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Prof.Dr.

Fracking ist eine Verkürzung des Begriffs “hydraulic fracturing”. Er beschreibt das Einpumpen eines mit Polymeren verdickten und mit Sand versetzten wässrigen Gels unter hohem Druck in das Schiefergestein. Dabei bilden sich um das meist horizontale Bohrloch Risse von 30 bis 100 Meter Länge und zirka 2 cm Breite (Abbildung 1). Von einem Bohrstrang aus werden stets mehrere dieser Behandlungen durchgeführt. Dadurch entstehen entlang des Bohrlochs genügend viele Risse, um eine wirtschaftliche Menge an Öl oder Gas zu fördern.1
Die beim Fracking verpumpte Flüssigkeit enthält neben Polymeren vor allem Sand (ungefähr 30 Gew.-%). Er dient dazu, nach Wegnahme des Drucks den soeben gebildeten Riss zu stützen und offenzuhalten. Schließlich soll über diese Risse und Kanäle später das Öl oder Gas zum Bohrloch fließen. Als Stützmittel (proppant) dienen scharfkantiger Ottawasand, einfache Flusssande, synthetische keramische Materialien (insbesondere Al2O3) und mit Harzen beschichtete Sande (resin coated proppants).


<h2>Polymergele</h2>
Um das Absetzen des Sands bereits während des Verpumpens zu verhindern, müssen Polymere die Frac-Flüssigkeit verdicken. Als Grundlage für das Gel dient das Biopolymer Guar (Guar gum), das in den Samenkörnern der indischen Guar-Pflanze Cyamopsis tetragonolobus enthalten ist. Gewonnen wird es durch Mahlen der Körner. Chemisch gesehen ist es ein Galaktomannan, das aus einer Hauptkette von β-1,4-glykosidisch verknüpften Mannose-Einheiten besteht, wobei an jedem zweiten Mannose-Ring eine α-1,6-verknüpfte Galaktose-Einheit hängt (Abbildung 2, S. 608). Guar ist ähnlich wie Stärke biologisch gut abbaubar und als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen.
Für die Ölbohrer besitzt Guar Vorteile gegenüber anderen Polysacchariden: Es verdickt beim Einrühren in Wasser sehr rasch und ergibt Gele mit gleichzeitig hoher Fließgrenze und hoher scheinbarer Viskosität (also einer hohen Zähigkeit der Lösung bei starker Scherung). Mit diesen Eigenschaften verleiht es beispielsweise dem Softeis seine sahnige Konsistenz; in Mauerputzen dient es als Ersatz für Methylcellulose. Zudem lässt sich dieses Polysaccharid mit Borsäure oder Tetraborat vernetzen, wobei ein viskoelastisches Gel entsteht (Abbildung 3, S. 608). In konventionellen Frac-Flüssigkeiten sind zirka 0,5 Gew.-% Guar und zirka 0,01 Gew.-% Borverbindungen enthalten.
Der enorme Guarbedarf der Ölindustrie sowie das Bestreben, die Polymerbeladung der Frac-Flüssigkeit zu verringern, führten zu neuen borbasierten Vernetzern, etwa zu Boronsäuren wie Thiophen-2,5-diboronsäure oder Diphenyldiboronsäure.2 Sie vernetzen bei um bis zu 30 % niedrigeren Guarkonzentrationen. Noch wirkungsvoller sind Polyaminoboronate (Abbildung 4), die relativ einfach aus Borsäure, Ethylenglykol und Tetraethylenpentamin zugänglich sind. Sie besitzen zudem den Vorteil, dass sich der zeitliche Verlauf des Viskositätsaufbaus und damit der notwendige Druck beim Einpressen des Gels mit Polyolen wie Sorbitol oder Pentaerythritol verzögern lässt (delayed crosslinking).
Ein Problem der Borverbindungen ist ihre seit kurzem — zumindest für Borsäure und Borax nachgewiesene — fruchtschädigende Wirkung. Diese Verbindungen sind deshalb in Deutschland seit dem Jahr 2008 als fortpflanzungsgefährdend eingestuft (Richtlinie 2008/58/EG). Seit dem Jahr 2010 führt die Europäische Chemikalienagentur Echa sie zudem auf der Liste der besonders besorgniserregenden Stoffe. Ungeachtet dessen sind Borsäure und Borax weiterhin in Lebensmitteln und Waschmitteln sowie für Kosmetika zugelassen. Die Ölindustrie ersetzt sie zunehmend durch Komplexverbindungen von Metallen der 4. Nebengruppe, für die bisher keine toxischen oder umweltschädlichen Wirkungen bekannt sind.


<h2>Titan- und Zirkoniumkomplexe</h2>
Mit Borverbindungen vernetzte Guargele sind nur bis 110 °C temperaturstabil, also bis zu einer geologischen Tiefe von etwa 3000 Metern. Liegt das Schiefergestein in größeren Tiefen, kommen mit Titan(IV)- oder Zirkonium(IV)-Komplexen vernetzte Guargele zum Einsatz. Diese tolerieren Temperaturen bis 160 °C, insbesondere wenn Hydroxypropylguar als Guarbasis dient.
In den 1980er Jahren arbeitete die Industrie mit Lactaten und Acetylacetonaten von Titan(IV) und Zirconium(IV) gelöst in Isopropanol. Heute verfügt sie über wesentlich wirksamere Chelatverbindungen, beispielsweise einen Alkoxy-bis-triethanolamin-Titan(IV)-Komplex (Abbildung 5).3
Die Vernetzerwirkung wurde anfangs auf einfache Ligandenaustauschreaktionen zurückgeführt, später auf H-Brückenbindungen zwischen den OH-Gruppen der hydrolysierten Alkoxygruppen und denen des Galaktomannans. Eingehendere Studien deuten jedoch darauf hin, dass sich bei der Hydrolyse der Ti- und Zr-Alkoxy-Verbindungen im wässrigen Gel zunächst TiO2- bzw. ZrO2-Nanopartikel bilden, deren Oberflächen-Hydroxylgruppen anschließend mit den OH-Gruppen des Guar kondensieren.4,5 Die Bildung einer chemischen Bindung würde die beachtliche Temperaturstabilität dieser Gele erklären.
Liegen die Lagerstättentemperaturen über 160 °C, muss ein synthetisches Polymer das Guar ersetzen. Die Industrie nutzt dafür AMPS-Acrylamid-Copolymere, die wiederum mit Organotitanaten oder -zirconaten vernetzt sind.
Nach dem Ende des Einpressens sollte das hochviskose Gel möglichst rasch und rückstandsfrei seine Viskosität wieder abbauen und dann flüssig wie Wasser werden. So lässt es sich aus den Rissen leicht herauspumpen und macht dem Öl oder Gas den Weg zum Bohrloch frei. Deshalb werden dem Guargel bereits beim Anmischen viskositätsabbauende Breaker zugesetzt. Diese bestehen je nach Temperatur entweder aus Enzymen (insbesondere Galactomannanase) oder aus starken Oxidationsmitteln wie Na2S2O8. Um nicht schon während des Fracking-Prozesses aktiv zu werden, setzt man sie als mikroverkapselte Pulver ein, deren Beschichtung sich erst nach etwa fünf Stunden löst.


<h2>Fracking und Umwelt</h2>
Seit Einführung des Verfahrens im Jahr 1947 wurden rund eine Million Fracks durchgeführt, darunter auch zirka 360 in den norddeutschen Gasfeldern südlich von Cloppenburg — ohne besondere Vorkommnisse [s. Nachr. Chem. 2012, 60, 31]. Erst seit der relativ neuen Anwendung im Schiefergestein steht das Verfahren in der Kritik.
Große Teile der Bevölkerung in Europa befürchten eine dauerhafte Kontaminierung von Grundwasser mit Chemikalien der Frac-Flüssigkeit oder gar mit Methangas6 und lehnen Fracking ab. Nach heutigem Stand sind weniger die eingesetzten Chemikalien ein Umweltproblem — mit Ausnahme der Borverbindungen, die jedoch zunehmend durch Titan- und Zirkoniumkomplexe ersetzt werden. Problematisch sind vielmehr der enorme Wasserverbrauch und die Entsorgung des nach dem Fracking herausgepumpten abgebauten Guargels.
Eine Fracking-Operation benötigt für das Gel zwischen 100 und 1500 m3 Anmachwasser. Dieses Wasser wurde früher einfach der öffentlichen Wasserversorgung entnommen. Da ein einziges Bohrloch stets vielfach gefrackt wird, sind zum Teil bis zu 30 000 m3 Wasser pro Bohrung nötig. Dies führte in besonders wasserarmen Gegenden wie Südtexas oder Dakota zu Engpässen. Deswegen entwickelte die Industrie Gelsysteme auf Basis von Brackwasser. Seit zwei Jahren setzt sich jedoch die Wiederverwendung des ausgepumpten und abgebauten Gels mehr und mehr durch: Spezialfirmen bereiten die zurückgeführte Polymerlösung so auf, dass sie erneut mit Guar verdickt und vernetzt werden kann.
Eine Herausforderung bei der Aufbereitung des Frackingwassers ist zudem die Abtrennung von Kontaminanten, insbesondere von Salzen und Ölresten, die im ölhaltigen Schiefergestein aufgenommen werden. Das ausgeförderte Guargel enthält häufig winzige Öltröpfchen, die abgeschieden werden müssen.
Die unerwünschte Beladung der Frac-Flüssigkeit mit Chemikalien veranlasste die Industrie nach Stützmitteln zu suchen, die sich in einfachem Wasser problemlos suspendieren lassen und kein Gel benötigen. So stellte ein Unternehmen suspendieren Stützmittel (self-suspending proppants) vor, bei denen die Sandpartikel eine anquellende Polymerhülle umgibt.12 Guar und Vernetzer sind damit nicht mehr nötig.
In der Erprobung befinden sich auch keramische Hohlkugeln, die aufgrund ihrer Dichte von zirka 1 kg·L—1 selbstsuspendierend sind. Experten gehen davon aus, dass diese Stützmittel in Zukunft der Standard sein werden.
Ein weiterer Weg sieht vor, anstelle von Wasser eine andere Trägerflüssigkeit zu verwenden. Aufgrund positiver Ergebnisse in Feldversuchen fokussiert sich die derzeitige Entwicklung auf liquefied petroleum gas (LPG, im Wesentlichen Propan und Butan), das anschließend wiederverwendet oder vom produzierten Öl- und Gasstrom aufgenommen und von dort aus sinnvoll verwertet wird.13


<h2>QUERGELESEN</h2>
Frac-Flüssigkeiten enthalten vor allem Sand, der als Stützmittel dient. Um das vorzeitige Absetzen des Sands zu verhindern, verdicken Polymere wie Guar mit zugesetzten Vernetzern die Flüssigkeit zu einem Gel.
Mit Borverbindungen vernetzte Guargele sind bis zu einer Tiefe von etwa 3000 Metern stabil. Tiefer kommen mit Titan(IV)- oder Zirkonium(IV)-Komplexen vernetzte Guargele zum Einsatz.
Ein Umweltproblem ist der große Wasserbedarf zur Herstellung der Gele. Recyclinglösungen setzen sich mehr und mehr durch. Selbstsuspendierende Stützmittel, die kein Guar und Vernetzer benötigen, sind ebenfalls eine Alternative.


<h2>Wirtschaftliche Bedeutung</h2>
Seit dem Jahr 2008 herrscht in der US-Ölindustrie eine Aufbruchstimmung wie zuletzt vor 100 Jahren, als mit der Bohrung “Spindletop” die großen Ölvorkommen in Texas entdeckt wurden. Hintergrund des aktuellen Booms ist die Erschließung von Öl- und Gasvorkommen im Schiefergestein. Obwohl dessen Kohlenwasserstoffreichtum seit fast 100 Jahren bekannt ist, galt der Schatz bisher als nicht förderbar: zu dicht und zu wenig permeabel seien diese Gesteine, um Öl und Gas daraus zu extrahieren.
Der Texaner George P. Mitchell experimentierte jedoch ab dem Jahr 1981 mit einer Methode, die an konventionellen Lagerstätten hunderttausendfach erprobt und damit bestens bekannt war: Fracking. 1998 gelang ihm der Durchbruch mit einer Bohrung nördlich von Dallas, die Erdgas aus dem Schiefergestein “Barnett shale” lieferte.7
Dies war der Grundstein für einen Boom, der sich auch stark auf die chemische Industrie auswirkte. Aufgrund des reichlich geförderten Schiefergases beträgt der Erdgaspreis in den USA derzeit etwa ein Drittel des Preises in Deutschland.8,9 Dank dieser billigen Energie hat eine Reindustrialisierung der USA begonnen, allen voran in der Chemie, die das Schiefergas zudem als billigen Rohstoff schätzt.
Auch andere energieintensive Branchen wie die Zementindustrie richten ihren Blick zunehmend nach Amerika. Darüber hinaus haben die USA in den letzten Jahren zahlreiche Kohlekraftwerke auf Erdgas umgestellt und dort ihren CO2-Ausstoß verringert.
Experten schätzen, dass das derzeitige Wirtschaftswachstum der USA mindestens zur Hälfte dem Schieferöl und -gas zu verdanken ist.
Wer derzeit in Südtexas, Dakota oder Wyoming — sonst eher verschlafenen Gegenden — unterwegs ist, spürt eine Aufbruchsstimmung. Der Shale Boom hat Hunderttausende gut bezahlter Jobs geschaffen und macht die USA von Ölimporten zunehmend unabhängig. Es wird erwartet, dass Amerika in Zukunft sogar Rohöl oder Erdgas exportieren kann. Als Folge wird der Ölpreis tendenziell sinken. Erste Anzeichen sind — trotz des derzeitigen Ausfalls der drei großen Ölproduzenten Iran, Libyen und Irak — bereits erkennbar, und große Produzenten wie Saudi-Arabien oder Russland müssen sich neue Abnehmer suchen oder mit geringeren Einnahmen zufrieden sein.10
Geopolitisch bedeutsam ist, dass die USA ihr Interesse am Nahen Osten, in der Vergangenheit einem ihrer wichtigsten Öllieferanten, verlieren werden — auch hier sind erste Anzeichen bereits erkennbar.
Die Schieferöl- und -gasvorkommen beschränken sich jedoch nicht auf die USA. Weitere Lagerstätten befinden sich in Südamerika, Europa, Nord- und Südafrika sowie in China. Die größten Vorkommen an Schiefergas außerhalb der USA werden in China, Argentinien, Mexiko und Australien vermutet; in Europa gilt Polen als das Land mit den reichsten Schiefergasvorkommen (zirka 4 Billionen Kubikmeter).
Deutschland besitzt — mit geschätzten 0,5 Billionen Kubikmetern allerdings vergleichsweise geringe — Vorkommen im Gebiet zwischen Lingen (Ems) und Minden (Niedersachsen).11 Dort wird Ölschiefer bereits im Tagebau gewonnen und beispielsweise von der Zementindustrie als mineralischer Roh- und Brennstoff eingesetzt. Dazu kommen erhebliche Vorkommen an Kohleflöz-Methan im Ruhrgebiet. Die Bundes- und Länderregierungen haben dort jedoch vorerst jegliche Prospektion und Fracking-Aktivität untersagt.


Johann Plank, Jahrgang 1952, ist seit dem Jahr 2001 Inhaber des Lehrstuhls für Bauchemie am Chemie-Department der TU München. Er promovierte 1980 mit einem Thema zur metallorganischen Chemie und war bis 2001 in der Industrie im Bereich Bau- und Ölfeldpolymere tätig. Seine aktuellen Forschungsgebiete sind Zementchemie, polymere Zusatzmittel, Nanopartikel, nanoporöse Materialien, Wirt-Gast-Chemie und Photokatalyse. Er betreibt das einzige Forschungslabor für Bohrlochzementierung an einer europäischen Hochschule und befasst sich außerdem mit Bohr- und Frac-Flüssigkeiten. Timon Echt, Jahrgang 1986, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Arbeitskreis von Johann Plank. Echt studierte Chemie an der TU München; seine Masterarbeit trug den Titel “Einfluss von Salz auf die Wirksamkeit von Dispergiermitteln in Tiefbohrzement”. Aktuell forscht er an Flüssigkeiten für Fracking sowie an CO2-stabilen Zementen für die geologische Endlagerung von CO2. Timon Echt ist Sekretär der Sektion Süd der German Section der Society of Petroleum Engineers.



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1 


E. Donaldson, 
W. Alam, 
N. Begum, 
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2 

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3 

D. N. Harry, D. E. Putzig, R. Moorhouse, T. DelPesco, P. Jernakoff, “Chemical Structures of Group 4 Metal Crosslinkers for Polygalactomannans”, SPE paper 50731, SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, The Woodlands, TX, 16 — 19 February, 1999.
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266, 
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5 

J. Plank, T. Hurnaus, unveröffentlichte Ergebnisse.
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6 

Der US-amerikanische Film “Gasland” zeigte drastisch, wie Methangas Wasserhähne zum Brennen bringt. Eine Untersuchung der 12C/13C- und Deuterium-Isotopenverteilung in diesem Methan durch die State of Colorado Oil &amp; Gas Conservation Commission sowie durch die US-amerikanische Umweltschutzbehörde EPA ergab allerdings, dass dieses Methan biogenen Ursprungs war und nicht aus Fracking-Aktivitäten im Schiefergestein stammte: T. Saba, “Evaluating claims of groundwater contamination from hydraulic fracturing”, Oil &amp; Gas Journal, 1. Juli 2013, 80 — 89.
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7 


D. B. Stewart, 
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“<article-title>Shale gas and oil: fundamentally changing global energy markets</article-title>”, 
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2. Dez. 2013, Nov., 
55.

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9 

W. Sturbeck, “Die Energiepreisschere”, Frankfurter Allgemeine Zeitung, 3. Aug. 2013, 13.
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10 

Qatar, das erdgasreichste Land im Nahen Osten, hat als Folge des Fracking-Booms in den USA die Exploration nach neuen Vorkommen bereits vorerst eingestellt. Die bestehenden Erdgasfelder können den derzeitigen Bedarf problemlos decken. Erwähnenswert ist, dass Abu Dhabi den Fracking-kritischen Film “Promised Land” mitfinanziert hat.
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11 

“Technically Recoverable Shale Oil and Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States”, US Energy Information Administration, Juni 2013.
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12 

“Companies in the News”, World Oil, Juni 2013, 186.
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13 


T. Dunnahoe, 
“<article-title>Dry fracing transforms water use in unconventional developments</article-title>”, 
<source>Oil &amp; Gas Journa, 
2. Sept. 2013, Nov., 
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Artikel

Chemikalien für Fracking

Fracking ist eine Verkürzung des Begriffs “hydraulic fracturing”. Er beschreibt das Einpumpen eines mit Polymeren verdickten und mit Sand versetzten wässrigen Gels unter hohem Druck in das Schiefergestein. Dabei bilden sich um das meist horizontale Bohrloch Risse von 30 bis 100 Meter Länge und zi...

Die Photochemie hat sich als interdisziplinäres Wissenschaftsgebiet zahlreiche Anwendungen in der Technik erschlossen [Nachr. Chem. 2014, 62, 507].1 Sie etabliert sich auch zunehmend erfolgreich in Medizin und Diagnostik.


<h2>Biomedizin: Porphyrine in der Phototherapie</h2>
Die Medizin setzt Licht seit langer Zeit für therapeutische Zwecke ein. Überlieferungen von dermatologischen Anwendungen gehen über 6000 Jahre zurück, und vor mehr als 2500 Jahren beschrieb Herodot die Heliotherapie. Die Moderne begann mit der Entwicklung der Phototherapie gegen Hauttuberkulose (Lupus vulgaris) durch Niels Ryberg Finsen (Medizinnobelpreis 1903). Seitdem wird Licht zur Unterstützung der Vitamin-D3-Produktion eingesetzt und insbesondere zur Behandlung der neonatalen Hyperbilirubinämie (Neugeborenengelbsucht).
Photochemische Anwendungen in der Medizin gehen auf Oscar Raab und Hermann von Tappeiner zurück. Sie beobachteten im Jahr 1900, dass eine Kombination aus Farbstoffen und Licht Mikroorganismen abtötet. Dieser photodynamische Vorgang beruht darauf, dass manche Farbstoffe als Photosensibilisatoren (PS) fungieren und sich so Singulettsauerstoff bildet. Seit den 1970er Jahren hilft dieses Prinzip in der PUVA-Therapie (Psoralen plus UVA) gegen Ekzeme, Schuppenflechten und ähnliche Hautkrankheiten (Abbildung 1).
Langfristig Erfolgsversprechend ist die photodynamische (Krebs)therapie (PDT). Konzeptionell etwa so alt wie die PUVA-Therapie, setzt sich PDT erst langsam durch.
Die PDT basiert auf einem simplen, jedoch faszinierenden Prinzip: Verabreicht wird ein nicht toxisches Medikament — der Photosensibilisator. Die PDT nutzt dazu fast ausschließlich Porphyrine. Nachdem sich der Photosensibilisator im Körper verteilt hat, wird das kranke Gewebe mit Licht bestrahlt. Dies initiiert die Produktion von endogenem Singulettsauerstoff, der das umliegende Gewebe schädigt und zum Zelltod führt.2 Die Behandlung ist einfach und kostengünstig; Nebenwirkungen wie bei Chemo- und Strahlungstherapien treten nicht auf.
Prinzipiell kann die PDT in der Onkologie und Dermatologie bösartige Geschwüre bekämpfen. Außerdem hat sie Potenzial für die Wundheilung sowie für Zahn- und Mundhygiene, da sie antibakterielle und sterilisierende Eigenschaften zeigt. Für manche Krankheiten, etwa lichtzugängliche Krebstypen wie Hautkrebs, lieferte die PDT exzellente Ergebnisse, nicht zuletzt, da sich gegen den zugrundeliegenden Wirkungsmechanismus keine Resistenzen entwickeln können.
In den letzten 40 Jahren hat sich ein Ungleichgewicht zwischen der Forschung auf diesem Gebiet und der klinische Verwendung gebildet. Von den vielen Porphyrinstrukturen, die auf ihre photosensitiven Eigenschaften hin untersucht wurden, haben aufgrund geringen Interesses der pharmazeutischen Industrie und mangelnden klinischen Studien nur wenige die Marktzulassung geschafft.3 Potenzial besteht aus chemischer Sicht bei der Entwicklung von einfachen Syntheserouten zu unsymmetrisch substituierten Porphyrine, beispielsweise zu amphiphilen Systemen zur verbesserten Membranpassage oder zu bifunktionalen Systeme mit gewebespezifischen Zielsequenzen.4
Jüngste Entwicklungen in der Porphyrinsynthese erlauben es, eine Vielzahl unsymmetrischer ABCD-Typ-Porphyrine (1) zu präparieren. Fortschritte bei regioselektiven Reaktionen und umsatzstärkere Funktionalisierungsreaktionen führten zu dimeren und oligomeren Porphyrinen. Sie erweitern das π-System mit darauf aufbauenden Modifizierungsansätzen, binden Biokonjugate und verbessern die photophysikalischen Eigenschaften (Abbildung 2).5
Diese neuen Synthesen liefern einen Zugang zu vielen PDT-Kandidaten. Darunter sind 5,10-A2B2-Typ-Porphyrine als neue Klasse einfacher photoaktiver Porphyrine,4) komplexere Glycoprotein- (5)4) oder Gallensäure6)-gekoppelte Derivate, amphiphile Porphyrine, sowie dimere (2) oder gekoppelte (3) Porphyrine mit Absorptionen in längeren Wellenlängenbereichen.7 Zusätzlich wurden einfache chemische Synthesewege zur Monofunktionalisierung von mTHPC (6), einem zugelassenen Photosensiblilisator, entworfen.
Zusammen mit den Fortschritten in der Medikamentenformulierung und der Herstellung von Trägersystemen wie Transferrin- und Immunoliposomen oder Nanopartikeln,8) ergibt sich eine ansehnliche Reihe potenzieller Medikamente. Zur Analyse dieser Stoffe wurde ein phänotypbasiertes High-content-Screening entwickelt. Es identifiziert anhand eines Assays PDT-Kandidaten spezifisch und nachgewiesen. Es bildet die Grundlage für automatisierte Screening-Methoden.9


<h2>Farbstoffe für die bildgebende Diagnostik</h2>
Eine wesentliche Rolle für bildgebende Verfahren auf Basis optischer Techniken spielen die Fluoreszenzfarbstoffe. Sie zeigen als injizierbare Signalgeber oder Kontrastmittel physiologische oder molekulare Prozesse an. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Photosensibilisatoren sollen diese Farbstoffe nicht phototoxisch sein, da sie als Diagnostikum dienen. Speziell das nahe Infrarot (NIR) von 700 bis 900 nm ist dafür von Interesse. Menschliches Gewebe ist für diesen Spektralbereich besonders transparent, und so ist auch Fluoreszenzdetektion in tieferen Gewebeschichten möglich. Hier hat das Indocyaningrün (ICG) seit Jahrzehnten eine zentrale Bedeutung als bislang einziger zur Injektion zugelassener NIR-Farbstoff. Eingesetzt wird er in Augenheilkunde, Chirurgie und Rheumatologie.10
Darüber hinaus erweiterte sich das Repertoire funktioneller Chromophore für die molekulare Bildgebung, also maßgeschneiderter Derivate mit stimuli-responsiven Strukturelementen und/oder Reaktivgruppen für die Biokonjugation. Mittlerweile gibt es variantenreiche diagnostische Konzepte, wenn daraus auch bislang nur wenige klinische Erprobungen resultierten (Abbildung 3, S. 614).11
Insbesondere Cyaninfarbstoffe werden für die Synthese fluoreszierender Antikörperkonjugate verwendet. Die Antikörper, beispielsweise Bevacizumab (Avastin, Roche) oder Cetuximab (Erbitux, Merck und BMS), sind zugelassene Marktprodukte für die Behandlung von Tumoren und Rheuma. Von Farbkonjugaten solcher Produkte wird erwartet, dass sie als Diagnostika die Tumorbehandlung, insbesondere die fluoreszenzgeführte Chirurgie (companion diagnostics) verbessern.11b)
Ein weiteres Prinzip optischer Diagnostik ist, die optischen Eigenschaften von Fluorophoren durch die chemische Umgebung gezielt zu beeinflussen.10a) Farbstoffe fungieren als Sensoren in physiologischer Umgebung, sobald ein bestimmter Analyt zu einer spezifischen chemischen Interaktion am Fluorophor führt. Beispiele hierfür sind die Erhöhung der Fluoreszenzquantenausbeute in saurem Milieu (etwa in Tumoren, die mitunter einen pH-Wert bis zu pH 5 — 6 aufweisen), in dem eine Protonierung eines Cyaninfarbstoffs zum erforderlichen π-Elektronensystem führt (Abbildung 4). Cyaninfarbstoffe sind darüber hinaus in reduzierter Form mit unterbrochenem π-Elektronensystem synthetisierbar. Oxidation stellt die Fluoreszenzeigenschaften wieder her. Dieser Prozess dient für intrazelluläre Messungen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) des oxidativen Stresses als Tumormarker (Abbildung 4).
Mittlerweile existieren viele Synthesen von responsiven Farbstoffen, die sich auf verschiedenste Strukturtypen und Spektralbereiche erstrecken und die spezifisch biologisch relevante Substanzen detektieren, darunter Alkalimetalle, Schwermetalle, Glucose oder Aminosäuren. Daraus lassen sich Anwendungen ableiten, die eher nicht für die molekulare In-vivo-Bildgebung in Frage kommen, sondern primär in diagnostische Labor- und Screeningverfahren einfließen werden.


<h2>Photochemie für Fluoreszenzmikroskopie</h2>
 Inzwischen haben die technischen Entwicklungen optischer Bauteile und Detektoren die Sensitivität der Fluoreszenzmikroskopie soweit erhöht, dass selbst einzelne fluoreszierende Moleküle zu beobachten sind.12 Die Fluorophore müssen hierfür gute Fluoreszenzquantenausbeuten zeigen und sollten vor allem so photostabil wie möglich sein. Die besten Fluorophore zeigen heute annähernd quantitative Fluoreszenzquantenausbeuten und sind bis über eine Million Anregungen photostabil.
In den letzten Jahren erlangten photoschaltbare Fluorophore Bedeutung, da sie Fluoreszenzmikroskopie mit einer räumlichen Auflösung jenseits des Beugungslimits optischen Lichts ermöglichen.13 Neben dem ortsselektiven photophysikalischen Schalten durch stimulierte Emission für Stimulated-Emission-Depletion(Sted)-Mikroskopie dienen photochemische Prozesse für das stochastische Schalten für superauflösende Lokalisierungsmikroskopie-Methoden wie Photoactivated Localization Microscopy (Palm)14) und (direct) Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (Storm/dStorm)15). Die bis jenseits des Beugungslimits erhöhte Auflösung entsteht dadurch, dass pro aufgenommenem Bild nur ein kleiner Bruchteil der Sondenmoleküle angeschaltet ist, also fluoresziert. Das Bild dieser separierten Lichtpunkte kann an eine Funktion angepasst und damit die Position der Emitter je nach deren Intensität bis auf wenige Nanometer genau bestimmt werden. Die Funktion des An- und Ausschaltens der Sondenmoleküle ist entweder — etwa bei vielen fluoreszierenden Proteinen — intrinsisch im Fluorophor vorhanden, der sich durch bestimmte Wellenlängen schalten lässt (Abbildung 5 links). Oder sie entsteht durch eine photochemische Reaktion mit einem in der Lösung vorhandenen oder zugegebenen Reaktionspartner, beispielsweise einem Redox-Reagenz (Abbildung 5 rechts).


<h2>Photochromie: Photoschaltbare Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung</h2>
Photochrome Systeme sind eine attraktive Grundlage für funktionale Materialien, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Chromophors reversibel ändern.16 Derartige photoinduzierte Schaltprozesse haben großes Potenzial für Biologie und Medizin: Über den photochemischen Stimulus sind reversible physiologische Prozesse räumlich und zeitlich kontrollierbar. Beispielsweise kann Lichteinstrahlung die Struktur und die Funktion von Proteinen, Nucleinsäuren und Lipiden reversibel modifizieren, wenn photochrome Chromophore — etwa eine Azobenzoleinheit — in die Biomakromoleküle integriert werden.17
Kürzlich wurden photochrome Spiropyran-, Spirooxazin-, Dithienylethen-, Chromen-, und Azobenzolderivate vorgestellt, deren DNA-bindende Eigenschaften photochemisch geschaltet werden können. Eine reversible Bildung von Ligand-DNA-Komplexen in Abhängigkeit von den Bestrahlungsbedingungen ist so möglich.18 Derartige photoschaltbare DNA-Liganden dürften langfristig für eine gezielte Freisetzung von DNA-bindenden Chemotherapeutika oder auch für photodynamische Chemotherapie von Nutzen sein.
Vielversprechende Anwendungen von photochromen Elementen als biofunktionale Einheiten wurden in der Photopharmakologie19) und der optochemischen Genetik20) entwickelt. Bei letzterer kontrollieren photochrome Liganden die Aktivitäten von Rezeptorproteinen, indem sie entweder inter- oder intramolekular an eine Bindungsstelle des Proteins assoziieren. Der Ansatz wurde exemplarisch anhand der photoinduzierten Steuerung des ionotropen Glutamatrezeptors GluK2 demonstriert,21) der als Ionenkanal fungiert (Abbildung 6). Das Protein ist kovalent mit Azobenzoleinheiten verknüpft, an denen endständig eine Glutamatfunktionalität steht. Das Azobenzol liegt zunächst in der stabilen E-Konfiguration vor, in der das Glutamat nicht an den entsprechenden Rezeptor im Protein heranreicht. Unter diesen Bedingungen bleibt der Ionenkanal geschlossen. Bestrahlung überführt das Azobenzol in die Z-konfigurierte Form, in der die Glutamateinheit hingegen so ausgerichtet ist, dass sie in der Bindungsstelle binden kann und damit den Ionenkanal öffnet. Die schnelle thermisch induzierte Rückreaktion (Halbwertszeit τ = 0,71 s) zum E-Isomer schließt den Kanal wieder. Dieses photochrome Gleichgewicht ist über mehrere hundert Zyklen ermüdungsfrei schaltbar.
Die Kontrolle biologisch relevanter Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen durch Integration photochromer Elemente ist so eine vielseitige und effiziente Methode in den Biowissenschaften. Insbesondere die Kombination photochemischer Prinzipien mit pharmazeutischen oder medizinisch-chemischen Fragestellungen wird neuartige therapeutische Ansätze eröffnen.
Axel Griesbeck ist Professor für organische Chemie an der Universität zu Köln. Er ist seit diesem Jahr Vorsitzender der Fachgruppe Photochemie der GDCh. Heiko Ihmels ist Professor für organische Chemie an der Universität Siegen. Kai Licha ist F&amp;E-Leiter und Gründungspartner von Mivenion, die das fluoreszenzoptische Rheumascan-Verfahren entwickelt hat und vermarktet. Mathias Senge ist Lehrstuhlinhaber für organische Chemie am Trinity College Dublin. Dominik Wöll ist unabhängiger Nachwuchsgruppenleiter im Zukunftskolleg der Universität Konstanz. Bernd Strehmel ist Professor für Lackchemie und Neue Materialien an der Hochschule Niederrhein in Krefeld. <a href="mailto:bernd.strehmel@hs-niederrhein.de">bernd.strehmel@hs-niederrhein.de</a> Die GDCh-Fachgruppe Photochemie lädt ein zur: 24. Lecture Conference on Photochemistry 29. September bis 1. Oktober 2014 in Köln <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.gdch.de/photo2014" target="_blank">www.gdch.de/photo2014</a></ext-link>


<h2>QUERGELESEN</h2>
Photodynamische Tumortherapie ist in einigen Ländern als Behandlungsmethode zugelassen. Singulettsauerstoff wirkt dabei als kleinstes und hochreaktives — durch Sensibilisierung erzeugtes — Reagenz.
Fluoreszenz ist ein wesentlicher photophysikalischer Prozess in der bildgebenden Diagnostik. Fluorophore, die eine Anregung im nahen Infrarot ermöglichen, verbessern die Eindringtiefe in biologisches Material.
Die Sensorik mit photochemischen und photophysikalischen Prinzipien wird in den nächsten Jahren neue technische Anwendungen voranbringen.



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1 

 
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