptors. The results illustrate characteristic receptor responses, including positive allosteric modulation of nAChR-α7 by PNU-120596 and inhibition of GABA_A receptor activity by picrotoxin. These examples demonstrate the method’s capacity to evaluate compound-specific effects in both pharmacological and toxicological applications quantitatively.

The patch-clamp technique is an efficient and animal-­free approach for studying neuroactive compounds and supporting early-stage drug development in the field of neurotoxicology.

Keywords: organophosphate intoxication; nicotinic acetylcholine receptor; GABA_A receptor; patch-clamp-technique; neurotoxic drug research

Einleitung und wehrmedizinische Relevanz

Organophosphatintoxikationen sind weiterhin eine erhebliche Bedrohung. Vergiftungen können in einigen Fällen nicht ausreichend therapiert werden, da die bis heute verfügbaren Antidote nicht ausreichend wirksam sind. Organophosphate hemmen die Acetylcholinesterase (AChE) irreversibel [8]. Durch die Akkumulation von Acetylcholin (ACh) im synaptischen Spalt führt eine Überstimulation cholinerger Rezeptoren zu einer sogenannten cholinergen Krise. Klinisch äußert sich diese in Krampfanfällen, Atemlähmung und schließlich im Tod, sofern keine adäquate Behandlung erfolgt [1].

Die derzeitige Standardtherapie kombiniert die Gabe des Parasympatholytikums Atropin mit einem Oxim (z. B. Obidoxim) zur Reaktivierung der gehemmten AChE [8]. Diese Behandlung zeigt jedoch nur eine begrenzte Wirksamkeit, insbesondere bei Intoxikationen mit bestimmten Nervenkampfstoffen wie Soman oder Tabun. Bei diesen Substanzen tritt nach kurzer Zeit eine sog. Alterung (Dealkylierung mit Konformationsänderung) des Enzyms ein, die eine Reaktivierung nahezu unmöglich macht [7]. Daraus ergibt sich ein dringender Bedarf an neuen therapeutischen Strategien, die unabhängig von der Wiederherstellung der AChE-Aktivität sind [5].

Ein zentraler pathophysiologischer Aspekt bei Organophosphatintoxikationen ist die anhaltende Dysfunktion der nAChR. Abbildung 1 zeigt schematisch den Ablauf der nAChR-Aktivierung und Desensitisierung. nAChR spielen eine entscheidende Rolle in der neuromuskulären Signalübertragung, und ihre Desensitisierung trägt wesentlich zur persistierenden Muskelschwäche und Ateminsuffizienz nach einer Intoxikation bei [1]. Aktuelle Forschungsansätze konzentrieren sich daher zunehmend auf die Identifizierung und Charakterisierung von Substanzen, die die Funktion der nAChR modulieren oder wiederherstellen können [5].

Abb. 1: Schematische Darstellung der Aktivierung und Desensibilisierung nikotinischer Acetylcholinrezeptoren. Die Anzahl der desensibilisierten Rezeptoren steigt mit höheren Acetylcholin-Konzentrationen. In Gegenwart von Soman oder Tabun ist eine Reaktivierung mit derzeitigen Therapeutika nicht möglich. (Grafik erstellt mit BioRender.com)

Zur Untersuchung solcher Substanzeffekte auf molekularer Ebene sind elektrophysiologische Methoden von besonderer Bedeutung. Die Patch-Clamp-Technologie ermöglicht die direkte Messung von Ionenströmen und liefert dadurch direkte Rückschlüsse auf den funktionellen Zustand der Rezeptoren unter dem Einfluss pharmakologisch aktiver oder toxischer Substanzen [2]. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit eignet sich die Methode für eine Vielzahl unterschiedlicher Fragestellungen, die tierversuchsfrei untersucht werden können. Die Kombination aus zellbasiertem Screening und computergestützter Wirkstoffentwicklung ermöglicht es, neue Wirkstoff­kandidaten frühzeitig und effizient zu identifizieren [6].

Neben ihrer Anwendung zum Screening rezeptoraktiver Substanzen, die eine Resensitisierung des nAChR nach Nervenkampfstoffexposition bewirken könnten, bietet die Methode auch großes Potenzial für die Untersuchung weiterer toxikologisch relevanter Fragestellungen, zum Beispiel die Charakterisierung der neurotoxischen Wirkung von unbekannten chemischen Substanzen. Insbesondere ihre Wirkung an nAChR und GABA_A-Rezeptoren ist hier von Interesse. Darüber hinaus kann die Patch-Clamp-Technologie auch wertvolle Beiträge zur Aufklärung der molekularen Toxikologie von Hautkampfstoffen liefern, wie etwa zum Verständnis der Wirkung von S-Lost auf TRP-Kanäle und zur Erforschung möglicher therapeutischer Interventionen.

Material und Methoden

Für die elektrophysiologischen Untersuchungen wurden zwei stabil transfizierte Zelllinien verwendet. Als Modellsystem des humanen nikotinischen Acetylcholinrezeptors α7 (hnAChR- α7) dienten GH4C1-Zellen (Rattenhypophysenzellen), die stabil mit der cDNA des hnAChR- α7 transfiziert waren (Genionics, Schweiz). Für die Untersuchungen am humanen GABA_A-Rezeptor α₁β₃γ₂ (hGABA_A-α₁β₃γ₂) wurden HEK-293-Zellen (humane embryonale Nierenzellen) verwendet, die eine stabile Expression der entsprechenden humanen Rezeptoruntereinheiten aufweisen (Charles River, USA).

Die Whole-Cell-Patch-Clamp-Messungen wurden mittels eines automatisierten Patch-Clamp-Systems (Patchliner Octo, Nanion Technologies) durchgeführt. Zwei HEKA EPC10 Quadro-Verstärker ermöglichten dabei simultane Ableitungen an bis zu acht Kanälen. Zellernte und Messprotokolle wurden gemäß den Herstellerangaben durchgeführt [4].

Für beide Zelllinien wurden Einzelzellmessungen unter standardisierten Bedingungen durchgeführt. Die Ableitungen der GH4C1 hnAChR- α7-Zellen erfolgten bei einem Haltepotenzial von –75 mV unter Verwendung von NPC-16-Borosilikat-Chips mit hohem Widerstand (3–5 MΩ; 071101, Nanion Technologies). Die verwendeten Pufferlösungen wurden von Nanion Technologies bezogen (Externe Lösung 083001, interne CsF-Lösung 083008 und Seal-Lösung 083012). Zur Aktivierung der Rezeptoren wurden 100 µM Nikotin oder ACh für 175 ms appliziert, gefolgt von einem direkten Auswaschen mit 200 µL externer Lösung.

Die Messungen an HEK-293 hGABA_A- α₁β₃γ₂-Zellen wurden bei einem Haltepotenzial von –80 mV mit NPC-16-Borosilikat-Chips mittleren Widerstands (1,8–3 MΩ; 071001, Nanion Technologies) durchgeführt. Hierbei kamen die externe Lösung 083001, interne KF-Lösung 083007 und Seal-Lösung 083012 (Nanion Technologies) zum Einsatz, wobei die externe Lösung mit 5 mM Na-ATP angereichert wurde. Die Rezeptoren wurden durch die Applikation von 100 µM GABA für 500 ms aktiviert; anschließend erfolgte ein Auswaschen mit 100 µL externer Lösung. Die zu prüfenden Substanzen wurden in den angegebenen Konzentrationen gemeinsam mit den jeweiligen Agonisten nach der initialen Aktivierung appliziert. Alle Lösungen wurden unmittelbar vor den Experimenten frisch hergestellt.

Ergebnisse

Die Effekte der getesteten Substanzen wurden anhand des Vergleichs mit der initialen Rezeptoraktivierung der jeweiligen Zelle bewertet. Abbildung 2 zeigt exemplarisch unterschiedliche Modulationstypen, wie sie mithilfe der automatisierten Patch-Clamp-Technologie erfasst werden können.

Abb. 2: Beispiele möglicher Substanzeinflüsse und deren Bewertung mittels automatisierter Patch-Clamp-Messungen:
a) Beispiel einer positiv allosterischen Modulation am hnAChR- α7. Die Wirkung von 100 μM Nikotin (dunkelblau) wird durch Co-Applikation von 10 μM PNU-120596 (grün) verstärkt.
b) Beispiel einer antagonistischen Wirkung am hGABAA- α1β3γ2. Die durch 100 µM GABA (dunkelblau) ausgelöste Aktivierung wird in Anwesenheit von 10 µM Picrotoxin (grün) gehemmt; auch nachfolgende Applikationen von GABA zeigen eine anhaltend reduzierte Aktivität.
c) Beispiel einer konzentrationsabhängigen Wirkung. 100 µM Picrotoxin zeigen eine verstärkte inhibitorische Wirkung im Vergleich zu 10 µM Picrotoxin (b). Die Applikationsdauer wird jeweils durch die schwarze horizontale Linie am oberen Bildrand dargestellt.

PNU-120596 (1-(5-Chlor-2,4-dimethoxyphenyl)-3-(5-methylisoxazol-3-yl)harnstoff) wurde als Referenzsubstanz zur Darstellung einer positiv allosterischen Modulation am hα7-nAChR eingesetzt [3]. Die initiale, durch 100 µM Nikotin ausgelöste, Aktivierung wurde in Anwesenheit von 10 µM PNU-120596 verstärkt. Wie in Abbildung 2a gezeigt, führte die Co-Applikation zu einem erhöhten maximalen Ionenstrom sowie zu einer verlängerten Öffnungsdauer der Kanäle.

Der antagonistische Einfluss wurde exemplarisch am hGABA_A- α₁β₃γ₂ demonstriert. Der nichtkompetitive GABA_A-Rezeptorantagonist Picrotoxin reduzierte die durch 100 µM GABA ausgelöste Stromantwort bereits bei Co-Applikation einer Konzentration von 10 µM (Abbildung 2b). Nachfolgende Applikationen des Agonisten zeigten keine vollständige Wiederherstellung der Aktivität, was auf eine anhaltende Hemmung hindeutet. Eine Erhöhung der Picrotoxin-Konzentration auf 100 µM führte zu einer noch stärkeren Inhibition des Initialstroms (Abbildung 2c) und dient hier als Beispiel für eine konzentrationsabhängige Wirkung.

Neben der qualitativen Beschreibung der Modulationseffekte ermöglichen die Messungen auch eine quantitative Auswertung. Dazu können beispielsweise die Peakmaxima oder die Fläche unter der Kurve (AUC) der gemessenen Stromantworten herangezogen werden. Nach Normalisierung an die jeweilige Initialaktivierung der Zellen lassen sich die relativen Effekte verschiedener Konzentrationen direkt vergleichen. So zeigten die Rezeptoren nach Applikation von 10 µM Picrotoxin im Mittel noch eine Restaktivität von etwa 30 %, während bei 100 µM Picrotoxin nur noch rund 11 % der Ausgangsaktivität festgestellt wurden (n = 5–6). Die Daten beziehen sich jeweils auf die fünfte Applikation und beschreiben somit den anhaltend inhibitorischen Effekt nach der versuchten Reaktivierung mit dem Agonisten.

Abbildung 3 zeigt exemplarisch den Versuchsablauf zur Untersuchung potenzieller Therapeutika bei Organophosphat-induzierter Desensitisierung nikotinischer Acetylcholinrezeptoren.

 

 Abb. 3: Beispielhafter Ablauf einer Messreihe zum Substanzscreening potenzieller Therapeutika zur Reaktivierung des nAChR:
In der ersten Applikation werden die Rezeptoren durch 100 µM Acetylcholin (ACh) initial aktiviert. Anschließend erfolgt eine Desensitisierung der Rezeptoren durch Exposition mit einer hohen Agonistenkonzentration (10 mM ACh). Die obere Reihe der drei folgenden Applikationen dient als Kontrolle und zeigt, dass nach Desensitisierung keine Reaktivierung durch 100 µM ACh erfolgt. In der unteren Reihe wird die mögliche Resensitisierung am Beispiel von PNU-120596 dargestellt: Durch Co-Applikation von 100 µM ACh mit 10 bzw. 100 µM PNU-120596 kann trotz vorheriger Desensitisierung eine deutliche Aktivierung der Rezeptoren beobachtet werden. In der abschließenden Applikation ohne PNU-120596 zeigt sich noch eine geringe spontane Reaktivierung.

Zur Modellierung der durch Organophosphate hervorgerufenen Rezeptordesensitisierung wurden die hα7-nAChR-Zellen nach einer initialen Aktivierung mit 100 µM ACh einer hohen Agonistenkonzentration (in diesem Beispiel 10 mM ACh) ausgesetzt. Nach dieser Desensitisierungsphase blieben die Rezeptoren bei anschließender Applikation der Standardkonzentration über den Messzeitraum hinweg inaktiv. Die Dauer und Intensität der Desensitisierung können experimentell durch Variation der Agonistenkonzentration weiter untersucht werden. Als Beispiel für eine mögliche Wiederherstellung der Rezeptoraktivität wurde der positiv allosterische Modulator PNU-120596 verwendet. Durch die Co-Applikation von PNU-120596 mit ACh konnte trotz vorausgegangener Desensitisierung eine erneute Aktivierung der Rezeptoren erzielt werden. In Abwesenheit des Modulators wurde anschließend lediglich eine geringe Restaktivität beobachtet.

Zur quantitativen Bewertung potenzieller Therapeutika werden die Stromantworten aller Applikationen einer Zelle auf die initiale Aktivierung normiert. Die Fähigkeit zur Reaktivierung der Rezeptoren kann anschließend prozentual erfasst und zwischen verschiedenen Substanzen oder Konzentrationen verglichen werden.

Diskussion und Fazit

Die automatisierte Patch-Clamp-Technologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur funktionellen Charakterisierung ligandengesteuerter Ionenkanäle [2]. Durch die standardisierte Messung der Rezeptoraktivität lassen sich agonistische, antagonistische und allosterisch modulierende Effekte zuverlässig erfassen. Am Beispiel des hα7-nAChR und des hGABA_A- α₁β₃γ₂ Rezeptors konnte demonstriert werden, dass die Methode sowohl aktivierende als auch hemmende Wirkmechanismen differenziert abbilden kann.

Besonders im Zusammenhang mit Organophosphatintoxikationen eignet sich die Methode hervorragend, um neue Wirkstoffe zu identifizieren. Die Rezeptordysfunktionalität infolge der irreversiblen AChE-Hemmung stellt ein wesentliches therapeutisches Problem bei Vergiftungen dar. Die in dieser Arbeit beispielhaft gezeigte Reaktivierung des hα7-nAChR durch den positiv allosterischen Modulator PNU-120596 verdeutlicht das Potenzial der Patch-Clamp-Technologie, um neue potenzielle Therapeutika zur Wiederherstellung gestörter Rezeptorfunktionen zu identifizieren [3].

Zusammengefasst liefert die Methode einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der molekularen Mechanismen der Organophosphatintoxikationen und eröffnet neue Perspektiven für die präklinische Entwicklung von Therapeutika. Durch die Kombination mit computergestützten Ansätzen kann das Screening potenzieller Wirkstoffe gezielter und nachhaltiger gestaltet werden, wodurch die Patch-Clamp-Technologie langfristig eine Schlüsselrolle in der translationalen Neuro- und Toxikologieforschung einnehmen kann. Auch die Analyse ­neurotoxischer Mechanismen oder die Abschätzung potenzieller Nebenwirkungen ist möglich. Der Einsatz automatisierter Plattformen gewährleistet eine hohe Reproduzierbarkeit und Datendichte, was die Patch-Clamp-Technologie zu einem effizienten und tierversuchsfreien Screening-Tool in der modernen Wirkstoffentwicklung macht.

Kernaussagen

• Die Patch-Clamp-Technologie ermöglicht die direkte Analyse substanzspezifischer Effekte an ligandengesteuerten Ionenkanälen.
• Automatisierte Patch-Clamp-Systeme erlauben effiziente, tierversuchsfreie Untersuchungen pharmakologisch und toxikologisch relevanter Substanzen.
• Substanzeinflüsse auf Rezeptoraktivität und Signalstärke können qualitativ und quantitativ bewertet werden.
• Die Methode erlaubt die Nachbildung der Desensitisierungsproblematik bei Organophosphatintoxikation und das Screening potenzieller Therapeutika.
• Die Methode bietet ein wertvolles Screening-Tool für die frühe Wirkstoffentwicklung bei neurotoxikologischen Fragestellungen.

Literatur

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Manuskriptdaten

Zitierweise

Molitor LM, Steinritz D, Seeger T. Patch-Clamp-Technologie.:Effizientes Substanzscreening zur Verbesserung der Patientenversorgung bei Organophosphatintoxikationen. WMM 2026;70(1–2):58-62.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-809

Für die Verfasser

Leutnant (SanOA) Lara Molitor

Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Bundeswehr

Neuherbergstr. 11, 80937 München

E-Mail: laramolitor@bundeswehr.org

Als Poster beim 56. Jahreskongress der Deutschen Gesellschaft für Wehrmedizin und Wehrpharmazie e. V. am 31. Oktober 2025 in Papenburg präsentiert und mit dem 3. Preis ausgezeichnet.

Manuscript Data

Citation

Molitor LM, Steinritz D, Seeger T. [Patch-Clamp-Technology: Efficient substance screening to improve patient care in cases of organophosphate poisoning]. WMM 2026;70(1–2):58-62.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-809

For the Authors

Lieutenant (SanOA) Lara Molitor

Bundeswehr Institute of Pharmacology and Toxicology

Neuherbergstr. 11, D-80937 Munich

E-Mail: laramolitor@bundeswehr.org

Presented as a poster at the 56th Annual Congress of the German Society for Military Medicine and Military Pharmacy on October 31, 2025, in Papenburg/Germany, and awarded third prize.