Ю.А. Жданов

Кафедра

Инновации

ДЦХО

Музей

Написано нами

Антибиотики — одно из величайших изобретений XX века в области медицины. Современные люди далеко не всегда отдают себе отчет в том, сколь многим они обязаны этим препаратам.

Человек вообще очень быстро привыкает к достижениям науки, и иногда требуется сделать очень большое усилие для того, чтобы представить себе жизнь такой, какой она была до того или иного изобретения, и как она изменилась после. Сегодня нам кажется удивительным, что еще 70-80 лет назад ежегодно десятки тысяч людей умирали от дизентерии, что воспаление легких во многих случаях кончалось смертельным исходом, что сепсис был настоящим бичом всех хирургических больных, которые во множестве гибли от заражения крови, что тиф считался опаснейшей и трудноизлечимой болезнью, а легочная чума неизбежно вела больного к смерти. Все эти страшные болезни были побеждены в первую очередь антибиотиками.

Еще более поразительно влияние этих препаратов на военную медицину. Трудно поверить, но в прежних войнах большинство солдат гибло не от пуль и осколков, а от гнойных заражений, вызванных ранением. Попадавшие при ранении вместе с грязью миллионы гнилостных бактерий начинали размножаться с колоссальной быстротой, проникая глубоко внутрь тканей, и через несколько часов уже никакой хирург не мог спасти человека: рана гноилась, повышалась температура, начинался сепсис или гангрена. Человек погибал не столько от самой раны, сколько от раневых осложнений. Медицина оказалась бессильна перед ними. В лучшем случае врач успевал ампутировать пораженный орган и тем останавливал распространение болезни.

Чтобы бороться с раневыми осложнениями, надо было научиться парализовать микробов, вызывающих эти осложнения, научиться обезвреживать попавших в рану кокков. Но как этого достигнуть? Оказалось, что воевать с микроорганизмами можно непосредственно с их же помощью, так как одни микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности выделяют вещества, способные уничтожать другие микроорганизмы.

Александр Флеминг, его предшественники и последователи

Основоположниками учения об антибиотиках принято считать Луи Пастера и И. И. Мечникова, а временем рождения учения – вторую половину XIX века. Так, Пастер, считающийся основоположником современной микробиологии и иммунологии, в 1877 году в соавторстве с Жубером обнаружил, что бациллы сибирской язвы погибают под действием некоторых других микробов. Примерно в то же время идею об использовании явления антагонизма микробов для подавления болезнетворных бактерий развивал И. И. Мечников, который предложил употреблять молочнокислые бактерии, обитающие в простокваше, для подавления вредных гнилостных бактерий, находящихся в кишечнике человека. Сам же термин «антибиоз» предложил в 1889 году француз Вюильмен. 

Но от наблюдений и идей до практического получения и применения не самих микробов, а уже выделенных из них чистых активных веществ – антибиотиков - был еще большой путь. Понятно, что разрешение этой проблемы требовало огромного труда — нелегко разобраться в жизни и взаимоотношениях микроорганизмов, еще труднее постичь, какие из них находятся во вражде друг с другом и чем один микроб побеждает другого, разработать и оптимизировать методы выделения чистых антибиотических веществ из разных природных объектов, охарактеризовать их, определить структуру и дополнительно модифицировать ее для получения высокой эффективности препарата.

Особый интерес в воинственных XIX и XX веках вызывали антибиотики с точки зрения их практического применения для лечения раневых инфекций, и, конечно же, самым крупным успехом на этом пути было открытие пенициллина - природного антибиотика из плесневых грибов рода Penicillium, а также разработка технологий его получения и модификации.

Принято считать, что первооткрывателем (изобретателем) пенициллина был шотландец Александр Флеминг, который в 1928 году случайно обнаружил антибиотический эффект плесени на посевы стафилококков, а затем при помощи методов, разработанных им самим смог получить неочищенный фильтрат плесневого бульона, который и назвал пенициллином. Он подготовил сообщение о пенициллине и прочитал его 13 февраля 1929 года в Медицинском научно-исследовательском клубе. Аудитория восприняла сообщение скептически и по свидетельству очевидцев «никак не выразила своих впечатлений и вела себя удивительно высокомерно, чуть ли не враждебно. Флеминг хотел выделить из полученного плесневого бульона антибиотик пенициллин в чистом виде, и даже специально поручил эту работу своим помощникам Ридли и Крэддоку, однако ни Флемингу, ни его помощникам этого сделать так и не удалось.

Вместе с тем исследования Флеминга были, конечно же, огромным вкладом в развитие этого научного направления по разработке и созданию антибиотиков. Именно они разбудили интерес других исследователей, что, в конце концов, привело к созданию эффективного лекарственного средства.

Тут, пожалуй, следует отметить, что об антагонистических свойствах зеленой плесени было известно задолго до наблюдений Флеминга. Еще в глубокой древности индейцы из племени майя использовали зеленую плесень, выращенную на зернах кукурузы, для лечения ран.

Философ, врач и естествоиспытатель Абу-Али Ибн-Сина (Авиценна) рекомендовал использовать плесень при гнойных заболеваниях. Ибн-Сина написал пятитомный "Канон врачебной науки", который был впервые переведен на латинский язык и издан в Европе через 400 лет после его смерти - в 1437 г. На русском языке "Канон" издан лишь в 1960 г. Авиценна утверждал, что заразные заболевания вызываются невидимыми для глаза живыми возбудителями, которые могут передаваться от больного к здоровому через воздух и воду. Заключение это сделано за 600 лет до изобретения микроскопа.

В русской народной медицине с давних времен применялись для лечения ран присыпки, состоящие из зеленой плесени. Письменные указания на это имеются в литературе еще 17 века. Так например, описано применение плесени при лечении ран в войске Степана Разина целительницей Аленой Арзамасской.

В своих рабочих тетрадях английский микробиолог Листер 25 ноября 1871 года описал явление ингибирования роста микробов присутствующей плесенью Penicillium glaucum. Он провел ряд опытов, чтобы узнать, не превращается ли жидкость после разрастания в ней плесени в неблагоприятную среду для бактерий. Но так как опыты не дали убедительных результатов, Листер их прекратил.

В работах русских ученых В.А.Манассеина и А.Т. Полотебнова в 1871 - 1872 гг. указывалось на отношение Penicillium glaucum к разным бактериям (а дискуссии между этими учеными по данному вопросу имели место еще ранее - в 60-х годах XIX века). Полотебнов впервые в научно-клинической обстановке изучил применение зеленой плесени, показав при этом практически ценные результаты. Манассеин установил, что молодая культура плесени подавляет рост некоторых бактерий.

Английский физик Тиндаль описал в 1876 г. способность Penicillium подавлять бактерии, находящиеся в жидкости, но объяснял это явление чисто физическими причинами.
В 1877 г. русский врач Лебединский доложил о подавлении плесенью бактерий желудочно-кишечного тракта.

В 1896 г. из грибков был выделен первый антибиотик, который его открыватель Б. Гозио назвал «микофеноловая» кислота («микос» по-гречески – гриб, фенол – это карболка, известное дезинфицирующее вещество, тем самым показывающее химическую природу выделенного антибиотика).

В том же году никому неизвестный студент Лионской военно-медицинской академии Э. Дюшен описал в своей дипломной работе «жизненную конкуренцию» микроорганизмов и плесеней, особенно зеленых, хорошо знакомых французам по их великолепным сырам рокфор и камамбер. Речь, естественно, шла о грибке Penicillium. Дюшен в работе над своим дипломом пошел дальше всех. После серии опытов он решился ввести небольшое количество бульона, на котором рос великолепный изумрудный «пенициллюм», морским свинкам, зараженным брюшным тифом. Результат был поразительным: свинки остались живы и были здоровыми.

Идея, как всегда витала в воздухе. В 1913 г. немецкий исследователь К.Алсберг выделил пенициллиновую кислоту!

Таким образом, приведенные данные показывают, что человечество на разных уровнях своего развития знало о целебных свойствах зеленой плесени. Однако эти сведения носили разрозненный характер и касались лишь воздействия самого гриба на микроорганизмы.

В то время не могло быть и речи о выделении и изучении активного начала, образуемого плесенью. Это стало возможным с развитием новых технологий только в XX веке.

Задачу получения очищенного пенициллина первыми решили два исследователя – выходец из Австралии патолог Говард Уолтер Флори и биохимик Эрнст Борис Чейн. Отец Чейна, химик, был выходцем из России. Сам Чейн родился в Берлине, но после прихода к власти нацистов из-за нарастающей волны антисемитизма в апреле 1933 года эмигрировал в Англию. Еще до войны, в 1935 году, уже известный тогда Г.У.Флори пригласил к себе на работу молодого Чейна, с которым они вместе начали работать в Оксфорде над рядом научных проектов. Там же в Оксфорде, получив усилиями Флори в начале 1939 года грант от Рокфеллеровского фонда, Флори, Чейн и его помощник Хитли уже к маю 1940 получили высокоочищенный препарат пенициллина, в 1000 раз более активный, чем препарат Флеминга, и, соответственно, обладавший меньшим побочным токсическим действием.

Долгое время эта задача казалась неразрешимой — пенициллин быстро разрушался в кислой среде (поэтому, кстати, его нельзя было принимать внутрь) и очень недолго сохранялся в щелочной. Он легко переходил в эфир, но, если его не ставили на лед, разрушался и в нем. Только после многих опытов жидкость, выделенную грибком и содержащую аминопенициллиновую кислоту, удалось сложным путем отфильтровать и растворить в специальном органическом растворителе, в котором не растворялись соли калия, хорошо растворимые в воде. После воздействия ацетата калия в осадок выпали белые кристаллы калийной соли пенициллина. Проделав множество манипуляций, Чейн получил слизистую массу, которую ему удалось наконец превратить в коричневый порошок. Первые же опыты с ним имели потрясающий эффект: даже маленькая гранула пенициллина, разведенная в пропорции один на миллион, обладала мощным бактерицидным свойством — помещенные в эту среду смертоносные кокки гибли через несколько минут. В то же время введенный в вену мыши препарат не только не убил ее, но вообще не произвел на зверька никакого действия.

Чейн не только очистил пенициллин, но и установил его молекулярную структуру. Он же стал требовать подачи заявки на патент, зная от отца их, патентов, огромную важность в промышленном производстве. Но Флори категорически отказался это сделать, считая патентование в области биомедицинских исследований неэтичным. Ошибочность своей точки зрения ему пришлось осознать в скором будущем.

Результаты испытаний походили на чудо. Экспериментаторы упоминали о них очень сдержанно в заметке, напечатанной в «Ланцете» и подписанной Флори, Чейном и Хитли, которые выделили пенициллин и первыми испытали его на животных, а также Дженнингсом, Абрагамом, Орр-Ювингом, Сандерсом и Гарднером, которых Флори пригласил присоединиться к группе с тем, чтобы быстрее и тщательнее изучить это новое магическое вещество. Статья Флори об испытании препарата на мышах скромно помещалась на 226-й странице номера журнала «Ланцет» за август 1940 года.

В феврале 1941 года препарат был впервые испытан на пациенте, и показал свою пригодность и эффективность. Вместе с тем, к этому времени еще не удалось решить проблему продуктивности. Для лечения только одного пациента требовалось наработать тысячи литров плесневого бульона. Организовать такое производство, увеличить продуктивность культивирования и практический выход антибиотика в воюющей Великобритании было просто невозможно. Оксфордские ученые побывали почти на всех крупных химических предприятиях Великобритании. Всюду они получали один и тот же ответ: «Продуктивность вашего метода очень мала, и производство вашего препарата коммерчески не оправдает себя». Единственный выход заключался в увеличении производительности, в предоставлении средств для большой научно-исследовательской работы. Но в трудное военное время английские заводы не в силах были пойти на такие расходы.

Оставалось одно: обратиться к Америке, и в июне 1941 года Флори и Хитли выехали в Лиссабон, а оттуда в Соединенные Штаты. Чейн остался в Англии. Историю этой пенициллиновой эстафеты описал американский микробиолог Г. Хобби:

«8 июля 1941г. Чарльз Том представил Флори и Хитли Перси Уэллсу - главе отдела Министерства сельского хозяйства, занимавшегося применением химии. Уэллс выслушал Флори и тут же дал телеграмму заведующему северной региональной лабораторией в Пиории, штат Иллинойс, доктору Орвелу Мею. 10 июля пришел ответ, приглашающий Флори и Хитли приехать в лабораторию. 14 англичане прибыли в Пиорию. Собрание сотрудников было устроено в тот же день, и 15 июля 1941 года, через 13 дней после приезда Флори, отдел ферментации под руководством профессора Роберта Коухила начал разработку технологического процесса создания пенициллина».

Человек, сыгравший самую значительную роль в организации и координации создания пенициллина в США, был Альфред Ньютон Ричардс из Пеннсильванского университета. Незадолго до приезда Флори он стал главой Комиссии медицинских исследований и обладал огромной властью решать, какое лекарство является необходимым для фронта, а какое нет. Альфред Ричардс убедил в необходимости создания пенициллина правительство США. Поэтому с деньгами особых проблем не было, но проблемы были чисто технические.

Американцы, а вслед за ними и другие, считают днем рождения индустрии антибиотиков 17 декабря 1941 года. Именно в этот день Ванневар Буш, руководитель Управления научных исследований и атомного проекта, от имени правительства США обратился к главам 9 крупных фармацевтических компаний. От имени правительства Буш обещал им громадный государственный заказ и постройку за казенный счет предприятий, продукция которых будет принадлежать частным компаниям.

Однако само первое промышленное производство пенициллина было организовано только в 1943 году в лаборатории доктора Когхилла, в городе Пеория, штат Иллинойс. Наряду с работами по развертыванию производства и созданию необходимого технологического оборудования шли дополнительные научно-исследовательские работы по оптимизации питательных сред для культивирования плесневых грибов, а также по поиску новых штаммов-продуцентов. Организаторы производства понимали, что флеминговская плесень может быть далеко не самой урожайной в мире. По их просьбе и распоряжению правительства военные пилоты везли образцы грибка со всего света.

Обратились за помощью и к местным жителям. И именно местная жительница Мэри Хант летом 1943-го нашла на рынке гнилую дыню-канталупу с великолепной золотистой плесенью Penicillium chrysogenium — смесью разных штаммов, один из которых оказался на редкость плодовитым. Генетики увеличили урожайность грибка, облучив его ультрафиолетом, и до сих пор весь пенициллин в мире вырабатывают потомки плесени с этой канталупы.

В результате внедрения «штамма канталупы» затраты на лечение одного случая сепсиса снизились с 200 до 6,5 доллара. Недавно в газете "Нью-Йорк Таймс" появилась заметка о том, что в Коннектикуте умерла в возрасте 90 лет некая Энн Миллер, женщина, которая в 1942 году стала первым человеком, спасенным пенициллином.

В марте 1942 года в возрасте 43 лет, она умирала от сепсиса, вызванного стрептококковой инфекцией. Не помогали ни сульфидные препараты, ни переливание крови, ни операция. И тогда ее врач поехал в Нью-Джерси, в лабораторию, где, как он знал по слухам, готовят новое экспериментальное лекарство пенициллин, и вымолил несколько ампул. История болезни Энн Миллер, которая сейчас находится в Смитсониевском музее в Вашингтоне, показывает, что через 4 часа после первого же внутривенного вливания пенициллина, температура больной упала почти до нормы, а после второго вливания, женщина, которая месяц находилась на грани смерти, уже ела, говорила, сидела, словом, поправлялась.

Уже к весне1944-го были наработаны миллиарды единиц пенициллина. Само же применение антибиотиков в действующей армии началось еще во время высадки англо-американской армии на Сицилии в августе 1943 года. Результаты были поразительны. Если потери фашистов оставались на уровне 1914 года (150 раненых из 1 000 гибли от гангрены), то у союзников смертность от гангрены прекратилась вообще. Тяжелораненые избегали ампутации и возвращались в строй за месяц.

Все знают о манхэттенском проекте изготовления ядерной бомбы во время Второй мировой войны. Пенициллин был медицинской версией манхэттенского проекта. К концу войны сотни ученых в США и в Англии, и около 40 различных институтов, учреждений, компаний, фондов государственных и частных участвовали в разработке пенициллина. Именно создание пенициллина положило начало мощному росту фармацевтической промышленности в США.

В 1945 году Р. Вудворд, Д. Ходжкин и Р. Робинсон первыми расшифровали структуру пенициллиновых антибиотиков, определив их формулы с помощью рентгеноструктурного анализа и химических методов. Оказалось, что пенициллин относится к азотсодержащим гетероциклическим соединениям, причем, его молекула состоит из бета-лактамного кольца (1), тиазолидинового кольца (2) и боковой цепи: 

Основная часть молекулы без боковой группы представляет собой 6-аминопенициллиновую кислоту.

Роль Александра Флеминга, который с начала 30-х годов отошел от исследований пенициллина и занимался другими научными проблемами, не была забыта. «Для разгрома фашизма и освобождения Франции он сделал больше целых дивизий» - так писали в сентябре 1945-го парижские газеты по случаю приезда во французскую столицу Флеминга, приветствуя его горячее многих боевых генералов. Один из английских высокопоставленных военных прямо заявил: «Пенициллин спас жизнь 95 процентов всех раненых, считавшихся еще несколько лет назад безнадежными».

Сам же Флеминг, выступая во Французской академии с речью, отметил, что у него были многочисленные предшественники. В 1945 году за свои работы по созданию пенициллина Флеминг, Флори и Чейн получили Нобелевскую премию.

И еще – пенициллин запатентовали американцы, и англичане очень этим возмущались. Поскольку шла война, англичанам пришло в голову, что американские фармацевтические компании будут заниматься патентами. Они торопились помочь раненым солдатам и совершенно не оценивали это лекарство с точки зрения финансовой выгоды. Но американцы не упустили этого момента из виду, и англичане были в шоке оттого, что изобретение, сделанное в Великобритании, принесло огромный доход не им, а американским фармакологическим компаниям. Удивительно, что было запатентовано только несколько технологических процессов, а не само лекарство, и, тем не менее, именно производство и было доходным.

Перед тем, как перейти к рассмотрению истории создания отечественного пенициллина, хотелось бы обратить особое внимание на то, какие именно виды Penicillium применялись учеными и исследователями для получения пенициллина в Англии и США.

Обнаруженная Флемингом плесень была первоначально отнесена им к виду Penicillium chrysogenum. Но Флеминг не был специалистом в области микологии, поэтому он обратился за помощью к молодому коллеге-микологу Ла Тушу, и тот определил грибок, как Penicillium rubrum. Именно это название использовал Флеминг в своем первом сообщении. Два года спустя известный американский миколог Том уточнил, что на самом деле это был Penicillium notatum, разновидность, близкая к «пенициллиум хризогенум», за который Флеминг и принял эту плесень. Ла Туш написал очень милое письмо, где он просил прощения у Флеминга за то, что ввел его в заблуждение. 

Флори и Чейн работали со штаммом Penicillium notatum, переданном им Флемингом, и именно этот штамм Флори повез с собой в США. И, наконец, как уже говорилось, при производстве пенициллина в США разработчики остановились на Penicillium chrysogenum, хотя, судя по всему, некоторое время они использовали и Penicillium notatum, привезенный Флори. Эти небольшие уточнения будут представлять важность при оценке работы советских исследователей. 

Далее...