Istoria penicilinei - History of penicillin

Structura de bază a penicilinei, unde R este un grup variabil
Matrița lui Fleming, Penicillium rubens CBS 205.57. A – C. Colonii 7 d vechi 25 ° CA CYA. B. MEA. C. DA. D – H. Condiofori. I. Conidia. Bare = 10 um.

Istoria penicilinei urmeaza o serie de observații și descoperiri de dovezi evidente ale activității antibiotice a matriței Penicillium , care a condus la dezvoltarea de peniciline care au devenit cele mai utilizate antibiotice . După identificarea Penicillium rubens ca sursă a compusului în 1928 și cu producția de compus pur în 1942, penicilina a devenit primul antibiotic derivat în mod natural. Există anecdote despre societățile antice care folosesc mucegaiuri pentru a trata infecțiile și, în secolele următoare, mulți oameni au observat inhibarea creșterii bacteriene de către diferite mucegaiuri. Cu toate acestea, nu se știe dacă speciile implicate au fost specii Penicillium sau dacă substanțele antimicrobiene produse au fost penicilină.

În timp ce lucra la Spitalul St Mary din Londra, medicul scoțian Alexander Fleming a fost primul care a descoperit experimental că o mucegai Penicillium secretă o substanță antibacteriană și primul care a concentrat substanța activă implicată, pe care a denumit-o penicilină în 1928. să fie o variantă rară a Penicillium notatum (acum Penicillium rubens ), un contaminant de laborator în laboratorul său. În următorii 16 ani, el a urmărit metode mai bune de producție a penicilinei, utilizări medicinale și studii clinice. Tratamentul cu succes al lui Harry Lambert, care a avut altfel o meningită streptococică fatală în 1942, sa dovedit a fi un moment critic în utilizarea medicală a penicilinei.

Mulți oameni de știință de mai târziu au fost implicați în stabilizarea și producția în masă a penicilinei și în căutarea unor tulpini mai productive de Penicillium . Contribuitori importanți includ Ernst Chain , Howard Florey , Norman Heatley și Edward Abraham . Fleming, Florey și Chain au împărtășit Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină din 1945 pentru descoperirea și dezvoltarea penicilinei. Dorothy Hodgkin a primit Premiul Nobel pentru chimie din 1964 determinând structurile substanțelor biochimice importante, inclusiv penicilina. La scurt timp după descoperirea penicilinei, s-au raportat rezistențe la penicilină la multe bacterii. Cercetările care vizează eludarea și înțelegerea mecanismelor de rezistență la antibiotice continuă astăzi.

Istoria timpurie

Multe culturi antice, inclusiv cele din Egipt , Grecia și India , au descoperit independent proprietățile utile ale ciupercilor și plantelor în tratarea infecției . Aceste tratamente au funcționat adesea deoarece multe organisme, inclusiv multe specii de mucegai, produc în mod natural substanțe antibiotice . Cu toate acestea, practicienii antici nu au putut identifica sau izola cu precizie componentele active din aceste organisme.

În Polonia secolului al XVII-lea , pâinea umedă a fost amestecată cu pânze de păianjen (care conțineau adesea spori fungici ) pentru a trata rănile. Tehnica a fost menționată de Henryk Sienkiewicz în cartea sa cu focul și sabia din 1884 . În Anglia, în 1640, ideea utilizării mucegaiului ca formă de tratament medical a fost înregistrată de către medicii ca John Parkinson, King's Herbarian, care a susținut utilizarea mucegaiului în cartea sa de farmacologie .

Dovezi științifice timpurii

Istoria modernă a cercetării penicilinei începe cu seriozitate în anii 1870 în Regatul Unit. Sir John Scott Burdon-Sanderson , care a început la Spitalul St. Mary (1852–1858) și a lucrat mai târziu acolo ca lector (1854–1862), a observat că fluidul de cultură acoperit cu mucegai nu ar produce nicio creștere bacteriană . Descoperirea lui Burdon-Sanderson l-a determinat pe Joseph Lister , chirurg englez și tatăl antisepsiei moderne , să descopere în 1871 că probele de urină contaminate cu mucegai, de asemenea, nu permiteau dezvoltarea bacteriilor. Lister a descris, de asemenea, acțiunea antibacteriană asupra țesutului uman al unei specii de mucegai pe care a numit-o Penicillium glaucum . O asistentă medicală de la King's College Hospital, ale cărei răni nu au răspuns la niciun antiseptic tradițional, a primit apoi o altă substanță care l-a vindecat, iar registratorul lui Lister l-a informat că se numește Penicillium . În 1874, medicul galez William Roberts , care a inventat ulterior termenul de „ enzimă ”, a observat că contaminarea bacteriană este în general absentă în culturile de laborator de Penicillium glaucum . John Tyndall a urmărit lucrarea lui Burdon-Sanderson și a demonstrat Societății Regale în 1875 acțiunea antibacteriană a ciupercii Penicillium .

În 1876, biologul german Robert Koch a descoperit că Bacillus anthracis a fost agentul patogen cauzal al antraxului , care a devenit prima demonstrație că o bacterie specifică a cauzat o boală specifică și prima dovadă directă a teoriei germenilor a bolilor . În 1877, biologii francezi Louis Pasteur și Jules Francois Joubert au observat că culturile de bacili antrax, atunci când sunt contaminate cu mucegaiuri, ar putea fi inhibate cu succes. Raportând în Comptes Rendus de l'Académie des Sciences , au concluzionat:

Urina neutră sau ușor alcalină este un mediu excelent pentru bacterii ... Dar dacă atunci când urina este inoculată cu aceste bacterii, un organism aerob, de exemplu una dintre „bacteriile comune”, este semănat în același timp, bacteria antrax face creștere mică sau deloc și mai devreme sau mai târziu se stinge cu totul. Este un lucru remarcabil faptul că același fenomen este văzut în organism chiar și la animalele cele mai susceptibile la antrax, ducând la rezultatul uimitor că bacteriile antrax pot fi introduse în profuzie într-un animal, care încă nu dezvoltă boala; este necesar doar să adăugați în același timp câteva „bacterii” comune în lichidul care conține suspensia bacteriilor antrax. Aceste fapte justifică probabil cele mai mari speranțe pentru terapie.

Fenomenul a fost descris de Pasteur și Koch drept activitate antibacteriană și a fost numit „antibioză” de biologul francez Jean Paul Vuillemin în 1877. (Termenul de antibioză, care înseamnă „împotriva vieții”, a fost adoptat ca „ antibiotic ” de către biologul american și mai târziu Nobel laureat Selman Waksman în 1947.) De asemenea, s-a afirmat că Pasteur a identificat tulpina drept Penicillium notatum . Cu toate acestea, Vanatorii de microbi ai lui Paul de Kruif din 1926 descriu acest incident ca fiind contaminarea altor bacterii, mai degrabă decât a mucegaiului. În 1887, medicul elvețian Carl Alois Philipp Garré a dezvoltat o metodă de testare folosind placa de sticlă pentru a vedea inhibarea bacteriană și a găsit rezultate similare. Folosind placa de cultură pe bază de gelatină, a crescut două bacterii diferite și a constatat că creșterile lor au fost inhibate diferit, după cum a raportat:

Am inoculat pe placa [gelatină] răcită neatinsă curse paralele alternative de B. fluorescens [ Pseudomonas fluorescens ] și Staph. pyogenes [ Streptococcus pyogenes ] ... B. fluorescens a crescut mai repede ... [Aceasta] nu este o chestiune de creștere excesivă sau de înghesuire dintr-una de altă specie cu creștere mai rapidă, ca într-o grădină în care buruienile care cresc luxuriant ucid plantele delicate . Nici nu se datorează utilizării produselor alimentare disponibile de către organismele cu creștere mai rapidă, ci mai degrabă există un antagonism cauzat de secreția unor substanțe specifice, ușor difuzabile, care sunt inhibitoare pentru creșterea unor specii, dar complet ineficiente față de altele.

În 1895, Vincenzo Tiberio , medic italian la Universitatea din Napoli , a publicat cercetări despre mucegaiurile găsite inițial într-o fântână de apă din Arzano ; din observațiile sale, el a concluzionat că aceste matrițe conțin substanțe solubile cu acțiune antibacteriană.

Doi ani mai târziu, Ernest Duchesne la École du Serviciul de Santé Militaire din Lyon a descoperit în mod independent , proprietățile de vindecare ale unui Penicillium glaucum mucegai, chiar vindeca infectate cobailor de febră tifoidă . A publicat o disertație în 1897, dar a fost ignorată de Institutul Pasteur . Duchesne a folosit el însuși o descoperire făcută mai devreme de băieții grajd arabi, care foloseau mucegaiuri pentru a vindeca răni la cai. El nu a susținut că mucegaiul conține vreo substanță antibacteriană, ci doar că mucegaiul a protejat cumva animalele. Penicilina izolată de Fleming nu vindecă tifosul și astfel nu se știe ce substanță ar fi putut fi responsabilă de vindecarea lui Duchesne. Un om de știință al Institutului Pasteur, Costa Rica Clodomiro Picado Twight , a înregistrat în mod similar efectul antibiotic al Penicillium în 1923. În aceste stadii incipiente ale cercetării penicilinei, majoritatea speciilor de Penicillium au fost denumite nespecific ca Penicillium glaucum , astfel încât este imposibil de știut specia exactă și că penicilina a fost cu adevărat cea care a împiedicat dezvoltarea bacteriilor.

Andre Gratia și Sara Dath de la Universitatea Liberă din Bruxelles , Belgia, studiau efectele probelor de mucegai asupra bacteriilor. În 1924, au descoperit că culturile moarte de Staphylococcus aureus erau contaminate de o mucegai, un streptomicet . După alte experimente, acestea arată că extractul de mucegai ar putea ucide nu numai S. aureus , ci și Pseudomonas aeruginosa , Mycobacterium tuberculosis și Escherichia coli . Gratia a numit agentul antibacterian ca „micolizat” (mucegai ucigaș). Anul următor au găsit un alt mucegai ucigaș care ar putea inhiba bacteria antrax ( B. anthracis ). Raportând în Comptes Rendus Des Séances de La Société de Biologie et de Ses Filiales au identificat mucegaiul ca Penicillium glaucum . Dar aceste descoperiri au primit puțină atenție, deoarece agentul antibacterian și valoarea sa medicală nu au fost pe deplin înțelese; mai mult, probele lui Gratia s-au pierdut.

Descoperirea inovatoare

fundal

Alexander Fleming în laboratorul său de la Spitalul St Mary, Londra

Penicilina a fost descoperită de un medic scoțian Alexander Fleming în 1928. În timp ce lucra la Spitalul St Mary, din Londra , Fleming investiga modelul variației în S. aureus . El a fost inspirat de descoperirea unui medic irlandez Joseph Warwick Bigger și a celor doi studenți CR Boland și RAQ O'Meara de la Trinity College, Dublin , Irlanda, în 1927 . Bigger și studenții săi au descoperit că, atunci când au cultivat o anumită tulpină de S. aureus, pe care au numit-o „Y” pe care au izolat-o cu un an înainte dintr-un puroi de abces axilar de la un individ, bacteria a crescut într-o varietate de tulpini. Ei și-au publicat descoperirea ca „Variant colonii de Staphylococcus aureus ” în Jurnalul de patologie și bacteriologie , prin concluzia:

Am fost surprinși și destul de deranjați să găsim, pe o serie de plăci, diferite tipuri de colonii care difereau complet de colonia tipică aureus . Unele dintre acestea erau destul de albe; unele, fie albe, fie de culoarea obișnuită, erau aspre la suprafață și cu margini increnate.

Fleming și cercetătorul său Daniel Merlin Pryce au urmărit acest experiment, dar Pryce a fost transferat într-un alt laborator la începutul anului 1928. După câteva luni de lucru singur, un nou cărturar Stuart Craddock s-a alăturat lui Fleming. Experimentul lor a avut succes, iar Fleming plănuia și a acceptat să scrie un raport în Un sistem de bacteriologie care să fie publicat de Consiliul de cercetare medicală până la sfârșitul anului 1928.

Descoperire inițială

În august, Fleming și-a petrecut o vacanță cu familia la casa sa de la țară, The Dhoon, la Barton Mills , Suffolk. Înainte de a părăsi laboratorul, a inoculat mai multe plăci de cultură cu S. aureus. A ținut farfuriile deoparte, într-un colț al mesei, departe de lumina directă a soarelui și pentru a face loc Craddock să lucreze în absența sa. În timp ce era într-o vacanță, a fost numit profesor de bacteriologie la Facultatea de Medicină din Spitalul St Mary la 1 septembrie 1928. A ajuns la laboratorul său la 3 septembrie, unde Pryce îl aștepta să-l întâmpine. În timp ce el și Pryce examinau plăcile de cultură, au găsit una cu capac deschis și cultura contaminată cu un mucegai albastru-verde. În placa contaminată, bacteriile din jurul mucegaiului nu au crescut, în timp ce cele mai îndepărtate au crescut normal, ceea ce înseamnă că mucegaiul a ucis bacteriile. Fleming a comentat în timp ce privea placa: „E amuzant”. Pryce i-a remarcat lui Fleming: „Așa ai descoperit lizozima ”.

Experiment

Spitalul St Mary care prezintă laboratorul Fleming și strada Praed

Fleming a plecat să-și reia vacanța și sa întors la experimente la sfârșitul lunii septembrie. A colectat matrița originală și le-a crescut în farfurii de cultură. După patru zile a descoperit că plăcile au dezvoltat colonii mari de matriță. El a repetat experimentul cu aceleași rezultate de ucidere a bacteriilor. Mai târziu a povestit experiența sa:

Când m-am trezit chiar după zorii zilei de 28 septembrie 1928, cu siguranță nu intenționam să revoluționez toate medicamentele descoperind primul antibiotic din lume sau cel care ucide bacteriile. Dar presupun că exact asta am făcut.

El a concluzionat că matrița eliberează o substanță care inhiba creșterea bacteriană și a produs bulion de cultură al matriței și ulterior a concentrat componenta antibacteriană. După testarea împotriva diferitelor bacterii, el a descoperit că mucegaiul poate ucide doar bacterii specifice. De exemplu, Staphylococcus , Streptococcus și difteria bacilă ( Corynebacterium diphtheriae ) au fost ușor ucise; dar nu a existat niciun efect asupra bacteriei tifoide ( Salmonella typhimurium ) și a bacilului gripal ( Haemophilus influenzae ). A pregătit o metodă de cultură mare din care a putut obține cantități mari de suc de mucegai. El a numit acest suc „penicilină”, deoarece a explicat motivul ca „pentru a evita repetarea sintagmei destul de greoaie„ Filtru de bulion de mucegai ”, va fi folosit numele„ penicilină ”. El a inventat numele la 7 martie 1929. Mai târziu (în conferința sa de Nobel) a dat o explicație suplimentară, spunând:

Am fost frecvent întrebat de ce am inventat numele „Penicilină”. Am urmat pur și simplu linii perfect ortodoxe și am inventat un cuvânt care explica faptul că substanța penicilină a fost derivată dintr-o plantă din genul Penicillium la fel ca în urmă cu mulți ani, cuvântul „ Digitalin ” a fost inventat pentru o substanță derivată din planta Digitalis .

Fleming nu a avut nicio pregătire în chimie, astfel încât a lăsat toate lucrările chimice lui Craddock - odată a remarcat: „Sunt bacteriolog, nu chimist”. În ianuarie 1929, el l-a recrutat pe Frederick Ridley, fostul său cercetător care studiase biochimia, în special pentru a studia proprietățile chimice ale mucegaiului. Dar nu au putut izola penicilina și înainte ca experimentele să se termine, ambii Craddock și Ridley au părăsit Fleming pentru alte locuri de muncă. Datorită eșecului lor de a izola compusul, Fleming a abandonat practic cercetările suplimentare asupra aspectelor chimice ale penicilinei, deși a făcut teste biologice până în 1939.

Identificarea matriței

Penicillium rubens (specimen tip)

După o comparație structurală cu diferite specii de Penicillium , Fleming a crezut inițial că specimenul său era Penicillium chrysogenum , o specie descrisă de un microbiolog american Charles Thom în 1910. El a avut norocul, deoarece Charles John Patrick La Touche, un botanist irlandez, tocmai s-a alăturat recent un micolog de la Sf. Maria pentru a investiga ciupercile ca fiind cauza astmului. La Touche a identificat specimenul ca fiind Penicillium rubrum, identificarea utilizată de Fleming în publicația sa.

În 1931, Thom a reexaminat diferite Penicillium, inclusiv cel al specimenului Fleming. El a ajuns la o concluzie confuză, afirmând: „Ad. 35 [specimenul lui Fleming] este P. notatum WESTLING. Acesta este un membru al seriei P. chrysogenum cu conidii mai mici decât P. chrysogenum în sine”. P. notatum a fost descris de chimistul suedez Richard Westling în 1811. De atunci, mucegaiul Fleming a fost denumit sinonim ca P. notatum și P. chrysogenum. Dar Thom a adoptat și popularizat utilizarea P. chrysogenum. Pe lângă P. notatum , speciile nou descoperite precum P. meleagrinum și P. cyaneofulvum au fost recunoscute ca membre ale P. chrysogenum în 1977 . Pentru a rezolva confuzia, cel de-al șaptesprezecelea Congres Internațional Botanic desfășurat la Viena, Austria, în 2005 a adoptat în mod oficial numele P. chrysogenum ca denumire conservată ( nomen conservandum ). Secvența genomului întreg și analiza filogenetică din 2011 au arătat că mucegaiul Fleming aparține P. rubens , o specie descrisă de microbiologul belgian Philibert Biourge în 1923 și, de asemenea, că P. chrysogenum este o specie diferită.

Sursa contaminării fungice din experimentul lui Fleming a rămas o speculație timp de câteva decenii. Fleming însuși a sugerat în 1945 că sporii fungici au intrat pe fereastra cu vedere la strada Praed . Această poveste a fost privită ca un fapt și a fost popularizată în literatură, începând cu cartea lui George Lacken din 1945 The Story of Penicillin . Dar mai târziu a fost contestat de colegii săi, inclusiv Pryce, care au mărturisit mult mai târziu că fereastra de laborator a lui Fleming a fost ținută închisă tot timpul. Ronald Hare a fost de asemenea de acord în 1970 că fereastra era cel mai adesea încuiată, deoarece era greu de atins datorită unei mese mari cu aparate plasate în fața ei. În 1966, La Touche i-a spus lui Hare că i-a dat lui Fleming 13 exemplare de ciuperci (10 din laboratorul său) și doar unul din laboratorul său arăta activitate antibacteriană asemănătoare penicilinei. Din acest moment s-a ajuns la un consens că mucegaiul lui Fleming a venit din laboratorul La Touche, care era un etaj dedesubt în clădire, sporii fiind derivați în aer prin ușile deschise.

Recepție și publicare

Descoperirea lui Fleming nu a fost considerată inițial ca o descoperire importantă. Chiar în timp ce și-a arătat colegii plăci de cultură, tot ce a primit a fost un răspuns indiferent. El a descris descoperirea la 13 februarie 1929 în fața Clubului de cercetare medicală . Prezentarea sa intitulată „Un mediu pentru izolarea bacilului lui Pfeiffer ” nu a primit o atenție specială.

În 1929, Fleming și-a raportat descoperirile către British Journal of Experimental Pathology la 10 mai 1929 și a fost publicat în numărul din luna următoare. Nu a reușit să atragă o atenție serioasă. Fleming însuși nu era sigur de cererea medicală și era mai îngrijorat de cererea de izolare bacteriană, după cum a concluzionat:

Pe lângă utilizarea sa posibilă în tratamentul infecțiilor bacteriene, penicilina este cu siguranță utilă bacteriologului pentru puterea sa de a inhiba microbii nedoriti în culturile bacteriene, astfel încât bacteriile insensibile la penicilină să poată fi ușor izolate. Un exemplu remarcabil în acest sens este izolarea foarte ușoară a bacilului Pfeiffers de gripă atunci când se utilizează penicilina ... Se sugerează că poate fi un antiseptic eficient pentru aplicarea sau injectarea în zone infectate cu microbi sensibili la penicilină.

GE Breen, un membru al Chelsea Arts Club , l-a întrebat odată pe Fleming: „Am vrut doar să-mi spui dacă crezi că va fi vreodată posibil să faci uz practic de lucruri [penicilină]. De exemplu, aș putea să-l folosesc ? " Fleming a privit o clipă liber, apoi a răspuns: "Nu știu. Este prea instabil. Va trebui purificat și nu pot face asta de unul singur". Chiar și mai târziu ca în 1941, British Medical Journal a raportat că „principalele fapte care rezultă dintr-un studiu foarte cuprinzător [al penicilinei] în care este angajată o echipă numeroasă de lucrători ... nu pare să fi fost considerat ca fiind util din orice alt punct de vedere. "

Izolare

În 1939, Ernst Boris Chain , chimist german (ulterior naturalizat britanic), s-a alăturat Școlii de Patologie Sir William Dunn de la Universitatea din Oxford pentru a investiga antibiotice. El a fost imediat impresionat de ziarul lui Fleming din 1929 și și-a informat conducătorul său, omul de știință australian Howard Florey (mai târziu baronul Florey), despre potențialul drog. Până atunci Florey obținuse un grant de cercetare de 25.000 de dolari de la Fundația Rockefeller pentru studierea antibioticelor. El a reunit o echipă de cercetare, printre care Edward Abraham , Arthur Duncan Gardner , Norman Heatley , Margaret Jennings , J. Orr-Ewing și G. Sanders, în plus față de Chain.

Echipa de la Oxford a pregătit un extract concentrat de P. rubens ca „o pulbere maro” care „a fost obținută, care este liber solubilă în apă”. Ei au descoperit că pulberea a fost nu numai eficientă in vitro împotriva culturilor bacteriene, ci și in vivo împotriva infecției bacteriene la șoareci. La 5 mai 1939, au injectat un grup de opt șoareci cu o tulpină virulentă de S. aureus , apoi au injectat patru dintre ei cu soluția de penicilină. După o zi, toți șoarecii netratați au murit în timp ce șoarecii tratați cu penicilină au supraviețuit. Chain a remarcat-o drept „un miracol”. Au publicat descoperirile lor în The Lancet în 1940.

Echipa a raportat detalii despre metoda de izolare în 1941 cu o schemă de extracție pe scară largă. De asemenea, au descoperit că penicilina era cea mai abundentă ca concentrat galben din extractul de mucegai. Dar au reușit să producă doar cantități mici. La începutul anului 1942, ei puteau prepara compus foarte purificat și au prelucrat formula chimică ca C 24 H 32 O 10 N 2 Ba. La mijlocul anului 1942, Chain, Abraham și ER Holiday au raportat producția compusului pur.

Prima utilizare medicală

Fleming a efectuat primul studiu clinic cu penicilină pe Craddock. Craddock a dezvoltat o infecție severă a antrului nazal ( sinuzită ) și a suferit o intervenție chirurgicală. Fleming a folosit orificiul chirurgical al pasajului nazal și a început să injecteze penicilină pe 9 ianuarie 1929, dar fără niciun efect. Probabil s-a datorat faptului că infecția a fost cu bacil gripal ( Haemophilus influenzae ), bacteria pe care a găsit-o insusceptibilă penicilinei. Fleming a dat câteva dintre probele sale originale de penicilină colegului său chirurg Arthur Dickson Wright pentru test clinic în 1928. Deși Wright a spus că „părea să funcționeze satisfăcător”, nu există înregistrări ale utilizării sale specifice.

Cecil George Paine, patolog la Royal Infirmary din Sheffield , a fost primul care a folosit cu succes penicilina pentru tratament medical. Era un fost student la Fleming și când a aflat de descoperire, a cerut proba de penicilină de la Fleming. Inițial, el a încercat să trateze cu penicilină sicoza (erupții în foliculii de barbă), dar nu a reușit, probabil pentru că medicamentul nu a pătruns suficient de adânc. Trecând la oftalmia neonatorum , o infecție gonococică la bebeluși, el a obținut prima cură la 25 noiembrie 1930, patru pacienți (un adult, ceilalți sugari) cu infecții oculare.

Echipa Florey de la Oxford a arătat că extractul de Penicillium a ucis diferite bacterii ( Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus și Clostridium septique ) în cultură și a vindecat eficient infecția cu Streptococcus la șoareci. Ei au raportat în ediția din 24 august 1940 a The Lancet ca „Penicilina ca agent chimioterapeutic”, cu o concluzie:

Rezultatele sunt clare și arată că penicilina este activă in vivo împotriva a cel puțin trei dintre organismele inhibate in vitro. S-ar părea o speranță rezonabilă că toate organismele în diluare ridicată in vitro vor fi găsite ca fiind tratate in vivo. Penicilina nu pare să fie legată de nicio substanță chimioterapeutică în prezent în uz și este deosebit de remarcabilă pentru activitatea sa împotriva organismelor anaerobe asociate cu gangrena gazoasă .

În 1941, echipa de la Oxford a tratat un polițist, Albert Alexander , cu o infecție severă a feței; starea sa s-a îmbunătățit, dar apoi s-au epuizat provizii de penicilină și a murit. Ulterior, alți câțiva pacienți au fost tratați cu succes. În decembrie 1942, supraviețuitorii incendiului Cocoanut Grove din Boston au fost primii pacienți arși care au fost tratați cu succes cu penicilină.

Cel mai important test clinic a fost în august 1942, când Fleming l-a vindecat pe Harry Lambert de o infecție altfel fatală a sistemului nervos ( meningită streptococică ). Lambert era asociat de muncă al lui Robert, fratele lui Fleming, care îi ceruse lui Fleming tratament medical. Fleming i-a cerut lui Florey proba de penicilină purificată, pe care Fleming a folosit-o imediat pentru a o injecta în canalul spinal al lui Lambert. Lambert a dat semne de îmbunătățire chiar a doua zi și s-a recuperat complet în decurs de o săptămână. Fleming și-a raportat studiul clinic în The Lancet în 1943. Datorită acestor dovezi medicale, Cabinetul de Război Britanic a înființat Comitetul Penicilinei la 5 aprilie 1943. Comitetul era format din Cecil Weir , director general echipamente, în calitate de președinte, Fleming, Florey , Sir Percival Hartley , Allison și reprezentanți ai companiilor farmaceutice ca membri. Acest lucru a dus la producția în masă de penicilină până în anul următor.

Productie in masa

Știind că producția pe scară largă pentru uz medical a fost inutilă într-un laborator restrâns, echipa de la Oxford a încercat să convingă guvernul britanic și companiile private devastate de război pentru producția în masă, dar în zadar. Florey și Heatley au călătorit în SUA în iunie 1941 pentru a convinge guvernul SUA și companiile farmaceutice de acolo. Știind că păstrarea probei de mucegai în flacoane se poate pierde cu ușurință, în loc să-și ungă buzunarele hainei cu matrița. Au ajuns la Washington DC la începutul lunii iulie pentru a discuta cu Ross Granville Harrison , președintele Consiliului Național de Cercetare (NRC), și cu Charles Thom și Percy Wells de la Departamentul de Agricultură al Statelor Unite . Au fost îndrumați să se apropie de Laboratorul Regional de Cercetare al Nordului USDA (NRRL, acum Centrul Național de Cercetare a Utilizării Agricole ), unde au fost efectuate fermentații pe scară largă. Au ajuns la Peoria, Illinois , pe 14 iulie pentru a-i întâlni pe Andrew Jackson Moyer și Robert D. Coghill la NRRL. Americanii au lucrat rapid la matriță și au reușit să facă cultură până la sfârșitul lunii iulie. Dar și-au dat seama că mucegaiul Fleming nu era suficient de eficient pentru a produce cantități mari de penicilină.

Micologul NRRL, Kenneth Bryan Raper, a primit ajutorul Comandamentului de transport al armatei SUA pentru a căuta mucegaiuri similare în diferite părți ale lumii și s-a constatat că cele mai bune matrițe erau cele din Chungkin (China), Bombay (Mumbai, India) și Cape Town (Sud) Africa). Dar cel mai bun eșantion a fost din cantalup (un tip de pepene galben) vândut pe piața fructelor Peoria în 1943. Matrița a fost identificată ca P. chrysogenum și desemnată ca NRRL 1951 sau tulpină de melon . Există o poveste populară conform căreia Mary K. Hunt (sau Mary Hunt Stevens), un membru al personalului Raper, a colectat matrița; pentru care fusese popularizată drept „Moldy Mary”. Dar Raper a remarcat această poveste ca pe un „folclor” și că fructele au fost livrate în laborator de o femeie de pe piața fructelor din Peoria.

Între 1941 și 1943, Moyer, Coghill și Kenneth Raper au dezvoltat metode pentru producția industrializată de penicilină și au izolat tulpini cu randament mai ridicat ale ciupercii Penicillium . Cercetări simultane efectuate de Jasper H. Kane și alți oameni de știință Pfizer din Brooklyn au dezvoltat metoda practică de fermentare în rezervor profund pentru producerea de cantități mari de penicilină de calitate farmaceutică.

Anunț cu penicilină pentru soldații celui de-al doilea război mondial, c . 1944

Când a început producția, containerele de un litru au avut un randament mai mic de 1%, dar s-au îmbunătățit până la un randament de 80-90% în containere de 10.000 galoane. Această creștere a eficienței s-a produs între 1939 și 1945 ca urmare a inovării continue a proceselor. Orvill May, directorul Serviciului de Cercetări Agricole , l-a făcut pe Robert Coghill, care era șeful diviziei de fermentare, să-și folosească experiența cu fermentarea pentru a crește eficiența extragerii penicilinei din matriță. La scurt timp după început, Moyer a înlocuit zaharoza cu lactoză în mediile de creștere, ceea ce a dus la un randament crescut. O creștere și mai mare a avut loc atunci când Moyer a adăugat alcool abrupt de porumb .

O problemă majoră a procesului cu care s-au confruntat oamenii de știință a fost ineficiența creșterii mucegaiului la suprafața băilor lor nutritive, mai degrabă decât a fi scufundat. Chiar dacă un proces scufundat de creștere a matriței ar fi mai eficient, tulpina utilizată nu a fost potrivită pentru condițiile pe care le-ar necesita. Acest lucru a condus NRRL la o căutare a unei tulpini care fusese deja adaptată pentru a funcționa și a fost găsită într-un cantalup mucegăit achiziționat de pe o piață a fermierilor din Peoria . Pentru a îmbunătăți această tulpină, cercetătorii au supus-o la raze X pentru a facilita mutațiile genomului său și au reușit să crească și mai mult capacitățile de producție.

Acum, când oamenii de știință aveau o matriță care a crescut bine scufundată și a produs o cantitate acceptabilă de penicilină, următoarea provocare a fost de a furniza aerul necesar matriței pentru ca aceasta să crească. Acest lucru a fost rezolvat folosind un aerator, dar aerarea a provocat spumare severă ca urmare a abruptului de porumb. Problema spumării a fost rezolvată prin introducerea unui agent anti-spumare cunoscut sub numele de gliceril monoricinoleat.

Analiza chimica

Structura chimică a penicilinei a fost propusă pentru prima dată de Edward Abraham în 1942. Dorothy Hodgkin a determinat structura chimică corectă a penicilinei utilizând cristalografia cu raze X la Oxford în 1945. În 1945, Comitetul SUA pentru Cercetări Medicale și British Medical Research Council au publicat împreună în Știință o analiză chimică efectuată la diferite universități, companii farmaceutice și departamente de cercetare guvernamentale. Raportul a anunțat existența diferitelor forme de compuși ai penicilinei, care toți au același component structural numit β-lactam . Penicilinelor li s-au dat diferite nume, cum ar fi utilizarea cifrelor romane în Marea Britanie (cum ar fi penicilina I, II, III) în scopul descoperirilor și literelor lor (cum ar fi F, G, K și X) referindu-se la originile sau sursele lor, ca mai jos :

Nomenclatura Marii Britanii Nomenclatura SUA Nume chimic
Penicilina I Penicilina F 2-Pentenilpenicilină
Penicilina II Penicilina G Benzilpenicilina
Penicilina III Penicilina X p -Hidroxibenzilpenicilina
Penicilina IV Penicilina K n- Heptilpenicilina

Denumirile chimice s-au bazat pe lanțurile laterale ale compușilor. Pentru a evita denumirile controversate, Chain a introdus în 1948 denumirile chimice ca nomenclatură standard, remarcând astfel: „Pentru ca nomenclatura să fie cât mai lipsită de ambiguitate s-a decis înlocuirea sistemului de numere sau litere cu prefixe care indică natura chimică a laturii lanțul R. "

În Kundl , Tirol , Austria , în 1952, Hans Margreiter și Ernst Brandl de Biochemie (acum Sandoz ) a dezvoltat prima penicilina acid stabil pentru administrare orală, penicilina V . Chimistul american John C. Sheehan de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) a finalizat prima sinteză chimică a penicilinei în 1957. Sheehan își începuse studiile în sinteza penicilinei în 1948 și, în timpul acestor investigații, a dezvoltat noi metode pentru sinteza peptidelor , ca precum și noi grupuri de protecție - grupuri care maschează reactivitatea anumitor grupuri funcționale. Deși sinteza inițială dezvoltată de Sheehan nu a fost adecvată pentru producția în masă a penicilinelor, unul dintre compușii intermediari din sinteza lui Sheehan a fost acidul 6-aminopenicilanic (6-APA), nucleul penicilinei.

O dezvoltare importantă a fost descoperirea propriu-zisă a 6-APA. În 1957, cercetătorii de la Beecham Research Laboratories (acum Grupul Beechem) din Surrey au izolat 6-APA din mediul de cultură al P. chrysogenum . S-a constatat că 6-APA constituie „nucleul” central al penicilinei (de fapt, toate antibioticele β-lactamice) și a fost ușor modificat chimic prin atașarea lanțurilor laterale prin reacții chimice. Descoperirea a fost publicată Nature în 1959). Acest lucru a deschis calea către medicamente noi și îmbunătățite, deoarece toate penicilinele semisintetice sunt produse din manipularea chimică a 6-APA.

A doua generație de meticilină antibiotică β-lactamică semi-sintetică , concepută pentru a contracara penicilinazele rezistente la prima generație, a fost introdusă în Regatul Unit în 1959. Formele rezistente la meticilină ale Staphylococcus aureus probabil existau deja la acea vreme.

Rezultate

Fleming, Florey și Chain au împărțit în egală măsură Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină din 1945 „pentru descoperirea penicilinei și efectul său curativ în diferite boli infecțioase”.

Metodele de producție și izolare a penicilinei au fost brevetate de Andrew Jackson Moyer în SUA în 1945. Chain dorise să depună un brevet, Florey și colegii săi de echipă s-au opus argumentând că ar trebui să fie un beneficiu pentru toți. Sir Henry Dale a sfătuit în mod specific că a face acest lucru nu ar fi etic. Când Fleming a aflat de brevetele americane privind producția de penicilină, el s-a înfuriat și a comentat:

Am găsit penicilină și am dat-o gratuit în folosul umanității. De ce ar trebui să devină un monopol profitabil al producătorilor din altă țară?

Dorothy Hodgkin a primit Premiul Nobel pentru chimie din 1964 „pentru determinările sale prin tehnici cu raze X ale structurilor substanțelor biochimice importante”.

Dezvoltarea derivaților de penicilină

Gama restrânsă de boli tratabile sau „spectrul de activitate” al penicilinelor, împreună cu activitatea slabă a fenoximetilpenicilinei active pe cale orală, au condus la căutarea derivaților penicilinei care ar putea trata o gamă mai largă de infecții. Izolarea 6-APA, nucleul penicilinei, a permis prepararea penicilinelor semisintetice, cu diverse îmbunătățiri față de benzilpenicilina (biodisponibilitate, spectru, stabilitate, toleranță). Prima dezvoltare majoră a fost ampicilina în 1961. A fost produsă de Beecham Research Laboratories din Londra. A fost mai avantajos decât penicilina originală, deoarece oferea un spectru mai larg de activitate împotriva bacteriilor Gram-pozitive și Gram-negative. Dezvoltarea ulterioară a produs peniciline rezistente la β-lactamază , inclusiv flucloxacilină , dicloxacilină și meticilină . Acestea au fost semnificative pentru activitatea lor împotriva speciilor bacteriene producătoare de β-lactamază, dar au fost ineficiente împotriva tulpinilor rezistente la meticilină Staphylococcus aureus (MRSA) care au apărut ulterior.

O altă dezvoltare a liniei penicilinelor adevărate a fost penicilinele antipseudomonale, cum ar fi carbenicilina , ticarcilina și piperacilina , utile pentru activitatea lor împotriva bacteriilor Gram-negative . Cu toate acestea, utilitatea inelului β-lactamic a fost de așa natură încât antibioticele asociate, inclusiv mecilinamele , carbapenemele și, cel mai important, cefalosporinele , îl păstrează în continuare în centrul structurilor lor.

Β-lactamele legate de peniciline au devenit cele mai utilizate antibiotice din lume. Amoxicilina, o penicilină semisintetică dezvoltată de Beecham Research Laboratories în 1970, este cea mai frecvent utilizată dintre toate.

Rezistenta la medicamente

Fleming a avertizat posibilitatea rezistenței la penicilină în condiții clinice în Conferința sa Nobel și a spus:

Poate veni momentul în care penicilina poate fi cumpărată de oricine din magazine. Apoi, există pericolul ca omul ignorant să se subdozeze cu ușurință pe sine și expunându-și microbii la cantități neletale de medicament, să-i facă rezistenți.

În 1940, Ernst Chain și Edward Abraham au raportat prima indicație a rezistenței la antibiotice la penicilină, o tulpină E. coli care a produs enzima penicilinazei , care era capabilă să descompună penicilina și să-și anuleze complet efectul antibacterian. Chain și Abraham au elaborat natura chimică a penicilinazei pe care au raportat-o ​​în Nature ca:

Concluzia că substanța activă este o enzimă este extrasă din faptul că este distrusă prin încălzire la 90 ° timp de 5 minute și prin incubare cu papaină activată cu cianură de potasiu la pH 6 și că nu este dializabilă prin „ celofan ”. membrane.

În 1942, tulpinile de Staphylococcus aureus au fost documentate că au dezvoltat o rezistență puternică la penicilină. Majoritatea tulpinilor au fost rezistente la penicilină până în anii 1960. În 1967, Streptococcus pneumoniae a fost, de asemenea, raportat a fi rezistent la penicilină. Multe tulpini de bacterii au dezvoltat în cele din urmă o rezistență la penicilină.

Note

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe