Historia penicyliny - History of penicillin

Rdzeń struktury penicyliny, gdzie R jest grupą zmienną
Pleśń Fleminga, Penicillium rubens CBS 205.57. A–C. Kolonie 7-dniowe 25 °CA CYA. B. MEA. TAK. D–H. Kondiofory. I. Konidia. Pręty = 10 µm.

Historia penicyliny następuje liczbę obserwacji i odkryć pozornej dowodów aktywności antybiotyku formy Penicillium , które doprowadziły do opracowania penicylin , które stały się najszerzej stosuje się antybiotyki . Po zidentyfikowaniu Penicillium rubens jako źródła związku w 1928 roku i produkcji czystego związku w 1942 roku, penicylina stała się pierwszym antybiotykiem pochodzenia naturalnego. Istnieją anegdoty o starożytnych społeczeństwach używających pleśni do leczenia infekcji, aw następnych stuleciach wiele osób zaobserwowało hamowanie rozwoju bakterii przez różne pleśnie. Nie wiadomo jednak, czy chodziło o gatunki Penicillium, czy też wytworzone substancje przeciwdrobnoustrojowe to penicylina.

Pracując w St Mary's Hospital w Londynie, szkocki lekarz Alexander Fleming jako pierwszy eksperymentalnie odkrył, że pleśń Penicillium wydziela substancję przeciwbakteryjną i jako pierwszy skoncentrował substancję czynną, którą nazwał penicyliną w 1928 roku. być rzadkim wariantem Penicillium notatum (obecnie Penicillium rubens ), zanieczyszczenia laboratoryjnego w jego laboratorium. Przez kolejne 16 lat zajmował się coraz lepszymi metodami produkcji penicyliny, zastosowaniami leczniczymi i badaniami klinicznymi. Jego skuteczne leczenie Harry'ego Lamberta, który w 1942 roku cierpiał na śmiertelne zapalenie opon mózgowo - rdzeniowych wywołane przez paciorkowce, okazało się krytycznym momentem w medycznym zastosowaniu penicyliny.

Wielu późniejszych naukowców było zaangażowanych w stabilizację i masową produkcję penicyliny oraz w poszukiwania bardziej produktywnych szczepów Penicillium . Ważnymi współpracownikami są Ernst Chain , Howard Florey , Norman Heatley i Edward Abraham . Fleming, Florey i Chain podzielili Nagrodę Nobla z roku 1945 w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie i rozwój penicyliny. Dorothy Hodgkin otrzymała w 1964 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii określającej struktury ważnych substancji biochemicznych, w tym penicyliny. Krótko po odkryciu penicyliny pojawiły się doniesienia o oporności wielu bakterii na penicylinę. Badania mające na celu obejście i zrozumienie mechanizmów oporności na antybiotyki trwają do dziś.

Wczesna historia

Wiele starożytnych kultur, w tym te w Egipcie , Grecji i Indiach , niezależnie odkryło użyteczne właściwości grzybów i roślin w leczeniu infekcji . Te zabiegi często działały, ponieważ wiele organizmów, w tym wiele gatunków pleśni, naturalnie wytwarza substancje antybiotyczne . Jednak starożytni praktykujący nie byli w stanie precyzyjnie zidentyfikować ani wyizolować aktywnych składników tych organizmów.

W XVII-wiecznej Polsce mokry chleb mieszano z pajęczynami (które często zawierały zarodniki grzybów ) w celu leczenia ran. O technice tej wspomniał Henryk Sienkiewicz w swojej książce Ogniem i mieczem z 1884 roku . W Anglii w 1640 pomysł wykorzystania pleśni jako formy leczenia został odnotowany przez aptekarzy takich jak John Parkinson, King's Herbarian, który opowiadał się za użyciem pleśni w swojej książce o farmakologii .

Wczesne dowody naukowe

Współczesna historia badań nad penicyliną zaczyna się na dobre w latach 70. XIX wieku w Wielkiej Brytanii. Sir John Scott Burdon-Sanderson , który zaczynał w St. Mary's Hospital (1852-1858), a później pracował tam jako wykładowca (1854-1862), zauważył, że płyn hodowlany pokryty pleśnią nie powoduje rozwoju bakterii . Odkrycie Burdona-Sandersona skłoniło Josepha Listera , angielskiego chirurga i ojca nowoczesnej antyseptyki , do odkrycia w 1871 roku, że próbki moczu skażone pleśnią również nie pozwalają na rozwój bakterii. Lister opisał również działanie antybakteryjne na ludzką tkankę gatunku pleśni, który nazwał Penicillium glaucum . Pielęgniarz z King's College Hospital, którego rany nie reagowały na żaden tradycyjny środek antyseptyczny, otrzymał następnie inną substancję, która go wyleczyła, a rejestrator Listera poinformował go, że nazywa się ona Penicillium . W 1874 roku walijski lekarz William Roberts , który później ukuł termin „ enzym ”, zaobserwował, że w hodowlach laboratoryjnych Penicillium glaucum generalnie nie ma skażenia bakteryjnego . John Tyndall kontynuował prace Burdona-Sandersona i zademonstrował Towarzystwu Królewskiemu w 1875 roku działanie antybakteryjne grzyba Penicillium .

W 1876 r. niemiecki biolog Robert Koch odkrył, że Bacillus anthracis jest patogenem wywołującym wąglika , co stało się pierwszym dowodem na to, że konkretna bakteria powoduje określoną chorobę, i pierwszym bezpośrednim dowodem na zarodkową teorię chorób . W 1877 roku francuscy biolodzy Louis Pasteur i Jules Francois Joubert zaobserwowali, że kultury pałeczek wąglika, zanieczyszczone pleśnią, mogą być skutecznie hamowane. Raportując w Comptes Rendus de l'Académie des Sciences , doszli do wniosku:

Mocz obojętny lub lekko zasadowy jest doskonałą pożywką dla bakterii... Ale jeśli po zaszczepieniu moczu tymi bakteriami w tym samym czasie zostanie wysiany organizm tlenowy, na przykład jedna z "pospolitych bakterii", bakteria wąglika niewielki lub żaden wzrost i prędzej czy później całkowicie wymiera. Niezwykłe jest to, że to samo zjawisko obserwuje się w organizmie nawet tych zwierząt najbardziej podatnych na wąglik, co prowadzi do zdumiewającego rezultatu, że bakterie wąglika mogą być wprowadzone w obfitości do zwierzęcia, które jeszcze nie rozwija choroby; do płynu zawierającego zawiesinę bakterii wąglika trzeba tylko dodać jednocześnie trochę „pospolitych bakterii”. Te fakty być może uzasadniają największe nadzieje na terapię.

Zjawisko to zostało opisane przez Pasteur i Koch jako aktywność przeciwbakteryjną i został nazwany jako „antybioza” przez francuski biolog Jean Paul Vuillemina w 1877 roku (termin antybioza, czyli „przeciw życiu”, został przyjęty jako „ antybiotyk ” przez amerykańskiego biologa i późniejszym Nobla laureat Selman Waksman w 1947 r.) Stwierdzono również, że Pasteur zidentyfikował ten szczep jako Penicillium notatum . Jednak Paul de Kruif z 1926 r. Łowcy mikrobów opisuje ten incydent jako zanieczyszczenie przez inne bakterie, a nie przez pleśń. W 1887 roku szwajcarski lekarz Carl Alois Philipp Garré opracował metodę testową wykorzystującą szklaną płytkę, aby zobaczyć inhibicję bakteryjną i uzyskał podobne wyniki. Używając swojej płytki hodowlanej na bazie żelatyny, wyhodował dwie różne bakterie i stwierdził, że ich wzrost jest różnie hamowany, jak donosi:

Zaszczepiłem na nietkniętej schłodzonej [żelatynowej] płytce naprzemiennie równoległe pociągnięcia B. fluorescens [ Pseudomonas fluorescens ] i Staph. pyogenes [ Streptococcus pyogenes ]... B. fluorescens rosło szybciej... [To] nie jest kwestia przerostu lub wypierania jednego przez drugiego szybciej rosnących gatunków, jak w ogrodzie, gdzie bujnie rosnące chwasty zabijają delikatne rośliny . Nie wynika to również z wykorzystania dostępnego pokarmu przez organizmy szybciej rosnące, ale z antagonizmu spowodowanego wydzielaniem specyficznych, łatwo dyfuzyjnych substancji, które hamują wzrost jednych gatunków, ale są całkowicie nieskuteczne w stosunku do innych.

W 1895 roku Vincenzo Tiberio , włoski lekarz z Uniwersytetu w Neapolu , opublikował badania na temat pleśni początkowo znalezionych w studni wodnej w Arzano ; na podstawie swoich obserwacji wywnioskował, że pleśnie te zawierają rozpuszczalne substancje o działaniu przeciwbakteryjnym.

Dwa lata później Ernest Duchesne z École du Service de Santé Militaire w Lyonie niezależnie odkrył lecznicze właściwości pleśni Penicillium glaucum , a nawet wyleczył zarażone świnki morskie z tyfusu . Opublikował rozprawę w 1897 r., ale została ona zignorowana przez Instytut Pasteura . Duchesne sam korzystał z odkrycia dokonanego wcześniej przez arabskich chłopców stajennych, którzy używali pleśni do leczenia ran u koni. Nie twierdził, że pleśń zawiera jakąkolwiek substancję antybakteryjną, tylko że pleśń w jakiś sposób chroni zwierzęta. Penicylina wyizolowana przez Fleminga nie leczy tyfusu, więc nie wiadomo, która substancja mogła być odpowiedzialna za wyleczenie Duchesne'a. Naukowiec z Instytutu Pasteura, Kostarykańczyk Clodomiro Picado Twight , podobnie odnotował działanie antybiotykowe Penicillium w 1923 roku. Na tych wczesnych etapach badań nad penicyliną większość gatunków Penicillium była niespecyficznie określana jako Penicillium glaucum , tak że nie można tego poznać. dokładny gatunek i że to właśnie penicylina zapobiegała rozwojowi bakterii.

Andre Gratia i Sara Dath z Wolnego Uniwersytetu w Brukseli badali wpływ próbek pleśni na bakterie. W 1924 roku odkryli, że martwe kultury Staphylococcus aureus zostały skażone przez pleśń, streptomycete . Po dalszych eksperymentach wykazali, że ekstrakt z pleśni może zabić nie tylko S. aureus , ale także Pseudomonas aeruginosa , Mycobacterium tuberculosis i Escherichia coli . Gratia nazwał środek przeciwbakteryjny „mikolizatem” (zabójcza pleśń). W następnym roku odkryli kolejną zabójczą pleśń, która może hamować bakterię wąglika ( B. anthracis ). Raporty w Comptes Rendus Des Seances de La Société de Biologie et de Ses Filiales zidentyfikowali pleśń jako Penicillium glaucum . Jednak odkrycia te spotkały się z niewielką uwagą, ponieważ środek przeciwbakteryjny i jego wartość medyczna nie zostały w pełni zrozumiane; ponadto próbki Gratii zaginęły.

Przełomowe odkrycie

Tło

Alexander Fleming w swoim laboratorium w St Mary's Hospital w Londynie

Penicylinę odkrył szkocki lekarz Alexander Fleming w 1928 roku. Pracując w St Mary's Hospital w Londynie , Fleming badał schemat zmienności S. aureus . Zainspirowało go odkrycie irlandzkiego lekarza Josepha Warwicka Biggera i jego dwóch studentów CR Boland i RAQ O'Meara w Trinity College w Dublinie w Irlandii w 1927 roku . Bigger i jego uczniowie odkryli, że kiedy wyhodowali konkretny szczep S. aureus, który nazwali „Y”, który wyizolowali rok wcześniej z ropy ropnia pachowego jednego osobnika, bakteria rozrosła się do różnych szczepów. Opublikowali swoje odkrycie jako „Wariant kolonii Staphylococcus aureus ” w The Journal of Pathology and Bacteriology , stwierdzając:

Byliśmy zdziwieni i raczej zaniepokojeni, gdy znaleźliśmy na wielu płytkach różne typy kolonii, które całkowicie odbiegały od typowej kolonii aureus . Niektóre z nich były całkiem białe; niektóre, białe lub w zwykłym kolorze, miały szorstką powierzchnię i ząbkowane brzegi.

Fleming i jego naukowiec Daniel Merlin Pryce przeprowadzili ten eksperyment, ale Pryce został przeniesiony do innego laboratorium na początku 1928 roku. Po kilku miesiącach samotnej pracy do Fleminga dołączył nowy uczony Stuart Craddock. Ich eksperyment zakończył się sukcesem, a Fleming planował i zgodził się napisać raport w Systemie Bakteriologii, który zostanie opublikowany przez Radę Badań Medycznych do końca 1928 roku.

Wstępne odkrycie

W sierpniu Fleming spędził wakacje z rodziną w swoim wiejskim domu The Dhoon w Barton Mills w Suffolk. Przed opuszczeniem laboratorium zaszczepił kilka płytek hodowlanych S. aureus. Odłożył talerze w rogu stołu z dala od bezpośredniego światła słonecznego, aby zrobić miejsce dla Craddocka do pracy pod jego nieobecność. Podczas wakacji został mianowany profesorem bakteriologii w Szkole Medycznej Szpitala Mariackiego 1 września 1928 r. Przybył do swojego laboratorium 3 września, gdzie czekał na niego Pryce. Kiedy on i Pryce zbadali płytki hodowlane, znaleźli jedną z otwartą pokrywką i kulturę zanieczyszczoną niebiesko-zieloną pleśnią. W skażonej płytce bakterie wokół pleśni nie rozwijały się, podczas gdy te dalej rosły normalnie, co oznacza, że ​​pleśń zabiła bakterie. Fleming skomentował, patrząc na talerz: „To zabawne”. Pryce zwrócił się do Fleminga: „W ten sposób odkryłeś lizozym ”.

Eksperyment

Szpital St Mary's pokazujący laboratorium Fleminga i Praed Street

Fleming wyjechał, aby wznowić wakacje i wrócił na eksperymenty pod koniec września. Zebrał oryginalną pleśń i wyhodował ją na płytkach hodowlanych. Po czterech dniach stwierdził, że na płytkach powstały duże kolonie pleśni. Powtórzył eksperyment z tymi samymi wynikami zabijania bakterii. Później opowiedział swoje doświadczenie:

Kiedy obudziłem się tuż po świcie 28 września 1928 roku, z pewnością nie planowałem rewolucjonizowania medycyny poprzez odkrycie pierwszego na świecie antybiotyku, czyli zabójcy bakterii. Ale przypuszczam, że to właśnie zrobiłem.

Doszedł do wniosku, że pleśń uwalnia substancję hamującą rozwój bakterii, i wyprodukował bulion hodowlany pleśni, a następnie skoncentrował składnik antybakteryjny. Po przetestowaniu różnych bakterii odkrył, że pleśń może zabijać tylko określone bakterie. Na przykład, łatwo zabijały gronkowce , paciorkowce i pałeczki błonicy ( Corynebacterium diphtheriae ); ale nie miał wpływu na bakterię durową ( Salmonella typhimurium ) i pałeczki grypy ( Haemophilus influenzae ). Przygotował metodę wielkokulturową, dzięki której mógł uzyskać duże ilości soku z pleśni. Nazwał ten sok „penicyliną”, wyjaśniając, że „aby uniknąć powtórzenia dość kłopotliwej frazy „przefiltrowany bulion z pleśni”, zostanie użyta nazwa „penicylina”. Nazwisko to wymyślił 7 marca 1929 r. Później (w wykładzie noblowskim) dał dalsze wyjaśnienie, mówiąc:

Często pytano mnie, dlaczego wymyśliłem nazwę „Penicylina”. Po prostu podążałem perfekcyjnie ortodoksyjnymi liniami i ukułem słowo, które wyjaśniało, że substancja penicylina pochodzi z rośliny z rodzaju Penicillium, tak jak wiele lat temu wynaleziono słowo „ Digitalin ” dla substancji pochodzącej z rośliny Digitalis .

Fleming nie miał wykształcenia chemicznego, więc wszystkie prace chemiczne zostawił Craddockowi – powiedział kiedyś: „Jestem bakteriologiem, a nie chemikiem”. W styczniu 1929 zwerbował Fredericka Ridleya, swojego byłego badacza, który studiował biochemię, specjalnie do badania właściwości chemicznych pleśni. Nie udało im się jednak wyizolować penicyliny i przed zakończeniem eksperymentów Craddock i Ridley opuścili Fleming, by zająć się inną pracą. To z powodu ich niepowodzenia w wyizolowaniu związku Fleming praktycznie zaniechał dalszych badań nad chemicznymi aspektami penicyliny, chociaż przeprowadzał testy biologiczne do 1939 roku.

Identyfikacja pleśni

Penicillium rubens (próbka typowa)

Po porównaniu strukturalnym z różnymi gatunkami Penicillium , Fleming początkowo sądził, że jego okazem jest Penicillium chrysogenum , gatunek opisany przez amerykańskiego mikrobiologa Charlesa Thoma w 1910 roku. Miał szczęście, że Charles John Patrick La Touche, irlandzki botanik, niedawno dołączył jako mykolog na Mariackiej zbadać grzyby jako przyczynę astmy. La Touche zidentyfikował okaz jako Penicillium rubrum, identyfikację użytą przez Fleminga w jego publikacji.

W 1931 Thom ponownie zbadał różne Penicillium, w tym okaz Fleminga. Doszedł do mylącego wniosku, stwierdzając, że „Ad. 35 [okaz Fleminga] to P. notatum WESTLING. Jest to członek serii P. chrysogenum z mniejszymi konidiami niż sam P. chrysogenum ”. P. notatum został opisany przez szwedzkiego chemika Richarda Westlinga w 1811 roku. Od tego czasu pleśń Fleminga była synonimicznie określana jako P. notatum i P. chrysogenum. Ale Thom zaadoptował i spopularyzował użycie P. chrysogenum. Oprócz P. notatum , nowo odkryte gatunki, takie jak P. meleagrinum i P. cyaneofulvum, zostały uznane za członków P. chrysogenum w 1977 roku . Aby rozwiązać zamieszanie, XVII Międzynarodowy Kongres Botaniczny, który odbył się w Wiedniu w Austrii, w 2005 r. formalnie przyjął nazwę P. chrysogenum jako nazwę zachowaną ( nomen conservandum ). Sekwencja całego genomu i analiza filogenetyczna w 2011 r. wykazały, że pleśń Fleminga należy do P. rubens , gatunku opisanego przez belgijskiego mikrobiologa Philiberta Biourge w 1923 r., a także, że P. chrysogenum jest innym gatunkiem.

Źródło skażenia grzybami w eksperymencie Fleminga pozostawało spekulacją przez kilkadziesiąt lat. Sam Fleming zasugerował w 1945 roku, że zarodniki grzybów przedostały się przez okno wychodzące na Praed Street . Ta historia została uznana za fakt i została spopularyzowana w literaturze, począwszy od książki George'a Lackena z 1945 roku The Story of Penicylina . Ale później zostało to zakwestionowane przez jego współpracowników, w tym Pryce'a, który zeznał znacznie później, że okno laboratorium Fleminga było cały czas zamknięte. Ronald Hare zgodził się również w 1970 roku, że okno było najczęściej zamykane na klucz, ponieważ trudno było do niego dotrzeć ze względu na duży stół z umieszczonymi przed nim aparatami. W 1966 La Touche powiedział Hare'owi, że podał Flemingowi 13 próbek grzybów (10 z jego laboratorium) i tylko jeden z jego laboratorium wykazywał działanie przeciwbakteryjne podobne do penicyliny. Od tego momentu osiągnięto konsensus, że pleśń Fleminga pochodzi z laboratorium La Touche, które znajdowało się piętro niżej w budynku, a zarodniki unosiły się w powietrzu przez otwarte drzwi.

Odbiór i publikacja

Odkrycie Fleminga nie było początkowo uważane za odkrycie ważne. Nawet gdy pokazywał swoje talerze z kulturą kolegom, wszystko, co otrzymał, to obojętna odpowiedź. Opisał odkrycie 13 lutego 1929 r. przed Klubem Medycznym . Jego prezentacja zatytułowana „Pożywka do izolacji prątków Pfeiffera ” nie zyskała szczególnej uwagi.

W 1929 roku Fleming zgłosił swoje odkrycia do British Journal of Experimental Pathology 10 maja 1929 roku i został opublikowany w następnym numerze. Nie zwrócił na to poważniejszej uwagi. Sam Fleming nie był pewien zastosowania medycznego i był bardziej zaniepokojony wnioskiem o izolację bakterii, jak stwierdził:

Oprócz możliwości zastosowania w leczeniu infekcji bakteryjnych, penicylina jest z pewnością użyteczna dla bakteriologa ze względu na jej moc hamowania niepożądanych drobnoustrojów w kulturach bakteryjnych, dzięki czemu można łatwo wyizolować bakterie niewrażliwe na penicylinę. Godnym uwagi przykładem jest bardzo łatwa izolacja pałeczki grypy Pfeiffersa przy użyciu penicyliny... Sugeruje się, że może to być skuteczny środek antyseptyczny do stosowania lub wstrzykiwania w obszary zakażone drobnoustrojami wrażliwymi na penicylinę.

GE Breen, członek Chelsea Arts Club , zapytał kiedyś Fleminga: „Chciałem tylko, żebyś mi powiedział, czy myślisz, że kiedykolwiek będzie możliwe praktyczne wykorzystanie tej substancji [penicyliny]. Na przykład, czy mógłbym jej użyć ?" Fleming patrzył przez chwilę bezmyślnie, po czym odpowiedział: - Nie wiem. Jest zbyt niestabilny. Trzeba będzie go oczyścić, a sam nie mogę tego zrobić. Jeszcze w 1941 r. British Medical Journal donosił, że „główne fakty wyłaniające się z bardzo wszechstronnego badania [penicyliny], w które zaangażowany jest duży zespół pracowników… nie wydają się być uważane za potencjalnie przydatne z każdy inny punkt widzenia”.

Izolacja

W 1939 roku Ernst Boris Chain , niemiecki chemik (później naturalizowany brytyjski), dołączył do Sir William Dunn School of Pathology na Uniwersytecie Oksfordzkim, aby badać antybiotyki. Od razu był pod wrażeniem artykułu Fleminga z 1929 roku i poinformował swojego przełożonego, australijskiego naukowca Howarda Floreya (później barona Floreya), o potencjalnym leku. Do tego czasu Florey uzyskała grant badawczy w wysokości 25 000 dolarów od Fundacji Rockefellera na badanie antybiotyków. Zebrał zespół badawczy obejmujący Edwarda Abrahama , Arthura Duncana Gardnera , Normana Heatleya , Margaret Jennings , J. Orr-Ewinga i G. Sandersa, a także Chain.

Zespół z Oksfordu przygotował skoncentrowany ekstrakt z P. rubens jako „brązowy proszek”, który „otrzymano, który jest swobodnie rozpuszczalny w wodzie”. Odkryli, że proszek był skuteczny nie tylko in vitro przeciwko kulturom bakteryjnym, ale także in vivo przeciwko infekcjom bakteryjnym u myszy. 5 maja 1939 r. wstrzyknęli grupie ośmiu myszy zjadliwy szczep S. aureus , a czterem z nich wstrzyknęli roztwór penicyliny. Po jednym dniu wszystkie nieleczone myszy padły, podczas gdy myszy leczone penicyliną przeżyły. Chain zauważył to jako „cud”. Opublikowali swoje odkrycia w The Lancet w 1940 roku.

Zespół przedstawił szczegóły metody izolacji w 1941 roku wraz ze schematem ekstrakcji na dużą skalę. Odkryli również, że penicylina występuje w największej ilości w postaci żółtego koncentratu z ekstraktu pleśni. Ale byli w stanie wyprodukować tylko małe ilości. Na początku 1942 r. mogli przygotować wysoce oczyszczony związek i opracowali wzór chemiczny jako C 24 H 32 O 10 N 2 Ba. W połowie 1942 roku Chain, Abraham i ER Holiday donieśli o produkcji czystego związku.

Pierwsze zastosowanie medyczne

Fleming przeprowadził pierwsze badanie kliniczne z penicyliną na Craddocku. Craddock rozwinął ciężką infekcję jamy nosowej ( zapalenie zatok ) i przeszedł operację. Fleming wykorzystał chirurgiczne otwarcie przewodu nosowego i 9 stycznia 1929 r. zaczął wstrzykiwać penicylinę, ale bez żadnego efektu. Prawdopodobnie było to spowodowane faktem, że zakażenie nastąpiło prątkiem grypy ( Hemophilus influenzae ), bakterią, którą uznał za niepodatną na penicylinę. Fleming przekazał niektóre ze swoich oryginalnych próbek penicyliny swojemu koledze-chirurgowi Arthurowi Dicksonowi Wrightowi do testów klinicznych w 1928 roku. Chociaż Wright podobno powiedział, że „wydaje się działać zadowalająco”, nie ma żadnych zapisów dotyczących jej konkretnego zastosowania.

Cecil George Paine, patolog z Royal Infirmary w Sheffield , jako pierwszy z powodzeniem zastosował penicylinę w leczeniu. Był byłym uczniem Fleminga i kiedy dowiedział się o odkryciu, poprosił Fleminga o próbkę penicyliny. Początkowo próbował leczyć sykozę (wykwity w mieszkach brody) penicyliną, ale nie powiodło się, prawdopodobnie dlatego, że lek nie wnikał wystarczająco głęboko. Przechodząc do ophthalmia neonatorum , gonokokowa infekcja u niemowląt, 25 listopada 1930 r. wyleczył czterech pacjentów (jeden dorosły, pozostali niemowlęta) z infekcjami oczu.

Zespół Floreya z Oksfordu wykazał, że ekstrakt z Penicillium zabija różne bakterie ( Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus i Clostridium septique ) w kulturze i skutecznie leczy infekcję Streptococcus u myszy. Zgłosili w wydaniu The Lancet z 24 sierpnia 1940 r . jako „Penicylina jako środek chemioterapeutyczny” z wnioskiem:

Wyniki są jednoznaczne i pokazują, że penicylina jest aktywna in vivo przeciwko co najmniej trzem organizmom zahamowanym in vitro. Wydaje się rozsądną nadzieją, że wszystkie organizmy w wysokim rozcieńczeniu in vitro zostaną potraktowane in vivo. Penicylina nie wydaje się być powiązana z żadną obecnie używaną substancją chemioterapeutyczną i jest szczególnie godna uwagi ze względu na jej działanie na organizmy beztlenowe związane ze zgorzelą gazową .

W 1941 roku zespół z Oksfordu leczył policjanta Alberta Alexandra z poważną infekcją twarzy; jego stan się poprawił, ale potem skończyły się zapasy penicyliny i zmarł. Następnie kilku innych pacjentów zostało skutecznie wyleczonych. W grudniu 1942 r. ocaleni z pożaru Cocoanut Grove w Bostonie byli pierwszymi oparzeniami, których skutecznie leczono penicyliną.

Najważniejszy test kliniczny miał miejsce w sierpniu 1942 roku, kiedy Fleming wyleczył Harry'ego Lamberta ze śmiertelnej infekcji układu nerwowego (paciorkowcowe zapalenie opon mózgowych ). Lambert był współpracownikiem Roberta, brata Fleminga, który poprosił Fleminga o leczenie. Fleming poprosił Florey o próbkę oczyszczonej penicyliny, którą Fleming natychmiast wstrzyknął do kanału kręgowego Lamberta. Lambert wykazał oznaki poprawy już następnego dnia i całkowicie wyzdrowiał w ciągu tygodnia. Fleming poinformował o swoim badaniu klinicznym w The Lancet w 1943 roku. To na podstawie tych medycznych dowodów brytyjski gabinet wojenny powołał 5 kwietnia 1943 roku Komitet ds. Penicyliny. W skład komitetu wchodził Cecil Weir , dyrektor generalny ds. sprzętu, jako przewodniczący Fleming, Florey , Sir Percival Hartley , Allison oraz przedstawiciele firm farmaceutycznych jako członkowie. Doprowadziło to do masowej produkcji penicyliny w następnym roku.

Produkcja masowa

Wiedząc, że produkcja na dużą skalę do celów medycznych jest daremna w zamkniętym laboratorium, zespół z Oksfordu próbował przekonać rozdarty wojną brytyjski rząd i prywatne firmy do masowej produkcji, ale na próżno. Florey i Heatley udali się do Stanów Zjednoczonych w czerwcu 1941 roku, aby przekonać tamtejszy rząd i firmy farmaceutyczne. Wiedząc, że trzymanie próbki pleśni w fiolkach można łatwo zgubić, zamiast tego posmarowali pleśnią kieszenie płaszcza. Przybyli do Waszyngtonu na początku lipca, aby porozmawiać z Rossem Granville Harrisonem , przewodniczącym National Research Council (NRC) oraz Charlesem Thomem i Percy Wellsami z Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych . Poproszono ich o zwrócenie się do Północnego Regionalnego Laboratorium Badawczego USDA (NRRL, obecnie Krajowe Centrum Badań nad Użytkowaniem Rolnictwa ), gdzie przeprowadzono fermentacje na dużą skalę. Dotarli do Peorii w stanie Illinois 14 lipca, aby spotkać się z Andrew Jacksonem Moyerem i Robertem D. Coghillem w NRRL. Amerykanie szybko pracowali nad formą i do końca lipca byli w stanie zrobić kulturę. Zdali sobie jednak sprawę, że pleśń Fleminga nie była wystarczająco wydajna, aby wyprodukować duże ilości penicyliny.

Mikolog NRRL, Kenneth Bryan Raper, uzyskał pomoc Dowództwa Transportu Armii Stanów Zjednoczonych w poszukiwaniu podobnych pleśni w różnych częściach świata, a najlepsze pleśni okazały się te z Chungkin (Chiny), Bombaju (Mumbai, Indie) i Kapsztadu (Południe). Afryka). Jednak najlepsza próbka pochodziła z kantalupy (rodzaj melona) sprzedawanego na rynku owoców Peoria w 1943 roku. Pleśń została zidentyfikowana jako P. chrysogenum i oznaczona jako NRRL 1951 lub szczep kantalupa. Istnieje popularna historia, że ​​Mary K. Hunt (lub Mary Hunt Stevens), członek zespołu Raper, zebrała pleśń; za co została spopularyzowana jako „Pleśniała Mary”. Ale Raper określił tę historię jako „folklor” i że owoce zostały dostarczone do laboratorium przez kobietę z targu owocowego w Peorii.

W latach 1941-1943 Moyer, Coghill i Kenneth Raper opracowali metody uprzemysłowionej produkcji penicyliny i wyizolowali wysokowydajne szczepy grzyba Penicillium . Jednoczesne badania prowadzone przez Jaspera H. Kane'a i innych naukowców firmy Pfizer na Brooklynie opracowali praktyczną metodę fermentacji w głębokim zbiorniku do produkcji dużych ilości penicyliny o jakości farmaceutycznej.

Reklama penicyliny dla żołnierzy II wojny światowej, ok . 1944

Kiedy po raz pierwszy rozpoczęto produkcję, jednolitrowe pojemniki miały wydajność poniżej 1%, ale poprawiły się do 80-90% w pojemnikach o pojemności 10 000 galonów. Ten wzrost wydajności miał miejsce w latach 1939-1945 w wyniku ciągłych innowacji procesowych. Orvill May, dyrektor Działu Badań Rolniczych, polecił Robertowi Coghillowi , który był szefem wydziału fermentacji, wykorzystać swoje doświadczenia z fermentacją do zwiększenia wydajności ekstrakcji penicyliny z formy. Krótko po rozpoczęciu Moyer zastąpił sacharozę laktozą w pożywce wzrostowej, co skutkowało zwiększeniem wydajności. Jeszcze większy wzrost nastąpił, gdy Moyer dodał namocz kukurydziany .

Jednym z głównych problemów związanych z procesem, z jakim musieli się zmierzyć naukowcy, była nieskuteczność hodowania pleśni na powierzchni kąpieli odżywczych, zamiast zanurzania jej w wodzie. Nawet jeśli zanurzony proces uprawy pleśni byłby bardziej wydajny, zastosowany szczep nie był odpowiedni do wymaganych warunków. To skłoniło NRRL do poszukiwania odmiany, która została już zaadaptowana do pracy, a jedną znaleziono w spleśniałych kantalupach nabytych na targu rolników w Peorii . Aby ulepszyć ten szczep, naukowcy poddali go promieniom rentgenowskim w celu ułatwienia mutacji w jego genomie i jeszcze bardziej zwiększyli możliwości produkcyjne.

Teraz, gdy naukowcy mieli pleśń, która dobrze rosła w zanurzeniu i wytwarzała akceptowalną ilość penicyliny, kolejnym wyzwaniem było zapewnienie pleśni powietrza potrzebnego do jej wzrostu. Zostało to rozwiązane za pomocą aeratora, ale napowietrzenie spowodowało silne pienienie w wyniku namoczenia kukurydzy. Problem pienienia został rozwiązany przez wprowadzenie środka przeciwpieniącego znanego jako monorycynooleinian glicerylu.

Analiza chemiczna

Struktura chemiczna penicyliny została po raz pierwszy zaproponowana przez Edwarda Abrahama w 1942 r. Dorothy Hodgkin określiła prawidłową strukturę chemiczną penicyliny za pomocą krystalografii rentgenowskiej w Oksfordzie w 1945 r. W 1945 r. Amerykański Komitet Badań Medycznych i Brytyjska Rada Badań Medycznych wspólnie opublikowały w nauce analizy chemiczne wykonywane na różnych uniwersytetach, firmach farmaceutycznych i rządowych departamentach badawczych. Raport ogłosił istnienie różnych form związków penicylin, które mają ten sam składnik strukturalny zwany β-laktamem . Penicylinom nadano różne nazwy, takie jak użycie cyfr rzymskich w Wielkiej Brytanii (takich jak penicylina I, II, III) w kolejności ich odkryć i liter (takich jak F, G, K i X) odwołujących się do ich pochodzenia lub źródeł, jak poniżej :

Nomenklatura brytyjska nomenklatura amerykańska Nazwa chemiczna
Penicylina I Penicylina F 2-pentenylpenicylina
Penicylina II Penicylina G benzylopenicylina
Penicylina III Penicylina X p -Hydroksybenzylopenicylina
Penicylina IV Penicylina K n -heptylpenicylina

Nazwy chemiczne oparto na łańcuchach bocznych związków. Aby uniknąć kontrowersyjnych nazw, Chain wprowadził w 1948 roku nazwy chemiczne jako standardową nomenklaturę, zauważając: „Aby nazewnictwo było jak najbardziej jednoznaczne, postanowiono zastąpić system cyfr lub liter przedrostkami wskazującymi na chemiczny charakter strony łańcuch R."

W Kundl , Tyrolu , Austria , w 1952 Hans Margreiter Ernst Brandl z Biochemie (obecnie Sandoz ) opracował pierwszy kwasostabilny penicyliny do podawania doustnego, penicylina V . Amerykański chemik John C. Sheehan z Massachusetts Institute of Technology (MIT) ukończył pierwszą chemiczną syntezę penicyliny w 1957 roku. Sheehan rozpoczął badania nad syntezą penicyliny w 1948 roku i podczas tych badań opracował nowe metody syntezy peptydów , jak jak również nowe grupy zabezpieczające — grupy, które maskują reaktywność pewnych grup funkcyjnych. Chociaż początkowa synteza opracowana przez Sheehana nie była odpowiednia do masowej produkcji penicylin, jednym ze związków pośrednich w syntezie Sheehana był kwas 6-aminopenicylanowy (6-APA), jądro penicyliny.

Ważnym osiągnięciem było odkrycie samego 6-APA. W 1957 badacze z Beecham Research Laboratories (obecnie Beechem Group) w Surrey wyizolowali 6-APA z pożywki hodowlanej P. chrysogenum . Stwierdzono, że 6-APA stanowi rdzeń „jądra” penicyliny (w rzeczywistości wszystkich antybiotyków β-laktamowych) i jest łatwo modyfikowany chemicznie przez przyłączanie łańcuchów bocznych w reakcjach chemicznych. Odkrycie zostało opublikowane w Nature w 1959). Utorowało to drogę nowym i ulepszonym lekom, ponieważ wszystkie półsyntetyczne penicyliny są wytwarzane w wyniku chemicznej manipulacji 6-APA.

Półsyntetyczny antybiotyk β-laktamowy metycylina drugiej generacji , zaprojektowany w celu przeciwdziałania opornym na penicylinazy pierwszej generacji, został wprowadzony w Wielkiej Brytanii w 1959 roku. W tym czasie prawdopodobnie istniały już oporne na metycylinę formy Staphylococcus aureus .

Wyniki

Fleming, Florey i Chain w równym stopniu podzielili Nagrodę Nobla z roku 1945 w dziedzinie fizjologii lub medycyny „za odkrycie penicyliny i jej lecznicze działanie w różnych chorobach zakaźnych”.

Metody produkcji i izolacji penicyliny zostały opatentowane przez Andrew Jacksona Moyera w USA w 1945 roku. Chain chciał złożyć wniosek patentowy, Florey i jego koledzy z drużyny sprzeciwili się temu, argumentując, że powinno to być korzystne dla wszystkich. Sir Henry Dale wyraźnie poinformował, że byłoby to nieetyczne. Kiedy Fleming dowiedział się o amerykańskich patentach na produkcję penicyliny, był wściekły i skomentował:

Znalazłem penicylinę i oddałem ją za darmo dla dobra ludzkości. Dlaczego miałby stać się dochodowym monopolem producentów w innym kraju?

Dorothy Hodgkin otrzymała w 1964 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za określenie technikami rentgenowskimi struktur ważnych substancji biochemicznych”.

Rozwój pochodnych penicyliny

Wąski zakres uleczalnych chorób lub „spektrum aktywności” penicylin, wraz ze słabą aktywnością aktywnej doustnie fenoksymetylopenicyliny, doprowadziły do ​​poszukiwania pochodnych penicyliny, które mogłyby leczyć szerszy zakres infekcji. Izolacja 6-APA, jądra penicyliny, pozwoliła na otrzymanie półsyntetycznych penicylin, z różnymi ulepszeniami w stosunku do penicyliny benzylowej (biodostępność, widmo, stabilność, tolerancja). Pierwszym ważnym osiągnięciem była ampicylina w 1961 roku. Została ona wyprodukowana przez Beecham Research Laboratories w Londynie. Była bardziej korzystna niż oryginalna penicylina, ponieważ oferowała szersze spektrum działania przeciwko bakteriom Gram-dodatnim i Gram-ujemnym. Dalszy rozwój otrzymano β-laktamazy odporne penicyliny oraz flukloksacylina , dikloksacylina i metycylinę . Były one istotne ze względu na ich aktywność przeciwko gatunkom bakterii wytwarzających β-laktamazę, ale były nieskuteczne przeciwko szczepom Staphylococcus aureus opornym na metycylinę (MRSA), które później się pojawiły.

Innym rozwinięciem linii prawdziwych penicylin były penicyliny przeciwpseudomonalne, takie jak karbenicylina , tikarcylina i piperacylina , przydatne ze względu na ich działanie przeciwko bakteriom Gram-ujemnym . Jednak użyteczność pierścienia β-laktamowego była taka, że ​​spokrewnione antybiotyki, w tym mecylinamy , karbapenemy i, co najważniejsze, cefalosporyny , nadal zachowują go w centrum swoich struktur.

Spokrewnione z penicylinami β-laktamy stały się najpowszechniej stosowanymi antybiotykami na świecie. Najczęściej stosowaną ze wszystkich jest amoksycylina, półsyntetyczna penicylina opracowana przez Beecham Research Laboratories w 1970 roku.

Lekooporność

Fleming ostrzegł w swoim Wykładzie Noblowskim możliwość oporności na penicylinę w warunkach klinicznych i powiedział:

Może nadejść czas, kiedy penicylinę będzie mógł kupić każdy w sklepie. Istnieje wtedy niebezpieczeństwo, że nieświadomy człowiek może łatwo przedawkować swoje drobnoustroje i wystawiając swoje drobnoustroje na działanie nieśmiercionośnych ilości leku, uczyni je odpornymi.

W 1940 roku Ernst Chain i Edward Abraham donieśli o pierwszych oznakach oporności na antybiotyki na penicylinę, szczep E. coli wytwarzający enzym penicylinazę , który był zdolny do rozkładania penicyliny i całkowicie niweczył jej działanie przeciwbakteryjne. Chain i Abraham opracowali chemiczną naturę penicylinazy, którą opisali w Nature jako:

Wniosek, że substancja czynna jest enzymem, wynika z faktu, że jest ona niszczona przez ogrzewanie w temperaturze 90° przez 5 minut oraz przez inkubację z papainą aktywowaną cyjankiem potasu o pH 6, oraz że nie ulega dializie przez „ Celofan ” membrany.

W 1942 roku udokumentowano , że szczepy Staphylococcus aureus rozwinęły silną oporność na penicylinę. Większość szczepów była oporna na penicylinę w latach sześćdziesiątych. W 1967 r. doniesiono również , że Streptococcus pneumoniae jest oporny na penicylinę. Wiele szczepów bakterii w końcu wykształciło oporność na penicylinę.

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki