Pyrethroide sind synthetische Insektizide, die an die Hauptwirkstoffe des natürlichen Insektizids Pyrethrum angelehnt sind. Eine Definition allein anhand der chemischen Struktur ist nicht möglich. Die Struktur eines Pyrethroids sollte von einem der natürlichen Pyrethrine hergeleitet werden können und seine biologischen Eigenschaften im Wesentlichen mit denen der bekannten Pyrethroide übereinstimmen.J. H. Davies: The pyrethroids: an historical introduction. In: J. P. Leahey (Hrsg.): The Pyrethroid Insecticides. Taylor & Francis, London/Philadelphia 1985, ISBN 0-85066-283-4. Typisch für Pyrethroide sind ihre rasche Wirksamkeit („“) auch bei niedriger Dosierung, die geringe Giftigkeit für Warmblüter, Lipophilie und ein niedriger Dampfdruck. Pyrethroide sind billiger und in größeren Mengen herstellbar als Pyrethrum, meist sind sie besser wirksam. Einige Pyrethroide sind photostabil und damit relativ langlebig.
Geschichte mini|Pyrethrin I, Vorbild für die Pyrethroide
Die wirksamen Bestandteile des Pyrethrums wurden um 1924 durch Leopold Ružička und Hermann Staudinger ermittelt. Sie klärten die Struktur der wirksamen Pyrethrine weitgehend auf und stellten die ersten synthetischen Derivate her.
Die kommerziell hergestellten Pyrethroide können je nach Entwicklungszeit vier unterschiedlichen Generationen zugeordnet werden.
mini|links|Struktur von Allethrin I (R = –CH3), dem ersten Pyrethroid, und Allethrin II (R = –COOCH3) Zur ersten Generation gehört nur das 1949 erstmals synthetisierte und 1954 von der japanischen Firma Sumitomo Chemical auf den Markt gebrachte Allethrin I, dessen Struktur dem Pyrethrin I noch sehr ähnlich ist. Unter Lichteinwirkung zersetzt es sich sehr schnell, die Synthese ist aufwändig. Allethrin I ist gegen die meisten Insekten weniger wirksam als natürliche Pyrethrine. Eine zweite Generation von Pyrethroiden kam zwischen 1965 und 1973 mit Tetramethrin, Resmethrin, Bioresmethrin, Bioallethrin und Phenothrin auf den Markt. Einige Wirkstoffe dieser zweiten Generation waren 20-fach (Resmethrin) oder 50-fach (Bioresmethrin) stärker wirksam als Pyrethrum. Fenvalerat und Permethrin sind Wirkstoffe der dritten Pyrethroid-Generation. Sie waren aufgrund ihrer verbesserten Photostabilität als erste Pyrethroid-Wirkstoffe in der Landwirtschaft einsetzbar.
mini|Flucythrinat Alle später auf den Markt gekommenen Wirkstoffe zählen zur vierten Generation, die beispielsweise Bifenthrin, Cypermethrin, Cyfluthrin, Deltamethrin, Flucythrinat und Prallethrin umfasst.George W. Ware, David M. Whitacre: An Introduction to Insecticides. Auszug aus: The Pesticide Book, 6. Auflage, 2004 (abgerufen am 22. September 2007). Der wirtschaftliche Durchbruch der Pyrethroide kam mit der Einführung photostabiler Verbindungen für die Landwirtschaft. Auf dem Weltmarkt wurden 1976 Pyrethroide im Endverkaufswert von 10 Millionen US-$ abgesetzt, bereits 1983 waren es 630 Millionen US-$. Dieser kommerzielle Erfolg beruhte fast ausschließlich auf Fenvalerat, Deltamethrin, Cypermethrin und Permethrin.J. J. Hervé: Agricultural, public health and animal health usage. in J. P. Leahey (Hrsg.): The Pyrethroid Insecticides. Taylor & Francis, London/Philadelphia 1985, ISBN 0-85066-283-4. Die Zahl der bisher im Labormaßstab synthetisierten Pyrethroide wird auf rund 1000 geschätzt.Susanne Smolka, Patricia Cameron: (PDF; 1,1 MB). WWF Deutschland (Hrsg.), Frankfurt am Main, Stand Mai 2002.
Einen wesentlichen Anteil an der Entwicklung hatte Michael Elliott vom britischen Rothamsted Research, dessen Gruppe in den 1960er Jahren Bioresmethrin und Resmethrin und später in den 1970er Jahren Deltamethrin, Cypermethrin und Permethrin entwickelte.
Chemische Strukturen mini|220px|links|Allethrin I, ein Ester bestehend aus Chrysanthemumsäure (rot), und dem Alkoholrest Allethrolon (blau)
Die natürlich vorkommenden Pyrethrine und die Mehrzahl der Pyrethroide sind Ester aus einer Säurekomponente und einem Alkoholrest. Die Moleküle besitzen meist ein oder mehrere Chiralitätszentren, die dadurch unterscheidbaren Enantiomere oder Diastereomere sind fast immer verschieden wirksam. Allethrin ist beispielsweise der Ester des racemischen Alkohols Allethrolon mit racemischer cis/trans-Chrysanthemumsäure. Zur Herstellung des weit stärker wirksamen Bioallethrin wird bei identischer Struktur ausschließlich (1R)-trans-Chrysanthemumsäure verwendet. Ähnliches gilt für (S)-Bioallethrin, das zudem nur aus dem (S)-Enantiomer des Allethrolon besteht.
mini|220px|Komponenten einiger früher Pyrethroide, alle mit Chrysanthemumsäurerest (rot) Bei der Suche nach neuen Wirkstoffen wurde zunächst der Chrysanthemumsäurerest beibehalten und die Alkoholkomponente variiert. Sie wurde beispielsweise durch einen 3,4-Dimethylbenzylrest (Dimethrin), Furyl- (Resmethrin) oder Phthalimidderivate (Tetramethrin) ersetzt. Anfang der 1970er Jahre wurde der Alkoholrest durch eine 3-Phenoxybenzylgruppe ersetzt, bei der durch Hinzufügen einer Cyanogruppe an der α-Position die Wirksamkeit deutlich gesteigert werden kann (Cyphenothrin u. a.).
Durch Einfügen einer Dichlor-, Dibrom- oder Difluorvinylgruppe in den Chrysanthemumsäurerest konnten photostabile Pyrethroide wie Permethrin, Deltamethrin und Cypermethrin hergestellt werden. Auch der Ersatz der Chrysanthemumsäure durch Derivate der Phenylessigsäure führte wie bei Fenvalerat zu photostabilen Produkten.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften Die Pyrethroide sind stark lipophil, ihr logarithmierter Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient liegt im Bereich von 4,2 (Tetramethrin) bis 8,6 (Flumethrin). Die Wasserlöslichkeit ist mit 5 mg/l (Tetramethrin) bis 0,0003 mg/l (Flumethrin) gering bis sehr gering.Klaus Naumann: Synthetic Pyrethroid Insecticides: Structures and Properties. Springer-Verlag, Berlin, 1990, ISBN 0-387-51313-2.
Wirkungsweise Wie Pyrethrum sind Pyrethroide Kontaktgifte, die die spannungsabhängigen Natriumkanäle in den Zellmembranen von Nervenzellen irreversibel blockieren, wodurch deren Repolarisation verhindert wird. Na+-Ionen strömen nun ungehindert vom extrazellulären in den intrazellulären Raum und heben das Membranpotential auf. Es stellt sich eine elektrisch neutrale Ladung ein, sodass die Zelle depolarisiert bleibt und kein Aktionspotential mehr ausgelöst werden kann. Die Folge ist eine spastische Lähmung und bei Insekten eine schnelle Immobilisierung, die noch vor dem Tod eintritt und als "knockdown-Effekt" bezeichnet wird.
Pyrethroide wirken in der Regel sehr schnell und die Wirkung tritt bei den weniger lipophilen Pyrethroiden rascher ein als bei den stark lipophilen. Sie sind sehr giftig für Insekten – inklusive Nützlinge –, Fische, Amphibien, Reptilien und Katzen.
Resistenzen Resistenzen gegen Pyrethroide gehen hauptsächlich auf die vermehrte Produktion von abbauenden Enzymen wie Esterasen und „mischfunktionellen“ Oxidasen zurück. Bei einer hohen Aktivität dieser Enzyme werden auch einige andere Insektizide wie DDT, Phosphorsäureester und Carbamate schneller abgebaut, man spricht hier von Kreuzresistenz. Synergisten wie das häufig verwendete Piperonylbutoxid stören den enzymatischen Abbau von Pyrethroiden. Damit verbessern sie deren Wirksamkeit und erschweren die Resistenzbildung. Bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe wird versucht, die enzymatische Abbaubarkeit durch Anpassen der Molekülstruktur zu verringern. Einige Insektizide aus anderen Wirkstoff-Familien werden durch Esterasen und Oxidasen erst in ihre „aktive“ Form überführt. Sie zeigen somit eine „negative Kreuzresistenz“, wirken also auf pyrethroid-resistente Insektenstämme stärker als auf nicht-resistente.
Eine Resistenz gegen Pyrethroide kann auch erworben werden, wenn das Protein am Natriumkanal der Nervenzelle verändert wird. Es sind mehrere durch Mutationen ausgelöste Veränderungen der α-Untereinheit des Kanalproteins (VGSC-Protein) bekannt, die einzeln oder gemeinsam auftreten und zu einer Insensitivität gegenüber dem Pyrethroid führen. Da die Hemmung des Natriumkanals eine schnelle Immobilisierung der Insekten durch eine spastische Lähmung auslöst, was als „knockdown“ bezeichnet wird, nennen sich die Resistenzen „knockdown resistance“ (abgekürzt kdr). Während einzelne Mutationen die Empfindlichkeit gegen alle Pyrethroide um den Faktor 20 bis 50 senken, können andere auch als „super-kdr“ bezeichnete Mutationen die Toleranz für bestimmte Typ I-Pyrethroide um das 500-fache erhöhen. Diese Mutationen verstärken andererseits die Empfindlichkeit gegen zwei andere Klassen von Insektiziden, die N-Alkylamide und die Dihydropyrazole. Die häufigste Form der Resistenz ist aber inzwischen eine Kombination dreier Punktmutationen (M815I, T917I, L920F), die zunehmend häufiger zu finden sind. So wurden diese Mutationen 2010–2012 bei Kopfläusen zu 33–100 % in Kalifornien, Florida und Texas, zu 97 % in Kanada und zu 98,7 % in Paris gefunden.Olivier Chosidow, Bruno Giraudeau: Topical Ivermectin – A Step toward Making Head Lice Dead Lice? In: New England Journal of Medicine. 2012, Band 367, Ausgabe 18 vom 1. November 2012, S. 1750–1752, doi:10.1056/NEJMe1211124.
Verwendung Medizin Pyrethroide sind als insektizide Wirkstoffe in Präparaten gegen Läuse enthalten. In Deutschland sind Allethrin und Permethrin Wirkstoffe zugelassener Präparate gegen Kopf-, Filz- und Kleiderläuse sowie gegen Krätzemilben (Krätze).Richter, Müller-Stöver, Walter, Mehlhorn, Häussinger: Kopfläuse – Umgang mit einer wieder auflebenden Parasitose. In: Deutsches Ärzteblatt. 102, 9. September 2005, S. A-2395. Seit 2004 ist dort zur Behandlung der Krätze auch eine permethrinhaltige Salbe zugelassen.Haustein, Paasch: Krätze weiterhin verbreitet: Endemien in Pflegeheimen erfordern konsequente Synchronbehandlung. In: Deutsches Ärzteblatt. 102, 10. Januar 2005, S. A-45. Bei einer Studie in Wales fand man bei Kopfläusen bei 82 % der Fälle Resistenz oder verminderte Wirksamkeit von Pyrethroiden. Eine israelische Studie berichtet ebenfalls von verbreiteter Pyrethroid-Resistenz bei Kopfläusen. Nach Angaben des Robert Koch-Instituts sind diese Ergebnisse nicht direkt auf Deutschland übertragbar, wo bislang nur vereinzelt resistente Läuse aufgetreten sind.aerzteblatt-studieren.de: 16. Juni 2006.
Vektorbekämpfung Einige Staaten schreiben vor, das Innere ankommender Flugzeuge mit Insektiziden zu behandeln, damit keine Krankheitsvektoren eingeschleppt werden. Dazu versprüht man Pyrethroide mit Kurzzeitwirkung (Pyrethrine, d-Phenothrin, Resmethrin, Bioresmethrin) in der Kabinenluft, Substanzen mit Langzeitwirkung (Permethrin) werden zur Behandlung von Oberflächen eingesetzt.BfR: Neues Verfahren zur Flugzeugdesinfektion schont Passagiere und Besatzung (PDF; 40 kB).Christian Felten:
Bei der Bekämpfung der malariaübertragenden Anopheles-Mücken spielen Pyrethroide heute eine wichtige Rolle. Sie können allerdings nicht auf dieselbe Weise wie DDT zum Besprühen der Wände () verwendet werden. Ihre starke Repellent-Wirkung verhindert, dass sich die Mücken auf den Wänden absetzen. Falls sich dennoch Mücken setzen, werden sie durch die „“-Wirkung betäubt, fallen auf den Boden und erholen sich nach einiger Zeit oft wieder. Langlebige Pyrethroide werden allerdings zum Imprägnieren von Moskitonetzen verwendet, was von der WHO seit 1992 zur Malariabekämpfung empfohlen wird.Christian Simon: DDT – Kulturgeschichte einer chemischen Verbindung. Christoph Merian Verlag, Basel 1999, ISBN 3-85616-114-7.
Tiermedizin In der Tiermedizin werden Pyrethroide eingesetzt, um Ektoparasiten bei Haustieren abzuwehren oder zu behandeln. Hierzu gehören unter anderem Kopf- und Weidestechfliegen, Bremsen, Flöhe und Tierläuse, Lausfliegen, Zecken, diverse Milben, Haar- und Federlinge. In Deutschland sind dafür zurzeit Cyfluthrin, Cypermethrin, Deltamethrin, Flumethrin und Permethrin Wirkstoffe zugelassener Arzneimittel, in der Vergangenheit waren es auch Fenvalerat und Flucythrinat.