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Viele etablierte Wirkstoffe wie Aspirin liegen als Salze vor und lösen sich in der wässrigen Umgebung des Körpers. Das Blut nimmt sie auf und transportiert sie zu ihrem Wirkort. Im Jahr 1990 waren über 50 Prozent aller Wirkstoffe wasserlöslich und damit als Tabletten einnehmbar, sagt Karl Kolter, Leiter der BASF-Forschungs- und Entwicklungsabteilung für pharmazeutische Hilfsstoffe. Heute sind es kaum mehr 10 Prozent. Nach Kolter ist “der Marmor der Venus von Milo zehn Mal wasserlöslicher als ein moderner Arzneiwirkstoff organischer Struktur”. Diese Strukturen werden immer größer und somit lipophiler, die Bioverfügbarkeit sinkt.
Die Konzentration im Blut und die Halbwertszeit lipophiler Wirkstoffe sind auch deshalb gering, weil das Immunsystem die körperfremden Stoffe eliminiert. So benötigt der Körper intravenös wegen der geringen Wasserlöslichkeit und der Abwehrreaktion sehr viel mehr lipophilen Wirkstoff.
Den lipophilen Wirkstoff in hoher Konzentration ungestört an den Wirkort zu transportieren, gelingt mit Wirkstoff-Träger-Systemen wie Polymermizellen: Polymere mit lipophilen und hydrophilen Molekülteilen in wässriger Umgebung.


<h2>Amphiphile Hülle</h2>
Die Herstellung der Tablette beginnt im Schmelzextruder. Er mischt Polymer und Wirkstoff, so dass sich der Wirkstoff molekular dispers verteilt. Nachdem die Dispersion erkaltet ist, wird sie als Pulver mit anderen Hilfsstoffen wie Sprengmittel, Füllmasse und Bindemittel zu einer Tablette gepresst. Die Magensäure baut später die Tablettenhülle ab, erreicht den Tabletteninhalt, aktiviert das Sprengmittel und setzt die Polymer-Wirkstoff-Dispersion frei. Nun bildet das amphiphile Polymer eine Mizellhülle um den lipophilen Wirkstoff.
Die Hersteller modifizieren die Polymere mit körpereigenen Stoffen wie Eiweißen und Tensiden, um zum einen das Blut den Wirkstoff zu seinem Wirkort transportieren zu lassen, ohne dass sie Fresszellen aktivieren, und um zum anderen den Abbau in der Zelle zu kontrollieren. Die Zelle nimmt das Polymergerüst mit Wirkstoff auf, baut dieses enzymatisch ab und setzt damit den Wirkstoff frei.
Wie sieht ein amphiphiles Polymer mit seinen hydrophilen und lipophilen Molekülteilen aus? Soluplus von BASF beispielsweise (Abbildung) ist ein Pfropfcopolymer aus 13 Prozent Polyethylenglycol (PEG) 6000, 57 Prozent Vinylcaprolactam und 30 Prozent Vinylacetat. Das PEG-6000-Gerüst hat ein oder zwei Seitengruppen aus Vinylacetat, das zufällig mit Vinylcaprolactam copolymerisiert. Die Seitengruppen bilden den lipophilen und das PEG-Gerüst bildet den hydrophilen Teil des Polymers.
Eine Forschergruppe der koreanischen Chungnam National Universität um Kang Moo Huh synthetisierte auf Basis von N,N-Diethylnicotinamid das hydrotropische Polymer Poly(-(4-Vinylbenzyloxy)-N,N-Diethylnicotinamid (PDENA)-PEG. Das Nicotinamid ist der lipophile Teil des Polymers. Das hydrotropische Polymer zeigte eine größere Wirkstoffkapazität und bessere Stabilität in wässrigem Umfeld als andere Polymere wie Poly-D,L-Lactid-PEG. Testwirkstoff war Paclitaxel, der gegen Brustkrebs eingesetzt wird.1
Die Polymere Soluplus und PDENA-PEG bilden in wässriger Umgebung selbstständig Mizellen. Die Polymere umschließen nach dem Tensidprinzip mit ihrem lipophilen Teil den Wirkstoff, während der hydrophile Teil nach außen zeigende Tentakel bildet.
Severine Rupp ist freie Mitarbeiterin der Nachrichten aus der Chemie.



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1 

 
K. M. Huh et al., 
<source>J. Controlled Release 
(2005), 
101, 
59–<lpage>68.</lpage>
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Artikel

Arzneistoffe im Polymerkleid

Viele etablierte Wirkstoffe wie Aspirin liegen als Salze vor und lösen sich in der wässrigen Umgebung des Körpers. Das Blut nimmt sie auf und transportiert sie zu ihrem Wirkort. Im Jahr 1990 waren über 50 Prozent aller Wirkstoffe wasserlöslich und damit als Tabletten einnehmbar, sagt Karl Kolter,...

Carl Sprengel gehört zu jenen Forschern des 19. Jahrhunderts, welche die Entwicklung der Agrikulturchemie wesentlich befördert haben. Landwirt und Chemiker zugleich, verwirklichte er die Forderung seines Lehrers Albrecht Thaer (1752 — 1828) nach einer naturwissenschaftlichen Grundlage des Ackerbaus, insbesondere indem er die Chemie in die Theorie und Praxis der Landwirtschaft einbezog.
 Im Hinblick auf den Zustand der deutschen Landwirtschaft, der sich 1831 nach Sprengels Ansicht nicht von dem des alten Roms unterschied, schrieb er in seiner “Cameralchemie”:1 “Auch die Land- und Forstwirthe gehören zu denjenigen, welche das Studium der Chemie fast gänzlich vernachlässigen, aber ohne Zweifel rührt das nur daher, daß sie es noch nicht deutlich eingesehen haben, wie durch gründliche chemische Kenntnisse sowohl der Ackerbau als auch die Forstwirthschaft zu einem Grade von Vervollkommnung gebracht werden können, von welchem man noch gar keine Ahnung hat.”
Indem er die Erkenntnisse der zeitgenössischen Chemie anwandte und eigene originelle Denkansätze entwickelte, gelangte Sprengel zu neuen Einsichten über die Pflanzenernährung, Bodenkunde und Düngung. Dennoch geriet er am Ende des 19. Jahrhunderts weitgehend in Vergessenheit. Erst im 20. Jahrhunderts wurde er als ein Pionier der Agrikulturchemie wieder entdeckt.2,3


<h2>Untersuchungen zum Humus</h2>
Im Jahr 1826 veröffentlichte Sprengel das Ergebnis einer umfangreichen Untersuchung über den Humus,5 der nach der damals verbreiteten und insbesondere von Albrecht Thaer vertretenen Humustheorie6 als wichtigste Quelle der Pflanzenernährung galt. Danach könne die organische Substanz der Pflanze nur aus ebenfalls organischem Ausgangsmaterial aufgebaut werden.
Sprengel erkannte dagegen den Humus als ein System chemischer Wechselwirkungen zwischen der “Humussäure” und den Mineralstoffen des Bodens. Indem die Humussäure unlösliche Carbonate, Silicate und Phosphate sowie Metalloxide des Bodens in lösliche Substanzen überführt, erhält sie eine Schlüsselrolle in der Pflanzenernährung: “Hierdurch ist sie oft allein diejenige Substanz des Bodens, mittels welcher sich die Pflanzen mit einigen, zu ihrer chemischen Constitution nöthigen Erden und Oxyden versorgen. Ohne Zweifel wird sie dadurch der Vegetation am allernützlichsten; denn Kohlenstoff können die Pflanzen durch die Blätter aus der Atmosphäre anziehen und Wasserstoff erhalten sie mittels des Wassers.”5 Hier klingt bereits, 14 Jahre vor dem Erscheinen von Justus von Liebigs (1803 — 1873) “Agrikulturchemie”7 die Mineralstofflehre der Pflanzenernährung an, die Sprengel wenig später explizit formulierte.8,9
Bei seinen Untersuchungen über die Bildung der humussauren Salze stellte Sprengel unter anderem fest, dass die mehrwertigen Kationen der Bodenmineralien (z. B. Mg2+, Ca2+, Al3+, Mn2+, Fe2+) entsprechend dem Säure-Base-Verhältnis neutrale, saure oder basische Salze der Humussäure mit sehr unterschiedlicher Wasserlöslichkeit bilden können. So entstehen auch “Humate” mit extrem niedriger Mineralstoffverfügbarkeit für die Pflanze. Durch Reaktion mit Ammonium- oder Alkalisalzen gehen diese jedoch wieder in Lösung, was die günstige Wirkung des Ammoniaks aus dem Stallmist oder die Wirkung der Holzasche (K2CO3) bei der Düngung wissenschaftlich erklärt.


<h2>Nährstoffe der Pflanzen</h2>
Sprengels Untersuchungen über die mineralischen (feuerfesten) Bestandteile des Bodens und der Pflanzen8,10 ließen ihn schließen, dass die Mineralstoffe in der Pflanze eine Funktion haben, also für die Pflanze essenziell sind, und dass sie über die Wurzel aufgenommen werden. Letzteres hatte schon Nicolas Théodore de Saussure (1767 — 1845) im Jahr 1804 in seinen “Chemischen Untersuchungen über die Vegetation” nachgewiesen, doch wurde die Vorstellung von einer Erzeugung der Mineralstoffe durch die Pflanze selbst noch bis ins Jahr 1817 in Hermbstaedts “Archiv der Agrikulturchemie” diskutiert.
Für die Pflanzenernährung sah Sprengel 18 Elemente und mineralische Stoffe als essenziell an, darunter außer Stickstoff und Phosphor auch Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium, Mangan und Eisen. Auch auf wichtige Spurenelemente wie Beryllium und Bor wies er hin. Klar äußerte er sich im Jahr 1828 über die Bedeutung eines Nährstoffminimums: “Der Verfasser ist durch viele Beobachtungen und Versuche belehrt worden, daß keine der aufgeführten Substanzen übersehen werden dürfe, weil selbst ein Minimum derselben oft einen bedeutenden Einfluss auf die Vegetation ausübt … Es ist nicht zu bestreiten, wenn eine Pflanze zwölf Stoffe zu ihrer Ausbildung bedarf, so wird sie nimmer aufkommen, wenn nur ein einziger an dieser Zahl fehlt, und stets kümmerlich wird sie wachsen, wenn einer derselben nicht in derjenigen Menge vorhanden ist, als es die Natur der Pflanze erheischt”.8
Mit dieser Formulierung nahm Carl Sprengel das “Gesetz vom Nährstoffminimum” vorweg, das Justus von Liebig erst in späteren Auflagen seiner 1840 erschienen “Agrikulturchemie” formulieren sollte.7


<h2>Die Lehre vom Dünger</h2>
In seiner “Bodenkunde” beurteilte Sprengel die von ihm in zwölf Klassen eingeteilten Bodenarten sowohl nach ihrer chemischen Zusammensetzung und ihren physikalischen Eigenschaften als auch hinsichtlich ihrer Eignung für die Vegetation von Kulturpflanzen und wild wachsenden Pflanzen: “Die allgemeine Erfahrung lehrt, daß manche Pflanzen nur in gewissen Bodenarten gedeihen und daß sie ausarten, verkümmern oder gar zu Grunde gehen, wenn sie in andere verpflanzt werden. Hierauf beruht ein großer Theil der Regeln der Pflanzencultur.”
Die Erkenntnis über das Wechselspiel zwischen Boden, Pflanze und äußeren Bedingungen ist die Grundlage der Sprengelschen Düngerlehre. So muss die Entscheidung über die richtige Düngung von der chemischen Zusammensetzung des Bodens und dem Mineralstoffspektrum der Pflanzen abhängen. “Aus diesem Grunde gibt es denn auch kein Universaldüngungsmittel” und völlig abwegig sei es, vom salpetersauren Ammoniak (dessen hoher Stickstoffgehalt die Kleberbildung in der Getreidepflanze befördert) zu glauben, es sei als alleiniges Düngemittel ausreichend, schreibt er dazu.8
Seine Düngungserfolge mit den humussauren Alkalien veranlassten Sprengel, darüber nachzudenken, wie ein künstlicher Dünger bereitet werden könne. Insbesondere aber führte ihn die Untersuchung des Rinderharns,11 der sich als Düngemittel wirksamer erwies als Stallmist, direkt zur Entwicklung eines Kunstdüngers, welchen er Harnsurrogat nannte. Indem er die im Rinderharn fehlenden mineralischen Bestandteile berücksichtigte und als Stickstoffquelle kohlen- und humussaures Ammoniak wählte, entwickelte er einen Volldünger für jeweils humusreiche bzw. humusarme Böden. Dazu bemerkte er: “Und gesetzt auch daß das Harnsurrogat nicht alles leistet, was ich mir davon verspreche, so würde es doch eine Revolution in unsern Ackerbausystemen hervorbringen, weil derjenige, welchem genug schnellwirkende Düngungsmittel zu Gebote stehen, nur in seltenen Fällen einen Fruchtwechsel zu beobachten hat.”
Zudem wäre es sinnvoll, perspektivisch Ammoniak als wichtigste Düngerkomponente von der chemischen Industrie zu beziehen, denn eine steigende Nachfrage und eine verbesserte Technik würden auch zu sinkenden Preisen führen. Diese kühne Zukunftsvision brauchte noch geraume Zeit, um Realität zu werden. Liebigs publizistisches Wirken war dabei ein wichtiger Katalysator.12


<h2>Seiner Zeit voraus</h2>
In den agrarwissenschaftlichen Publikationen nach 1830 wird deutlich, welchen Angriffen Sprengel von Seiten der traditionellen Landwirtschaft insbesondere von prominenten Anhängern der alten Humustheorie ausgesetzt war.2 Nach dem Erscheinen von Liebigs “Agrikulturchemie” entbrannte eine heftige Polemik zwischen Sprengel und Liebig,2,13 bei der Sprengel zu Recht seinen Prioritätsanspruch auf die Mineralstofflehre der Pflanzenernährung geltend machte.
Die Schärfe, mit der diese Auseinandersetzung geführt wurde, war zwar für wissenschaftliche Dispute im 19. Jahrhundert nicht ungewöhnlich, ist aber im Hinblick auf den wissenschaftlichen Fortschritt, den beide Forscher in verschiedener Weise verkörperten, tragisch zu nennen.
Wie Justus von Liebig12 ist auch Carl Sprengel2,14 ein Begründer der Agrikulturchemie genannt worden. Allerdings hatte bereits Humphry Davy (1778 — 1829) zu Beginn des 19. Jahrhunderts nicht nur die “Elemente” dieser jungen Disziplin monographisch abgehandelt, sondern auch den Begriff Agrikulturchemie geprägt.15 So ist es letztlich müßig zu urteilen, wer der erste Pionier war: Wie immer in der Wissenschaft stehen alle bedeutenden Forscherpersönlichkeiten “auf den Schultern ihrer Vorgänger”.


<h2>Carl Sprengel (1787 — 1859): Leben und Karriere</h2>
Im Jahr 1787 in Schillerlage bei Hannover geboren, wurde Sprengel 1802 Student in Albrecht Thaers landwirtschaftlichem Lehrinstitut in Celle. Sein Lehrer in der Chemie war Heinrich Einhof,4 unter dessen Leitung er erste Boden- und Düngeranalysen durchführte. 1804 übersiedelte er mit Thaer nach Möglin an den Rand des Oderbruchs. In dem 1806 gegründeten und mit königlichem Privileg Friedrich Wilhelms III. ausgestatteten landwirtschaftlichen Lehrinstitut wurde er im Jahr 1807 Wirtschaftsinspektor. Zwischen 1809 und 1817 war er landwirtschaftlicher Berater auf großen Gütern in Sachsen, Schlesien und Thüringen. In Sachsen vertiefte er seine Kenntnisse in der Chemie durch Besuch der Vorlesungen von Heinrich Ficinus in Dresden. Ausgedehnte Studienreisen durch die Schweiz, Belgien und Frankreich zwischen 1817 und 1819 erweiterten und vertieften seine praktischen Kenntnisse in der Landwirtschaft und schärften seinen kritischen Blick auf ihren Zustand. Mit 34 Jahren wurde er im Jahr 1821 Student der Naturwissenschaften an der Universität Göttingen; hier hörte er Chemie bei Friedrich Stromeyer.
Nach seiner Promotion zum Dr. phil. im Jahr 1823 wirkte Sprengel bis 1831 als Privatdozent an der Universität Göttingen, wo er Vorlesungen über Landwirtschaft und Agrikulturchemie hielt. In diesen kreativen Jahren entstanden seine grundlegenden, in Erdmann's Journal für technische und ökonomische Chemie publizierten agrikulturchemischen Arbeiten. 1831 wechselte er an das Collegium Carolinum in Braunschweig in der Hoffnung, seine neue agrikulturchemische Lehre an der dort geplanten, jedoch am Ende nicht realisierten landwirtschaftlichen Experimentalstation in die Praxis umsetzen zu können. Hier wurde er 1835 zum “Professor der Landwirthschaftslehre” ernannt. 1837 erschien seine “Bodenkunde oder die Lehre vom Boden”, 1838 “Die Lehre von den Urbarmachungen und Grundverbesserungen” und 1839 “Die Lehre vom Dünger”.
1839 übersiedelte Sprengel nach dem pommerschen Regenwalde, heute polnisch Resko, wo er im gleichen Jahr Generalsekretär der “Pommerschen ökonomischen Gesellschaft” wurde. Sein Ziel, die wissenschaftliche Lehre mit der Praxis zu verbinden, verwirklichte er durch den Aufbau einer landwirtschaftlichen Musterwirtschaft und 1842 mit der Gründung einer landwirtschaftlichen Lehranstalt. 1859 starb Carl Sprengel im Alter von 72 Jahren an Herzversagen.


Klaus Dieter Schwenke, Jahrgang 1934, war langjähriger Leiter der Abteilung Proteine im Zentralinstitut für Ernährung in Potsdam-Rehbrücke und Professor für Proteinchemie an der Akademie der Wissenschaften der DDR. Zwischen 1990 und 2000 war er Lehrbeauftragter an der Universität Potsdam und Leiter der Forschungsgruppe Pflanzenproteinchemie (WIP) bei der Universität Potsdam. Er war Mitherausgeber der Zeitschrift Nahrung/Food.



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1 


C. Sprengel, 
<source>Chemie für Landwirthe, Forstmänner und Cameralisten, 1. Teil (Anorgan. Chemie), <publisher-name>Vandenhoeck &amp; Ruprecht</publisher-name>, <publisher-loc>Göttingen</publisher-loc>, 1831; 2. Teil (Organ. Chemie), ebd., 1832.

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<li>
2 


G. Wendt, 
<source>Carl Sprengel und die von ihm geschaffene Mineraltheorie als Fundament der Pflanzenernährung, <publisher-name>Komissionsverl. E. Fischer</publisher-name>, <publisher-loc>Wolfenbüttel</publisher-loc>, 1950.

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<li>
3 

 
R. R. van der Ploeg, 
W. Böhm, 
M. B. Kirkham, 
<source>Soil Sci. Soc. Am. J 
(1999), 
63, 
1055–<lpage>62.</lpage>
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<li>
4 

 
K. D. Schwenke, 
<article-title>Heinrich Einhof, ein Wegbereiter der landwirtschaftlichen Chemie</article-title>, 
<source>Mitt. GDCH-Fachgr. Geschichte der Chemie, 
(2002), 
16, 
30–<lpage>46.</lpage>
</li>
<li>
5 

 
C. Sprengel, 
<article-title>Ueber Pflanzenhumus, Humussäure und humussaure Salze</article-title>, 
<source>Arch. Ges. Naturlehre, 
(1826), 
8, 
145–<lpage>220.</lpage>
</li>
<li>
6 

 
K. D. Schwenke, 
<source>Thaer Heute 
(2012), 
8, 
1–<lpage>20.</lpage>
</li>
<li>
7 


J. Liebig, 
<source>Die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Agricultur und Physiologie, <publisher-name>Vieweg</publisher-name>, <publisher-loc>Braunschweig</publisher-loc>, 1840.

</li>
<li>
8 


C. Sprengel, 
<article-title>Von den Substanzen der Ackerkrume und des Untergrundes, insbesondere, wie solche durch die chemische Analyse entdeckt und voneinander geschieden werden; in welchen Fällen sie dem Pflanzenwachsthume förderlich oder hinderlich sind und welche Zersetzung sie im Boden erleiden</article-title>, 
<source>J. techn. ökonom. Chemie, 
1828, 
2, 
423–<lpage>74</lpage>; 1828, 3, 42—99, 313—52, 397—421.

</li>
<li>
9 

 
K. D. Schwenke, 
<source>Thaer Heute 
(2008), 
5, 
23–<lpage>50.</lpage>
</li>
<li>
10 

 
C. Sprengel, 
<article-title>Ueber die feuerfesten Bestandtheile unserer gewöhnlichen Getreidekörnerarten</article-title>, 
<source>J. techn. ökonom. Chemie, 
(1831), 
10, 
344–<lpage>51.</lpage>
</li>
<li>
11 

 
C. Sprengel, 
<article-title>Untersuchungen über den Rindviehharn</article-title>, 
<source>J. techn. ökonom. Chemie, 
(1830), 
7, 
1–<lpage>34</lpage>
171–95.
</li>
<li>
12 


W. H. Brock, 
<source>Justus von Liebig, <publisher-name>Vieweg</publisher-name>, <publisher-loc>Braunschweig</publisher-loc>, 1999, S. 121–<lpage>49</lpage>.

</li>
<li>
13 

 
J. Liebig, 
<article-title>Abfertigung der Herren Gruber in Wien und Dr. C. Sprengel, in Beziehung auf Ihre Kritiken meines Werkes “die organische Chemie…”</article-title>, 
<source>Ann. Chemie u. Pharmacie, 
(1841), 
38, 
216–<lpage>56.</lpage>
</li>
<li>
14 

 
A. Jungk, 
<source>J. Plant Nutr. Soil Sci. 
(2009), 
172, 
633–<lpage>36.</lpage>
</li>
<li>
15 

Davy hatte zwischen 1802 und 1810 vor dem britischen Board of agriculture Vorlesungen zum Thema “Elements of Agricultural Chemistry” gehalten, die 1813 als Buch publiziert wurden.
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</ul>

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