Homidiumbromid

Strukturformel
Allgemeines
Name	Ethidiumbromid
Andere Namen	Homidiumbromid (INN) Homidium Ethidium® Novidium® 3,8-Diamino-5-ethyl- 6-phenyl-phenantridinium-bromid
Summenformel	C21H20N3Br
CAS-Nummer	1239-45-8
PubChem	14710
Kurzbeschreibung	rotbraunes kristallines Pulver
Eigenschaften
Molare Masse	394,32 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Schmelzpunkt	260–262 °C [1]
Löslichkeit	löslich in Wasser (40 g·l−1 bei 25 °C) [1]
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [2] Sehr giftig (T+) R- und S-Sätze R: 22-26-68 S: (1/2)-28-36/37-45-63
MAK	nicht festgelegt
LD50	110 mg/kg (Maus, subkutan) [3] 1503 mg/kg (Ratte, peroral) [4]
WGK	3 – stark wassergefährdend [1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Ethidiumbromid (EtBr), auch Ethidium oder Homidium genannt, ist ein roter Phenanthridin-Farbstoff, der in der Molekularbiologie zum Nachweis der Nukleinsäuren, DNA und RNA, verwendet wird.

Geschichte

Auf der Suche nach neuen Wirkstoffen gegen Trypanosomen-Erkrankungen wurde Ethidiumbromid 1938 von Carl Hamilton Browning synthetisiert (Substanz Nr. 897). Ethidiumbromid zeigte antitrypanosomale Aktivität gegen Trypanosoma congolense Infektionen bei Mäusen und Rindern.^[5] Ethidiumbromid wurde 1952 unter dem Handelsnamen Ethidium^® auf den Markt gebracht und extensiv in den 1960er und 1970er Jahren zur Behandlung und Prophylaxe von Infektionen mit Trypanosomen bei Rindern genutzt. Zu diesem Zweck wird Ethidiumbromid bis heute eingesetzt; eine Dosis von 1 mg/kg Körpergewicht dient sowohl der Behandlung infizierter Tiere als auch der Infektionsprophylaxe, die bis zu 3 Monate anhält.

1965 wurde entdeckt, dass Ethidiumbromid an DNA bindet^[6] und dass sich dabei sein Absorptionsspektrum verändert^[7]. 1972 wurde Ethidiumbromid erstmals zum Anfärben von DNA in Gelelektrophoresen eingesetzt.^[8][9][10]

Eigenschaften

Absorptionsspektrum von Ethidiumbromid in Wasser.

Das Absorptionsspektrum von Ethidiumbromid in Wasser zeigt zwei Absorptionsbanden im UV-Bereich (λ = 210 nm, ε = 40000; λ = 285, ε = 50000) mit zwei Schultern (λ = 316 nm, ε = 5000–10000; λ = 343 nm, ε = 200–500) und eine im sichtbaren Bereich (λ = 480 nm, ε = 5300).^[11][12]

Ethidiumbromid interkaliert in Nukleinsäuren und verändert dabei sein Absorptionsspektrum. Das Emissionsspektrum bleibt nahezu unverändert. Durch die Interkalation von Ethidiumbromid in Nukleinsäuren nimmt die Intensität der Fluoreszenz-Emission um den Faktor 50–100 zu.

Verwendung

Ethidiumbromid wird in der Molekularbiologie zum Anfärben von Nukleinsäuren bei der Gelelektrophorese verwendet. Einzelne Ethidiumbromid-Moleküle interkalieren dabei zwischen die Basen der DNA bzw. RNA (Einlagerung im Abstand von 10 Basenpaaren), wodurch sich das Anregungsspektrum von Ethidiumbromid verändert und so die Fluoreszenz der Substanz bei Anregung mit ultraviolettem Licht stark erhöht wird. Auf diese Weise leuchten im Agarosegel die Stellen, an denen sich Nukleinsäuren befinden, hell auf, während Stellen ohne Nukleinsäuren dunkel erscheinen. Die Lichtintensität ist dabei proportional zur vorliegenden DNA/RNA-Konzentration, sowie zur Länge der Nukleinsäure. Die verwendete Ethidiumbromid-Konzentration im Agarosegel liegt üblicherweise bei 0,1–0,5 µg/ml.

Ethidiumbromid inhibiert in niedrigen Konzentrationen (0,1–2 µg/ml) spezifisch die Replikation der mitochondrialen DNA (mtDNA) in Eukaryoten. Es wird daher zur Generierung von mtDNA-defizienter Zellen (rho zero cells, ρ⁰) verwendet.

Alternativen

Um sich nicht den Gefahren von Ethidiumbromid auszusetzen, können Alternativen, wie zum Beispiel SYBR Green I oder SYBR Gold, verwendet werden.^[13] Solche sind jedoch sehr teuer und deren Toxizität und Mutagenität unbekannt, so dass in vielen Labors immer noch Ethidiumbromid als Färbemittel eingesetzt wird.

Weitere Alternativen sind Methylenblau, Nilblau A, Acridinorange.

Risiken

Die Senatskomission der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe hat im Jahresbericht 2005 Ethidiumbromid als krebsverdächtigen Arbeitsstoff der Kanzerogenitäts-Kategorie 3B zugeordnet. Der Verdacht einer mutagenen Wirkung auf Keimbahnzellen wird als „begründet“ eingestuft.^[14] Im National Toxicology Program (Executive Summary) des NIH wird dazu bemerkt, dass kein Fall bekannt ist, wo Ethidiumbromid tatsächlich einen Tumor ausgelöst hätte. Stattdessen gab es einige Studien zu Beginn der 1970er Jahren, in denen eine antitumorgene Wirkung von Ethidiumbromid beschrieben wurde.^[15][16]

Ethidiumbromid wirkt erst in sehr hohen Konzentrationen akut toxisch. Die LD₅₀ von Ethidiumbromid für Ratten bei oraler Applikation wird mit 1503 mg/kg Körpergewicht angegeben.^[4]

Sicherheit

Ethidiumbromid ist möglicherweise erbgutverändernd. Die Verwendung von Handschuhen im Umgang mit Ethidiumbromid oder mit Ethidiumbromid-gefärbten Gelen ist dringend angezeigt, da Ethidiumbromid über die Haut resorbiert wird. Bösartige Hauttumoren nach Ethidiumbromidkontakt wurden beschrieben. Untersuchungen der Abteilung Arbeitssicherheit der Universität Freiburg haben gezeigt, dass die in Labors üblichen dünnwandigen Einmalhandschuhe aus Latex bereits nach sehr kurzer Zeit von Ethidiumbromid durchdrungen werden (1 %ige Lösung: ca. 30 s; 0,1 %ige Lösung: ca. 60 s). Handschuhe aus Nitril zeigten beim Test unter denselben Bedingungen keine nachweisbare Durchdringung und sind daher vorzuziehen. Trotzdem ist es ratsam, mit Ethidiumbromid kontaminierte Nitrilhandschuhe sofort auszuziehen. Latexhandschuhe sollten allenfalls als kurzfristiger Spritzschutz Verwendung finden.

Die Verwendung von gebrauchsfertigen Lösungen, beispielsweise einer Konzentration von 10 mg/ml in Wasser, wird empfohlen, um Staubentwicklung zu vermeiden.

Für Ethidiumbromid ist kein MAK-Wert festgelegt, da für krebserzeugende Arbeitsstoffe, krebsverdächtige Stoffe und Mutagene keine Wirkungsgrenzen ermittelt werden können. Hierzu wurden die Technischen Richtkonzentrationen entwickelt, die als Anhalt für Schutz- und Überwachungsmaßnahmen dienen.

Entsorgung

Ethidiumbromidhaltige Abfälle dürfen nicht ins Abwasser gelangen und müssen vor der Entsorgung inaktiviert werden, z. B. durch Adsorption des Ethidiumbromids an Aktivkohle (1 mg Aktivkohle adsorbiert ca. 50 ml einer frisch angesetzten 1 %igen EtBr-Lösung). Das ethidiumbromidfreie Eluat wird meist über den Ausguss entsorgt. Die beaufschlagte Aktivkohle wird entweder im Muffelofen ausgeglüht (Pyrolyse) oder als fester Sonderabfall getrennt gesammelt. Fertige Absorber sind kommerziell erhältlich.

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Eintrag zu Ethidiumbromid in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 31. Jan. 2007 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ Eintrag zu CAS-Nr. 1239-45-8 im European chemical Substances Information System ESIS
3. ↑ Ethidiumbromid bei ChemIDplus
4. ↑ ^{a b} ChemDAT. Die Merck Chemie Datenbank.
5. ↑ Browning, C.H. et al. (1938): The trypanocidal action of certain phenanthridinium compounds. In: J. Path. Bact. Bd. 46, S. 203–204. doi:10.1002/path.1700460121
6. ↑ Waring, M.J. (1965): Complex formation between ethidium bromide and nucleic acids. In: J. Mol. Biol. Bd. 13, S. 269–282. PMID 5859041
7. ↑ Le Pecq, J.B. and Paoletti, C. (1966): A new fluorometric method for RNA and DNA determination. Anal. Biochem. Bd. 17, S. 100–107. PMID 6008008
8. ↑ Borst, P. (2005): Ethidium DNA agarose gel electrophoresis: how it started. In: IUBMB Life. Bd. 57, S. 745–747. PMID 16511967
9. ↑ Aaij, C. und Borst, P. (1972): The gel electrophoresis of DNA. In: Biochim. Biophys. Acta. Bd. 269, S. 192–200. PMID 5063906
10. ↑ Sharp, P.A., Sugden, B., Sambrook, J. (1973): Detection of two restriction endonuclease activities in Haemophilus parainfluenzae using analytical agarose – ethidium bromide electrophoresis. In: Biochemistry. Bd. 12, S. 3055–3063. PMID 4354250
11. ↑ Bruce Hudson, Russell Jacobs: The ultraviolet transitions of the ethidium cation. In: Biopolymers. 14, Nr. 6, 1975, S. 1309-1312 (doi:10.1002/bip.1975.360140619). 
12. ↑ CAS Registry Number: 1239-45-8. In: National Toxicology Program. U.S. Department of Health and Human Services. Abgerufen am 16. Apr. 2009. (englisch)
13. ↑ Huang, Q. and Fu, W.L. (2005): Comparative analysis of the DNA staining efficiencies of different fluorescent dyes in preparative agarose gel electrophoresis. In: Clin. Chem. Lab. Med. Bd. 43, S. 841–842. PMID 16201894
14. ↑ Senatskomission der Deutsche Forschungsgemeinschaft zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe. Jahresbericht 2005. PDF
15. ↑ National Toxicology Program: Testing Status: Ethidium bromide
16. ↑ National Toxicology Program: Executive Summary: Ethidium Bromide

Weblinks

• Laborjournal online: Ethidiumbromid – Ein Mythos auf dem Prüfstand und Eine etwas wunderliche Nachlese