Φυσικoχημικές ιδιότητες [Αναφ. 1]: Εμφάνιση: 'Αμορφη λευκή σκόνη Μοριακός τύπος: C16H18N2O4S Σχετική μοριακή μάζα: 334,40 Διαλυτότητα: ελάχιστα διαλυτή (ως ελεύθερο οξύ) στο νερό, σε αντίθεση με τα εξαιρετικώς διαλυτά άλατά της (π.χ. με Na, K, Ca). Διαλυτή σε μεθανόλη, αιθανόλη, αιθέρα, οξικό αιθυλεστέρα, βενζόλιο, χλωροφόρμιο, ακετόνη. Αδιάλυτη σε πετρελαϊκό αιθέρα. Στροφική ικανότητα, [α]D23 = +269º (350 mg άλατος με Na, διαλυμένα σε 50 mL μεθανόλης). pKa = 2,74 (σε νερό, στους 25ºC) Μπορεί να ληφθεί σε κρυσταλλική μορφή με ανακρυστάλλωση σε δι-ισοπροπυλαιθέρα (κρυσταλλώνεται με ένα μόριο του αιθέρα)

Πενικιλίνη G (Βενζυλοπενικιλινικό οξύ) Penicillin G (Benzylpenicillinic acid)

 

"'Εχω κάτι πολύ καλύτερο από το Prontosil, αλλά κανείς δεν μ' ακούει"

Ο Fleming σε συνάδελφό του μετά από μια διάλεξη που παρακολούθησαν το 1935 για τις

θεραπευτικές ιδιότητες του Prontosil (ενός νέου τότε συνθετικού αντιβιοτικού) [Αναφ. 2δ]

 

"Χωρίς τον Fleming, δεν θα υπήρχε ο Chain ή ο Florey. Χωρίς τον Chain δεν θα υπήρχε ο Florey.

Χωρίς τον Florey δεν θα υπήρχε ο Heatley. Χωρίς τον Heatley δεν θα υπήρχε η πενικιλίνη",

Sir Henry Harris, 1998 [Αναφ. 3η]

 

Γενικά για τα αντιβιοτικά πενικιλίνης, τα φάρμακα με θαυματουργές ιδιότητες

Τα αντιβιοτικά της πενικιλίνης (penicillin, PCN, pen) έχουν μεγάλη θεραπευτική, αλλά και ιστορική σημασία για τον τομέα της φαρμακευτικής και των ιατρικών επεμβάσεων για τη θεραπεία νόσων οι οποίες αποδεκάτισαν εκατομμύρια ανθρώπους στους προηγούμενους αιώνες, όπως η σύφιλη, η γονόρροια και πλήθος άλλων μολυσματικών ασθενειών, που προκαλούνταν από σταφυλόκοκκους και στρεπτοκόκκους. Οι πενικιλίνες (η πενικιλίνη και τα διάφορα παράγωγά της) αποτελούν τα πλέον διαδεδομένα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούνται ευρύτατα μέχρι σήμερα και συνεχής είναι η έρευνα για νέα βελτιωμένα παράγωγά τους.

Η τιμή για την ανακάλυψη της πενικιλίνης αποδίδεται στον Sir Alexander Fleming (1928), ο οποίος πράγματι πρώτος υπέθεσε την ύπαρξή της, δοκίμασε τις θεραπευτικές της ιδιότητες και επιχείρησε την απομόνωσή της, αν και η θεραπευτική δράση της ήταν γνωστή από αιώνες πριν και ο μύκητας (μούχλα) που την παρήγαγε είχε χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία μολύνσεων από πολλούς ιατρούς πριν από τον Fleming.

Οι πενικιλίνες αποτελούν μια κατηγορία δικυκλικών οργανικών ενώσεων που χαρακτηρίζονται από την παρουσία ενός β-λακταμικού δακτυλίου συγχωνευμένου (fused) με ένα θειαζολινικό δακτύλιο. Ο γενικός τύπος τους έχει τη μορφή που απεικονίζεται αριστερά. Στον λακταμικό δακτύλιο βρίσκεται μια αμιδική ομάδα (RCONH-), η οποία χαρακτηρίζει την πενικλλίνη, αφού οι διάφοροι τύποι πενικιλινών διαφέρουν κυρίως ως προς το είδος της οργανικής ομάδας R.

Οι βήτα-λακτάμες (β-λακτάμες) είναι τα κυκλικά αμίδια τα οποία προκύπτουν από τα β-αμινοξέα (αμινοξέα με αμινομάδα στον β-άνθρακα μετά το καρβοξύλιο) με απόσπαση ύδατος. 'Ετσι, η απλούστερη β-λακτάμη είναι η λακτάμη β-αλανίνης (ή β-προπιολακτάμη) (βλ. δεξιά). Αντίστοιχα, ορίζονται οι γ-, οι δ- κ.λπ. λακτάμες.

Στην πλέον κοινή μορφή φυσικής πενικιλίνης, η ομάδα R είναι η βενζυλική ομάδα (R: C6H5CH2-) και για τον λόγο αυτό συχνά αναφέρεται και ως βενζυλοπενικιλίνη. Οι άλλες πενικιλίνες είναι προϊόντα ειδικής ζύμωσης (π.χ. η πενικιλίνη V) ή (κυρίως) είναι ημισυνθετικές ενώσεις, οι οποίες παρασκευάζονται με αντικατάσταση της βενζυλικής ομάδας της φυσικής πενικιλίνης με μια ποικιλία οργανικών ομάδων.

Η πλέον κοινή φυσική πενικιλίνη είναι γνωστή και ως πενικιλίνη G (το G προέρχεται από το gold: χρυσός, gold standard penicillin: χρυσή πρότυπη πενικιλίνη) και η κατά IUPAC ονομασία της είναι: (2S,5R,6R)-3,3-διμεθυλο-7-οξο-6-(2-φαινυλακεταμιδο)-4-θεια-1-αζα-δικυκλο[3.2.0]επτανο-2-καρβοξυλικό οξύ. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί η ύπαρξη μιας επιπλέον μορφής φυσικής πενικιλίνης, γνωστής ως πενικιλίνης F (το F από το first: η πρώτη πενικιλίνη), στην οποία η ομάδα R είναι το 2-πεντενύλιο (CH3CH2CH=CHCH2-). Η πενικιλίνη F ήταν και η πρώτη που μελετήθηκε (σε διάλυμα στο υγρό καλλιέργειας) αρχικά από τον Fleming και απομονώθηκε αργότερα από την ομάδα της Οξφόρδης, αλλά η πενικιλίνη G ήταν η εκείνη που προέκυψε όταν άρχισε η μαζική της παραγωγή με τη μέθοδο της "βυθισμένης καλλιέργειας". Η φύση της ομάδας R δεν επιδρά σημαντικά στις αντιβιοτικές ιδιότητες της πενικιλίνης, όπου η "ομάδα-κλειδί" είναι ο β-λακταμικός δακτύλιος.

 

Ο βιοχημικός και μικροβιολόγος Selman Walksman (1888-1973) που εισήγαγε τον όρο "αντιβιοτικό" Αντιβιοτικά Ο όρος αντιβιοτικό (antibiotic) εισήχθη to 1942 από τον Αμερικανό (ουκρανικής καταγωγής) βιοχημικό και μικροβιολόγο Selman Walksman (1888-1973), ο οποίος ανακάλυψε τη στρεπτομυκίνη το 1943. Για την ανακάλυψή του αυτή τιμήθηκε με το βραβείο Nobel της ιατρικής και φυσιολογίας του 1952. Με τον όρο "αντιβιοτικό" περιγράφεται κάθε ουσία που παράγεται από έναν μικροοργανισμό, η οποία σε μεγάλες αραιώσεις δρα ανταγωνιστικά στην ανάπτυξη άλλων μικροοργανισμών ή προκαλεί τον θάνατό τους. Με βάση τον ορισμό αυτό δεν περιλαμβάνονται στα αντιβιοτικά ουσίες που σκοτώνουν τα βακτήρια, αλλά δεν παράγονται από μικροοργανισμούς (π.χ. το ιώδιο, το υπεροξείδιο του υδρογόνου). Το ίδιο ισχύει και για συνθετικές αντιμικροβιακές ενώσεις, όπως είναι οι σουλφαμίδες. Πολλά από τα αντιβιοτικά είναι ενώσεις με μικρά μόρια και σχετικές μοριακές μάζες μικρότερες από 2000. Χάρις στην πρόοδο της Φαρμακευτικής Χημείας, τα περισσότερα σύγχρονα αντιβιοτικά είναι ημισυνθετικές ενώσεις, που συχνά παρασκευάζονται με χημικές τροποποιήσεις φυσικών ενώσεων. Τυπικά παραδείγματα των ενώσεων αυτών είναι τα αντιβιοτικά που ανήκουν στις βήτα-λακτάμες, όπως οι πενικιλίνες (που παράγονται από τους μύκητες Penicillum), τις κεφαλοσπορίνες και οι καρβαπενέμες.

 

Κάποια ιστορικά στοιχεία για την πενικιλίνη

Είναι γνωστό από ιστορικά αρχεία ότι η βακτηριοστατική δράση του Penicillium, ενός γένους μυκήτων (μούχλας, mould) οι οποίοι ανήκουν στην κατηγορία των ασκομυκήτων, ήταν γνωστή ήδη από την αρχαιότητα (αρχαία Ελλάδα, αρχαία Αίγυπτος, αρχαία Ινδία). Η χρήση του μουχλιασμένου ψωμιού, στο οποίο έχει αναπτυχθεί ένα είδος κυανής μούχλας, ως μέσου για την αντιμετώπιση πυωδών πληγών ήταν ήδη γνωστή λαϊκή ιατρική πρακτική στην Ευρώπη από τον Μεσαίωνα. Αλλά και πολλοί επιστήμονες, είχαν διαπιστώσει την αντιβακτηριακή δράση της μούχλας και αρκετοί την είχαν χρησιμοποιήσει για θεραπευτικούς σκοπούς αρκετά χρόνια πριν από την ανακάλυψή της και συστηματική μελέτη της (1928) από τον Alexander Fleming. Μερικές από τις πιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις υπήρξαν οι εξής [Αναφ. 2]:

Το 1871, ο Βρετανός ιατρός Joseph Lister (1827-1912), διάσημος για την εισαγωγή της αντισηπτικής χειρουργικής, άρχισε να πειραματίζεται με το Penicillium στα πλαίσια των ενδιαφερόντων του για την ασηπτική χειρουργική. Διαπίστωσε ότι πράγματι αυτό το είδος μύκητα εξασθένιζε τα μικρόβια, αλλά δεν δεχόταν την ιδέα ότι η δράση αυτή θα μπορούσε να ήταν αποτέλεσμα κάποιας ουσίας που προερχόταν από τους μύκητες.

Το 1875, ο διάσημος Ιρλανδός φυσικός John Tyndall (1820-1893), ο οποίος έγινε ευρύτερα γνωστός από τις μελέτες του πάνω στη σκέδαση του φωτός από αιωρούμενα σωματίδια (φαινόμενο Tyndall), δημοσιεύει την πρώτη εργασία πάνω στις θεραπευτικές ιδιότητες αυτού του μύκητα.

Το 1895, ο ιατρός Vincenzo Tiberio (1869-1915), του Πανεπιστημίου της Νεάπολης, δημοσίευσε μια έρευνα για έναν μύκητα σε μια πηγή νερού, που παρουσίαζε αντιβακτηριακή δράση.

Το 1897, τεκμηριώνεται η θεραπευτική δράση της κυανής μούχλας από τον Γάλλο στρατιωτικό ιατρό Ernest Duchesne (1874-1912) σε διατριβή, την οποία οποία έστειλε στο Ινστιτούτο Παστέρ. Ωστόσο, η εργασία του δεν έγινε δεκτή -ούτε καν βεβαιώθηκε η λήψη της- λόγω του νεαρού της ηλικίας του και της επαναστατικής προοπτικής που περιέγραφε, η οποία όμως δεν μπορούσε να γίνει αντιληπτή εκείνη την εποχή. Σήμερα ο Duchesne θεωρείται πλέον ως ο πρώτος που ανακάλυψε τα αντιβιοτικά (35 χρόνια πριν από τον Fleming).

Σχετικά πρόσφατα (2000), επιστήμονες ερευνώντας παλαιά ιατρικά αρχεία διαπίστωσαν ότι ο Κοσταρικανός ιατρός Clodomiro (Clorito) Picado Twight (1887-1944) είχε ανακαλύψει την ανασταλτική ενέργεια των μυκήτων Penicillium πάνω στις μολύνσεις κάπου μεταξύ των ετών 1915 και 1927 και μάλιστα τους χρησιμοποιούσε για τη θεραπεία ασθενών του. Ο Picado είχε αναφέρει την ανακάλυψή του στη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών (Παρίσι), αλλά τελικά και αυτός αγνοήθηκε και δεν του απονεμήθηκε κάποιο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.

Οι παραπάνω "πρώιμες ανακαλύψεις" της πενικιλίνης, που δεν είναι και οι μόνες, δεν έγιναν ευρύτερα και έγκαιρα γνωστές και έτσι δεν οδήγησαν στη γενικευμένη έρευνα πάνω στην πενικιλίνη. Επιπλέον, θα πρέπει να σημειωθεί ότι αν και οι μέθοδοι αποστείρωσης είχαν αποδειχθεί αποτελεσματικές στην ιατρική πρακτική, η μετάδοση των ασθενειών μέσω βακτηρίων, ιών, παρασίτων και άλλων μέσων δεν είχε γίνει ακόμη πλήρως αποδεκτή και οι μηχανισμοί διάδοσης των μολύνσεων ήταν ουσιαστικά άγνωστοι. Μόνο από το τέλος του 19ου αιώνα και μετά άρχισε η έρευνα πάνω στους μηχανισμούς μόλυνσης των ζωντανών οργανισμών, όπως στην αποτρεπτική δράση διάφορων φυσικών ή συνθετικών ουσιών.

Ανακάλυψη της πενικιλίνης από τον Fleming. Το 1928 ήταν η χρονιά κατά την οποία άρχισε η κάπως συστηματικότερη μελέτη της πενικιλίνης. Αιτία υπήρξε μια σχεδόν τυχαία παρατήρηση της δράσης της πάνω στους σταφυλόκοκκους από τον Σκώτο ιατρό Alexander Fleming (1881-1955), ο οποίος διεξήγαγε μια έρευνα πάνω στις ιδιότητες των σταφυλόκοκκων στο υπόγειο του νοσοκομείου St Mary του Λονδίνου (σήμερα αποτελεί μέρος του Imperial College) [Αναφ. 3].

Ο ίδιος ο Fleming περιέγραψε το γεγονός που συνέβη το πρωί της Παρασκευής, 28 Σεπτεμβρίου 1928, την ημέρα της επιστροφής του από τις οικογενειακές διακοπές του. Φεύγοντας για διακοπές είχε αφήσει ακάλυπτα κάποια τρυβλία Petri με καλλιέργειες σταφυλόκοκκων. Κάποιες από αυτές τις καλλιέργειες είχαν μολυνθεί από κάποιο μύκητα (μούχλα), οπότε ο Fleming ξεκίνησε τη διαδικασία καταστροφής των μολυσμένων καλλιεργειών και καθαρισμού των τρυβλίων.

Καθώς ο Fleming έριχνε τα τρυβλία σε ένα δίσκο με αντισηπτικό διάλυμα (lysol), σε ένα από αυτά είδε κάτι που του προκάλεσε το ενδιαφέρον. Η κυανοπράσινη μούχλα που είχε αναπτυχθεί σ' αυτό διακρινόταν ξεκάθαρα από την υπόλοιπη καλλιέργεια και είχε ένα πλήρες και σαφές περίγραμμα. Γύρω από το περίγραμμα της μούχλας ο Fleming παρατήρησε πως υπήρχε μια καθαρή περιοχή, στην οποία η ανάπτυξη βακτηρίων είχε ανασταλεί και αυτά είχαν εξαφανισθεί. Το γεγονός αυτό τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο μύκητας απελευθερώνει μία ή περισσότερες ουσίες που καταστέλλουν την ανάπτυξη των παθογόνων βακτηρίων και τα θανατώνουν.

Εξετάζοντας προσεκτικά αυτό το φαινόμενο, ο Fleming επιχείρησε πρώτα να ταυτοποιήσει το είδος της μούχλας και σύντομα διαπίστωσε ότι πρόκειται για έναν κοινό μύκητα που ανήκε στο γένος Penicillium. Από την ονομασία του μύκητα ονόμασε το διήθημα του ζωμού της καλλιέργειας του μύκητα πενικιλίνη και στη συνέχεια έδωσε το ίδιο όνομα στη βακτηριοκτόνο ουσία που υπέθεσε πως περιείχε το διήθημα. Ακολούθησαν επίπονες προσπάθειες του ίδιου για την απομόνωση της ουσίας αυτής από καλλιέργειες του μύκητα, όπως επίσης δοκιμές της βακτηριοκτόνου δράσης της ουσίας αυτής σε διάφορα βακτήρια. 

Ο Fleming διαπίστωσε ότι η ουσία αυτή ήταν δραστική σε "θετικά κατά Gram" παθογόνα βακτήρια, όπως είναι τα μικρόβια της οστρακιάς, της διφθερίτιδας, οι πνευμονιόκοκκοι και οι μηνιγγιτιδόκοκκοι, όχι όμως ως προς τα μικρόβια του τυφοειδούς ή παρατυφοειδούς πυρετού. Επίσης, βρήκε την πενικιλίνη δραστική ως προς τον "αρνητικό κατά Gram" μικροοργανισμό που προκαλούσε το αφροδίσιο νόσημα γονόρροια.

Αριστερά: Ο Δανός βακτηριολόγος Hans Christian Gram (1850-1938). Μέσον: Ο χημικός τύπος του κρυσταλλικού ιώδους. Δεξιά: Χρώση Gram μίγματος σταφυλόκοκκων (θετικό κατά Gram) του βακτηρίου Eschreichia coli (αρνητικό κατά Gram). Θετικά / αρνητικά κατά Gram βακτήρια [Αναφ. 4] 'Ενας απλός τρόπος διάκρισης των βακτηρίων σε δύο μεγάλες ομάδες είναι η ικανότητα διατήρησης ή όχι της χρώσης τους (staining) μετά την επεξεργασία τους με το χρωστικό διάλυμα Gram (Hans Christian Gram, Δανός βακτηριολόγος, 1850-1938). Πρόκειται για ένα αλκοολικό διάλυμα της χρωστικής κρυσταλλικό ιώδες (crystal violet), μιας ιοντικής χρωστικής ένωσης η οποία ανήκει στις χρωστικές του τριφαινυλομεθανίου. Τα θετικά κατά Gram (Gram positive) βακτήρια χρωματίζονται ιώδη λόγω της παχιάς (20-80 nm) στιβάδας πεπτιδογλυκάνης των κυτταρικών τοιχωμάτων τους, που συγκρατούν το έγχρωμο κατιόν του κρυσταλλικού ιώδους. Αντίθετα, τα αρνητικά κατά Gram (Gram negative) βακτήρια, χρωματίζονται κόκκινα, λόγω της λεπτότερης (7-8 nm) στιβάδας πεπτιδογλυκάνης, που δεν συγκρατεί το χρώμα κατά τη διαδικασίας της έκπλυσης του πλακιδίου παρατήρησης με μικροσκόπιο. Επιπλέον η εξωτερική επιφάνειά τους καλύπτεται ολικώς ή εν μέρει με λιποειδή και πρωτεϊνες. 'Ετσι, η κατάταξη ενός βακτηρίου στη μία ή την άλλη κατηγορία εξαρτάται κυρίως από την εξωτερική δομή της κυτταρικής τους επιφάνειας, η οποία όμως παίζει επίσης σημαντικό ρόλο ως προς την ευαισθησία τους ως προς το ένα ή το άλλο αντιβιοτικό. Για τον λόγο αυτό η δραστικότητα ενός αντιβιοτικού σχετίζεται άμεσα με το αν το βακτήριο είναι θετικό ή αρνητικό κατά Gram.

 

Tα αρχικά αποτελέσματα της έρευνάς του o Fleming τα δημοσίευσε στο μάλλον άσημο Βρετανικό Περιοδικό Πειραματικής Παθολογίας (British Journal of Experimental Pathology) και η δημοσίευση αυτή δεν φάνηκε πως προκάλεσε κάποιο ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην ιατρική κοινότητα. Φαίνεται πως ακόμη και ο ίδιος ο Fleming δεν είχε πεισθεί για την αξία της ανακάλυψής του. Είχε διαπιστώσει ότι η καλλιέργεια του μύκητα ήταν δύσκολη και ότι η παραγωγή της πενικιλίνης εξαρτιόταν σημαντικά από το είδος του θρεπτικού υλικού που χρησιμοποιούσε. Στη συνέχεια, ακόμη δυσκολότερη αποδείχθηκε κάθε προσπάθεια παραλαβής και απομόνωσης της πενικιλίνης από αυτές τις καλλιέργειες. Ο Fleming σταμάτησε τις μελέτες του με πενικιλίνη μετά το 1931. Ωστόσο, από το 1934 ξεκίνησε πάλι με κλινικές δοκιμές χρησιμοποιώντας καθαρότερα εκχυλίσματα πενικιλίνης μέχρι το 1940.

Εξαιτίας των παραπάνω πειραματικών δυσκολιών ο Fleming θεωρούσε αδύνατη την παραγωγή της καθαρής ουσίας σε μεγάλη κλίμακα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα κλινικών δοκιμών ήταν αρκετές φορές ασαφή και συχνά απογοητευτικά. Ωστόσο, η αποτυχία πολλών δοκιμών οφειλόταν στο ότι επέμενε να χρησιμοποιεί την πενικιλίνη εξωτερικά, ενώ -όπως αποδείχθηκε στη συνέχεια- η αντιβιοτική δράση της εκδηλώνεται κυρίως όταν ληφθεί εσωτερικά (π.χ. με ενδοφλέβια ή ενδομυική ένεση) [Αναφ. 2η].

Επιπλόν, ο Fleming θεωρούσε -και όχι άδικα- την πενικιλίνη ως πολύ ευαίσθητη ουσία από χημική άποψη και πίστευε ότι θα ήταν ουσιαστικά αδύνατη η εσωτερική χρήση της (in vivo), αφού δεν θα παρέμενε άθικτη για αρκετό χρονικό διάστημα στον ανθρώπινο οργανισμό. Παρ' όλα αυτά, όπως χαρακτηριστικά λέχθηκε από ένα σύγχρονό του, ο Fleming ήταν αυτός που "έβαλε την πενικιλίνη στον χάρτη".

Το 1930, ο Cecil Paine, ένας παθολόγος στο νοσοκομείο Royal Infirmary στο Sheffield, ο οποίος υπήρξε φοιτητής του Fleming, χρησιμοποίησε πενικιλίνη (ως καθαρό διήθημα των υγρών καλλιέργειας του penicillium) και πέτυχε να θεραπεύσει ικανοποιητικά γονοκοκκική λοίμωξη σε βρέφη. Το περιστατικό αυτό, που συνέβη στις 25 Νοεμβρίου 1930, υπήρξε η πρώτη καταγεγραμμένη θεραπεία με πενικιλίνη. O Pain ποτέ δεν ανέφερε αυτό το καταπληκτικό για την εποχή εκείνη αποτέλεσμα, αναγνωρίζοντας πολύ αργότερα την παράλειψή του αυτή ως μεγάλο λάθος του.

Απομόνωση πενικιλίνης και οι πρώτες ιατρικές εφαρμογές. Ο Fleming θεωρείται ως ο "πατέρας της πενικιλίνης", επειδή υπήρξε ο πρώτος ο οποίος ορθά υπέθεσε την ύπαρξή της, όπως και την παραγωγή της από μύκητες. Ωστόσο, η πραγματική έρευνα πάνω στην πενικιλίνη ξεκίνησε περίπου 10 χρόνια μετά τις πρώτες παρατηρήσεις του Fleming από την ονομαζόμενη "ομάδα της Οξφόρδης".

Το 1939, ο Αυστραλός φαρμακολόγος και παθολόγος Howard Florey (1898-1968) με τον συνεργάτη του Βρετανό (γερμανικής καταγωγής) βιοχημικό Ernst Boris Chain (1906-1979) και μια ομάδα ερευνητών ιατρών και βιοχημικών (πέντε μεταπτυχιακοί φοιτητές και δέκα βοηθοί), στη Σχολή Παθολογίας του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης απέδειξαν την in vivo βακτηριοκτόνο δράση της πενικιλίνης σε ποντίκια.

Μια πρόκληση που έπρεπε να αντιμετωπίσουν αρχικά και άμεσα οι ερευνητές ήταν η απομόνωση της πενικιλίνης σε καθαρή μορφή. Μόνο στη μορφή αυτή θα μπορούσε η πενικιλίνη να εισαχθεί με ένεση στον οργανισμό των πειραματόζωων. Σε κάθε άλλη περίπτωση η εισαγωγή της θα προκαλούσε αλλεργικές αντιδράσεις στα πειραματόζωα και πιθανότατα τον θάνατό τους. Η απομόνωση της καθαρής πενικιλίνης από τις καλλιέργειες αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη διαδικασία, κυρίως λόγω της χημικής αστάθειάς της. Στην απομόνωσή της συνέβαλαν κυρίως οι βιοχημικοί της ομάδας, όπως ο Chain και ο Heatley.

Χάρις στον βιοχημικό της ομάδας Norman Heatley (1911-2004), λύθηκαν δύο βασικά προβλήματα: (α) το πρόβλημα της μέτρησης της δραστικότητας ενός διαλύματος πενικιλίνης, αφού με τις μετρήσεις αυτές μπορούσαν οι ερευνητές να διαπιστώνουν τη συγκέντρωση του αντιβιοτικού στα διάφορα στάδια καθαρισμού ελέγχοντας έτσι αν επέρχεται εμπλουτισμός ή όχι και (β) η απομόνωση της πενικιλίνης με επανεκχύλιση (back-extraction) -αρχικά με διαιθυλαιθέρα-, την οποία ο Heatley κατάφερε σχεδόν να αυτοματοποιήσει, χρησιμοποιώντας αυτοσχέδιες διατάξεις.

Ο Heatley διαπίστωσε ότι η πενικιλίνη μπορούσε να εκχυλισθεί με αιθέρα από ελαφρώς όξινα διαλύματα (οπότε θα είχε την εκχυλίσιμη μορφή αδιάστατου οξέος) και στη συνέχεια, από τα αιθερικά διαλύματα μπορούσε να επανεκχυλισθεί από ουδέτερα ή ελαφρώς αλκαλικά διαλύματα στην ανιοντική της μορφή. 'Ετσι, οξίνιζε τα διαλύματα καλλιέργειας του μύκητα και με αιθέρα παρελάμβανε από αυτά την πενικιλίνη. Στη συνέχεια, με ανάδευση της αιθερικής φάσης με ουδέτερο ρυθμιστικό διάλυμα, επέστρεφε η πενικιλίνη στην υδατική φάση, καθαρή και απαλλαγμένη από όλα τις άλλες ουσίες του διαλύματος καλλιέργειας. Για το σκοπό αυτό είχε κατασκευάσει ένα σύστημα εκχύλισης απ' ό,τι υλικά μπορούσε να εξασφαλίση (βλ. φωτογραφία). Αργότερα ο πτητικός και εύφλεκτος αιθέρας (διαιθυλαιθέρας) αντικαταστάθηκε από τον λιγότερο πτητικό και πολύ ασφαλέστερο οξικό αμυλεστέρα.

Η συμβολή του πολυμήχανου Heatley στην έρευνα για την πενικιλίνη υπήρξε κάτι παραπάνω από πολύτιμη και καθοριστική. Δυστυχώς, για την προσφορά του αυτή ο Heatly δεν τιμήθηκε στον βαθμό που του άξιζε και παρέμεινε ένας από τους πολλούς αφανείς ήρωες της επιστήμης. Επιπλέον, από τα λεπτομερή ημερολόγια και αρχεία που συστηματικά και με μεγάλη σχολαστικότητα τηρούσε ο Heatley, έγιναν γνωστά πολλά από τα γεγονότα που συνέβησαν κατά τη διάρκεια της έρευνας της ομάδας της Οξφόρδης [Αναφ. 3η].

Ο καθαρισμός της πενικιλίνης βασίζεται στην απλή τεχνική της επανεκχύλισης: Η πενικιλίνη παραλαμβάνεται από το οξινισμένο διάλυμα της καλλιέργειας με έναν αδιάλυτο στο νερό οργανικό διαλύτη στην εκχυλίσιμη μορφή του αδιάστατου οξέος (HPcn) (αριστερή ισορροπία). Στη συνέχεια η οργανική φάση επανεκχυλίζεται από την με καθαρό πλέον ουδέτερο ή ελαφρά αλκαλικό υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα (δεξιά ισορροπία).	Norman Heatley (1911-2004). Ο αφανής ήρωας της εποποιίας της πενικιλίνης. Χωρίς αυτόν η απομόνωση της καθαρής πενικιλίνης θα αργούσε πολύ.	Το αυτοσχέδιο σύστημα παραλαβής με εκχύλιση και καθαρισμού της πενικιλίνης του Heatley, το οποίο αποτελείται από γυάλινες φιάλες, λαστιχένιους σωλήνες και μεταλλικά δοχεία γάλακτος [πηγή].

 

Οξφόρδη, 25 Μαΐου 1940: Ο Heatley παρατηρεί τέσσερα ποντίκια που είχαν εκτεθεί στον στρεπτόκοκκο Streptomyces pyogenes και στα οποία χορηγήθηκε ένεση πενικιλίνης, να μην παρουσιάζουν συμπτώματα της μόλυνσης. Τέσσερα άλλα ποντίκια που είχαν εκτεθεί στον ίδιο στρεπτόκοκκο και στα οποία δεν χορηγήθηκε πενικιλίνη, αρρώστησαν και πέθαναν τη νύχτα. Το επόμενο πρωί ο Heatley γραφεί στο ημερολόγιό του για το πείραμα αυτό: "Φαίνεται πως η πενικιλίνη μάλλον έχει πρακτική σημασία". Η υπόθεση του Heatley επαληθεύτηκε πλήρως: Μέχρι το τέλος του 20ου αιώνα εκτιμάται ότι σώθηκε η ζωή 80.000.000 άνθρωποι χάρις στην πενικιλίνη [Αναφ. 3η].

 

Πρώτη δοκιμή σε άνθρωπο. Οι δοκιμές με καθαρή πενικιλίνη σε πειραματόζωα υπήρξαν επιτυχείς και απέδειξαν ότι πράγματι η ουσία σε καθαρή μορφή δεν ήταν τοξική. Ωστόσο, η πρώτη δοκιμή σε άνθρωπο απέτυχε λόγω των μικρών ποσοτήτων πενικιλίνης που διέθετε η ομάδα των ερευνητών.

Η δοκιμή αυτή πραγματοποιήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου του 1941 στον 43-χρονο αστυνομικό Albert Alexander, o οποίος είχε μολυνθεί με στρεπτόκοκκο και σταφυλόκκοκο στο στόμα από ένα αγκάθι τριαντάφυλλου. Η μόλυνση είχε εξαπλωθεί σε όλο του το πρόσωπο και στη συνέχεια στο σώμα. Ο Alexander βρισκόταν σε απελπιστική κατάσταση, σχεδόν ετοιμοθάνατος, όταν o Florey αποφάσισε να του χορηγήσει ενδοφλεβίως 160 mg πενικιλίνης.

Αν και η κατάσταση του Alexander μετά τη χορήγηση της πενικιλίνης παρουσίασε σαφή σημεία βελτίωσης, ατυχώς η θεραπεία με πενικιλίνη ήταν αδύνατον να συνεχισθεί λόγω έλλειψης της απαραίτητης ποσότητας του αντιβιοτικού και ο άτυχος αστυνομικός κατέληξε μετά από έναν περίπου μήνα.

Είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι οι ακούραστοι ερευνητές προσπαθούσαν ακόμη και από τα ούρα του ασθενούς να παραλάβουν την πενικιλίνη για να του την επαναχορηγήσουν. Η εκ πρώτης όψεως παράδοξη αυτή πρακτική ακολουθήθηκε και σε άλλες περιπτώσεις στις αρχικές εφαρμογές της πενικιλίνης λόγω έλλειψης του αντιβιοτικού, δεδομένου ότι περισσότερο από το 80% της πενικιλίνης αποβάλλεται αναλλοίωτη από τον ανθρώπινο οργανισμό ταχύτατα (σε 3-4 ώρες) μέσω των νεφρών. Θα πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι η ποσότητα πενικιλίνης που χρειαζόταν για ένα μόνο ασθενή απαιτούσε την επεξεργασία και εκχύλιση εκατοντάδων λίτρων υγρών καλλιέργειας του μύκητα, επομένως η παραλαβή της από τα ούρα των ασθενών ήταν μια πρακτική που "συνέφερε" [Αναφ. 2δ]. 'Ενας άλλος τρόπος περιορισμού της ταχείας απέκκρισης της πενικιλίνης ήταν η συγχορήγηση φαρμάκων που περιορίζουν την απέκκριση αυτή αυξάνοντας έτσι τον χρόνο δράσης του αντιβιοτικού στο σώμα του ασθενούς. Τυπικό φάρμακο αυτού του τύπου ήταν η προβενεσίδη (probenecid).

Μετά από την ατυχή, αλλά ελπιδοφόρα κατάληξη της πρώτης δοκιμής σε άνθρωπο, η ερευνητική ομάδα της Οξφόρδης αποφάσισε να συνεχίσει τα in vivo πειράματα μόνο σε παιδιά, λόγω της αναλογικά μικρότερης δόσης πενικιλίνης που θα χρειάζονταν. Αξίζει να σημειωθεί στο σημείο αυτό ότι οι ακούραστοι ερευνητές της Οξφόρδης συνέχισαν τις δοκιμές τους για αρκετούς μήνες σε 6-7 ασθενείς με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα, χρησιμοποιώντας συνολικά περίπου 1 εκατομμύριο μονάδες πενικιλίνης, τη στιγμή που σήμερα μια απλή δόση αντιβίωσης με πενικλλίνης φτάνει τα 4 εκατομμύρια μονάδες. Ακόμη, πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε mL καλλιέργειας περιείχε περίπου 2 μονάδες πενικιλίνης από τις οποίες περίπου το 60% χανόταν κατά τη διαδικασία καθαρισμού. Επομένως για μια θεραπεία χρειαζόταν η πενικιλίνη που η ομάδα της Οξφόρδης ελάμβανε από 2 κυβικά μέτρα υγρών καλλιέργειας! 'Ετσι, έγινε προφανές για τους επιστήμονες ότι η μέθοδος αυτή ήταν τελείως ανεπαρκής και θα έπρεπε να ζητηθεί η συνεργασία και η βοήθεια από φαρμακευτικές βιομηχανίες, γεγονός το οποίο έγινε λίγο αργότερα μετά από ένα ταξίδι (εν μέσω πολέμου) των Florey και Heatly στις ΗΠΑ (1941) [Αναφ. 2θ]. 

Για την ανακάλυψη και τη θεραπευτική χρήση της πενικιλίνης, οι Fleming, Florey και Chain τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel ιατρικής και φυσιολογίας του 1945. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι πολλοί επιστήμονες, θεωρούν "υπερτιμημένη" την προσφορά του Fleming στην όλη υπόθεση της πενικιλίνης. 'Εχει διατυπωθεί η άποψη ότι χωρίς την ερευνητική δουλειά του σχεδόν άγνωστου στο ευρύ κοινό Florey και της ομάδας της Οξφόρδης, ίσως και σήμερα ακόμη ο Fleming να παρέμενε στην ιστορία της ιατρικής ως ένας "εκκεντρικός" μικροβιολόγος, με το όνομά του να βρίσκεται ανάμεσα στα τόσα ονόματα επιστημόνων που είχαν διαπιστώσει (και πριν από τον ίδιο) τις θεραπευτικές ιδιότητες της μούχλας. Σε κάθε περίπτωση πάντως και οι τρεις τιμηθέντες με Nobel επιστήμονες από οικονομική άποψη δεν κέρδισαν από την έρευνά τους τίποτα περισσότερο από το χρηματικό ποσό που συνοδεύει το βραβείο Nobel [Αναφ. 2ζ].

Μονάδα πενικιλίνης [Αναφ. 5] Ως μονάδα πενικιλίνης (γνωστή ως μονάδα Οξφόρδης ή μονάδα Florey) ορίζεται η ελάχιστη ποσότητα πενικιλίνης που θα αποτρέψει την ανάπτυξη χρυσίζοντος σταφυλόκοκκου (Staphylococcus aureus) σε κυκλική επιφάνεια διαμέτρου 26 mm στο τυπικό μέσο καλλιέργειας. Μία μονάδα αντιστοιχεί σε 0,6 μg κρυσταλλικού άλατος πενικιλίνης με νάτριο.

 

Η πενικιλίνη είναι τοξική στα ινδικά χοιρίδια (αριστερά), όχι όμως στα ποντίκια (δεξιά). Ο παράγοντας "τύχη" [Αναφ. 3α] Ο παράγοντας "τύχη" δεν βοήθησε μόνο τον Fleming στις αρχικές του παρατηρήσεις που έφεραν στο προσκήνιο την πενικιλίνη, αλλά και την ομάδα των Florey - Chain στην Οξφόρδη. 'Οπως έθεσε το θέμα ο ίδιος ο Florey, η εργασία τους πάνω στην πενικιλίνη στην Οξφόρδη ευνοήθηκε από εξαιρετικά καλή τύχη σε δύο καθοριστικές περιπτώσεις: (α) Η ουσία που χρησιμοποιήθηκε στα πρώτα πειράματα με πειραματόζωα αν και περιείχε μικρή ποσότητα πενικιλίνης, από τύχη και μόνο δεν περιείχε κάποια τοξικά συστατικά, που θα σκότωναν τα πειραματόζωα, γεγονός που ενδεχομένως θα τερμάτιζε ευθύς εξαρχής την περαιτέρω έρευνα. (β) Οι ερευνητές ήταν τυχεροί που επέλεξαν ως πειραματόζωα ποντίκια και όχι ινδικά χοιρίδια, διότι ενώ η πενικιλίνη δεν είναι τοξική για τα ποντίκια, είναι τοξική για τα ινδικά χοιρίδια. Προφανώς αν τα πειραματόζωα πέθαιναν, η έρευνα πάλι θα είχε εγκαταλειφθεί και η πενικιλίνη θα παρέμενε σαν μια ακόμη "αξιοπερίεργη χημική ένωση" (just another chemical curiosity) και τίποτα περισσότερο, όπως χαρακτηριστικά είπε ο Florey.

 

Φωτογραφίες από τους χώρους μαζικής παραγωγής πενικιλίνης (μονάδες επώασης των καλλιεργειών [πηγή], έλεγχός τους, διάταξη απομόνωσης/καθαρισμού της πενικιλίνης [πηγή]). Αυτές οι επίπεδες φιάλες βρέθηκε πως ήταν οι καταλληλότερες για την επώαση του μύκητα, αφού επέτρεπαν την επαφή μεγάλης επιφάνειας της καλλιέργειας με τον αέρα. Το στόμιό τους το έφραζαν με βαμβάκι που επέτρεπε την είσοδο του αέρα, όχι όμως και στα κοινά βακτήρια. Το διάλυμα της καλλιέργειας περιείχε μετά την επώαση μόλις 0,002-0,006% πενικιλίνη και μπορούσαν, χάριν στο σχήμα της φιάλης, να το παραλάβουν χωρίς να διαταράξουν την επιφάνειά του όπου βρισκόταν "απλωμένος" ο μύκητας. Η αποφυγή της μόλυνσης των καλλιεργειών αυτών από διάφορα βακτήρια υπήρξε μια από τις μεγαλύτερες δυσκολίες που είχε να αντιμετωπίσει η ομάδα της Οξφόρδης. Μια τέτοια μόλυνση μπορούσε να καταστρέψει σε λίγες ώρες όση πενικιλίνη είχαν παράγει οι μύκητες [πηγή].

 

Η πρώτη μαζική παραγωγή πενικιλίνης

Στις αρχές της δεκαετίας του 1940 η επιστημονική κοινότητα είχε πλέον πεισθεί για την τεράστια θεραπευτική χρησιμότητα της πενικιλίνης, οπότε οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν στη μαζική παραγωγή της πενικιλίνης. 'Ενας επιπλέον πιεστικός λόγος ήταν η θεραπευτική κάλυψη του πλήθους των τραυματιών των μαχών του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου.

Το κέντρο βάρους της έρευνας πάνω στην μαζική παραγωγή πενικιλίνης μεταφέρθηκε στις ΗΠΑ και το έργο αυτό ανέλαβαν μεγάλες φαρμακευτικές εταιρείες (Merck, Squibb, Lilly και Pfizer), αλλά κάτω από κρατικό έλεγχο λόγω του πολέμου. Τα περιορισμένα μέσα που διέθεταν οι ερευνητές στη Μ. Βρετανία και οι συνεχείς βομβαρδισμοί από τη Γερμανική αεροπορία δεν ευνοούσαν τη δημιουργία υποδομών μαζικής παραγωγής. Η συνεργασία των επιστημόνων της ομάδας της Οξφόρδης με τους Αμερικανούς συναδέλφους του υπήρξε συνεχής. 

Αρχικά οι ποσότητες της πενικιλίνης ήταν ελάχιστες και το κόστος της πενικιλίνης ήταν τεράστιο (δεκαπλάσιο της αξίας ίσου βάρους χρύσου). Ο πρώτος ασθενής που σώθηκε με την πενικιλίνη ήταν η 33-χρονη Anne Miller, η οποία εισήχθη σε νοσοκομείο του New Haven (Connecticut) με στρεπτοκοκκική σηψαιμία τον Μάρτιο του 1942. Για τη σωτηρία της χρησιμοποιήθηκαν 5,5 g αντιβιοτικού (από την εταιρία Merck & Co), ποσότητα που τότε αντιπροσώπευε τη μισή παγκόσμια παραγωγή πενικιλίνης. Τον Ιούνιο του 1942, στις ΗΠΑ υπήρχε αρκετή πενικιλίνη αρκετή για τη θεραπεία μόνο δέκα ασθενών.

Στις ΗΠΑ, οι ερευνητές των φαρμακευτικών βιομηχανιών σύντομα διαπίστωσαν ότι η τεχνική που χρησιμοποιούσε η ομάδα της Οξφόρδης για την ανάπτυξη του μύκητα Penicillium chrysogenum (παλαιότερα γνωστού και ως Penicillium notatum), δηλαδή στην επιφάνεια θρεπτικού υγρού σε επίπεδες φιάλες, δεν παρείχε ικανοποιητικές αποδόσεις. Την τεχνική αυτή αντικατέστησαν με την κατά πολύ αποδοτικότερη τεχνική της "βυθισμένης καλλιέργειας" (submerged culture), όπου ο μύκητας αναπτυσσόταν σε θρεπτικό διάλυμα σε μεγάλες δεξαμενές (ζυμωτήρες) υπό σταθερή ανάδευση και με συνεχή διαβίβαση αέρα. Έτσι, η ελάχιστα αποδοτική τεχνική των "δύο διαστάσεων" της ομάδας της Οξφόρδης, υπερκεράστηκε από την τεχνική των "τριών διαστάσεων", δηλ. σε όλη τη μάζα του θρεπτικού υγρού.

Μεγάλες αποδόσεις ακόμη παρατηρήθηκαν όταν χρησιμοποιήθηκε ως θρεπτικό υλικό ένα υγρό παραπροϊόν της υγρής άλεσης του καλαμποκιού για την παραγωγή καλαμποκάλευρου (corn steep liquor) πλούσιο σε υδατάνθρακες, οργανικό άζωτο, βιταμίνες και ιχνοστοιχεία. Η προσθήκη λακτόζης στο υγρό αυτό αύξησε (διπλασίασε) ακόμη περισσότερο την απόδοση. Περισσότερες λεπτομέρειες και η επίδραση της σύνθεσης του θρεπτικού υγρού πάνω στην παραγωγή πενικιλίνης μπορούν να αναζητηθούν στη βιβλιογραφία [Αναφ. 3ι].

Ωστόσο, αυτό που εκτόξευσε στα ύψη την απόδοση της καλλιέργειας και έκανε εφικτή την παραγωγή πενικιλίνης σε μεγάλες ποσότητες και χαμηλό κόστος, ήταν η απροσδόκητη ανακάλυψη ενός στελέχους (strain) Penicillium chrysogenium, που ήταν ιδιαίτερα κατάλληλο για τις "βυθισμένες καλλιέργειες" του μύκητα. Το στέλεχος αυτό απέδιδε εκατονταπλάσιες και πλέον ποσότητες πενικιλίνης σε σχέση με τα στελέχη που χρησιμοποιούσε ο Fleming και η ομάδα της Οξφόρδης. Το στέλεχος αυτό βρέθηκε σε ένα μουχλιασμένο πεπόνι (cantaloupe), πεταγμένο στα απορρίμματα ενός οπωροπωλείου της πόλης Peoria της πολιτείας του Ιλλινόις [Αναφ. 3ια].

Τον Ιούλιο του 1943, το Ανώτατο Διοικητικό Συμβούλιο Πολέμου των ΗΠΑ κατάρτισε σχέδιο για τη μαζική διανομή των αποθεμάτων της πενικιλίνης στα συμμαχικά στρατεύματα και για μάχες που διεξάγονταν στην Ευρώπη. Ο σκοπός ήταν η παραγωγή ικανών αποθεμάτων του αντιβιοτικού πριν από την απόβαση στη Νορμανδία (6 Ιουνίου 1944). Ο νέος βιομηχανικός τρόπος καλλιέργειας του Penicillium chrysogenium σε δεξαμενές, η χρήση του αποδοτικότερου στελέχους μύκητα και το νέο θρεπτικό υπόστρωμα για την καλλιέργεια του, αύξησαν αλματωδώς την παραγωγή πενικιλίνης σχεδόν μέσα σε ένα χρόνο.

Το 1943 παρήχθησαν 425 εκατομμύρια μονάδες πενικιλίνης (μια θεραπευτική δόση ενηλίκου, ανάλογα με τη βαρύτητα της περίπτωσης μπορεί να κυμαίνεται του 1 έως 4 εκατομμυρία μονάδες), ενώ τον Ιούνιο του 1945 η παραγωγή είχε φθάσει τα 650 δισεκατομμύρια μονάδες. Αρχικά όλη η ποσότητα της παραγόμενης πενικιλίνης διατίθετο για τους τραυματίες του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου και μόνο κατόπιν ειδικής έγκρισης για τους πολίτες, ωστόσο σύντομα άρχισε και η γενική διάθεση του θαυματουργού αντιβιοτικού. Η Αυστραλία υπήρξε η πρώτη χώρα που παρήγαγε και διέθεσε πενικιλίνη στο ευρύ κοινό.

Η επανάσταση στην ιατρική είχε γίνει πλέον πραγματικότητα. Οι εγχειρήσεις μπορούσαν να πραγματοποιούνται με ασφάλεια χωρίς τον κίνδυνο μολύνσεων. Οι τοκετοί έγιναν πολύ ασφαλέστεροι για τις γυναίκες και οι βρεφικές ασθένειες μπορούσαν να περιοριστούν ελαττώνοντας τη βρεφική θνησιμότητα. Η πενικιλίνη εκτιμάται ότι έσωσε περίπου το 12-15% των τραυματιών κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου.

Το μουχλιασμένο πεπόνι της Peoria Η αναζήτηση κατάλληλου στελέχους του μύκητα Penicillium chrysogenium κατά τα έτη 1942-43 είχε προσλάβει εξωφρενικές διαστάσεις. Οι ερευνητές ζητούσαν από τους πιλότους της πολεμικής αεροπορίας να στέλνουν χώματα απ' όλες τις περιοχές της γης που βρίσκονταν, μήπως και βρεθεί σ' αυτά κάποιο καταλληλότερο στέλεχος. Στην πόλη Peoria του Illinois οι αρχές ζήτησαν από τους κατοίκους να προσκομίσουν στα εκεί εργαστήρια του Υπουργείου Γεωργίας (USDA Northern Laboratory, σήμερα Agricultural Research Service), ό,τι μουχλιασμένο αντικείμενο έβρισκαν στα σπίτια τους για τις σχετικές δοκιμές. Τα μέλη του κρατικού εργαστηρίου ξεχύθηκαν στην πόλη και έψαχναν στα παντοπωλεία για μουχλιασμένα τρόφιμα και φρούτα. Τελικά, σε ένα μουχλιασμένο πεπόνι (που έμεινε στην ιστορία των αντιβιοτικών ως "το μουχλιασμένο πεπόνι της Peoria") σε ένα οπωροπωλείο μιας γειτονιάς της Peoria, βρέθηκε το αποτελεσματικότερο στέλεχος Penicillium chrysogenium, που ήταν το καταλληλότερο για τη βιομηχανική παραγωγή πενικιλίνης [Αναφ. 3ε].

 

Προπαγανδιστικές πολεμικές αφίσες και έντυπα φαρμακευτικών εταιρειών της εποχής του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου για την πενικιλίνη.

 

Χημική δομή της πενικιλίνης

Η χημική δομή της πενικιλίνης G προσδιορίστηκε κατά το διάστημα 1942 έως 1945 κάτω από συνθήκες άκρας μυστικότητας, που είχαν επιβληθεί από τις κυβερνήσεις των ΗΠΑ και της Μεγάλης Βρετανίας εξαιτίας του πολέμου. Καμία δημοσίευση σε κάποιο διεθνές επιστημονικό περιοδικό δεν πραγματοποιήθηκε, αλλά η μελέτη της χημικής δομής της πενικιλίνης κυκλοφόρησε ως μια απόρρητη μονογραφία.

Ο οργανικός χημικός και βιοχημικός Edward Abraham (1913-1999) της ομάδας Florey - Chain διατύπωσε πρώτος την υπόθεση για την παρουσία του τετραμελούς β-λακταμικού δακτυλίου στο μόριο της πενικιλίνης, που αποδείχθηκε καθοριστικός για τη φαρμακολογική δράση της. Η υπόθεση αυτή δεν έγινε αμέσως αποδεκτή και διατυπώθηκαν άλλες εναλλακτικές υποθέσεις, όπως η παρουσία δακτυλίου οξαζολόνης (πενταμελή δακτύλιος με ετεροάτομα αζώτου και οξυγόνου).

Το 1945, το θέμα της χημικής δομής της πενικιλίνης, λύθηκε οριστικά από την Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910-1994), η οποία εξέτασε με ακτίνες Χ κρυστάλλους πενικιλίνης που της είχε παραχωρήσει ο Abraham και επιβεβαίωσε την υπόθεσή του για την παρουσία του β-λακταμικού δακτυλίου. Διαπιστώθηκε επίσης και η στερεοχημεία της πενικιλίνης, δεδομένου ότι στο μόριο βρίσκονται τρία ασύμμετρα άτομα άνθρακα και επομένως θα υπήρχαν 2³ = 8 δυνατές στερεοϊσομερείς μορφές.

Αργότερα, η Hodgkin διευκρίνισε με την ίδια τεχνική και την εξαιρετικά πολύπλοκη δομή της βιταμίνης B12. Το 1964, η Crowfoot - Hodgkin τιμήθηκε  με το βραβείο Nobel Χημείας για τις έρευνές της πάνω στη διευκρίνιση της δομής σημαντικών βιομορίων με τεχνικές ακτίνων Χ.

Ολική σύνθεσης της πενικιλίνης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το 1950, ο οργανικός χημικός John C. Sheehan (1915-1992) πέτυχε την ολική οργανική σύνθεση της πενικιλίνης και ορισμένων άλλων αναλόγων ενώσεων, αλλά η μέθοδός του δεν ήταν κατάλληλη για μαζική παραγωγή, ωστόσο πολλές από τις χημικές τεχνικές που ανέπτυξε ο Sheehan χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για τη σύνθεση παραγώγων της πενικιλίνης ή άλλων αντιβιοτικών με β-λακταμικό δακτύλιο.

 

Διαδικασία παραγωγής πενικιλίνης [Αναφ. 6]

'Οπως προαναφέρθηκε, για τη βιομηχανική παραγωγή της πενικιλίνης G, η προτιμότερη μέθοδος είναι η ζύμωση σε κατάλληλα αεριζόμενους και αναδευόμενους ζυμωτήρες (fermentors, αργότερα ονομάστηκαν βιοαντιδραστήρες, bioreactors). Ο προτιμούμενος μύκητας είναι το Penicillum chrysogenum (παλαιότερα Penicillum notatum). Το υπόστρωμα της ζύμωσης αποτελείται κυρίως από τη σακχαρόζη (καλαμοσάκχαρο) που βρίσκεται στο υγρό που προκύπτει κατά την υγρή άλεση καλαμποκιού (corn steep liquor) και λακτόζη, όπως επίσης ανόργανα άλατα (άλατα μαγνησίου, φωσφορικά και νιτρικά άλατα). Επιπλέον, είναι απαραίτητη και η προσθήκη αντιαφριστικών μέσων για να περιοριστεί ο αφρός που δημιουργεί η διαβίβαση αέρα.

Η παραγωγή της πενικιλίνης πραγματοποιείται κατά παρτίδες (batch process) και η όλη διαδικασία είναι αερόβια (απαιτεί την παρουσία αέρα), η ζύμωση πραγματοποιείται στους 20-24ºC, σε pH 6,0-6,5 και διαρκεί 4 έως 5 ημέρες. Η πίεση μέσα στον ζυμωτήρα είναι λίγο μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική για να αποφευχθεί η εισαγωγή βακτηρίων από το εξωτερικό περιβάλλον, που θα μπορούσαν να καταστρέψουν την καλλιέργεια.

Κατά τη ζύμωση προστίθεται σταδιακά ένα οργανικό οξύ το οποίο σχετίζεται με τη φύση της ομάδας R της αμιδικής ομάδας (RCONH-) του β-λακταμικού δακτυλίου. Στην περίπτωση παραγωγής της πενικιλίνης G, το οξύ αυτό είναι φαινυλοξικό οξύ (C6H5CH2COOH). Το φαινυλοξικό οξύ είναι πρόδρομη ένωση και παράγεται φυσιολογικά από μόνο του από άλλα συστατικά κατά τη βιοσύνθεση της πενικιλίνης, διαπιστώθηκε όμως ότι η σταδιακή προσθήκη ποσοτήτων του εξωτερικά κατά τη ζύμωση, επιταχύνει την παραγωγή και αυξάνει την απόδοση σε πενικιλίνη G.

Στην περίπτωση της πενικιλίνης V αντί φαινυλοξικού οξέος προστίθεται φαινοξυ-οξικό οξύ (C6H5ΟCH2COOH). Η πενικιλίνη V είναι μια παραλλαγή της πενικιλίνης G, πιο ανθεκτική στην όξινη υδρόλυση ("οξεάντοχη πενικιλίνη"), γεγονός που καθιστούσε δυνατή τη λήψη της από το στόμα. Στην πενικιλίνη V η ομάδα C6H5CH2- της φυσικής πενικιλίνης, έχει αντικατασταθεί με την ομάδα C6H5OCH2-.

'Οταν ολοκληρωθεί ο κύκλος της ζύμωσης, το βλαστητικό τμήμα του μύκητα (μυκήλιο), τα κύτταρα του μύκητα και οι αδιάλυτοι μεταβολίτες κατακρατούνται με τη βοήθεια φίλτρου περιστρεφόμενου τυμπάνου (coated drum filter) και το pH του διηθήματος ρυθμίζεται στην τιμή 2 με θειικό οξύ. Στο pH αυτό η πενικιλίνη βρίσκεται υπό τη μορφή αδιάστατου οξέος και η μορφή αυτή είναι διαλυτή στους οργανικούς διαλύτες.

Αφού εκχυλισθεί με οργανικό διαλύτη (οξικός βουτυλεστέρας ή οξικός αμυλεστέρας), η οργανική φάση αποχρωματίζεται με ενεργό άνθρακα και ακολουθεί νέα διήθηση με ένα δεύτερο φίλτρο περιστρεφόμενου τυμπάνου. Στην οργανική φάση προστίθεται διάλυμα οξικού καλίου, οπότε η πενικιλίνη μετατρέπεται στο μετά καλίου άλας της, που είναι αδιάλυτο στην οργανική φάση και καθιζάνει. Το άλας παραλαμβάνεται και υπόκειται σε ανακρυστάλλωση και ξήρανση.

Η πενικιλίνη G διατίθεται στο εμπόριο σε φιαλίδια ως υδατοδιαλυτό άλας με νάτριο ή κάλιο. Επίσης, συχνά διατίθεται ως προκαϊνούχος βενζυλοπενικιλίνη (procain benzylpenicillin), ένα μίγμα πενικιλίνης G με το αναισθητικό προκαΐνη με σκοπό τη μείωση του πόνου κατά τη χορήγηση με ενδομυική ένεση. Επίσης διατίθεται ως βενζαθινική βενζυλοπενικιλίνη (benzathine benzylpenicillin) σε συνδυασμό με την οργανική διαμίνη βενζαθίνη, συνδυασμός (2 mol πενικιλίνης + 1 mol βενζαθίνης) που επεκτείνει σημαντικά τη διάρκεια δράσης του αντιβιοτικού

Σύγχρονες βιοτεχνολογικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται πλέον για την παραγωγή μεταλλαγμένων κυττάρων Penicillium με αυξημένη απόδοση σε πενικιλίνη. Ημισυνθετικές πενικιλίνες παράγονται μέσω του ελεύθερου "πυρήνα" του μορίου της πενικιλίνης, του 6-αμινοπενικιλανικού οξέος (6-APA) (βλ. βιοσύνθεση πενικιλίνης), το οποίο λαμβάνεται με επίδραση ενός υδρολυτικού ενζύμου επί της πενικιλίνης (ακυλάση της πενικιλίνης).

To 2003 είχε εκτιμηθεί ότι η παγκόσμια αγορά πενικιλίνης και παραγώγων της αντιβιοτικών ανερχόταν στο ποσό των πέντε δισεκατομμυρίων δολαρίων. Το ίδιο έτος, το κόστος της πενικιλίνης ήταν περίπου 10 δολάρια/BU (BU: billion units, δισεκατομμύρια μονάδες) με σαφείς τάσεις μεγάλης περαιτέρω μείωσης μετά την εισαγωγή φθηνής πενικιλίνης κινεζικής προέλευσης [Αναφ. 6στ]. 

 

Βιοσύνθεση της πενικιλίνης [Αναφ. 1β, 7]

Η πενικιλίνη αποτελεί έναν δευτερογενή μεταβολίτη ορισμένων ειδών του μύκητα Penicillium. Πενικιλίνη παράγεται όταν η ανάπτυξη του μύκητα πραγματοποιείται κάτω από συνθήκες στρες (inhibition by stress) και όχι κατά την κανονική ανάπτυξή του. Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι συνθήκες αυτές επιτυγχάνονται όταν οι αναπτυσσόμενοι μύκητες σχηματίζουν πυκνές συστάδες. Η παραγωγή της επίσης μειώνεται από προϊόντα της ίδιας της βιοσύνθεσης.

Το πρώτο στάδιο της βιοσύνθεσης της πενικιλίνης (πενικιλίνης G), είναι η σύνθεση ενός τριπεπτιδίου αποτελούμενου από τα τρία αμινοοξέα: L-α-αμινοαδιπικό οξύ, L-κυστεΐνη και L-βαλίνη. Ωστόσο, πριν τη συνδεσή της η L-βαλίνη υπόκειται σε επιμερισμό και μετατρέπεται σε D-βαλίνη. Το τριπεπτίδιο αυτό είναι γνωστό ως ACV (από τα αρχικά των τριών αμινοξέων). Η σύνδεση των τριών αμινοξέων επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενός ενζύμου, της ACV-συνθετάσης ή ACVS. Να σημειωθεί ότι η παρουσία του αμινοξέος λυσίνη παρεμποδίζει τον σχηματισμό του L-αμινο-αδιπικού οξέος και επομένως την απόδοση της όλης διαδικασίας σε πενικιλίνη. Επίσης ως "πηγή άνθρακα" διαπιστώθηκε ότι η λακτόζη είναι κατά πολύ αποτελεσματικότερη της γλυκόζης.

Το δεύτερο στάδιο της βιοσύνθεσης της πενικιλίνης είναι η μετατροπή του τριπεπτιδίου ACV στην ισοπενικιλίνη Ν με τη βοήθεια του ενζύμου συνθετάση της ισοπενικιλίνης Ν. Το ένζυμο αυτό βοηθά την αντίδραση αυτή κατά την οποία, μέσω οξείδωσης της σουλφυδριλικής ομάδας (-SH) της κυστεΐνης, σχηματίζεται ο χαρακτηριστικός τετραμελής δακτύλιος της β-λακτάμης, που αποτελεί και το "δραστικό κέντρο" της πενικιλίνης. Να σημειωθεί ότι το στάδιο αυτό απαιτεί σημαντικά ποσά χημικής ενέργειας, τα οποία "αποθηκεύονται" στον τετραμελή β-λακταμικό δακτύλιο λόγω της έντονης διάτασης (strain) των δεσμών C-C και C-N. Η ενέργεια αυτή καθιστά την πενικιλίνη ιδιαίτερα δραστική, όπως θα αναφερθεί στον μηχανισμό της αντιβιοτικής δράσης της.

Ακολουθεί απόσπαση του L-α-αμινοαδιπικού οξέος με ενδιάμεσο σχηματισμό του 6-αμινοπενικιλανικού οξέος (6-APA) στην αμινοομάδα του οποίου προστίθεται η φαινυλακετυλική ομάδα (C6H5CH2CO-), από φαινυλοξικό οξύ που παράγεται σταδιακά κατά τη ζύμωση (ή προστίθεται εξωτερικά) για να ληφθεί τελικά η πενικιλίνη G.

Βασική αλληλουχία αντιδράσεων βιοσύνθεσης πενικιλίνης G

 

Μηχανισμός δράσης της πενικιλίνης [Αναφ. 8]

Ο μηχανισμός της αντιβιοτικής δράσης της πενικιλίνης είναι ουσιαστικά ίδιος με τον μηχανισμό δράσης όλων των αντιβιοτικών β-λακτάμης. Η δράση αυτής της οικογένειας αντιβιοτικών βασίζεται στην παρεμπόδιση του σχηματισμού του "ανθεκτικού" τοιχώματος-θώρακα των βακτηρίων, το οποίο αποτελείται από πεπτιδογλυκάνη (peptidoglycan), ενός δισδιάστατου πολυμερούς που μοιάζει με πλέγμα και αποτελείται από παράλληλα μόρια πολυσακχαρίτη τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικές αλυσίδες.

Ο πολυσακχαρίτης της πεπτιδογλυκάνης αποτελείται από τις εναλλασσόμενες μονάδες αμινοσακχάρων:   Ν-ακετυλομουραμικό οξύ (NAM) (από το murus: λατ. τείχος) και Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη (NAG). Σε κάθε "μονάδα" ΝΑΜ είναι συνδεμένο ένα πεπτίδιο αποτελούμενο από 3 έως 5 αμινοξέα. Η σύνδεση των αλυσίδων των πολυσακχαριτών αυτών γίνεται μέσω των πεπτιδίων αυτών, δηλαδή με σταυροδεσμούς (crosslinks) πεπτιδικών γεφυρών, που "δένουν" μεταξύ τους με τη βοήθεια του ενζύμου DD-τρανσπεπτιδάση (DD-transpeptidase).

Το τοίχωμα πεπτιδογλυκάνης των κατά Gram θετικών βακτηρίων έχει πάχος 20 έως 80 nm, ενώ των κατά Gram αρνητικών έχει πάχος μόλις 7 έως 8 nm. Μέσω του τοιχώματος αυτού μπορούν να διέλθουν σωματίδια μεγέθους όχι μεγαλύτερου από 2 nm (περίπου).

Τα αμινοξέα που συνθέτουν τις πεπτιδικές γέφυρες εξαρτώνται από το είδος του βακτηρίου και ανάμεσά τους συναντώνται και "παράδοξα" αμινοξέα διαφορετικά από τα γνωστά 20 αμινοξέα που συνθέτουν τις πρωτεΐνες (βλ. Χημική ένωση του μήνα: Ινσουλίνη), όπως επίσης και αμινοξέα με D-εναντιομέρεια, γεγονός που κατέρριψε παλαιές υποθέσεις, ότι στη φύση απαντούν μόνο είναι L-αμινοξέα, τα οποία όμως εξακολουθούν να είναι τα μόνα που συναντώνται στις πρωτεΐνες. Χάρις στην παρουσία αυτών των "παράδοξων" οξέων οι πεπτιδικοί δεσμοί της πεπτιδογλυκάνης δεν υπόκεινται σε ενζυματική υδρόλυση και έτσι οι κοινές πεπτιδάσες δεν μπορούν να προσβάλλουν το τοίχωμα των βακτηρίων [Αναφ. 8δ].

Τυπικό παράδειγμα πεπτιδογλυκάνης είναι αυτή που σχηματίζει το τοίχωμα του χρυσίζοντος σταφυλόκοκκου (Staphylococcous aureus) (θετικό κατά Gram). Από κάθε μονάδα NAM προβάλλει ένα πενταπεπτίδιο το οποίο αποτελείται από τα αμινοξέα: L-αλανίνη, D-γλουταμίνη, L-λυσίνη και δύο D-αλανίνες. Οι δύο "τερματικές" D-αλανίνες είναι κοινό χαρακτηριστικό των πεπτιδικών αλυσίδων για όλα τα βακτήρια. Το αντίστοιχο πεπτίδιο του Escherichia coli (αρνητικό κατά Gram) αποτελείται από L-αλανίνη, D-γλουταμικό οξύ, meso-διαμινοπιμελικό οξύ (ένα από τα "ασυνήθιστα" αμινοξέα) και D-αλανίνη.

Τα πεπτίδια που προβάλλουν από τις ΝΑΜ συνδέονται: (α) με την παρεμβολή μεταξύ τους μιας επιπλέον πεπτιδικής γέφυρας αποτελούμενης από πέντε γλυκίνες στα θετικά κατά Gram βακτήρια και (β) άμεσα μεταξύ τους στα αρνητικά κατά Gram βακτήρια.

Δράση της πενικιλίνης. Η πενικιλίνη, όπως και όλα τα άλλα αντιβιοτικά β-λακτάμης αδρανοποιούν την DD-τρανσπεπτιδάση. Η πενικιλίνη, μέσω του β-λακταμικού τμήματός της, "μιμείται" το καταληκτικό τμήμα D-αλανυλο-D-αλανίνης της πεπτιδικής αλυσίδας, το οποίο κανονικά συνδέεται με το δραστικό τμήμα του ενζύμου. 'Ετσι επέρχεται μια σταθερή σύνδεση της πενικιλίνης με την DD-τρανσπεπτιδάση, η οποία αδρανοποιείται, διακόπτεται ο σχηματισμός πεπτιδογλυκάνης και εξασθενίζει το κυτταρικό τοίχωμα του βακτηρίου, αφού δεν μπορεί να αναπληρώσει τα σημεία φθοράς του.

'Ετσι, τα βακτήρια υπόκεινται σε κυτταρόλυση (cytolysis), αφού με ελαττωματικό το τοίχωμα από πεπτιδογλυκάνη δεν μπορούν να αντισταθμίσουν την ωσμωτική πίεση του κυτταροπλάσματος. Επιπλέον, οι πρόδρομες ενώσεις της πεπτιδογλυκάνης ενεργοποιούν τις υδρολάσες και τις αυτολυσίνες, ένζυμα τα οποία βοηθούν στη ρήξη του τοιχώματος κατά τη φυσιολογική διαίρεση του βακτηρίου του βακτηριακού κυττάρου, οπότε επιταχύνεται η "χώνευση" της ήδη υπάρχουσας πεπτιδογλυκάνης.

Αντίδραση πενικιλίνης - DD-τρανσπεπτιδάσης. Στο παρακάτω σχήμα (αριστερά) δείχνεται παραστατικά ο γενικός μηχανισμός σχηματισμού του τοιχώματος πεπτιδογλυκάνης των βακτηρίων και ο τρόπος με τον οποίο η πενικιλίνη και τα άλλα αντιβιοτικά τύπου βήτα-λακτάμης παρεμποδίζουν την ανάπτυξη του δικτύου της πεπτιδογλυκάνης με αποτέλεσμα τον θάνατο του βακτηρίου.

Το δραστικό κέντρο της πενικιλίνης, όπως και κάθε άλλου αντιβιοτικού β-λακτάμης, ο τετραμελής λακταμικός δακτύλιος διαθέτει σημαντικά αποθέματα ενέργειας λόγω της διάτασης των δεσμών C-C και C-N. Αποτέλεσμα αυτού του ενεργειακού αποθέματος είναι να καθίσταται ιδιαίτερα δραστικός κατά τη διάνοιξή του (σαν "συμπιεσμένο ελατήριο" που ξαφνικά ελευθερώνεται) και να αντιδρά αντιδρά εύκολα με το ελεύθερο υδροξύλιο μιας σερίνης της πεπτιδικής αλυσίδας της DD-τρανσπεπτιδάση σχηματίζοντας εστερικό δεσμό (βλ. αντίδραση κάτω δεξιά). 'Ετσι, το σύζευγμα DD-τρανσπεπτιδάσης - πενικίλλινης είναι σταθερό και η ενζυματική δράση της DD-τρανσπεπτιδάσης παύει πλέον να υφίσταται.

 

Ανάπτυξη αντίστασης κατά των αντιβιοτικών β-λακτάμης. Σε σύντομο χρονικό διάστημα μετά τη εισαγωγή στη θεραπευτική πράξη της πενικιλίνης και των άλλων αντιβιοτικών β-λακτάμης, διαπιστώθηκε ότι σε πολλές περιπτώσεις τα βακτήρια αναπτύσσουν μια "αντίσταση" κατά των αντιβιοτικών αυτών. Κυριότερη αιτία αυτής της αντίστασης είναι η ικανότητα των βακτηρίων να δημιουργούν τα ένζυμα β-λακταμάσες (υπάρχουν περίπου 50 διαφορετικοί τύποι β-λακταμάσης) τα οποία υδρολύουν τον β-λακταμικό δακτύλιο αχρηστεύοντας έτσι το δραστικό κέντρο του αντιβιοτικού, πριν προλάβει να δράσει επί της DD-τρανσπεπτιδάσης. Δηλαδή, τα βακτήρια όταν (κατά κάποιο τρόπο) αισθανθούν την "επίθεση" της πενικιλίνης, "αντεπιτίθεται" εκλύοντας β-λακταμάσες.

Για την αντιμετώπιση αυτού του είδους της αντίστασης, οι πενικιλίνες μπορούν να χορηγηθούν με αναστολείς (inhibitors) της β-λακταμάσης ή (συνηθέστερα) χορηγούνται ως τροποποιημένες μορφές της πενικιλίνης, που είναι ανθεκτικές στη δράση της β-λακταμάσης, οπότε παρακάμπτεται το πρόβλημα αυτό [Αναφ. 9].

Τυπικό παράδειγμα φαρμακευτικού σκευάσματος, το οποίο συνδυάζει αντιβιοτικό και αναστολέα, είναι το σκεύασμα με την εμπορική ονομασία Augmentin, που αποτελείται από την ημισυνθετική πενικιλίνη αμοξυκιλλίνη (amoxycillin) (βλ. τύπο παρακάτω) και τον αναστολέα της β-λακταμάσης κλαβουλανικό οξύ (clavulanic acid).

'Αλλος τρόπος ανάπτυξης αντίστασης από τα βακτήρια κατά των αντιβιοτικών β-λακτάμης είναι η ανάπτυξη παράπλευρων πεπτιδικών αλυσίδων στο τοίχωμα της πεπτιδογλυκάνης με τη βοήθεια ενζύμου ανάλογου προς την DD-τρανσπεπτιδάση, το οποίο όμως δεν μπορεί να συνδεθεί και να αδρανοποιηθεί από τα αντιβιοτικά β-λακτάμης.

Ο κύριος λόγος ανάπτυξης αντίστασης στα αντιβιοτικά β-λακτάμης, αλλά και γενικότερα κατά των αντιβιοτικών εντοπίζεται στην κατάχρησή τους. Με τη συχνά αδικαιολόγητη λήψη αντιβιοτικών καταστρέφονται σταθερά τα ασθενέστερα από αυτά, ενώ "επιλέγονται" τα ανθεκτικότερα, τα οποία δημιουργούν στη συνέχεια νέες γενεές ανθεκτικών πλέον βακτηρίων.

Συσχέτιση δομής - φαρμακευτικής δράσης. Η φαρμακευτική δράση της πενικιλίνης έχει μελετηθεί διεξοδικά και έχει εξετασθεί η χρησιμότητα και επίδραση κάθε υποκαταστάτη στο βασικό σκελετό της. Σε πολύ γενικές γραμμές τα συμπεράσματα των μελετών αυτών συνοψίζονται στα εξής (χρησιμοποιείται η κατά IUPAC αρίθμηση των θέσεων):

- Θέση 1: Το άτομο αζώτου είναι απαραίτητο και μη αντικαταστάσιμο.

- Θέση 2: Η καρβοξυλική ομάδα είναι απαραίτητη. Εάν η ομάδα αυτή εστεροποιηθεί, η αντιβιοτική δράση μειώνεται.

- Θέση 3: Δεν επιτρέπονται αντικαταστάσεις στη θέση αυτή, κάθε αλλαγή μειώνει την αντιβιοτική δράση. Τα δύο μεθύλια είναι απαραίτητα.

- Θέση 4: 'Οταν το άτομο θείου (-S-) του θειαζολινικού δακτυλίου οξειδωθεί προς σουλφοξειδική (-SO-) ή σουλφονική (-SO2-) ομάδα το μόριο σταθεροποιείται χημικώς, αλλά η αντιβιοτική δράση μειώνεται.

- Θέση 5: Δεν επιτρέπονται προσθήκες ομάδων στη θέση αυτή.

- Θέση 6: Αντικαταστάσεις της ομάδας C6H5CH2- στην πλευρική αλυσίδα της αμιδικής ομάδας επιτρέπονται.

- Θέση 7: Η καρβονυλική ομάδα του β-λακταμικού δακτυλίου είναι απαραίτητη.

Mερικά από τα video του Youtube τα οποία αναφέρονται στην ανακάλυψη και τον τρόπο δράσης της πενικιλίνης και των παραγώγων της.

 

'Αλλα αντιβιοτικά με τον δακτύλιο της β-λακτάμης [Αναφ. 10]

Παράγωγα φυσικής πενικιλίνης. 'Εχει παρασκευασθεί μεγάλος αριθμός παραγώγων της πενικιλίνης, κυρίως για να αντιμετωπισθεί το πρόβλημα της αντίστασης που παρουσιάζουν πολλά βακτήρια έναντι της φυσικής μορφής της πενικιλίνης (πενικιλίνης G). Οι κυριότερες διαφορές εντοπίζονται στη φύση των διαφόρων ομάδων R που συνδέονται με την αμιδική ομάδα. Στα σύγχρονα αντιβιοτικά του τύπου αυτού επιδιώκεται η ομάδα R να προσδίδει στο αντιβιοτικό αντοχή έναντι των β-λακταμασών. Μερικά παραδείγματα αποτελούν οι ακόλουθες τροποποιημένες πενικιλίνες:

Πενικιλίνη G (φυσική πενικιλίνη) και ορισμένα αντιβιοτικά - παραλλαγές της που διαφέρουν μόνο ως προς τη φύση της ομάδας R της αμιδικής ομάδας.

Οικογένειες αντιβιοτικών β-λακτάμης. Οι διάφορες παραλλαγές στα αντιβιοτικά β-λακτάμης δεν περιορίζονται μόνο στις διαφορετικές ομάδες R της αμιδικής ομάδας που συνδέεται τον β-λακταμικό δακτύλιο. Στα πλήρως συνθετικά αντιβιοτικά β-λακτάμης αντικαταστάθηκε και ο πλευρικός θειαζολινικός δακτύλιος της φυσικής πενικιλίνης με πενταμελείς ή εξαμελείς δακτυλίους, όπου υπάρχει ως ετεροάτομο το θείο, το οξυγόνο (οξα-) ή μπορεί να λείπει τελείως (καρβα-). Ο δακτύλιος αυτός μπορεί να διαθέτει ή όχι και έναν διπλό δεσμό ή ακόμη μπορεί να λείπει και τελείως (μονοβακτάμες). Οι κεντρικοί πυρήνες των αντιβιοτικών αυτών και οι ονομασίες των αντίστοιχων "οικογενειών" αντιβιοτικών είναι οι παρακάτω:

Η πενικιλίνη και τα παράγωγά της ανήκουν στην οικογένεια των πεναμών, ενώ οι ιδιαίτερα δραστικές κεφαλοσπορίνες ανήκουν στις κεφέμες.

 

Κεφαλοσπορίνες. Οι κεφαλοσπορίνες διαφέρουν από τις πενικιλίνες ως προς τον πλευρικό δακτύλιο της β-λακτάμης ο οποίος είναι εξαμελής και διαθέτει διπλό δεσμό. Οι κεφαλοσπορίνες, πέραν από την ομάδα R2 της αμιδικής ομάδας, μπορούν να διαφοροποιηθούν μεταξύ τους και ως προς την ομάδα R1. Το πρώτο μέλος της ομάδας των κεφαλοσπορινών απομονώθηκε το 1956 από έναν μύκητα που βρίσκεται στους υπονόμους, τον Cephalosporium acremonium.

'Οπως οι πενικιλίνες, το ίδιο και οι κεφαλοσπορίνες είναι πολύτιμες λόγω της μικρής τοξικότητάς τους και του ευρέος φάσματος δράσης έναντι πολλών βακτηρίων θετικών και αρνητικών κατά Gram. 'Ετσι, και οι κεφαλοσπορίνες χρησιμοποιούνται εξίσου με τις διάφορες πενικιλίνες και καταλαμβάνουν περίπου το 30% της αγοράς των αντιβιοτικών φαρμάκων.

 

Λίγα από τα γραμματόσημα που κυκλοφόρησαν πολλά κράτη προς τιμήν εκείνων που ανακάλυψαν την πενικιλίνη.

 

 

Βιβλιογραφία - Πηγές από το Διαδίκτυο

  1. (α) The Merck Index: "Benzylpenicillinic acid", 12th ed., p.191. (β) Wikipedia: Wikipedia: "Penicillin".

  2. (α) Wikipedia: "History of penicillin". (β) Answers.yahoo.com: "How was penicillin discovered?". (γ) Rosenberg J (About.com): "Alexander Fleming Discovers Penicillin". (δ) Bud R: "Penicillin: Triumph and Tragedy", Oxford University Press, 2007 p.27, 31 (Google e-book). (ε) American Chemical Society, Ιnternational Historic Chemical Landmark: "Discovery and Development of Penicillin, 1928-1945", 1999 (Εξαιρετικό ιστορικό άρθρο για την πενικιλίνη). (στ) Torok S: "Howard Florey the story: Maker of the Miracle Mould", Australian Broadcasting Corporation, 1998. (ζ) Cordy CC: Κριτική στο βιβλίο του Eric Lax "The Mold in Dr. Florey’s Coat: The Story of the Penicillian Miracle". (η) Hare R: "New light on the history of penicillin",  Med Hist. 26(1): 1-24 1982 (ή αρχείο PDF, 5,5 MB) (Εξαιρετικά πληροφοριακό άρθρο με πλήθος λεπτομερειών πάνω στα πειράματα του Fleming. Ο Hare προσπαθεί να ερμηνεύσει τους λόγους που έκαναν τον Fleming να αμφιβάλει για τη φαρμακευτική χρησιμότητα της πενικιλίνης). (θ) Lax E: "The Mold in Dr. Florey's Coat: The Story of the Penicillin Miracle", Holt Paperback & Co, New York, 2004.

  3. (a) D. Allchin (SHiPS Resource Center, University of Minnesota): "Penicillin and Chance". (β) clickamericana.com (rediscover history) "The race to get enough penicillin". (γ) University of Oxford: "The story of penicillin". (δ) Fun facts about Fungi (Utah State University): "Penicillin: the first miracle drug". (ε) Bellis M (About.com, Inventors): "The History of Penicillin Alexander Fleming, John Sheehan, Andrew J Moyer". (στ) Henry C: "Penicillin", Chemical & Engineering News, 83(25), 2005. (ζ) Wellcome Library: "Another link completed: Sir Ernst Chain's papers made searchable", June 2010. (η) Lax H: "Norman Who?", Popular Science. (θ) www.nndb.com: "Norman George Heatley". (ι) Moyer AJ, Coghill RD: "Penicillin : IX. The Laboratory Scale Production of Penicillin in Submerged Cultures by Penicillium notatum Westling (NRRL 832)", J. Bacteriol. 51(1):79, 1946 (αρχείο PDF, 1,57 MB). (ια) USDA Agricultural Research Service: "ARS Timeline: The rescue of penicillin".

  4. (α) Wikipedia: "Gram staining". (β) Bruckner MZ (Microbial Life, Educational Resources): "Gram Staining". (γ) Smith AC, Hussey MA (American Society of Microbiology, Microbe Library): "Gram Stain Protocols".

  5. Drugs.com: "Oxford Unit".

  6. (α) penicillin.wikispaces.com: "Penicillin". (β) www.news-medical.net (Medical News): "Penicillin Poduction". (γ) McGlade E, Lennon R: "BE401 Industrial Processing: Penicillin Recovery Strategies", (αρχείο PDF 315 KB). (δ) Swaroopa RA, Annopurna J, Ramakrishna SV: "Penicillin Production in Continuous Stirred Tank Reactor by Penicillium chrysogenum Immobilized in Agar", Chem. Biochem. Eng. Q. 17(2):119-122, 2003 (αρχείο PDF 189 KB). (ε) Rodríguez-Sáiz M, Díez B, Barredo JL: "Why did the Fleming strain fail in penicillin industry?", Fungal Genet Biol. 42(5):464-470, 2005 (PubMed). (στ) Business Standard: "Save penicillin industry from Chinese imports: IPMA", June, 2004.
  7. (α) News Medical: "Penicillin Biosynthesis". (β) Arnstein HRV, Clubb ME: "The Biosynthesis of Penicillin: 5. Comparison of Valine and Hydroxyvaline as Penicillin Precursors", Biochem J. 65(4): 618-627, 1957. (γ) Abraham EP: "Penicillins and Cephalosporins" Pure Appl. Chem., 28(4):399-412, 1971 (αρχείο PDF, 305 KB).

  8. (α) www.news-medical.net (Medical News): "Penicillin Mechanism". (β) Thornton A (School of Chemistry, University of Bristol): "How Penicillin works". (γ) Wikipedia: "Peptidoglycan". (δ) Review on the book "D-Amino acids: A new frontier in amino acids and protein research - Practical methods and protocols", by Konno R, et al (αρχείο PDF, 120 KB).

  9. Streble S: "The Evolution of Resistance to Penicillin", December 12, 2001.

10. (α) Wikipedia: "Beta-lactam antibiotic". (β) Wikipedia: "Cephalosporin". (γ) Med Expert: "Antibiotics: Cephalosporins".

11. Soelensy R (Wolters Kluver): "Patient information: Allergy to penicillin and related antibiotics (Beyond the Basics)".

 

ΒΙΒΛΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΗΣ ΠΕΝΙΚΙΛΙΝΗΣ

- Maurois A: "The Life of Sir Alexander Fleming Discoverer of Penicillin", New York, E. P. Dutton & Co., 1959.

- Clark RW: "The Life of Ernst Chain. Penicillin and Beyond", Palgrave Macmillan, London, 1986.

- Wainwright M: "Miracle Cure: The Story of Penicillin and the Golden Age of Antibiotics", Blackwell Publishers, London, 1990.

- Tocci S: "Alexander Fleming: The Man Who Discovered Penicillin" (Great Minds of Science, Series), Enslow Publisher, London, 2002.

- Hantula R: "Alexander Fleming", World Almanac Library, London, 2003.

- Lax E: "The Mold in Dr. Florey's Coat: The Story of the Penicillin Miracle", Holt Paperback & Co, New York, 2004. [Εξαιρετικό βιβλίο όπου εξιστορείται ο -μάλλον παραγνωρισμένος- αγώνας της ομάδας επιστημόνων της Οξφόρδης.

- ICON Health Publications: "Penicillin. A Bibliography, Medical Dictionary and Annotated Research Guide to Internet References", ICON Health Publishers, San Diego, CA, 2004.

- Jacobs F: "Breakthrough: The True Story of Penicillin" (Illustrations and photographs, for children), New York Academy of Sciences, New York, 2004.

- Brown K: "Penicillin Man: Alexander Fleming and the Antibiotic Revolution", History Press, New York, 2005.

- De la Bedoyere G: "The Discovery of Penicillin (Milestones in Modern Medicine, Series)", World Almanac Library, Washington DC, New York, 2005.

- Bud R: "Penicillin, Triumph and Tragedy", Oxford University Press, Oxford, 2007.

- Tames R: "Penicillin: A Breakthrough in Medicine", Heinemann-Raintree, London, 2007.