История открытия антибиотиков и их роль в современной фармакологии

До начала 20-го века лечение инфекций основывалось главным образом на фольклоре, стереотипах и суевериях. История открытия антибиотиков в этом плане очень любопытно. Смеси с антимикробными свойствами, которые использовались при лечении инфекций, были описаны более 2000 лет назад. Многие древние культуры, включая древних египтян и древних греков, использовали специально отобранные плесень, растительные материалы и экстракты для лечения инфекций.

Использование их в современной медицине началось с открытия синтетических антибиотиков, полученных из красителей. Обычно с упоминания этого факта и начинается любая история открытия антибиотиков.

Вам будет интересно:Перемещение при прямолинейном равноускоренном движении: формула, ее применение

Первые исследования

Синтетическая антибактериальная химиотерапия как наука и разработка антибактериальных препаратов началась в Германии с исследований, проведенных Полом Эрлихом в конце 1880-х годов. Эрлих отметил, что некоторые красители будут окрашивать человеческие, животные или бактериальные клетки, тогда как другие - нет. Затем он предложил идею создания химических веществ, которые будут действовать как селективный препарат, который будет связывать и убивать бактерии, не нанося вреда человеческому организму. После скрининга сотен красителей против различных организмов в 1907 году он обнаружил лекарственно полезное вещество, первый синтетический антибактериальный препарат, который теперь называется арсфенамином. Другую информацию об истории открытия антибиотиков вы получите далее в статье.

Союз немца и японца

Эпоха антибактериального лечения началась с открытия синтетических антибиотиков, полученных из мышьяка, Альфредом Бертхаймом и Эрлихом в 1907 году. Эрлих и Бертхайм экспериментировали с различными химическими веществами, полученными из красителей, для лечения трипаносомоза у мышей и инфекции спирохеты у кроликов. В то время как их ранние соединения были слишком токсичными, Эрлих и Сахачиро Хата, японский бактериолог, работающий с первым в поисках лекарства для лечения сифилиса, достигли успеха в своей 606-й попытке из целой серии сложных экспериментов.

Признание и коммерческий успех

Вам будет интересно:Интеллектуальная школа Назарбаева в Казахстане

В 1910 году Эрлих и Хата объявили о своем открытии, которое они назвали лекарством «606», на Конгрессе по внутренней медицине в Висбадене. Компания Hoechst начала продавать этот комплекс к концу 1910 года под названием салварсан. Этот препарат теперь известен как арсфенамин. Препарат использовался для лечения сифилиса в первой половине 20-го века. В 1908 году Эрлих получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свой вклад в иммунологию. Хата был номинирован на Нобелевскую премию по химии в 1911 году и на Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1912 и 1913 годах.

Новая эпоха в истории медицины

Первый сульфонамид и первый системно активный антибактериальный препарат "пронтосил" был разработан исследовательской группой во главе с Герхардом Домагком в 1932 или 1933 году в лабораториях Bayer конгломерата IG Farben в Германии, за что Домагк получил Нобелевскую премию 1939 года по физиологии и медицине. Сульфаниламид (активный компонент "Пронтозила") не был патентоспособным, поскольку он уже использовался в красящей промышленности в течение нескольких лет. "Пронтозил" имел относительно широкий эффект против грамположительных кокков, но не против энтеробактерий. Его успех в лечении обычно был финансово стимулирован организмом человека и его иммунитетом. Открытие и развитие этого препарата сульфонамида ознаменовало эпоху антибактериальных препаратов.

Открытие антибиотика пенициллина

История пенициллина следует за рядом наблюдений и открытий очевидных доказательств антибиотической активности в плесени, предшествовавших синтезу химического пенициллина в 1928 году. В древних обществах есть примеры использования древесных форм плесени для лечения инфекций. Однако неизвестно, были ли эти формы плесени видами пенициллина. Шотландский врач Александр Флеминг был первым, кто предположил, что плесень Penicillium должна выделять антибактериальное вещество, которое он назвал пенициллином в 1928 году. Пенициллин был первым современным антибиотиком.

Дальнейшее изучение плесени

Вам будет интересно:Основные этапы возникновения жизни согласно теории биопоэза

Но информация об истории открытия антибиотиков не ограничивается 20-ми годами прошлого века. В течение следующих двенадцати лет Флеминг выращивал, распределялся и изучал интересную плесень, которая была признана редким видом Penicillium notatum (теперь Penicillium chrysogenum). Многие более поздние ученые были вовлечены в стабилизацию и массовое производство пенициллина и в поисках более продуктивных штаммов Penicillium. Список этих ученых включает Эрнста Чейна, Говарда Флори, Нормана Хитли и Эдварда Абрахама. Вскоре после открытия пенициллина ученые обнаружили, что некоторые болезнетворные патогены проявляют антибиотическую резистентность к пенициллину. Исследования, направленные на развитие более эффективных штаммов и изучение причин и механизмов устойчивости к антибиотикам, продолжаются и сегодня.

Мудрость древних

Многие древние культуры, в том числе в Египте, Греции и Индии, самостоятельно обнаружили полезные свойства грибов и растений при лечении инфекции. Эти процедуры часто срабатывали, потому что многие организмы, включая многие виды плесени, естественно продуцируют антибиотические вещества. Однако древние знахари не могли точно идентифицировать или изолировать активные компоненты этих организмов. В Шри-Ланке во втором веке до н. э. солдаты в армии царя Дутугемуну (161-137 до н. э.) проверяли, чтобы на протяжении долгого времени в их очагах хранились масляные пирожные (традиционная ланкийская сладость), прежде чем приступать к военным кампаниям, чтобы приготовить прикорм из заплесневелых лепешек для лечения ран.

В Польше 17-го века влажный хлеб смешивали с паутиной (которая часто содержала споры грибов) для лечения ран. Техника была упомянута Генриком Сиенкевичем в его книге 1884 года «С огнем и мечом». В Англии в 1640 году идея использования плесени в качестве формы лечения была зафиксирована аптекарями, такими как Джон Паркинсон, герцог короля, который выступал за использование плесени в своей книге по фармакологии. Открытие Александром Флемингом антибиотиков, созданных на основе плесени, перевернет мир.

Новое время

Современная история исследований пенициллина начинается всерьез в 1870-х годах в Соединенном Королевстве. Сэр Джон Скотт Бурдон-Сандерсон, который отправился в больницу Св. Марии (1852-1858), а затем работал там в качестве лектора (1854-1862), заметил, что культуральная жидкость, покрытая плесенью, препятствует росту и размножению бактерий. Обнаружение Бурдона-Сандерсона побудило Джозефа Листера, английского хирурга и отца современной антисептики, обнаружить в 1871 году, что образцы мочи, зараженные плесенью, производят тот же эффект. Листер также описал антибактериальное действие на ткань человека вида плесени, который он назвал Penicillium glaucum. Строго говоря, 1871 год можно назвать датой открытия антибиотиков. Но только формально. Настоящие пригодные для постоянного использования и производства антибиотики будут произведены значительно позже.

В 1874 году валлийский врач Уильям Робертс, который позже придумал термин «фермент», заметил, что бактериальное загрязнение обычно отсутствует в лабораторных культурах Penicillium glaucum. Джон Тиндалл продолжил работу Бурдона-Сандерсона и продемонстрировал Королевскому обществу в 1875 году антибактериальное действие гриба Penicillium. К этому времени было показано, что Bacillus anthracis вызывает сибирскую язву, что было первой демонстрацией того, что конкретная бактерия вызвала специфическое заболевание. В 1877 году французские биологи Луис Пастер и Жюль Франсуа Жуберт отметили, что культуры бацилл сибирской язвы, когда они загрязнены плесенью, могут быть успешно уничтожены. Некоторые ссылки говорят о том, что Пастер идентифицировал штамм используемой им плесени как пенициллиум нотатум. Тем не менее книга «Охотники за микробами» 1926 года Пола де Крюифа описывает этот инцидент как загрязнение другими бактериями, а не плесенью. В 1887 году Гарре получил аналогичные результаты. В 1895 году Винченцо Тиберио, итальянский врач из Неаполитанского университета, опубликовал исследование о плесени в водохранилище в Арцано, которая проявляла антибактериальные свойства. Все это нужно знать, поскольку в любом учебнике фармакологии история открытия антибиотиков занимает особое место.

Вам будет интересно:Плохие поступки и хорошие поступки детей

Два года спустя Эрнест Дюшенн в «Школе дю Сант Милитейер» в Лионе самостоятельно открыл целебные свойства плексигласовой плесени Penicillium, успешно вылечив зараженных морских свинок от брюшного тифа. Он опубликовал диссертацию в 1897 году, но она была проигнорирована Институтом Пастера. Дюшенн сам использовал открытие, сделанное ранее арабскими кочевниками, которые использовали споры плесени для лечения язв у лошадей. Дюшенн не утверждал, что плесень содержит какое-либо антибактериальное вещество, только то, что плесень каким-то образом защищает животных. Пенициллин, выделенный Флемингом, не излечивает брюшного тифа, и поэтому остается неизвестным, какое вещество может быть ответственным за излечение морских свинок Дюшенна.

Другие наблюдения за плесенью

История открытия антибиотиков этим не ограничивается. В Бельгии в 1920 году Андре Грация и Сара Дат наблюдали грибковое заражение в одной из своих культур Staphylococcus aureus, которая препятствовала росту бактерий. Они идентифицировали гриб как вид пенициллиума и представили свои наблюдения в виде лабораторного протокола, которому было уделено мало внимания. Костариканский ученый-исследователь Пикадо Твайт также отметил антибиотический эффект Penicillium в 1923 году. В истории фармакологии открытие антибиотиков сыграло огромную роль.

Великий прорыв

В 1928 году шотландский биолог Александр Флеминг заметил ореол ингибирования роста бактерий на культуре палочек Staphylococcus. Он пришел к выводу, что плесень выпускает вещество, которое ингибирует рост бактерий. Он выращивал чистую культуру плесени и впоследствии синтезировал то, что позже назвал «пенициллин». В течение следующих двенадцати лет Флеминг выращивал и селекционировал оригинальный штамм плесени, которая в конечном итоге была идентифицирована как пенициллийный нотаум (сегодня - как Penicillium chrysogenum). Ему не удалось создать стабильную форму для массового производства. Тем не менее открытие антибиотиков Флемингом положило начало новой эпохи в истории медицины.

Продолжение великого дела

Сесил Джордж Пейн, патологоанатом в Королевском лазарете в Шеффилде, попытался лечить сикоз (извержения в фолликуле) пенициллином, но его эксперимент не увенчался успехом, вероятно, потому, что препарат не проникал достаточно глубоко. Перейдя к лечению офтальмии новорожденных, гонококковой инфекции у младенцев, он добился первого удачного исцеления 25 ноября 1930 года. Он вылечил четырех пациентов (одного взрослого и трех младенцев) от глазных инфекций, хотя пятому пациенту не повезло.

В Оксфорде Говард Уолтер Флори организовал большую и очень опытную группу по биохимическим исследованиям, среди которых были Эрнст Борис Цейн и Норман Хитли, чтобы провести клинические испытания и произвести стабильный пенициллин в необходимом количестве. В 1940 году Цейн и Эдвард Абрахам сообщили о первом признаке устойчивости антибиотиков к пенициллину, штамму E.coli, который продуцировал фермент пенициллиназы, способный разрушать пенициллин и полностью отрицать его антибактериальное действие.

Промышленное производство

Между 1941 и 1943 годами Мойер, Когхилл и Рапер в Северной региональной исследовательской лаборатории Министерства сельского хозяйства США (ПМР) в Пеории, штат Иллинойс, США, разработали методы промышленного производства пенициллина и выделенных высокоурожайных штаммов гриба Penicillium. В декабре 1942 года жертвы пожара в Кокоанутовой роще в Бостоне стали первыми пациентами с ожогами, которые успешно лечились пенициллином. Одновременное исследование Яспера Х. Кейна и других ученых Pfizer в Бруклине разработало практический метод глубокой ферментации для производства больших количеств пенициллина фармацевтического класса.

Открытие антибиотиков в России произошло как раз после завоза пенициллина в СССР в конце 1930-х годов, когда их исследованием занималась Ермольева. Роль России в этой истории хоть и несколько вторична, но также важна. Не зря ведь, когда говорят про открытие антибиотиков, Флеминг, Чейн, Флори, Ермольева - главные фамилии, упоминаемые историками медицины.

В дело включились химики

Дороти Ходжкин определила правильную химическую структуру пенициллина с использованием рентгеновской кристаллографии в Оксфорде в 1945 году. В 1952 году в Кундле, Тироль, Австрия, Ханс Маргрейтер и Эрнст Брандл из Университета Биохимии (теперь Сандоз) разработали первый кислотостойкий пенициллин для перорального введения, пенициллин В. Американский химик Джон С. Шихан из Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт) впоследствии завершил первый химический синтез пенициллина в 1957 году. Читатель, должно быть, уже понял, что период открытия антибиотиков в микробиологии длился едва ли не половину прошлого века. В 1959 году в Соединенном Королевстве был введен полусинтетический β-лактамный метициллин второго поколения, предназначенный для борьбы с резистентными к первому поколению пенициллиназами, в 1959 году. Вероятно, в настоящее время существуют устойчивые к метициллину формы стафилококов. Стоит отметить, что среди открытий 20 века антибиотики занимают очень почетное место.

Бактерии-антибиотики

Наблюдения за ростом некоторых микроорганизмов, ингибирующих рост других бактерий, отмечались с конца 19 века. Эти наблюдения за синтезом антибиотиков между микроорганизмами привели к открытию природных антибактериальных средств. Луи Пастер заметил: «Если бы мы могли вмешаться в антагонизм, наблюдаемый между некоторыми бактериями, это принесло бы, возможно, самые большие надежды на терапию». Это был своего рода поворотный момент в истории открытия антибиотиков.

Еще немного о 19 веке

В 1874 году врач сэр Уильям Робертс отметил, что культуры плесени Penicillium glaucum, которые используются при изготовлении некоторых видов голубого сыра, не проявляют бактериального загрязнения. В 1876 году физик Джон Тиндаль также внес свой вклад в эту область. Пастер провел исследование, в котором показано, что Bacillus anthracis не будет расти в присутствии связанной плесени Penicillium notatum.

В 1895 году итальянский врач Винченцо Тиберио опубликовал статью о антибактериальной силе некоторых экстрактов плесени.

В 1897 году докторант Эрнест Дюшен написал работу «Вклад в выведение микроорганизмов: антагонизм, антагонистическое мышление и патогены». Это была первая известная научная работа по рассмотрению терапевтических возможностей плесени в результате их антимикробной активности. В своем труде Дюшен предложил, чтобы бактерии и плесени участвовали в вечной битве за выживание. Дюшесен заметил, что E. coli была удалена с помощью Penicillium glaucum, когда они оба выросли в одной и той же культуре. Он также заметил, что, когда он инокулировал лабораторных животных смертельными дозами тифозных бацилл вместе с Penicillium glaucum, животные не умерли от брюшного тифа. К сожалению, военная служба Дюшенна после получения степени не позволила ему провести дальнейшие исследования. Дюшен умер от туберкулеза - болезни, которую теперь лечат антибиотиками.

И только Флеминг спустя более чем 30 лет предположил, что плесень должна выделять антибактериальное вещество, которое он назвал пенициллином в 1928 году. Дуэт, определивший историю открытия антибиотиков - Флеминг/Ваксман. Флеминг считал, что его антибактериальные свойства можно использовать для химиотерапии. Первоначально он характеризовал некоторые из его биологических свойств и пытался использовать сырой препарат для лечения некоторых инфекций, но не смог продолжить свое развитие без помощи подготовленных химиков. Никто не играл во всей этой эпопее такой решающей роли, как научный дуэт Флеминг/Ваксман, история открытия антибиотиков их не забудет.

Но в этой эпопее были и другие важные имена. Как уже упоминалось ранее, химикам удалось очистить пенициллин только в 1942 году, но до 1945 года он не стал широко доступным за пределами союзных военных. Позже Норман Хитли разработал технику обратной экстракции для эффективной очистки пенициллина навалом. Химическая структура пенициллина была впервые предложена Абрахамом в 1942 году, а затем позже подтверждена Дороти Кроуфут Ходжкин в 1945. Очищенный пенициллин проявлял сильную антибактериальную активность против широкого спектра бактерий и имел низкую токсичность у людей. Кроме того, его активность не ингибировалась биологическими компонентами, такими как гной, в отличие от синтетических сульфонамидов. Развитие потенциала пенициллина привело к возобновлению интереса к поиску антибиотических соединений с аналогичной эффективностью и безопасностью. Цейн и Флори разделили Нобелевскую премию 1945 года в области медицины с Флемингом, открывшим эту чудо-плесень. Открытие антибиотиков Ермольевой было ожидаемо проигнорировано западным научным сообществом.

Другие антибиотики на основе плесени

Флори приписывал Рене Дюбо новаторский подход к преднамеренному и систематическому поиску антибактериальных соединений, что привело к открытию грамицидина и возродило исследования Флори в области свойств пенициллина. В 1939 году, с началом Второй мировой войны, Дюбо сообщил об открытии первого естественно полученного антибиотика, тиротрицина. Это был один из первых коммерческих антибиотиков, который был очень эффективным при лечении ран и язв во время Второй мировой войны. Однако грамицидин не мог использоваться системно из-за токсичности. Тироцидин также оказался слишком токсичным для системного использования. Результаты исследований, полученные в этот период, не были разделены между осью и союзными державами во время Второй мировой войны и пользовались ограниченным спросом в мире во время «холодной войны». Презентация открытия антибиотиков происходила в основном в развитых странах Запада.

История названия

Вам будет интересно:Медный купорос: формула. Как вырастить кристаллы медного купороса в домашних условиях?

Термин «антибиотик», означающий «против жизни», был введен французским бактериологом Жаном Полем Вилькемином как описательное название свойства, проявляемого этими ранними антибактериальными препаратами. Антибиотик был впервые описан в 1877 году, когда Луи Пастер и Роберт Кох наблюдали, как бактерия-палочка умирает под действием Bacillus anthracis. Эти препараты позднее были переименованы в антибиотики Сельманом Ваксманом, американским микробиологом, в 1942 году. Эту дату стоит включить в список годов открытия антибиотиков.

Термин «антибиотик» впервые был использован в 1942 году Сельманом Ваксманом и его сотрудниками в журнальных статьях для описания любого вещества, продуцируемого микроорганизмом, который является антагонистическим для роста других микроорганизмов. Это определение исключало вещества, которые убивают бактерии, но которые не продуцируются микроорганизмами (такие как желудочные соки и перекись водорода). Он также исключил синтетические антибактериальные соединения, такие как сульфонамиды. При использовании в настоящее время термин «антибиотик» применяется к любому лекарству, которое убивает бактерии или ингибирует их рост, независимо от того, производится ли этот препарат микроорганизмом или нет.

Этимология

Термин «антибиотик» происходит от приставки «анти» и греческого слова βιωτικός (biōtikos), «пригодный для жизни, живой», который исходит из βίωσις (biōsis), «образ жизни», а также корня βίος (bios) «жизнь». Термин «антибактериальный» происходит от греческого ἀντί (анти), «против» + βακτήριον (baktērion), уменьшительного от βακτηρία (baktēria), «тростник», поскольку первые обнаруженные бактерии были стержнеобразными по своей форме.

Альтернативы антибиотикам

Увеличение числа бактериальных штаммов, которые устойчивы к традиционным антибактериальным терапиям вместе с уменьшением количества новых антибиотиков, которые в настоящее время разрабатываются в в качестве лекарств, побудило развитие стратегий лечения бактериальных заболеваний, являющихся альтернативой традиционным антибактериальным препаратам. Для борьбы с этой проблемой также исследуются неспецифические подходы (то есть продукты, отличные от классических антибактериальных средств), которые нацелены на бактерии или подходы, которые нацелены на хозяина, включая фаговую терапию и вакцины.

Вакцины

Вакцины полагаются на иммунную модуляцию или аугментацию. Вакцинация либо возбуждает, либо усиливает иммунитет человека для предотвращения инфекции, приводя к активации макрофагов, производству антител, воспалению и другим классическим иммунным реакциям. Антибактериальные вакцины ответственны за резкое сокращение глобальных бактериальных заболеваний. Вакцины, полученные из аттенюированных целых клеток или лизатов, были заменены в основном менее реакционноспособными, бесклеточными вакцинами, состоящими из очищенных компонентов, включая капсульные полисахариды и их конъюгаты, белковыми носителями, а также инактивированными токсинами (токсоидами) и белками.

Фаготерапия

Фаготерапия - еще один метод лечения устойчивых к антибиотикам штаммов бактерий. Фаготерапия заражает патогенные бактерии собственными вирусами. Бактериофаги чрезвычайно специфичны для определенных бактерий, поэтому они не вредят организму-хозяину и микрофлоре кишечника в отличие от антибиотиков. Бактериофаги, также известные как фаги, заражают и могут убивать бактерии и влиять на рост бактерий прежде всего в течение литических циклов. Фаги вставляют свою ДНК в бактерию, где ее транскрибируют и используют для создания новых фагов, после чего клетка будет лизироваться, высвобождая новый фаг, способный заражать и уничтожать другие бактерии одного и того же штамма. Высокая специфичность фага защищает «хорошие» бактерии от разрушения.

Однако существуют и некоторые недостатки в использовании бактериофагов. Бактериофаги могут содержать факторы вирулентности или токсичные гены в своих геномах. Кроме того, пероральное и внутривенное введение фагов для уничтожения бактериальных инфекций представляет собой гораздо более высокий риск безопасности, чем местное применение, и есть дополнительная проблема неопределенного иммунного ответа на эти крупные антигенные коктейли. Существуют значительные регуляторные препятствия, которые необходимо преодолеть для таких рискованных методов лечения. Использование бактериофагов в качестве замены противомикробных препаратов остается привлекательным вариантом, несмотря на многочисленные проблемы.

Роль растений

Растения являются важным источником противомикробных соединений, а традиционные целители уже давно используют их для профилактики или лечения инфекционных заболеваний. Недавно появился новый интерес к использованию натуральных продуктов для идентификации новых антибиотиков (определяемых как натуральные продукты с антибиотической активностью) и их применения при открытии антибактериальных препаратов в эпоху геномики. Фитохимические вещества являются активным биологическим компонентом растений, а некоторые фитохимические вещества, включая дубильные вещества, алкалоиды, терпеноиды и флавоноиды, обладают противомикробной активностью. Некоторые антиоксидантные пищевые добавки также содержат фитохимические вещества (полифенолы), такие как экстракт виноградных косточек, и демонстрируют антибактериальные свойства in vitro.

Фитохимические вещества способны ингибировать синтез пептидогликана, повреждать структуры микробных мембран, изменять гидрофобность поверхности бактериальных мембран, а также модулировать чувствительность кворума. С ростом резистентности к антибиотикам в последние годы изучается потенциал новых антимикробных препаратов, полученных из растений. Тем не менее можно сказать, что долгий период открытия антибиотиков подошел к концу.

Источник