Mechanismen und biologische Plausibilität

Einteilung und Maßstab

Die Einteilung folgt einer einfachen Regel. Als bewiesen gilt hier ein Mechanismus, der beim Menschen oder an menschlichem Gewebe unmittelbar gemessen wurde oder durch mehrere voneinander unabhängige Messungen auf pharmakologischer Ebene gesichert ist. Als plausibel gilt ein Mechanismus, der in Tierversuchen oder Zellmodellen konsistent gefunden wurde und biologisch nachvollziehbar ist, aber beim Menschen nicht geprüft ist. Als spekulativ gilt eine Deutung, die Autoren anbieten, die aber im Material nicht geprüft ist, die nur auf einer einzelnen Studie beruht oder die zwischen Studien widersprüchlich ausfällt. Auch ein bewiesener Mechanismus beweist nicht, dass die übliche Therapie beim Menschen die Spermienqualität in einem klinisch bedeutsamen Ausmaß verändert; dafür müsste Dosis, Dauer und Exposition des Hodens mitgemessen werden, und dazu liegen für die meisten Wirkstoffe keine Daten vor.

Bewiesen

Antiinfektiva erreichen Samenplasma und männliche Geschlechtsorgane, aber nicht gleichmäßig. Metronidazol erreicht im Samenplasma Konzentrationen, die denen im Blut nahekommen (Mittelwert bei Patienten 7,0 Mikrogramm/ml im Samenplasma gegenüber 8,7 Mikrogramm/ml im Blutplasma) [s281]. Levofloxacin findet sich im Sperma gesunder Männer mit einem Sperma-zu-Serum-Verhältnis von 1,12 und 1,26 und im Hodengewebe mit einem Gewebe-zu-Serum-Verhältnis von 1,63 [s260]. Bei acht Patienten wurden unter Levofloxacin, Ciprofloxacin, Ampicillin und Doxycyclin Samenkonzentrationen von 0,33 bis 8,30 mg/l gemessen, über der minimalen Hemmkonzentration der Erreger [s151]. Ketoconazol erreicht dagegen im Samenplasma nur etwa 150 ng/g, deutlich weniger als im Blutplasma [s277]. Im Tier zeigt sich eine ausgeprägte Verteilung auf die Organabschnitte: Nach 300 mg/kg Ketoconazol lag die Konzentration in der Flüssigkeit der Cauda epididymidis bei 18,0 ± 7,3 µg/ml, im Seminalplasma bei 13,5 ± 3,0 µg/ml und in der Rete-testis-Flüssigkeit nur bei 0,47 ± 0,34 µg/ml [s261]. Ivermectin erreichte beim Widder im Samenplasma etwa 3,5 bis 3,9 Prozent der Plasmakonzentration, war aber in Spermien bis zu 25 Tage nachweisbar [s15]. In Rattengewebe erreichten viele Antibiotika Hoden und Nebenhoden nur in niedriger Konzentration (etwa 10 Prozent der Blutkonzentration), in der Prostata dagegen mehr (Nalidixinsäure etwa das Vierfache des Serumspiegels), was die Autorin als Wirkung der Blut-Hoden-Schranke deutet [s278]. Dass ein Arzneimittel dort ankommt, ist die Voraussetzung jeder Wirkung; es beweist aber noch keine.

Azol-Antimykotika hemmen die Androgensynthese des Hodens. Das ist der einzige Mechanismus im Material, der beim Menschen, an menschlichem Gewebe und im Tier übereinstimmend belegt ist. Beim Menschen senkte Ketoconazol in einer randomisierten, placebokontrollierten Studie das mediane intratestikuläre Testosteron von 14 ng/ml unter Placebo auf 3,7 ng/ml (400 mg) und 1,7 ng/ml (800 mg), jeweils bei acht Männern und unter vorübergehender Unterdrückung der LH-Wirkung [s182]. An menschlichem Hodengewebe hemmte Ketoconazol kompetitiv die 3β-Hydroxy-5-en-Steroid-Oxidoreduktase/Isomerase und die NADH-gebundene 20α-Hydroxysteroid-Oxidoreduktase (Ki 2,9 und 0,9 µM) [s270]. In Hodenmikrosomen hemmte es 17α-Hydroxylase und C17,20-Lyase dosisabhängig mit der Rangfolge Ketoconazol > Miconazol > Ozagrel > M-2 > M-1 > Cimetidin; bei Patienten fiel das Serumtestosteron nach einer intravenösen Injektion von 200 mg Miconazol auf rund 16 Prozent und kehrte nach 5 Stunden zum Ausgangswert zurück [s271]. In Schweinehodenmikrosomen hemmten Clotrimazol, Econazol und Miconazol die 16-en-C19-Steroidsynthese mit halbmaximalen Hemmkonzentrationen von 0,29, 0,36 und 1,25 µM [s265]. In Rattenhodenschnitten zeigten Ketoconazol und acht weitere Azole, darunter Fluconazol, Hormonmuster im Sinne einer CYP17A1-Hemmung [s13]. Unter 100 mg/kg Ketoconazol beim Tier fiel das Plasmatestosteron binnen 4 Stunden stark und erholte sich, ohne die Spermienbeweglichkeit zu beeinflussen [s261]. Was der Mechanismus für die Spermienbildung bedeutet, ist beim Menschen nicht gemessen: Die Studie [s182] zielte auf die Testosteronschwelle der Spermatogenese und nicht auf Fertilität, und Drobnis und Nangia halten fest, dass Daten zu Samenqualität oder Fertilität unter Ketoconazol fehlen [s150].

Sulfasalazin beeinträchtigt die männliche Fertilität reversibel. Mehrere Übersichten und eine Metaanalyse (14 Studien, 327 Patienten und 110 Tiere) sind sich darin einig [s123, s162, s112, s14, s154, s19]; bei Ratten ist die Wirkung dosisabhängig und nach drei Wochen ohne Medikament nicht mehr nachweisbar [s279]. Der Mechanismus ist nicht über eine Hemmung der Spermienbildung belegt: Bei Ratten waren Spermienzahl, Organgewichte und Testosteron nicht verändert, die Beweglichkeit der Nebenhodenspermien dagegen gesenkt [s279]. Beim Menschen ist das Muster einer Beeinträchtigung bestätigt (größere Spermienköpfe unter Sulfasalazin bei acht Männern, nach Absetzen nur teilweise zurückgebildet) [s280]. Die Frage, ob Sulfasalazin direkt auf die Spermien oder über den Nebenhoden wirkt, wird unter „plausibel“ weiter unten behandelt. Sulfasalazin ist kein klassisches Antibiotikum; es wird hier als Vergleichsfall geführt.

Keimzell- und Spermienschäden in vitro durch hohe Konzentrationen. Tetracyclin hemmte in vitro schon bei 2,5 Mikrogramm/ml dosisabhängig den Anteil schnell beweglicher Spermien und stellte bei 50 Mikrogramm/ml die Bewegung aller Spermien ein; die Effekte waren meist nicht reversibel [s243]. Nitrofurantoin und Cefuroxim axetil stellten bei pharmakologischen Konzentrationen die Motilität kryokonservierter Spenderspermien ein [s247]; Miconazol und Clotrimazol töteten menschliche Spermien in millimolaren Konzentrationen [s218]. Das beweist die direkte Spermienwirkung bei diesen Konzentrationen; ob sie im Körper erreicht werden, ist offen (Abschnitt Dosis-Wirkung).

Krankheit und Arzneimittel sind kaum zu trennen. Als methodischer Befund ist belegt, dass Prostatitis, Leukozytospermie und Genitalinfektionen mit schlechteren Samenparametern verbunden sind [s19, s117, s156, s188, s139, s245]. Dadurch ist jede Studie, in der ein Antibiotikum einem kranken Mann gegeben wird, durch die Erkrankung verzerrt; die Autoren von [s119] nennen das ausdrücklich als Hauptursache der Widersprüche.

Plausibel

Entzündung, Leukozyten und oxidativer Stress als Zwischenglied bei Infektion. Infektionen der Adnexdrüsen gehen mit erhöhten Leukozytenzahlen, reaktiven Sauerstoffspezies und Zytokinen einher; bei Eradikation unter Levofloxacin sanken Leukozyten, Sauerstoffspezies, Tumornekrosefaktor alpha und Interleukin 6 und stiegen die progressive Motilität, ohne dass die Werte sich dann von fertilen Kontrollen unterschieden [s163]. Sauerstoffradikale im Ejakulat sanken in [s72] und [s170] nach Therapie; die DNA-Fragmentierung sank in mehreren Behandlungsstudien [s207, s199, s22, s17], und Moubasher fand bei Leukozytospermie höhere Anteile von Spermien mit Disomie XY und 18 und einen höheren DNA-Fragmentierungsindex [s140]. Das ergibt einen plausiblen Weg „Infektion, Entzündung, oxidativer Schaden, Spermienfunktion“, der erklären würde, warum ein erfolgreich behandelter Erreger zu besseren Spermienwerten führen kann. Es bleibt ein Assoziationsbefund: Die EAU-Leitlinie hält fest, dass die Behandlung häufig nur die Erreger beseitigt, ohne Wirkung auf entzündliche Veränderungen (Evidenzgrad 2a) [s07], und die randomisierten Studien mit Placebo- oder Nullarm, die Spermienparameter berichteten, fanden keinen Vorteil [s225, s253].

Oxidativer Stress, Apoptose und Mitochondrien als Schadensweg bei direkter Wirkung. Fast alle Tierstudien zu Aminoglykosiden, Glykopeptiden, Fluorchinolonen, Amoxicillin, Metronidazol, Ketoconazol, Antimalariamitteln und Ethambutol beschreiben dieselbe Kette: erhöhte Lipidperoxidation (Malondialdehyd), verminderte antioxidative Enzyme (Superoxiddismutase, Katalase, Glutathionperoxidase), erhöhte Apoptosemarker (Caspase-3, Bax) und Keimzellverlust [s135, s211, s209, s33, s69, s63, s23, s08, s67, s92, s48, s134, s99, s58, s50, s26, s03, s113, s174, s203, s138, s70, s161, s191]. Für Doxycyclin ist ein mitochondrialer Mechanismus in Leydig-Tumorzellen beschrieben [s126]. Für Ethambutol nennen die Autoren Mitochondrien- und DNA-Schäden [s161, s115]. Die Plausibilität ist hoch, weil der Befund über viele Wirkstoffklassen konsistent ist; sie ist begrenzt, weil derselbe Weg in praktisch jeder Toxizitätsstudie am Hoden gefunden wird, in einem Design, das ein Antibiotikum in hoher Dosis als verlässlichen Schädiger einsetzt, um einen Schutzstoff (Vitamin C, Resveratrol, Quercetin, Lycopin, Pflanzenextrakte, Probiotika) zu prüfen [s33, s67, s50, s122, s08]. Die Schadwirkung stammt dort nur aus der Kontrollgruppe mit Antibiotikum allein; eine unabhängige Wiederholung mit therapeutischen Dosen fehlt meist.

Hemmung der Steroidsynthese in Leydig-Zellen bei Fluorchinolonen, Doxycyclin und frühen Lebensphasen. Für Ciprofloxacin ist ein konkreter Weg beschrieben: Bereits 1 mg/kg über 30 Tage senkte bei adoleszenten Mäusen das Serumtestosteron und erhöhte LH und FSH; Ciprofloxacin hemmte die Transkription des Steroidogenese-Schlüsselproteins StAR über eine verminderte NR4A1-Expression, bei einem S-Phasen-Block in Leydig-Zellen (TM3) und G2/M-Block in Sertoli-Zellen (TM4) [s32]. Dazu passen Befunde bei Zebrabärblingen und jugendlichen Mäusen unter Ciprofloxacin und Enrofloxacin [s90] sowie die genexpressionsbasierte Spermatogenesestörung unter Gatifloxacin bereits bei Dosen, die Hodengewicht und Testosteron nicht änderten [s103]. Dagegen steht die Herstellerstudie mit Levofloxacin ohne Fertilitätsstörung bis 360 mg/kg [s262] und der Aspiratversuch, in dem Ciprofloxacin, Norfloxacin und Lomefloxacin keine Veränderung zeigten [s251]. Der Mechanismus ist daher für einzelne Wirkstoffe in einem Modell mit jugendlichen Mäusen gezeigt, nicht für die Klasse als Ganzes und nicht beim Menschen.

Entwicklungsfenster: fetaler und pubertärer Hoden. Amoxicillin (75 bis 300 mg/kg) und Azithromycin (50 bis 200 mg/kg) in der Trächtigkeit störten bei Mäusen den fetalen Hoden: abnorme Entwicklung, gehemmte Proliferation, vermehrte Apoptose, verminderte Steroidsynthese-Marker; am stärksten bei später (Amoxicillin) beziehungsweise mittlerer (Azithromycin) Trächtigkeit und hoher Dosis; beteiligt seien AKT- und ERK-Wege beziehungsweise TGFβ/Smad- und Nrf2-Wege [s76, s60]. Tetracyclin und Doxycyclin in der Pubertät führten bei Mäusen zu dünnerem Keimepithel, kürzerem Anogenitalabstand und mehr apoptotischen Spermien, noch mit 70 Tagen messbar [s176]; Doxycyclin von Geburt bis zum 49. Lebenstag senkte Testosteron und Spermienqualität [s126]. Sulfasalazin in der Trächtigkeit änderte die Hoden der Jungtiere in Kindheit und Pubertät, ohne dass im Erwachsenenalter Spermienbeeinträchtigungen blieben [s71]. Der Mechanismus (empfindliches Fenster der Organentwicklung) ist biologisch nachvollziehbar; beim Menschen fehlen Daten, und die Registerstudie zu väterlichen Verordnungen betrifft Geburtsausgänge, nicht Spermien [s116], und die US-Versicherungsdaten zeigen nur, wie häufig Antibiotika in der Phase der Spermatogenese verordnet werden [s61].

Spermienreifung im Nebenhoden und direkte Wirkung auf reife Spermien. Bei Ratten stand Sulfasalazin im Verdacht, die Synthese akrosomaler Membranproteine im Nebenhoden zu mindern: CD59, MCP und DAF waren im Nebenhoden signifikant vermindert, schon an Tag 1, vor dem Beweglichkeitsverlust ab Tag 7, ohne nennenswerte Veränderung der Hodengenexpression [s220, s213]. Ketoconazol führte bei sehr hoher Dosis (300 mg/kg) zu einer reversiblen Immobilisierung der Nebenhodenspermien, während der Testosteronabfall auch bei 100 mg/kg ohne Beweglichkeitsverlust auftrat; die Autoren schließen, Ketoconazol beeinflusse reife Spermien leichter als die testikuläre Spermatogenese [s261]. Aus Tierdaten ergibt sich damit die plausible Trennung von „Hormonwirkung“ und „direkter Spermienwirkung“.

Blut-Hoden-Schranke und Zytoskelett. Mebendazol (40 mg/kg über 3 und 7 Tage, Maus) störte Mikrotubuli und zerstörte vorübergehend die Blut-Hoden-Schranke mit Caspase-3-Aktivierung [s91]. Amodiaquin (5 bis 15 mg/kg, 2 Wochen, Ratte) störte die Blut-Hoden-Schranke, bei erhaltenen PLZF-positiven undifferenzierten Spermatogonien, sodass sich der Schaden im Verlauf erholte [s159]. Beide Befunde sind konsistent mit dem allgemeinen Prinzip, dass antimitotische Wirkstoffe Zellverbände der Spermatogenese treffen; sie sind in je einer Studie gezeigt.

DNA-Schaden und Störung der Meiose. Artesunat erhöhte bei Mäusen den DNA-Schaden im Comet-Test (Schadensindex 40,27 ± 6,62 und 37,07 ± 5,35 gegenüber 16,13 ± 3,21) [s169]; Aciclovir erhöhte DNA-Schäden und Chromatinanomalien [s181]; Albendazol und Levamisol verursachten signifikante DNA-Schäden der Spermien bei Böcken [s106]; Ethambutol erhöhte unreifes Chromatin und DNA-Schäden [s161]; Mäuse unter Antibiotika (Tetrazykline, Makrolide, Fluorchinolone) und unter Furacilin zeigten Störungen der synaptonemalen Komplexe der Meiose, die mit der Zeit abnahmen [s234, s178]; Nitrofurantoin erhöhte bei Mäusen die Zahl der Univalenten [s283]. In vitro erhöhten Ciprofloxacin und hochdosiert Doxycyclin die Spermien-DNA-Fragmentierung menschlicher Ejakulate [s98]. Beim Menschen stehen dem die gesenkten Fragmentierungsindizes nach antibiotischer Behandlung gegenüber [s207, s199, s22]: Die Richtung hängt also vom Ausgangszustand (Infektion) ab.

Besondere Strukturmerkmale. Bei Cephalosporinen verursachte nur Moxalactam mit einer Methylthiotetrazol-Seitenkette Atrophie der Hodenkanälchen und Fertilitätsdefizite, nicht Cefonicid und Cephalothin [s275]; Cefotetan, nicht Cefpirom, schädigte den Hoden junger Ratten [s266]. Das passt zu einer strukturabhängigen Wirkung innerhalb einer Klasse; die Strukturhypothese stammt aus der Quelle selbst und wurde nicht weiter geprüft.

Darmmikrobiom als Vermittler. Depletion der Darmmikrobiota durch Antibiotikakombinationen verminderte bei Mäusen die Nebenhodenspermienzahl und störte die Meiose über erhöhte Retinsäure aus Exosomen [s53]; sie änderte das Metabolom der Samenblasensekrete [s142]; sie veränderte piRNAs der Spermien und die Nachkommen [s39]; sie erhöhte in einem zweiten Modell die Wahrscheinlichkeit niedrigen Geburtsgewichts und vorzeitiger Sterblichkeit der Nachkommen, was durch Wiederherstellung der väterlichen Mikrobiota vor der Konzeption aufgehoben wurde [s49]; und sie verminderte Spermin im Darm und verstärkte einen Triptolid-Hodenschaden [s107]. Die Tierstudien sind in sich stimmig und stammen aus voneinander unabhängigen Gruppen; sie testen die Folgen einer weitgehenden Darmentleerung mit mehreren Antibiotika zugleich, nicht die einzelner Wirkstoffe in therapeutischer Dosis. Beim Menschen ist der Weg nicht geprüft. Eine Pilotstudie, die nach erfolgloser Antibiotikatherapie ein Synbiotikum gab, sah den Fragmentierungsindex von 32,4 auf 16,8 Prozent fallen [s11] und fand bei 75 Prozent von 20 Männern mit anhaltender Adnexdrüseninfektion eine Darmdysbiose [s30]; beides sind unkontrollierte Beobachtungen.

Spekulativ

Antibiotikaexposition aus Umwelt und Nahrung. Dass Antibiotika im Urin von 98,9 Prozent von 986 Männern nachweisbar sind und Erythromycin und Doxycyclin negativ mit Spermienkonzentration und Motilität assoziiert waren [s43], begründet die Hypothese einer niedrigdosierten Dauerexposition aus Tierhaltung, Lebensmitteln oder Wasser, wie sie die Übersicht [s55] diskutiert. Die Quelle der Substanzen ist nicht getrennt, die Studie ist querschnittlich, die zweite Studie [s41] geht beim Tetracyclin in die Gegenrichtung. Das reicht für eine Hypothese.

Väterliche Vererbung über Spermien-RNA und epigenetische Wege. Aus den Mausversuchen zur Mikrobiom-Depletion [s39, s49] lässt sich folgern, dass väterliche Exposition vor der Konzeption die Nachkommen beeinflussen könnte. Das ist am Menschen nicht geprüft; die dänische Registerstudie fand für Azithromycin (mehr als 1800 Nachkommen) keine Assoziation mit Frühgeburt oder schweren Fehlbildungen [s116].

Antioxidative Schutzwirkung von Tetrazyklinen. Doxycyclin schützte im Doxorubicin-Modell [s217], Minocyclin im Hitzestressmodell [s226], bei Ratten verbesserte Minocyclin Spermienparameter und Keimzellzahlen [s80], und bei Varikozele senkte es die Hodenapoptose [s96]. Die Autoren führen das auf antioxidative Wirkungen zurück, nicht auf die antibakterielle. Das widerspricht den Schadensbefunden unter Doxycyclin in anderen Tiermodellen [s126, s176]; die Richtung hängt offenbar von Modell, Dosis und Ausgangszustand ab. Eine klinische Bedeutung ist nicht untersucht.

Mechanismus der Efavirenz-Assoziation. In zwei Kohorten war Efavirenz mit verminderter Spermienmotilität verbunden (Median schneller Spermien 5 gegenüber 20 Prozent in den anderen Gruppen) [s165, s152]. Der Abstract nennt keinen Mechanismus; die Kausalität ist nicht nachgewiesen. In einer kleinen Studie unter Tenofovir, Lamivudin und Dolutegravir stieg die Motilität, aber auch die DNA-Fragmentierung [s84]; in vitro verminderten Dolutegravir, Tenofovir und Emtricitabin die Geschwindigkeitsparameter [s42].

Weitere einzelne Deutungen. Eine Antibiotikatherapie verbessere die Spermien, indem sie die antioxidative Aktivität erhöhe (Deutung der Autoren, ohne Wirkstoff und Zahlen) [s245]. Eine Eradikation von Helicobacter pylori senke seminales IgA und bessere die Beweglichkeit, bei Dreifachtherapie ohne Zuordnung zu einem Wirkstoff [s172]. Thiaminmangel und oxidativer Stress könnten bei Metronidazol Nerven- und Fertilitätsnebenwirkungen erklären (Rattenstudie mit Grapefruitsaft) [s113]. Eine SPATA6-Methylierung bei Amöbiasis und Metronidazol: Die Autoren betonen selbst, dass der Zusammenhang zwischen Methylierung und Fertilität unklar ist [s40]. Eine Anreicherung von Ivermectin in Spermien (5,33 ng/g gegenüber 0,98 ng/ml im Samenplasma beim Widder) ist ein Befund ohne gemessene Wirkung [s15]. Dass bei Clarithromycin und Ketoconazol in Quinestrol-Kombinationen Hormon- und Spermienmarker sinken, ist dem CYP3A4-Hemmprinzip zugeschrieben worden; ein Beitrag der Einzelstoffe lässt sich nicht trennen [s56, s57].

Übersicht der Mechanismen