Penicillins historia - History of penicillin

Kärnstrukturen för penicillin, där R är en variabel grupp
Flemings mögel, Penicillium rubens CBS 205.57. A – C. Kolonier 7 d gamla 25 ° CA CYA. B. MEA. C. JA. D – H. Condiophores. I. Conidia. Barer = 10 µm.

Den historia av penicillin följer ett antal observationer och upptäckter av uppenbara bevis på antibiotisk aktivitet mögel Penicillium som ledde till utvecklingen av penicilliner som blev de mest använda antibiotika . Efter identifieringen av Penicillium rubens som föreningens källa 1928 och med produktionen av ren förening 1942 blev penicillin det första naturligt härledda antibiotikumet. Det finns anekdoter om gamla samhällen som använder mögel för att behandla infektioner, och under de följande århundradena observerade många människor hämningen av bakterietillväxt av olika mögel. Det är dock okänt om de inblandade arterna var Penicillium -arter eller om de producerade antimikrobiella ämnena var penicillin.

Medan han arbetade på St Mary's Hospital i London var den skotska läkaren Alexander Fleming den första som experimentellt upptäckte att en Penicillium -mögel utsöndrar ett antibakteriellt ämne och den första som koncentrerade den inblandade aktiva substansen, som han kallade penicillin 1928. Formen var fast besluten att vara en sällsynt variant av Penicillium notatum (nu Penicillium rubens ), en laboratorieförorening i hans laboratorium. Under de närmaste 16 åren drev han bättre produktionsmetoder för penicillin, medicinsk användning och kliniska prövningar. Hans framgångsrika behandling av Harry Lambert som annars hade dödlig streptokock- meningit 1942 visade sig vara ett kritiskt ögonblick i medicinsk användning av penicillin.

Många senare forskare var inblandade i stabilisering och massproduktion av penicillin och i sökandet efter mer produktiva stammar av Penicillium . Viktiga bidragsgivare inkluderar Ernst Chain , Howard Florey , Norman Heatley och Edward Abraham . Fleming, Florey och Chain delade Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1945 för upptäckten och utvecklingen av penicillin. Dorothy Hodgkin fick Nobelpriset i kemi 1964 för att bestämma strukturerna för viktiga biokemiska ämnen inklusive penicillin. Strax efter upptäckten av penicillin rapporterades det om penicillinresistens hos många bakterier. Forskning som syftar till att kringgå och förstå mekanismerna för antibiotikaresistens fortsätter idag.

Tidig historia

Många gamla kulturer, inklusive de i Egypten , Grekland och Indien , upptäckte oberoende de användbara egenskaperna hos svampar och växter vid behandling av infektioner . Dessa behandlingar fungerade ofta eftersom många organismer, inklusive många mögelarter, naturligt producerar antibiotika . Emellertid kunde gamla utövare inte exakt identifiera eller isolera de aktiva komponenterna i dessa organismer.

I 1600-talets Polen blandades vått bröd med spindelnät (som ofta innehöll svampsporer ) för att behandla sår. Tekniken nämndes av Henryk Sienkiewicz i sin bok 1884 With Fire and Sword . I England 1640 registrerades tanken på att använda mögel som en form av medicinsk behandling av apotekare som John Parkinson, King's Herbarian, som förespråkade användning av mögel i sin bok om farmakologi .

Tidiga vetenskapliga bevis

Den moderna historien om penicillinforskning börjar på allvar på 1870 -talet i Storbritannien. Sir John Scott Burdon-Sanderson , som började på St Marys Hospital (1852-1858) och senare arbetade där som föreläsare (1854-1862), konstaterade att kulturvätskan täckt med mögel skulle ge någon bakteriell tillväxt. Burdon-Sandersons upptäckt fick Joseph Lister , en engelsk kirurg och modern antisepsis fader , 1871 att upptäcka att urinprov som är förorenade med mögel inte heller tillåter bakterietillväxt. Lister beskrev också den antibakteriella verkan på mänsklig vävnad hos en mögelart som han kallade Penicillium glaucum . En sjuksköterska på King's College Hospital vars sår inte svarade på något traditionellt antiseptiskt medel fick sedan ett annat ämne som botade honom, och Listers registrator informerade honom om att det hette Penicillium . År 1874 observerade den walisiska läkaren William Roberts , som senare myntade termen " enzym " att bakteriekontaminering generellt saknas i laboratoriekulturer av Penicillium glaucum . John Tyndall följde upp Burdon-Sandersons arbete och demonstrerade för Royal Society 1875 den antibakteriella verkan av Penicillium- svampen.

År 1876 upptäckte den tyske biologen Robert Koch att Bacillus anthracis var den orsakande patogenen av mjältbrand , vilket blev den första demonstrationen att en specifik bakterie orsakade en specifik sjukdom och det första direkta beviset på bakterieteori om sjukdomar . År 1877 observerade franska biologer Louis Pasteur och Jules Francois Joubert att kulturer av mjältbrandsbaciller, när de förorenades med mögel, framgångsrikt kunde hämmas. De rapporterade i Comptes Rendus de l'Académie des Sciences och drog slutsatsen:

Neutral eller lätt alkalisk urin är ett utmärkt medium för bakterierna ... Men om urinen ympas med dessa bakterier sås en aerob organism, till exempel en av de "vanliga bakterierna" samtidigt, så gör mjältbrandbakterien liten eller ingen tillväxt och förr eller senare dör helt ut. Det är en anmärkningsvärd sak att samma fenomen ses i kroppen även av de djur som är mest mottagliga för mjältbrand, vilket leder till det häpnadsväckande resultatet att mjältbrandbakterier kan införas i överflöd till ett djur, som ännu inte utvecklar sjukdomen; det är bara nödvändigt att tillsätta några "vanliga" bakterier samtidigt till vätskan som innehåller suspensionen av mjältbrandbakterier. Dessa fakta rättfärdigar kanske de högsta förhoppningarna för terapi.

Fenomenet beskrevs av Pasteur och Koch som antibakteriell aktivitet och namngavs som "antibios" av franska biolog Jean Paul Vuillemin 1877. (Termen antibios, som betyder "mot livet", antogs som " antibiotikum " av amerikansk biolog och senare Nobel pristagaren Selman Waksman 1947.) Det har också hävdats att Pasteur identifierade stammen som Penicillium notatum . Men Paul de Kruif 's 1926 Microbe Hunters beskriver denna händelse som förorening av andra bakterier i stället för av mögel. År 1887 utvecklade den schweiziska läkaren Carl Alois Philipp Garré en testmetod med hjälp av glasplatta för att se bakteriehämning och fann liknande resultat. Med sin gelatinbaserade odlingsplatta odlade han två olika bakterier och fann att deras tillväxt hämmades annorlunda, som han rapporterade:

Jag ympade på den orörda kylda [gelatin] plattan alternativa parallella slag av B. fluorescens [ Pseudomonas fluorescens ] och Staph. pyogenes [ Streptococcus pyogenes ] ... B. fluorescens växte snabbare ... [Det här] är inte en fråga om överväxt eller trängsel ur den ena av de andra snabbare växande arterna, som i en trädgård där frodigt växande ogräs dödar de känsliga växterna . Det beror inte heller på att de snabbare växande organismerna utnyttjar det tillgängliga livsmedlet, det finns snarare en antagonism som orsakas av utsöndring av specifika, lätt spridbara ämnen som hämmar tillväxten av vissa arter men är helt ineffektiva mot andra.

År 1895 publicerade Vincenzo Tiberio , en italiensk läkare vid universitetet i Neapel , forskning om mögel som ursprungligen hittades i en vattenbrunn i Arzano ; från sina observationer drog han slutsatsen att dessa mögel innehöll lösliga ämnen med antibakteriell verkan.

Två år senare upptäckte Ernest Duchesne vid École du Service de Santé Militaire i Lyon oberoende de helande egenskaperna hos en Penicillium glaucum -form, till och med botade infekterade marsvin av tyfus . Han publicerade en avhandling 1897 men den ignorerades av Institut Pasteur . Duchesne använde själv en upptäckt som tidigare gjorts av arabiska stallpojkar, som använde mögel för att bota sår på hästar. Han påstod inte att formen innehöll något antibakteriellt ämne, bara att formen på något sätt skyddade djuren. Penicillinet som isolerats av Fleming botar inte tyfus och därför är det okänt vilket ämne som kan ha varit ansvarigt för Duchesnes botemedel. En forskare från Institut Pasteur, Costa Rica Clodomiro Picado Twight , registrerade på liknande sätt antibiotikaeffekten av Penicillium 1923. I dessa tidiga stadier av penicillinforskning kallades de flesta arter av Penicillium icke-specifikt för Penicillium glaucum , så att det är omöjligt att veta den exakta arten och att det verkligen var penicillin som förhindrade bakterietillväxt.

Andre Gratia och Sara Dath vid Free University of Brussels , Belgien, studerade effekterna av mögelprover på bakterier. År 1924 fann de att döda Staphylococcus aureus -kulturer var förorenade av en mögel, en streptomycet . Vid ytterligare experiment visar de att mögelextraktet inte bara kan döda S. aureus , utan också Pseudomonas aeruginosa , Mycobacterium tuberculosis och Escherichia coli . Gratia kallade det antibakteriella medlet som "mykolysat" (dödande mögel). Nästa år hittade de ytterligare en dödande mögel som kan hämma mjältbrandbakterien ( B. anthracis ). Med rapporter i Comptes Rendus Des Séances de La Société de Biologie et de Ses Filiales identifierade de formen som Penicillium glaucum . Men dessa fynd fick liten uppmärksamhet eftersom det antibakteriella medlet och dess medicinska värde inte var helt förstått; dessutom förlorades Gratias prover.

Genombrottsfyndet

Bakgrund

Alexander Fleming i sitt laboratorium på St Mary's Hospital, London

Penicillin upptäcktes av en skotsk läkare Alexander Fleming 1928. Medan han arbetade på St Mary's Hospital, London , undersökte Fleming variationsmönstret hos S. aureus . Han inspirerades av upptäckten av en irländsk läkare Joseph Warwick Bigger och hans två studenter CR Boland och RAQ O'Meara vid Trinity College, Dublin , Irland, 1927 . Bigger och hans studenter fann att när de odlade en viss stam av S. aureus, som de betecknade "Y" som de isolerade ett år tidigare från ett puss axillär abscess från en individ, växte bakterien till en mängd olika stammar. De publicerade sin upptäckt som "Variant colonies of Staphylococcus aureus " i Journal of Pathology and Bacteriology , genom att avsluta:

Vi blev förvånade och ganska upprörda att på ett antal tallrikar hitta olika typer av kolonier som skilde sig helt från den typiska aureuskolonin . Några av dessa var ganska vita; vissa, antingen vita eller av den vanliga färgen, var grova på ytan och med skrynkliga marginaler.

Fleming och hans forskare Daniel Merlin Pryce fortsatte detta experiment men Pryce överfördes till ett annat laboratorium i början av 1928. Efter några månaders arbete ensam anslöt sig en ny forskare Stuart Craddock till Fleming. Deras experiment var framgångsrikt och Fleming planerade och gick med på att skriva en rapport i A System of Bacteriology som ska publiceras av Medical Research Council i slutet av 1928.

Första upptäckten

I augusti tillbringade Fleming en semester med sin familj på sitt hus på landet The Dhoon at Barton Mills , Suffolk. Innan han lämnade sitt laboratorium ympade han flera odlingsplattor med S. aureus. Han höll tallrikarna åt sidan i ett hörn av bordet borta från direkt solljus och för att ge plats för Craddock att arbeta i hans frånvaro. Under en semester utsågs han till professor i bakteriologi vid St Mary's Hospital Medical School den 1 september 1928. Han anlände till sitt laboratorium den 3 september, där Pryce väntade på att hälsa på honom. När han och Pryce undersökte odlingsplattorna fann de en med ett öppet lock och kulturen förorenad med en blågrön form. I den förorenade plattan växte bakterierna runt mögel inte, medan de längre bort växte normalt, vilket innebär att mögeln dödade bakterierna. Fleming kommenterade när han tittade på tallriken: "Det är roligt". Pryce anmärkte till Fleming: "Det var så du upptäckte lysozym ."

Experimentera

St Mary's Hospital som visar Flemings laboratorium och Praed Street

Fleming åkte för att återuppta sin semester och återvände för experimenten sent i september. Han samlade den ursprungliga formen och odlade dem i odlingsplattor. Efter fyra dagar fann han att plattorna utvecklade stora kolonier av formen. Han upprepade experimentet med samma bakteriedödande resultat. Senare berättade han om sin erfarenhet:

När jag vaknade strax efter gryningen den 28 september 1928 tänkte jag verkligen inte revolutionera all medicin genom att upptäcka världens första antibiotika eller bakteriedödande. Men jag antar att det var precis vad jag gjorde.

Han drog slutsatsen att formen släpper ut ett ämne som hämmar bakterietillväxt, och han producerade odlingsbuljong av formen och koncentrerade därefter den antibakteriella komponenten. Efter att ha testat mot olika bakterier fann han att formen bara kunde döda specifika bakterier. Till exempel dödades Staphylococcus , Streptococcus och difteria bacillus ( Corynebacterium diphtheriae ) lätt; men det fanns ingen effekt på tyfusbakterien ( Salmonella typhimurium ) och influensabacillus ( Haemophilus influenzae ). Han förberedde storodlingsmetod varifrån han kunde få stora mängder mögeljuice. Han kallade denna saft för "penicillin", eftersom han förklarade orsaken som "för att undvika upprepning av den ganska besvärliga frasen" Mögelbuljongfiltrat, "kommer namnet" penicillin "att användas." Han uppfann namnet den 7 mars 1929. Han gav senare (i sin Nobelföreläsning) en ytterligare förklaring och sade:

Jag har ofta fått frågan varför jag uppfann namnet "Penicillin". Jag följde helt enkelt perfekt ortodoxa linjer och myntade ett ord som förklarade att ämnet penicillin härstammade från en växt av släktet Penicillium för lika många år sedan uppfanns ordet " Digitalin " för ett ämne som härrör från växten Digitalis .

Fleming hade ingen utbildning i kemi så att han lämnade alla kemiska arbeten till Craddock - en gång påpekade han: "Jag är en bakteriolog, inte en kemist." I januari 1929 rekryterade han Frederick Ridley, hans tidigare forskare som hade studerat biokemi, specifikt för att studera de kemiska egenskaperna hos formen. Men de kunde inte isolera penicillin och innan experimenten var över lämnade Craddock och Ridley båda Fleming för andra jobb. Det var på grund av deras misslyckande med att isolera föreningen att Fleming praktiskt taget övergav ytterligare forskning om de kemiska aspekterna av penicillin, även om han gjorde biologiska tester fram till 1939.

Identifiering av formen

Penicillium rubens (typprov)

Efter strukturell jämförelse med olika arter av Penicillium trodde Fleming inledningsvis att hans exemplar var Penicillium chrysogenum , en art som beskrevs av en amerikansk mikrobiolog Charles Thom 1910. Han hade turen att Charles John Patrick La Touche, en irländsk botaniker, nyligen hade anslutit sig som en mykolog vid St Mary's för att undersöka svampar som orsak till astma. La Touche identifierade exemplaret som Penicillium rubrum, den identifiering som Fleming använde i sin publikation.

År 1931 undersökte Thom olika Penicillium, inklusive Flemings exemplar. Han kom till en förvirrande slutsats och sade: "Ad. 35 [Flemings exemplar] är P. notatum WESTLING. Detta är medlem i serien P. chrysogenum med mindre konidier än P. chrysogenum själv." P. notatum beskrevs av den svenska kemisten Richard Westling 1811. Från och med nu kallades Flemings mögel synonymt för P. notatum och P. chrysogenum. Men Thom antog och populariserade användningen av P. chrysogenum. Förutom P. notatum erkändes nyupptäckta arter som P. meleagrinum och P. cyaneofulvum som medlemmar av P. chrysogenum 1977 . För att lösa förvirringen antog den sjuttonde internationella botaniska kongressen i Wien, Österrike, 2005 formellt namnet P. chrysogenum som det bevarade namnet ( nomen conservandum ). Hela genomsekvensen och fylogenetisk analys 2011 visade att Flemings mögel tillhör P. rubens , en art som beskrevs av den belgiska mikrobiologen Philibert Biourge 1923, och även att P. chrysogenum är en annan art.

Källan till svampföroreningarna i Flemings experiment förblev en spekulation i flera decennier. Fleming själv föreslog 1945 att svampsporerna kom genom fönstret mot Praed Street . Denna berättelse betraktades som ett faktum och populariserades i litteratur, med början från George Lackens bok från 1945 The Story of Penicillin . Men det bestreds senare av hans medarbetare, inklusive Pryce, som vittnade mycket senare att Flemings laboratoriefönster hölls stängt hela tiden. Ronald Hare kom också överens 1970 om att fönstret oftast var låst eftersom det var svårt att nå på grund av ett stort bord med apparater placerade framför det. År 1966 berättade La Touche för Hare att han hade gett Fleming 13 exemplar av svampar (10 från hans laboratorium) och bara ett från hans laboratorium visade penicillinliknande antibakteriell aktivitet. Det var från denna punkt enighet gjordes om att Flemings mögel kom från La Touches laboratorium, som var ett golv nedanför i byggnaden, och sporerna drev i luften genom de öppna dörrarna.

Mottagning och publicering

Flemings upptäckt betraktades först inte som en viktig upptäckt. Även när han visade sina kulturplattor för sina kollegor var allt han fick ett likgiltigt svar. Han beskrev upptäckten den 13 februari 1929 inför Medical Research Club . Hans presentation med titeln "A medium for the isolation of Pfeiffer's bacillus " fick ingen särskild uppmärksamhet.

År 1929 rapporterade Fleming sina fynd till British Journal of Experimental Pathology den 10 maj 1929 och publicerades i nästa månadsnummer. Det lyckades inte väcka någon allvarlig uppmärksamhet. Fleming själv var ganska osäker på den medicinska ansökan och var mer bekymrad över ansökan om bakteriell isolering, som han drog slutsatsen:

Förutom dess möjliga användning vid behandling av bakteriella infektioner är penicillin verkligen användbart för bakteriologen för dess förmåga att hämma oönskade mikrober i bakteriekulturer så att penicillinokänsliga bakterier lätt kan isoleras. En anmärkningsvärd exempel på detta är den mycket enkla isoleringen av Pfeiffers bacillus av influensa när penicillin används ... Det föreslås att det kan vara ett effektivt antiseptiskt medel för applicering eller injektion i områden infekterade med penicillinkänsliga mikrober.

GE Breen, en kamrat i Chelsea Arts Club , frågade en gång Fleming: "Jag ville bara att du skulle berätta för mig om du tror att det någonsin kommer att vara möjligt att använda sakerna [penicillin]. Kan jag till exempel använda det ? " Fleming tittade tomt en stund och svarade sedan: "Jag vet inte. Det är för instabilt. Det måste renas, och jag kan inte göra det själv." Redan så sent som 1941 rapporterade British Medical Journal att "de viktigaste fakta som framgår av en mycket omfattande studie [av penicillin] där ett stort team arbetare är engagerade ... verkar inte ha ansetts vara möjligen användbara från någon annan synpunkt. "

Isolering

År 1939 gick Ernst Boris Chain , en tysk (senare naturaliserad brittisk) kemist, till Sir William Dunn School of Pathology vid University of Oxford för att undersöka antibiotika. Han blev omedelbart imponerad av Flemings 1929 -papper och informerade sin handledare, den australiensiska forskaren Howard Florey (senare Baron Florey), om det potentiella läkemedlet. Då hade Florey förvärvat ett forskningsbidrag på $ 25 000 från Rockefeller Foundation för att studera antibiotika. Han samlade ett forskargrupp som inkluderar Edward Abraham , Arthur Duncan Gardner , Norman Heatley , Margaret Jennings , J. Orr-Ewing och G. Sanders förutom Chain.

Oxford -teamet framställde ett koncentrerat extrakt av P. rubens som "ett brunt pulver" som "har erhållits som är fritt lösligt i vatten". De fann att pulvret inte bara var effektivt in vitro mot bakteriekulturer utan också och in vivo mot bakteriell infektion hos möss. Den 5 maj 1939 injicerade de en grupp med åtta möss med en virulent stam av S. aureus och injicerade sedan fyra av dem med penicillinlösningen. Efter en dag dog alla obehandlade möss medan de penicillinbehandlade mössen överlevde. Chain anmärkte det som "ett mirakel". De publicerade sina fynd i The Lancet 1940.

Teamet rapporterade detaljer om isoleringsmetoden 1941 med ett schema för storskalig extraktion. De fann också att penicillin var vanligast som gult koncentrat från mögelextraktet. Men de kunde bara producera små mängder. I början av 1942 kunde de framställa högrenad förening och arbetade med den kemiska formeln som C 24 H 32 O 10 N 2 Ba. I mitten av 1942 rapporterade Chain, Abraham och ER Holiday produktionen av den rena föreningen.

Första medicinska användningen

Fleming utförde den första kliniska prövningen med penicillin på Craddock. Craddock hade utvecklat allvarlig infektion i näsbenet ( bihåleinflammation ) och hade opererats. Fleming använde den kirurgiska öppningen av näspassagen och började injicera penicillin den 9 januari 1929 men utan någon effekt. Det berodde troligen på att infektionen var med influensabacillus ( Haemophilus influenzae ), den bakterie som han hade funnit omöjlig för penicillin. Fleming gav några av sina ursprungliga penicillinprover till sin kollega-kirurg Arthur Dickson Wright för kliniskt test 1928. Även om Wright enligt uppgift sa att det "verkade fungera tillfredsställande", finns det inga uppgifter om dess specifika användning.

Cecil George Paine, en patolog vid Royal Infirmary i Sheffield , var den första som framgångsrikt använde penicillin för medicinsk behandling. Han var en tidigare elev i Fleming och när han fick veta om upptäckten frågade han penicillinprovet från Fleming. Han försökte initialt att behandla sycosis (utbrott i skäggsäckar) med penicillin men misslyckades, troligen för att läkemedlet inte trängde tillräckligt djupt. När han gick vidare till ophthalmia neonatorum , en gonokockinfektion hos spädbarn, uppnådde han det första botemedlet den 25 november 1930, fyra patienter (en vuxen, de andra spädbarnen) med ögoninfektioner.

Floreys team vid Oxford visade att Penicillium -extrakt dödade olika bakterier ( Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus och Clostridium septique ) i odling och effektivt botade Streptococcus -infektion hos möss. De rapporterade i The Lancet den 24 augusti 1940 som "Penicillin som ett kemoterapeutiskt medel" med en slutsats:

Resultaten är tydliga och visar att penicillin är aktivt in vivo mot minst tre av de organismer som inhiberas in vitro. Det verkar vara en rimlig förhoppning att alla organismer i hög utspädning in vitro kommer att behandlas in vivo. Penicillin verkar inte vara relaterat till någon kemoterapeutisk substans som för närvarande används och är särskilt anmärkningsvärd för sin aktivitet mot de anaeroba organismer som är associerade med gasgangren .

År 1941 behandlade Oxford -teamet en polis, Albert Alexander , med en allvarlig ansiktsinfektion; hans tillstånd förbättrades, men sedan tog penicillinmängden slut och han dog. Därefter behandlades flera andra patienter framgångsrikt. I december 1942 var överlevande från Cocoanut Grove -branden i Boston de första brännskadepatienterna som framgångsrikt behandlades med penicillin.

Det viktigaste kliniska testet var i augusti 1942 när Fleming botade Harry Lambert från en annars dödlig infektion i nervsystemet (streptokock meningit ). Lambert var arbetskamrat till Robert, Flemings bror, som hade bett Fleming om medicinsk behandling. Fleming bad Florey om det renade penicillinprovet, som Fleming omedelbart använde för att injicera i Lamberts ryggradskanal. Lambert visade tecken på förbättring redan nästa dag och återhämtade sig helt inom en vecka. Fleming rapporterade sin kliniska prövning i The Lancet 1943. Det var på grundval av detta medicinska bevis som British War Cabinet inrättade Penicillinkommittén den 5 april 1943. Kommittén bestod av Cecil Weir , generaldirektör för utrustning, som ordförande, Fleming, Florey , Sir Percival Hartley , Allison och representanter från läkemedelsföretag som medlemmar. Detta ledde till massproduktion av penicillin nästa år.

Massproduktion

Vetskapen om att storskalig produktion för medicinskt bruk var meningslös i ett begränsat laboratorium, försökte Oxford-teamet övertyga krigshärjade brittiska regeringar och privata företag för massproduktion men förgäves. Florey och Heatley reste till USA i juni 1941 för att övertyga USA: s regering och läkemedelsföretag där. Eftersom de visste att det lätt skulle gå att förvara mögelprovet i injektionsflaskor, smetade de istället sina kappfickor med formen. De anlände till Washington DC i början av juli för att diskutera med Ross Granville Harrison , ordförande för National Research Council (NRC), och Charles Thom och Percy Wells från United States Department of Agriculture . De instruerades att närma sig USDA Northern Regional Research Laboratory (NRRL, nu National Center for Agricultural Utilization Research ) där storskaliga jäsningar gjordes. De nådde Peoria, Illinois , den 14 juli för att träffa Andrew Jackson Moyer och Robert D. Coghill på NRRL. Amerikanerna arbetade snabbt på formen och kunde skapa kultur i slutet av juli. Men de insåg att Flemings mögel inte var tillräckligt effektiv för att producera stora mängder penicillin.

NRRL -mykologen Kenneth Bryan Raper fick hjälp av US Army Transport Command för att söka efter liknande mögel i olika delar av världen och de bästa formarna befanns vara från Chungkin (Kina), Bombay (Mumbai, Indien) och Kapstaden (söder Afrika). Men det enskilt bästa provet var från cantaloupe (en typ av melon) som såldes på Peoria fruktmarknad 1943. Formen identifierades som P. chrysogenum och betecknades som NRRL 1951 eller cantaloupe-stam. Det finns en populär historia om att Mary K. Hunt (eller Mary Hunt Stevens), en anställd på Raper, samlade formen; för vilken hon blivit populär som "Moldy Mary". Men Raper uppmärksammade denna historia som en "folklore" och att frukten levererades till labbet av en kvinna från Peoria fruktmarknaden.

Mellan 1941 och 1943 utvecklade Moyer, Coghill och Kenneth Raper metoder för industrialiserad penicillinproduktion och isolerade högre avkastande stammar av Penicillium- svampen. Samtidig forskning av Jasper H. Kane och andra forskare från Pfizer i Brooklyn utvecklade den praktiska fermenteringsmetoden med djup tank för produktion av stora mängder penicillin av farmaceutisk kvalitet.

Penicillinannons för tjänstemän från andra världskriget, c . 1944

När produktionen började, hade enliterbehållare ett utbyte på mindre än 1%, men förbättrades till ett utbyte på 80–90% i 10 000 gallonbehållare. Denna effektivitetsökning ökade mellan 1939 och 1945 som ett resultat av kontinuerlig processinnovation. Orvill May, chef för Agricultural Research Service , fick Robert Coghill, som var chef för jäsningsenheten, att använda sin erfarenhet av jäsning för att öka effektiviteten vid utvinning av penicillin ur formen. Strax efter början ersatte Moyer sackaros med laktos i tillväxtmediet, vilket resulterade i ett ökat utbyte. En ännu större ökning inträffade när Moyer tillsatte majsbrantlut .

En viktig fråga med processen som forskare stod inför var ineffektiviteten att odla mögel på ytan av sina näringsbad, snarare än att ha den nedsänkt. Även om en nedsänkt process för att odla formen skulle bli mer effektiv, var den använda stammen inte lämplig för de förhållanden den skulle kräva. Detta ledde till att NRRL sökte efter en stam som redan hade anpassats för att fungera, och en hittades i en möglig cantaloupe som köpts från en Peoria bondemarknad . För att förbättra den stammen utsatte forskare den för röntgenstrålar för att underlätta mutationer i dess genom och lyckades öka produktionskapaciteten ännu mer.

Nu när forskare hade en mögel som växte väl under vatten och producerade en acceptabel mängd penicillin, var nästa utmaning att ge den nödvändiga luften till formen för att den skulle kunna växa. Detta löstes med hjälp av en luftare, men luftning orsakade allvarlig skumning till följd av majsstigen. Skumningsproblemet löstes genom införandet av ett antiskummande medel som kallas glycerylmonoricinoleat.

Kemisk analys

Den kemiska strukturen för penicillin föreslogs först av Edward Abraham 1942. Dorothy Hodgkin bestämde den korrekta kemiska strukturen för penicillin med hjälp av röntgenkristallografi i Oxford 1945. År 1945 publicerade US Committee on Medical Research och British Medical Research Council gemensamt i vetenskap en kemisk analys gjord vid olika universitet, läkemedelsföretag och statliga forskningsavdelningar. Rapporten meddelade förekomsten av olika former av penicillinföreningar som alla delade samma strukturella komponent som kallas β-laktam . Penicillinerna fick olika namn, till exempel att använda romerska siffror i Storbritannien (som penicillin I, II, III) för att deras upptäckter och bokstäver (som F, G, K och X) ska hänvisa till deras ursprung eller källor, enligt nedan :

Storbritanniens nomenklatur USA: s nomenklatur Kemiskt namn
Penicillin I Penicillin F 2-Pentenylpenicillin
Penicillin II Penicillin G Bensylpenicillin
Penicillin III Penicillin X p -hydroxibensylpenicillin
Penicillin IV Penicillin K n -Heptylpenicillin

De kemiska namnen baserades på föreningarnas sidokedjor . För att undvika de kontroversiella namnen introducerade Chain 1948 de kemiska namnen som standardnomenklatur, med anmärkning som: "För att göra nomenklaturen så långt som otvetydig beslutades att ersätta systemet med siffror eller bokstäver med prefix som anger sidans kemiska natur kedja R. "

I Kundl , Tyrol , Österrike , i 1952, Hans Margreiter och Ernst Brandl av Biochemie (nu Sandoz ) utvecklade den första syrastabila penicillin för oral administrering, penicillin V . Amerikanska kemisten John C. Sheehan vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) slutförde den första kemiska syntesen av penicillin 1957. Sheehan hade börjat sina studier om penicillinsyntes 1948 och under dessa undersökningar utvecklat nya metoder för syntes av peptider , som liksom nya skyddsgrupper - grupper som döljer reaktiviteten hos vissa funktionella grupper. Även om den initiala syntesen som utvecklats av Sheehan inte var lämplig för massproduktion av penicilliner, var en av mellanföreningarna i Sheehans syntes 6-aminopenicillansyra (6-APA), kärnan i penicillin.

En viktig utveckling var upptäckten av 6-APA själv. År 1957 isolerade forskare vid Beecham Research Laboratories (nu Beechem Group) i Surrey 6-APA från kulturmedierna från P. chrysogenum . 6-APA visade sig utgöra kärnkärnan i penicillin (i själva verket alla β-laktamantibiotika) och modifierades lätt kemiskt genom att fästa sidokedjor genom kemiska reaktioner. Upptäckten publicerades Nature 1959). Detta banade väg för nya och förbättrade läkemedel eftersom alla halvsyntetiska penicilliner framställs genom kemisk manipulation av 6-APA.

Andra generationens halvsyntetiska β-laktam antibiotikum meticillin , som är avsett att motverka första generationens resistenta penicillinaser, introducerades i Storbritannien 1959. Meticillinresistenta former av Staphylococcus aureus fanns troligen redan då.

Resultat

Fleming, Florey och Chain delade 1945 års Nobelpris i fysiologi eller medicin "för upptäckten av penicillin och dess läkande effekt vid olika infektionssjukdomar."

Metoder för produktion och isolering av penicillin patenterades av Andrew Jackson Moyer i USA 1945. Chain hade velat lämna patent, Florey och hans lagkamrater motsatte sig det och hävdade att det borde vara en fördel för alla. Sir Henry Dale meddelade specifikt att det skulle vara oetiskt att göra det. När Fleming fick veta om de amerikanska patenten på penicillintillverkning blev han upprörd och kommenterade:

Jag hittade penicillin och har gett det gratis till gagn för mänskligheten. Varför ska det bli ett vinstgivande monopol på tillverkare i ett annat land?

Dorothy Hodgkin fick Nobelpriset i kemi 1964 "för sina bestämningar med röntgentekniker av strukturerna för viktiga biokemiska ämnen."

Utveckling av penicillinderivat

Det snäva utbudet av behandlingsbara sjukdomar eller "aktivitetsspektrum" för penicillinerna, tillsammans med den dåliga aktiviteten hos det oralt aktiva fenoximetylpenicillinet, ledde till sökandet efter derivat av penicillin som skulle kunna behandla ett större antal infektioner. Isoleringen av 6-APA, kärnan i penicillin, möjliggjorde framställning av semisyntetiska penicilliner, med olika förbättringar jämfört med bensylpenicillin (biotillgänglighet, spektrum, stabilitet, tolerans). Den första stora utvecklingen var ampicillin 1961. Den producerades av Beecham Research Laboratories i London. Det var mer fördelaktigt än det ursprungliga penicillinet eftersom det erbjöd ett bredare spektrum av aktivitet mot grampositiva och gramnegativa bakterier. Vidare utveckling gav β-laktamasresistenta penicilliner , inklusive flukloxacillin , dikloxacillin och meticillin . Dessa var signifikanta för deras aktivitet mot ß-laktamasproducerande bakteriearter, men var ineffektiva mot de meticillinresistenta Staphylococcus aureus (MRSA) -stammarna som därefter framkom.

En annan utveckling av serien penicilliner var de antipseudomonala penicillinerna, såsom karbenicillin , ticarcillin och piperacillin , användbara för deras aktivitet mot gramnegativa bakterier. Användbarheten av ß-laktamringen var emellertid sådan att relaterade antibiotika, inklusive mecillinamer , karbapenem och, viktigast av allt, cefalosporinerna , fortfarande behåller den i mitten av deras strukturer.

Penicillinerelaterade β-laktamer har blivit det mest använda antibiotikumet i världen. Amoxicillin, ett semisyntetiskt penicillin som utvecklades av Beecham Research Laboratories 1970, är ​​det vanligaste av alla.

Läkemedelsresistens

Fleming varnade för penicillinresistens vid kliniska tillstånd i sin Nobelföreläsning och sa:

Den tiden kan komma när penicillin kan köpas av alla i butikerna. Då finns risken att den okunnige mannen lätt kan underdosera sig själv och genom att utsätta sina mikrober för icke-dödliga mängder av läkemedlet gör dem resistenta.

År 1940 rapporterade Ernst Chain och Edward Abraham den första indikationen på antibiotikaresistens mot penicillin, en E. coli -stam som producerade penicillinasenzymet , som kunde bryta ner penicillin och helt negera dess antibakteriella effekt. Chain och Abraham tog fram penicillinas kemiska natur som de rapporterade i Nature som:

Slutsatsen att den aktiva substansen är ett enzym dras från det faktum att den förstörs genom uppvärmning vid 90 ° i 5 minuter och genom inkubation med papain aktiverat med kaliumcyanid vid pH 6, och att det är icke-dialyserbart genom ' Cellofan ' membran.

År 1942 hade stammar av Staphylococcus aureus dokumenterats ha utvecklat ett starkt motstånd mot penicillin. De flesta stammarna var resistenta mot penicillin på 1960 -talet. År 1967 rapporterades också att Streptococcus pneumoniae var penicillinresistent. Många bakteriestammar har så småningom utvecklat ett motstånd mot penicillin.

Anteckningar

Referenser

Vidare läsning

externa länkar