Пеніцилін: як запліснявіла чашка подарувала світові перші чудо-ліки

Світ без антибіотиків

До 1940-х років навіть маленький поріз міг стати смертельним. Подряпина, що запалилася, біль у горлі, спричинений стрептококами, чи інфекція після пологів або операції могла поширитися тілом, і ніщо не могло її зупинити. Лікарі промивали рани, випускали гній і сподівалися, що імунна система пацієнта переможе, але не мали надійного способу знищити бактерії всередині організму. Пневмонія, зараження крові (сепсис) і інфіковані рани забирали величезну кількість життів, зокрема багатьох солдатів Першої світової війни, які виживали після поранень, але помирали від інфекцій, що починалися згодом.

Деякі хімічні препарати з'явилися ще до пеніциліну. Сальварсан на основі миш'яку, запроваджений 1910 року, лікував сифіліс, а сульфаніламіди 1930-х років стали справжнім кроком уперед. Проте вони діяли лише на обмежене коло мікробів і могли мати серйозні побічні ефекти. Ліки, які справді відкрили еру антибіотиків, з'явилися не в хімічній лабораторії, а з цвілі.

Що таке пеніцилін

Пеніцилін — це не одна речовина, а група споріднених антибіотиків. Уперше їх отримали з цвілевих грибів роду Penicillium — тих самих, що утворюють синьо-зелений пушок на старому хлібі та фруктах. Сьогодні основним продуцентом є Penicillium chrysogenum, а також близький до нього P. rubens. Кілька видів Penicillium здатні виробляти пеніциліни природним шляхом.

З хімічного погляду всі пеніциліни мають спільну ключову ознаку — β-лактамне кільце (бета-лактамне кільце): маленький, сильно напружений квадрат із чотирьох атомів — трьох атомів вуглецю та одного атома азоту. Це кільце сполучене з другим кільцем, що містить сірку. Саме напруження в цьому маленькому квадраті робить молекулу такою реакційноздатною, і, як ми побачимо, у ньому криється секрет того, як пеніцилін атакує бактерії. Через це кільце пеніциліни належать до ширшої родини β-лактамних антибіотиків, до якої входять також цефалоспорини та карбапенеми.

Відкрито чимало природних пеніцилінів, але в медицині застосовують лише дві очищені природні сполуки: пеніцилін G (бензилпеніцилін) і пеніцилін V (феноксиметилпеніцилін). Інші, що використовуються сьогодні, — напівсинтетичні варіанти, створені в лабораторії на основі ядра пеніциліну.

Випадкове відкриття

Забруднена чашка Флемінга

Відома історія починається у вересні 1928 року в лондонській лікарні Святої Марії. Шотландський бактеріолог Александер Флемінг досліджував бактерії Staphylococcus, які спричиняють фурункули, раневі інфекції та інші хвороби. Повернувшись із літньої відпустки, він виявив, що одна з його чашок із культурою забруднена цвіллю. Навколо цвілі була прозора зона, де бактерії загинули, тоді як далі колонії бактерій росли як зазвичай.

Флемінг зрозумів, що цвіль виділяє щось, що вбиває бактерії або зупиняє їхній ріст. Він вирощував гриб у рідкому бульйоні й з'ясував, що цей «цвілевий сік» здатен зупиняти багато видів шкідливих бактерій, зокрема збудників скарлатини, пневмонії та дифтерії. Діючу речовину він назвав пеніциліном і 1929 року опублікував свої результати.

Чому відкриття мало не загальмувалося

Флемінг знайшов щось надзвичайне, але не зміг перетворити це на ліки. Пеніцилін утворювався в мізерних кількостях, був хімічно нестійким і швидко руйнувався. Флемінг не був хіміком, і його спроби очистити та сконцентрувати речовину зазнали невдачі. Неочищений пеніцилін випробували в кількох невеликих дослідах на поверхневих інфекціях, але приблизно десятиліття він залишався здебільшого лабораторною дивовижею.

Флемінг також не був першим, хто помітив, що цвіль може шкодити бактеріям. Кілька науковців XIX століття спостерігали, що Penicillium та інші плісняві гриби здатні стримувати ріст бактерій. Робота Флемінга стала важливою тому, що він виявив, назвав і описав речовину, а також зберіг гриб живим, щоб пізніше інші могли його дослідити.

Від лабораторної дивовижі до рятівних ліків

Оксфордська команда

Прорив стався в Оксфордському університеті наприкінці 1930-х років. Команда Школи патології сера Вільяма Данна під керівництвом австралійського патолога Говарда Флорі, до якої входили біохімік німецького походження Ернст Чейн і біохімік Норман Гітлі, вирішила вивчати природні речовини, що вбивають бактерії. Науковці прочитали статтю Флемінга й обрали пеніцилін.

Очистити пеніцилін було надзвичайно складно. Гітлі винайшов дотепні методи його вилучення: переносив речовину між рідинами різної кислотності, щоб відокремити її від бульйону й сконцентрувати. Оскільки почалася Друга світова війна і обладнання бракувало, команда імпровізувала: вирощувала цвіль у сотнях посудин, серед яких були лікарняні судна та спеціально виготовлені керамічні ємності, і найняла молодих жінок, яких згодом прозвали «пеніциліновими дівчатами», щоб доглядати за культурами.

Дослід на мишах і перший пацієнт

У травні 1940 року команда провела вирішальний дослід. Вісьмох мишей заразили смертельною дозою стрептококів. Чотирьом із них потім дали пеніцилін, а чотирьом — ні. До наступного ранку всі чотири неліковані миші загинули, тоді як ліковані залишалися живими. Пеніцилін явно діяв усередині живого організму.

На початку 1941 року команда лікувала свого першого пацієнта-людину — оксфордського поліцейського на ім'я Альберт Александер, який мав тяжку інфекцію обличчя та шкіри голови. Уже за кілька днів після початку лікування пеніциліном його стан разюче покращився. Але препарату в команди було так мало, що вона навіть вилучала пеніцилін із його сечі, щоб використати знову. Коли запас вичерпався, інфекція повернулася, і пацієнт помер. Його випадок довів одразу дві речі: пеніцилін може рятувати життя, і його потрібно набагато більше.

Масове виробництво і Друга світова війна

Велика Британія під тиском війни не могла виробляти пеніцилін у великих масштабах, тож 1941 року Флорі та Гітлі вирушили до Сполучених Штатів по допомогу. Вони працювали з науковцями державної сільськогосподарської лабораторії в місті Пеорія (штат Іллінойс), дослідники якої мали досвід вирощування мікробів у великих кількостях.

Три відкриття докорінно змінили виробництво:

• Кукурудзяний екстракт — побічний продукт переробки кукурудзи — виявився чудовим живленням для гриба й значно збільшив кількість пеніциліну, яку той виробляв.
• Глибинна ферментація в резервуарах дала змогу вирощувати гриб зануреним у величезні баки з рідиною, яку перемішували й насичували повітрям, а не тонким шаром на поверхні колб і лотків.
• Кращий гриб знайшли на запліснявілій дині-канталупі, купленій на ринку в Пеорії. Його штам Penicillium chrysogenum виробляв набагато більше пеніциліну, ніж початковий гриб Флемінга, а з його мутованих нащадків вивели ще продуктивніші штами.

Потім американські фармацевтичні компанії за підтримки уряду наростили виробництво. Воно зростало так швидко, що до висадки союзників у Нормандії в червні 1944 року були готові мільйони доз. Пеніцилін урятував життя багатьом пораненим солдатам і значно зменшив смертність від інфікованих ран і пневмонії. Після війни він став широко доступним для цивільного населення в усьому світі.

1945 року Флемінг, Флорі та Чейн розділили Нобелівську премію з фізіології або медицини за відкриття пеніциліну та його цілющої дії при різних інфекційних хворобах. Норман Гітлі, чиї методи зробили очищення можливим, не потрапив до числа лауреатів, хоча згодом Оксфорд віддав належне його внеску.

Як пеніцилін убиває бактерії

Атака на клітинну стінку

Бактерії оточені міцним зовнішнім шаром — клітинною стінкою. Вона складається із сітчастого матеріалу під назвою пептидоглікан: довгих ланцюгів цукрів, сполучених між собою короткими містками з амінокислот. Ця сітка діє як корсет: усередині бактеріальної клітини високий тиск, і стінка не дає клітині набрякнути й лопнути.

Коли бактерія росте й ділиться, вона мусить постійно будувати нову стінку. Особливі ферменти — пеніцилінзв'язувальні білки — створюють поперечні зшивки, що утримують сітку разом. β-лактамне кільце пеніциліну схоже на природний будівельний блок, який захоплюють ці ферменти. Тож фермент чіпляється за пеніцилін, напружене кільце розкривається, і антибіотик назавжди прикріплюється до ферменту, виводячи його з ладу.

Без робочих ферментів-зшивачів бактерія будує слабку, дефектну стінку. Коли всередину проникає вода, клітина набрякає й лопається. Саме тому пеніцилін найкраще діє на бактерії, які активно ростуть і діляться.

Чому він не шкодить клітинам людини

Клітини людини й тварин узагалі не мають пептидогліканової клітинної стінки. Їхньою зовнішньою межею є гнучка мембрана. Оскільки мішені пеніциліну в наших клітинах просто немає, він може вбивати бактерії, майже не зачіпаючи власних клітин організму. Ця ідея вибіркової токсичності — уражати те, що є в мікроба, але чого немає в нас, — один із найважливіших принципів медицини.

На які бактерії він діє

Пеніцилін G особливо добре діє на грампозитивні бактерії, як-от стрептококи, у яких товста пептидогліканова стінка відкрита ззовні. Грамнегативні бактерії, як-от E. coli, мають додаткову зовнішню мембрану, яка не дає багатьом пеніцилінам дістатися до мішені. На віруси пеніцилін не діє, тому вилікувати застуду чи грип він не може.

Родина пеніцилінів зростає

Природний пеніцилін мав обмеження. Пеніцилін G руйнується шлунковою кислотою, тому його доводиться вводити ін'єкціями. Пеніцилін V стійкіший до кислоти, і його можна приймати у вигляді таблеток, що значно спростило лікування.

Структуру пеніциліну встановила британська хімікиня Дороті Кроуфут Годжкін, яка у воєнні роки за допомогою рентгенівської кристалографії показала точне розташування його атомів і підтвердила наявність β-лактамного кільця. Згодом вона отримала Нобелівську премію з хімії 1964 року за дослідження структур важливих біологічних молекул. 1957 року американський хімік Джон Шіган уперше здійснив повний хімічний синтез пеніциліну, хоча виробляти його в такий спосіб ніколи не було так зручно, як за допомогою ферментації.

Ключовий крок було зроблено наприкінці 1950-х років, коли британські дослідники компанії Beecham виділили ядро молекули пеніциліну, відоме як 6-АПК. Відтоді хіміки могли приєднувати до цього ядра різні бічні ланцюги й конструювати нові пеніциліни з кращими властивостями. Серед результатів:

• Метицилін, створений, щоб протистояти ферментам, якими деякі бактерії руйнують пеніцилін.
• Ампіцилін, що діяв на ширше коло бактерій, зокрема на деякі грамнегативні.
• Амоксицилін, запроваджений на початку 1970-х років, добре засвоюється при прийомі всередину й сьогодні є одним із найчастіше призначуваних антибіотиків у світі.

Пеніцилін у сучасній медицині

Понад 80 років після першого застосування пеніцилін досі залишається незамінними ліками. Його використовують для лікування стрептококової ангіни, деяких видів пневмонії, інфекцій шкіри, сифілісу та кількох інших бактеріальних хвороб, а також для запобігання ревматичній гарячці в людей із групи ризику. Пеніциліни внесено до Зразкового переліку основних лікарських засобів Всесвітньої організації охорони здоров'я, де названо препарати, які мають бути в кожній системі охорони здоров'я.

Як і всі ліки, пеніцилін може спричиняти побічні ефекти. Найвідоміший із них — алергія, яка в рідкісних випадках буває тяжкою. Цікаво, що в багатьох людей, яким у дитинстві сказали, що вони мають алергію на пеніцилін, після належного обстеження її не виявляють — часто тому, що висип, спричинений хворобою, помилково сприйняли за реакцію на ліки. Сьогодні лікарі радять проходити алергологічне тестування, адже, якщо без потреби уникати пеніциліну, доводиться вдаватися до менш придатних антибіотиків.

Зростання стійкості

Бактерії еволюціонують, і успіх пеніциліну створив для них сильний тиск, що змушував виживати попри нього. Їхній головний захист — фермент β-лактамаза (або пеніциліназа), який розрізає β-лактамне кільце й робить антибіотик марним. Дивовижно, але Ернст Чейн і його колега Едвард Абрагам описали такий фермент у бактерій ще 1940 року, до того як пеніцилін почали широко застосовувати. Інші бактерії змінюють свої пеніцилінзв'язувальні білки так, що препарат уже не може в них учепитися.

Уже за кілька років після того, як пеніцилін став широко доступним, у лікарнях поширювалися стійкі штами Staphylococcus aureus. Згодом з'явився MRSA (метицилінрезистентний Staphylococcus aureus), стійкий до метициліну та більшості інших пеніцилінів. Щоб дати відсіч, лікарі іноді поєднують пеніцилін з інгібітором β-лактамаз, як-от клавулановою кислотою, що захищає антибіотик від руйнування; амоксицилін із клавулановою кислотою — поширений приклад.

Сам Флемінг передбачав цю небезпеку. У своїй Нобелівській лекції 1945 року він попереджав, що занадто мала доза препарату може дати бактеріям змогу стати стійкими. Його застереження актуальне й нині: застосування антибіотиків без потреби, наприклад при вірусних інфекціях, або прийом не так, як призначено, сприяє поширенню стійких бактерій. Стійкість до антибіотиків сьогодні вважають однією з найбільших загроз для здоров'я людства.

Маловідомі факти

• Лабораторію Флемінга в лікарні Святої Марії збережено, і тепер це невеликий музей.
• На початку пеніцилін був таким цінним, що його вилучали із сечі пацієнтів, очищали й вводили знову.
• Цвіль на дині-канталупі з Пеорії знайшла лаборантка Мері Гант, яка шукала на ринках запліснявілі продукти й стала відомою як «Mouldy Mary» («Запліснявіла Мері»).
• Промислові штами Penicillium сьогодні виробляють у багато разів більше пеніциліну, ніж початковий гриб Флемінга, завдяки десятиліттям добору й удосконалення.
• Успіх пеніциліну започаткував світовий пошук інших антибіотиків із ґрунтових мікробів і грибів, що в наступні десятиліття привело до стрептоміцину, тетрациклінів і багатьох інших.

Чому пеніцилін такий важливий

Пеніцилін змінив можливості медицини. Інфекції, що колись швидко вбивали, стали виліковними, а операції, лікування раку, пересадка органів і догляд за недоношеними немовлятами стали безпечнішими, бо лікарі змогли контролювати бактеріальні інфекції. Його історія також показує, як насправді працює наука: випадкове спостереження, роки терплячої праці команди хіміків і лікарів, міжнародна співпраця та промислова інженерія мали поєднатися. А поширення стійкості нагадує нам, що цим даром треба користуватися мудро, щоб пеніцилін і антибіотики, які з'явилися після нього, і далі діяли для майбутніх поколінь.