Polyethylenglycol

Polyethylenglycol, kurz PEG, in der Pharmazie auch Macrogol, ist ein je nach Kettenlänge flüssiges oder festes, chemisch inertes, wasserlösliches und nicht-toxisches Polymer mit der allgemeinen Summenformel C_2nH_4n+2O_n+1. Wegen dieser Eigenschaften wird es in der Medizin, als Wirkstoffträger in der Pharmazie, in industriellen Anwendungen, in der zellbiologischen Forschung und in Kosmetikprodukten eingesetzt.

Die Grundeinheit einer linear gebauten PEG-Kette besteht aus Monomeren (–CH₂–CH₂–O–) mit einer relativen Molekülmasse von 44, weshalb alle vorkommenden PEG-Derivate aus ganzzahligen Vielfachen dieser Molekülmasse plus der Molekülmasse von Wasser bestehen. Chemisch handelt es sich um einen Polyether des zweiwertigen Alkohols oder Glycols Ethandiol.

PEG ist unter anderem in verschiedenen Medikamenten und auch Medizinprodukten enthalten und hat – je nach Kettenlänge und daraus resultierender molarer Masse – unterschiedliche Eigenschaften.

Herstellung

Polyethylenglycol wird durch Polymerisation von Ethylenoxid mittels alkalischer Katalyse hergestellt, wobei Wasser, Monoethylenglycol oder Diethylenglycol als Startmolekül verwendet werden können. Nach Erreichen der gewünschten Molekülmasse wird die Reaktion durch Zusatz einer Säure (z. B. Milchsäure) abgebrochen.

$ \mathrm {H_{2}O+n\ C_{2}H_{4}O\longrightarrow HO-[CH_{2}-CH_{2}-O]_{n}-H} $

alternativ:

$ \mathrm {HO-CH_{2}-CH_{2}-OH+n\ C_{2}H_{4}O\longrightarrow HO-[CH_{2}-CH_{2}-O]_{n+1}-H} $

Die Reaktion kann ebenfalls säurekatalysiert ablaufen, dann wird mit Zugabe von leicht basischem Wasser abgebrochen.

Struktur

Röntgenographische Untersuchungen haben ergeben, dass die PEG-Ketten in zwei verschiedenen Modifikationen vorliegen können. Kürzeren Ketten, deren Polymerisationsgrad n = 10 nicht übersteigt, wird eine Zickzack-Struktur zugeschrieben, während sich bei längeren Ketten die sogenannte Mäanderstruktur ausbildet.

Nomenklatur

Für PEG mit einer mittleren Molekülmasse von 200 bis 35.000 hat sich die Bezeichnung Polyethylenglycole eingebürgert. Produkte mit höherer Molekülmasse (> 35.000) werden als Polyethylenoxid bezeichnet, da bei diesen Produkten der Einfluss der endständigen Hydroxygruppen vernachlässigt werden kann. Als Abkürzung wird auch der Ausdruck PEG oder Macrogol zusammen mit einem Zahlenwert, der die mittlere relative Molekülmasse angibt, verwendet.

Eigenschaften

Konsistenz

Polyethylenglycole mit einer mittleren Molekülmasse zwischen 200 und 400 sind bei Raumtemperatur nichtflüchtige Flüssigkeiten. PEG 600 weist einen Schmelzbereich von 17 bis 22 °C und somit eine pastenartige Konsistenz auf. Bei Molekülmassen über 3.000 sind die PEG feste Substanzen und werden als Schuppen oder Pulver in den Handel gebracht. Härte und Schmelzbereich steigen mit zunehmender Molekülmasse an. Durch Mischung eines festen (PEG 1500) mit einem flüssigen PEG kann ein wasserlösliches Produkt von salbenartiger Konsistenz hergestellt werden.

Wasserlöslichkeit

Die wichtigste Eigenschaft aller Polyethylenglycole ist ihre Löslichkeit in Wasser. Flüssige PEG sind in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Selbst von einem PEG 8000 können noch 50-prozentige Lösungen hergestellt werden. Auf diese Eigenschaft stützt sich die Verwendung von Macrogol (PEG 3350) als Abführmittel.

Hygroskopizität

Die flüssigen PEG sind hygroskopisch. Die Fähigkeit Wasser aufzunehmen nimmt mit steigender Molekülmasse ab.

Flüchtigkeit und thermische Stabilität

PEG sind nicht flüchtig, eine Tatsache, die bei ihrer Anwendung als Weichmacher oder Feuchthaltemittel von Bedeutung ist. Bei Temperaturen über 150 °C tritt eine thermische Zersetzung ein, die wegen der flüchtigen Zersetzungsprodukte mit einem Gewichtsverlust verbunden ist. Anwendungen bei höheren Temperaturen machen die Verwendung von Antioxidantien notwendig.

Physiologische Eigenschaften

Die Polyethylenglycole weisen außergewöhnlich niedrige Toxizitätswerte auf (akute und chronische orale Toxizität, Embryotoxizität, Hautverträglichkeit). Sie werden daher seit Jahrzehnten in Kosmetika, Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Zubereitungen verwendet und werden auch in allen relevanten Arzneibüchern aufgeführt. Von der WHO wurde ein ADI-Wert (akzeptable tägliche Aufnahme) für PEG in Nahrungsmitteln von 10 mg/kg Körpergewicht festgelegt.

Ökologische Eigenschaften

Die biologische Abbaubarkeit der Polyethylenglycole nimmt mit steigender mittlerer Molekülmasse ab. Bis PEG 1500 werden sie jedoch als biologisch abbaubar angesehen. Der Abbau anderer Substanzen wird von den PEG nicht beeinflusst. Selbst 1-prozentige Lösungen sind gegenüber Fischen und Mikroorganismen nicht toxisch. In Deutschland sind die PEG in Wassergefährdungsklasse (WGK) 1 eingestuft. Alle Polyethylenglycole können problemlos thermisch beseitigt (verbrannt) werden.

Anwendungen

Pharmazeutische Industrie

Auf allen Gebieten der galenischen Zubereitungen werden PEG als Wirkstoffträger verwendet. Mittels PEGylierung kann die Plasmahalbwertszeit von einigen Wirkstoffen erheblich erhöht werden.

Flüssige Zubereitungen

Polyethylenglycole werden wegen ihrer Lösecharakteristik zur Herstellung flüssiger Zubereitungen – wie Tropfen und Injektionspräparate – sowie zur Füllung von Gelatinekapseln verwendet, da sie diese nicht anlösen oder verspröden.

Salbengrundlage

Durch Mischen eines festen und eines flüssigen PEG (z. B. 50 % PEG 1500 und 50 % PEG 300) kann eine wasserlösliche Salbengrundlage erzeugt werden, die sich wegen ihrer guten Löseeigenschaften für viele aktive Substanzen eignet.

Suppositorien

Suppositorienmassen auf Basis von PEG, als Suppositorienwirkstoff auch Macrogol genannt, können genau auf die Körpertemperatur abgestimmt werden. Das Freisetzen der Wirksubstanzen erfolgt nicht durch Schmelzen, sondern durch das Auflösen in der Darmflüssigkeit im Rektum.

Tabletten und Dragees

Polyethylenglycole werden als Wirkstoffträger, Lösevermittler und Hilfsmittel beim Tablettieren und Dragieren eingesetzt.

Kosmetik

Polyethylenglycole können in folgenden kosmetischen Präparationen verwendet werden: Cremes und Lotionen, Parfüms, Deodorants, Insekten-Abwehrmittel, Lippenstifte, Zahnpasten, Haarpflegemittel, Zahnreinigungstabletten, Badezusätze, Lubrastrips.

Polyethylenglycol wird in der Liste der Inhaltsstoffe meist mit einer Zahl aufgeführt (beispielsweise PEG-8 in Autan).

In Kosmetika wirkt PEG penetrationsfördernd, das heißt die Haut wird durchlässiger für Wirkstoffe, aber ebenso für mögliche Giftstoffe, die somit leichter in den Körper eindringen können. Deshalb wird die Verwendung in Kosmetika noch immer kontrovers diskutiert. So weist z. B. auch Ökotest in ihrem Artikel über Flüssigseifen darauf hin.^[4]

Präparation und Restaurierung

Mit Hilfe von PEG können organische Objekte (Fischpräparate, lange in Wasser getränkte Hölzer) zu Trockenpräparaten umgewandelt werden. Dabei werden die ursprünglich feucht gehaltenen Objekte (in Wasser, Alkohol oder Formalin) entweder lange Zeit oder im Vakuum in einer PEG-Lösung getränkt. Dank der Verwendung unterschiedlicher PEG-Molekülgrößen wird der größte Teil der ursprünglichen Flüssigkeit durch das PEG ersetzt. In der modernen Tierpräparation wird wegen der dennoch stattfindenden Schrumpfung durch die Trocknung ein Mischverfahren verwendet, wobei klassische Methoden der Präparation mit einfließen.

In der Paläontologischen Präparation werden vor allem subfossile Fossilien (beispielsweise Funde der Eiszeit) mit PEG behandelt. Diese Fossilien sind sehr anfällig gegen Klimaschwankungen und zerfallen z. B. durch die bei der Trocknung entstehenden Spannungen. Hier wird nur mit einem festen PEG-Typ gearbeitet, der das in den Fossilien enthaltene Wasser über den Weg der Diffusion ersetzt. Das PEG erstarrt anstelle des sonst verdampfenden Wassers und verhindert die zerstörenden Spannungen. Die Langzeiterfahrung mit der PEG-Konservierung zeigt, dass diese Methode bei diesem schwierig zu konservierenden Material die besten Ergebnisse verspricht.

Technische Anwendungen

• Als Gleit- und Formtrennmittel, Vulkanisationsaktivator oder Wärmeträger bei der Produktion von Gummiartikeln;
• als Plastifizierungs- und Bindemittel für keramische Pressmassen;
• als Bindemittel für Pressgranulate bei der Herstellung von Hartmetall
• zur Herstellung von Siebdruckmedien und anderen Glas- und Keramikfarben;
• um Enzyme für Waschmittel handhabbar zu machen, und zwar durch Versprühen mit festen PEG;
• zur Konservierung archäologischer Holz- oder Lederfunde;
• zur Konservierung subfossilen Knochenmaterials (z. B. Eiszeit-Funden);
• als weit verbreitetes Trocknungsmittel in der Holzindustrie zur schnellen und schonenden Trocknung von Edelhölzern;
• als Weichmacher und Feuchthaltemittel z. B. für Klebstoffe;
• als reaktive Komponente bei der Herstellung von Polyestern und Polyurethanen.

Außer der oben genannten Verwendung zu rein galenischen Zwecken wird PEG auch zur Veränderung der pharmakokinetischen Eigenschaften von Proteinen als Arzneimittel benutzt. Die mit PEG verknüpften (pegylierten) Proteine (beispielsweise Wachstumsfaktoren für weiße Blutkörperchen) verbleiben wegen der verzögerten Ausscheidung über die Niere länger im Organismus, die Halbwertszeit verlängert sich also.

Medizin

PEG wird in mehreren Bereichen der Gastroenterologie angewendet. Die Substanz wird unter anderem zur Reinigung des Darmes vor einer Koloskopie eingesetzt. Der „Goldstandard“ bei der Vorbereitung ist 2 l Polyethylenglycol-Elektrolyt-Lösung (PEG-EL).

Zur Behandlung von Verstopfung wird Macrogol 3350 oder auch 4000 als Medizinprodukt angewendet. Von dem Pulver werden ca. 5 bis 10 g pro Tag – in Wasser gelöst – empfohlen beziehungsweise verabreicht. Je nach Stärke der Beschwerden kann die Dosis variiert werden. Ein Gewöhnungseffekt tritt nicht ein, da das Macrogol lediglich physikalisch wirkt, also nicht am Stoffwechsel beteiligt wird. Das gebundene Wasser wird durch den gesamten Verdauungstrakt bis in den Darm transportiert und kann so dort den verhärteten Stuhl aufweichen. Zusätzlich erfolgt durch die Volumenvergrößerung des Stuhls ein erhöhter Druck auf die Darmwand, was wiederum die natürliche Darmperistaltik anregt. Hierbei kann das Macrogol aufgrund seiner hohen molaren Masse von 3350 beziehungsweise 4000 Dalton im Darm nicht verändert oder über die Darmschleimhaut in den Körper aufgenommen werden, sondern wird substanziell unverändert wieder vom Organismus ausgeschieden.

Bei der Untersuchung des Dünndarms mittels Magnetresonanztomographie (MRT, Kernspintomographie) wird zur besseren Darstellung des Dünndarmes PEG-Lösung oral verabfolgt: Die Lösung erweitert (distendiert) die Darmschlingen. Diese werden dadurch besser beurteilbar.

Ein weiteres Anwendungsfeld für PEG erschließt sich derzeit möglicherweise bei der Notfallbehandlung von Wirbelsäulenverletzungen. In einer Studie an der Purdue University in West Lafayette wurden 19 Hunde mit schweren Wirbelsäulenverletzungen zusätzlich zu der Standardbehandlung (unter anderem Injektionen mit Steroiden, Physiotherapie und die operative Entfernung von Knochensplittern aus der Wirbelsäulengegend) noch mit Injektionen von PEG behandelt. Die Substanz wurde innerhalb von 72 Stunden nach der Verletzung verabreicht. Im Vergleich zu Tieren, die nur die Standardbehandlung erhielten, erholten sich die Tiere wesentlich schneller und umfangreicher: nach Abschluss der Behandlung waren 75 % der Tiere wieder voll bewegungsfähig. Rechtzeitig injiziert scheint das Polymer die Nervenzellen vor irreparablem Schaden zu schützen und die Tiere damit vor einer Querschnittlähmung zu bewahren. Derzeit ist noch nicht genau geklärt, wie PEG diese Schutzwirkung vermittelt. Dennoch erschließen sich hier möglicherweise auch für die Behandlung von Menschen neue Perspektiven.

Die Substanz ist außerdem interessant, da sie in einer Konzentration von 15 bis 20 % antibakterielle Wirkung zeigt. Einzelne Arbeiten berichten über eine Schutzwirkung auf die Darmschleimhaut vor bakterieller Invasion.

In der Augenheilkunde werden PEG als Bestandteil künstlicher Tränenflüssigkeiten zur Behandlung des „trockenen Auges“ verwendet.

Polyethylenglycole sind auch Bestandteil von Formulierungen mit anti-apoptotischen Eigenschaften zur Konservierung von Zellen, Gewebe oder Organen.

PEG (vor allem PEG 400) wird in der Medizin zur Behandlung von Intoxikationen mit Alkylphosphaten eingesetzt. Hautstellen werden zuerst mit viel Wasser und Seife abgewaschen und anschließend mit PEG 400 abgetupft. Dadurch wird der Giftstoff gelöst und der Haut wird Wasser und damit auch der Giftstoff entzogen. In Verbindung mit Calciumgluconat eignet sich PEG auch zur Behandlung von Verätzungen und Vergiftungen durch Flusssäure^[5] oder Stickstofftrifluorid.^[6] Bei Stickstofftrifluorid wird zunächst auf die betroffene Hautpartie PEG aufgebracht und dieses nach mehreren Minuten Einwirkzeit mit Wasser abgespült.^[6]

Zellbiologie

In der Zellbiologie ist PEG ein wichtiges Reagenz für die Durchführung einer Zellfusion (Zellverschmelzung) von Lymphozyten mit bestimmten Tumorzellen (z. B. sp2/0-Zelllinie) zur Herstellung monoklonaler Antikörper sowie der Protoplastenfusion. Ähnlich wird PEG auch bei der liposomvermittelten Transfektion verwendet, indem es einem DNA-beladenen Liposom beim Verschmelzen mit der zu transfizierenden Zelle hilft.

Weblinks

• Arzneimittel-Kompendium der Schweiz: Polyethylenglycol-Präparate

Einzelnachweise

Literatur

• R. Ronger: Z. Gastroenterol, 2004, 42:493–494.
• R. Borgens et al.: Journal of Neurotrauma, 2004, Bd. 21, S. 1767 (PEG und Wirbelsäulenverletzungen).

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