Открытие пенициллина

Образец плесени пенициллина, подаренный Александром Флемингом Дугласу Маклеоду в 1935 году.

Открытие пенициллина стало одним из важнейших научных открытий в истории медицины. Древние общества использовали плесень для лечения инфекций, и в последующие столетия многие люди наблюдали подавление роста бактерий плесенью. Работая в больнице Святой Марии в Лондоне в 1928 году, шотландский врач Александр Флеминг первым экспериментально продемонстрировал, что плесень Penicillium выделяет антибактериальное вещество, которое он назвал «пенициллином». Было обнаружено, что плесень представляет собой вариант Penicillium notatum (теперь называемый Penicillium Rubens ), загрязнителя бактериальной культуры в его лаборатории. Работа над пенициллином в Сент-Мэри закончилась в 1929 году.

В 1939 году группа ученых из Школы патологии сэра Уильяма Данна при Оксфордском университете под руководством Говарда Флори , в которую входили Эдвард Абрахам , Эрнст Чейн , Норман Хитли и Маргарет Дженнингс , начала исследование пенициллина. Они разработали метод выращивания плесени, а также извлечения, очистки и хранения из нее пенициллина. Они создали анализ для измерения его чистоты. Они провели эксперименты на животных, чтобы определить безопасность и эффективность пенициллина, прежде чем проводить клинические испытания и полевые испытания. Они вывели его химическую формулу и определили, как оно работает. Частный сектор и Министерство сельского хозяйства США обнаружили и произвели новые штаммы и разработали методы массового производства. Пенициллин стал важной частью военных действий союзников во Второй мировой войне , спасая жизни тысяч солдат. Флеминг, Флори и Чейн получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1945 года за его открытие и развитие.

Фон

Многие древние культуры, в том числе в Австралии, Китае, Египте, Греции и Индии, независимо друг от друга открыли полезные свойства грибов и растений при лечении инфекций . Эти методы лечения часто срабатывали, поскольку многие организмы, в том числе многие виды плесени, естественным образом производят антибиотики . Однако древние практики не могли точно идентифицировать или выделить активные компоненты этих организмов.

Александр Флеминг в своей лаборатории в больнице Святой Марии в Лондоне.

Работая в больнице Святой Марии в Лондоне , в 1928 году шотландский врач Александр Флеминг исследовал закономерности вариаций S. aureus . Его вдохновило открытие ирландского врача Джозефа Уорвика Биггера и двух его студентов, Ч.Р. Боланда и Р.К. О'Мира, в Тринити-колледже в Дублине в 1927 году . Биггер и его ученики обнаружили, что когда они культивировали определенный штамм S. aureus, который они обозначили «Y» и выделили годом ранее из гноя пациента подмышечного абсцесса , бактерия разрослась в различные штаммы. Они опубликовали свое открытие как «Варианты колоний золотистого стафилококка » в «Журнале патологии и бактериологии» , заключив:

Мы были удивлены и весьма встревожены, обнаружив на ряде чашек различные типы колоний, которые полностью отличались от типичных колоний aureus . Некоторые из них были совершенно белыми; некоторые, белые или обычного цвета, были шероховатыми на поверхности и с зубчатыми краями.

Флеминг и его научный сотрудник Дэниел Мерлин Прайс продолжили этот эксперимент, но в начале 1928 года Прайс был переведен в другую лабораторию. После нескольких месяцев работы в одиночку к Флемингу присоединился новый ученый, Стюарт Крэддок. Их эксперимент оказался успешным, и Флеминг планировал и согласился написать отчет в «Системе бактериологии» , который будет опубликован Советом медицинских исследований (MRC) к концу 1928 года. В августе Флеминг провел летние каникулы со своей семьей в своем загородном доме The Dhoon в Бартон-Миллс , Саффолк. Прежде чем покинуть лабораторию, он инокулировал несколько культуральных чашек S. aureus. Он держал тарелки в углу стола, подальше от прямых солнечных лучей, чтобы освободить место для работы Крэддока в его отсутствие. Находясь в отпуске, 1 сентября 1928 года он был назначен профессором бактериологии в Медицинской школе больницы Святой Марии. 3   сентября он прибыл в свою лабораторию, где его ждал Прайс. Когда он и Прайс исследовали чашки с культурой, они обнаружили одну с открытой крышкой и культурой, зараженной сине-зеленой плесенью. В зараженной тарелке бактерии вокруг плесени не росли, тогда как те, что дальше, росли нормально, а это означает, что плесень убивала бактерии. Флеминг прокомментировал, глядя на пластинку: «Это смешно». Прайс заметил Флемингу: «Вот как вы открыли лизоцим ». Флеминг сфотографировал культуру и взял образец плесени для идентификации, прежде чем сохранить культуру формальдегидом .

Больница Святой Марии с изображением лаборатории Флеминга и Прайд-стрит.

Флеминг возобновил отпуск и вернулся в сентябре. Согласно его записям от 30 октября, он собрал исходную плесень и вырастил ее в культуральных чашках. Через четыре дня он обнаружил, что на пластинах образовались большие колонии плесени. Он повторил эксперимент с теми же результатами по уничтожению бактерий. Позже он рассказал о своем опыте:

Когда я проснулся сразу после рассвета 28 сентября 1928 года, я, конечно, не планировал совершить революцию во всей медицине, открыв первый в мире антибиотик или убийцу бактерий. Но я полагаю, что именно это я и сделал.

Он пришел к выводу, что плесень выделяет вещество, подавляющее рост бактерий, и приготовил культуральный бульон плесени, а затем сконцентрировал антибактериальный компонент. Проведя тестирование на различные бактерии, он обнаружил, что плесень может убивать только определенные грамположительные бактерии. Например, стафилококк , стрептококк и дифтерийная палочка ( Corynebacterium diphtheriae ) легко уничтожались; но не было никакого эффекта на брюшнотифозную бактерию ( Salmonella typhimurium ) и бактерию, которая когда-то считалась вызывающей грипп ( Hamophilus influenzae ). Он разработал метод выращивания больших культур, с помощью которого он мог получить большое количество сока плесени. Он назвал этот сок «пенициллином», объяснив причину тем, что «чтобы избежать повторения довольно громоздкой фразы «Отлить фильтрат бульона». Он придумал это имя 7 марта 1929 года. В своей Нобелевской лекции он дал дальнейшее объяснение, сказав:

Меня часто спрашивали, почему я придумал название «Пенициллин». Я просто следовал совершенно ортодоксальным линиям и придумал слово, которое объясняло, что вещество пенициллин было получено из растения рода Penicillium, точно так же, как много лет назад слово « Дигиталин » было изобретено для вещества, полученного из растения Наперстянка .

Для того эффекта на культуры стафилококков, который наблюдал Флеминг, плесень должна была вырасти до того, как начали расти бактерии, поскольку пенициллин эффективен против бактерий только тогда, когда они размножаются. По счастливой случайности, температура в лаборатории в августе была оптимальной сначала для роста плесени, ниже 20 °C (68 °F), а позже в этом же месяце для бактерий, когда она достигла 25 °C (77 °F). . Если бы Флеминг не оставил культуры на своем лабораторном столе и не поместил их в инкубатор, этого явления не произошло бы.

Флеминг не имел химического образования; он поручил всю химическую работу Крэддоку, однажды заметив: «Я бактериолог, а не химик». В январе 1929 года он нанял Фредерика Ридли, своего бывшего научного сотрудника, изучавшего биохимию, специально для изучения химических свойств плесени. Но они не смогли выделить пенициллин, и прежде чем эксперименты были закончены, Крэддок и Ридли покинули Флеминга и перешли на другую работу. Именно из-за того, что ему не удалось выделить это соединение, Флеминг практически отказался от дальнейших исследований химических аспектов пенициллина.

Идентификация плесени

После структурного сравнения с различными видами Penicillium Флеминг первоначально полагал, что его образец — это Penicillium chrysogenum , вид, описанный американским микробиологом Чарльзом Томом в 1910 году. Ему повезло, что Чарльз Джон Патрик Ла Туш, ирландский ботаник, совсем недавно присоединился к St. Мэри работает микологом, чтобы исследовать грибы как причину астмы. Ла Туш идентифицировал этот образец как Penicillium rubrum - идентификацию, использованную Флемингом в своей публикации.

В 1931 году Том повторно исследовал различные Penicillium , включая образец Флеминга. Он пришел к сбивающему с толку выводу, заявив: «Ad. 35 [образец Флеминга] — это P. notatum WESTLING. Это представитель серии P. chrysogenum с меньшими конидиями , чем сам P. chrysogenum ». С тех пор плесень Флеминга стала называться синонимами P. notatum и P. chrysogenum. Но Том принял и популяризировал использование P. chrysogenum . Помимо P. notatum были признаны недавно открытые виды, такие как P. meleagrinum и P. cyaneofulvum членами P. chrysogenum , в 1977 году . Чтобы разрешить путаницу, Семнадцатый Международный ботанический конгресс, состоявшийся в Вене, Австрия, в 2005 году, официально принял название P. chrysogenum в качестве консервативного названия ( nomen conservandum ). Полногеномная последовательность и филогенетический анализ в 2011 году показали, что плесень Флеминга принадлежит к P. Rubens , виду, описанному бельгийским микробиологом Филибертом Биоургом в 1923 году.

Флеминг за работой в своей лаборатории в больнице Святой Марии в Лондоне во время Второй мировой войны.

Источник грибкового заражения в эксперименте Флеминга оставался предположением в течение нескольких десятилетий. В 1945 году Флеминг предположил, что споры грибка проникли через окно, выходящее на Прейд-стрит . Эта история была расценена как факт и была популяризирована в литературе. начиная с книги Джорджа Лакена « История пенициллина» 1945 года . Но позже это было оспорено его коллегами, включая Прайса, который гораздо позже показал, что окно лаборатории Флеминга все время было закрыто. Рональд Хэйр также согласился в 1970 году с тем, что окно чаще всего запирали, потому что до него было трудно добраться из-за большого стола с расположенными перед ним аппаратами. В 1966 году Ла Туш рассказал Хэру, что он дал Флемингу тринадцать образцов грибов (десять из его лаборатории), и только один из его лаборатории проявлял пенициллиноподобную антибактериальную активность. После этого сложился консенсус, что плесень Флеминга пришла из лаборатории Ла Туша, этажом ниже лаборатории Флеминга, в виде спор, проникших внутрь через открытые двери.

У Крэддока развилась тяжелая инфекция антрального отдела носа ( синусит ), и он перенес операцию. Флеминг воспользовался хирургическим отверстием носового прохода и начал вводить пенициллин 9 января 1929 года, но без всякого эффекта, вероятно, потому, что заражение произошло H. influenzae , бактерией, нечувствительной к пенициллину. Флеминг передал некоторые из своих оригинальных образцов пенициллина своему коллеге, хирургу Артуру Диксону Райту для клинических испытаний в 1928 году. Хотя Райт, как сообщается, сказал, что он «похоже, работал удовлетворительно», записей о его использовании нет. В 1930 и 1931 годах Сесил Джордж Пейн, патолог Королевского лазарета в Шеффилде , первым успешно применил пенициллин для лечения. Он пытался лечить сикоз (высыпания на бородных фолликулах) пенициллином, но безуспешно, вероятно, потому, что препарат не проникал достаточно глубоко в кожу. Он вылечил троих младенцев с офтальмией новорожденных , глазной инфекцией, а также местного шахтера, у которого глаз заразился после несчастного случая, но не опубликовал свою работу.

Прием и публикация

Открытие Флеминга изначально считалось неважным. Даже когда он показал свои пластинки с культурами коллегам, он получил только безразличный ответ. Он описал свое открытие 13 февраля 1929 года перед Клубом медицинских исследований . Его доклад под названием «Среда для выделения палочки Пфайфера » не получил особого внимания.

В 1929 году Флеминг сообщил о своих открытиях в Британском журнале экспериментальной патологии 10 мая 1929 года и опубликовал их в выпуске следующего месяца. Его статья не привлекла серьезного внимания. Сам Флеминг был совершенно не уверен в медицинском применении своей работы и больше интересовался ее применением для выделения бактерий, как он пришел к выводу:

Помимо возможного использования при лечении бактериальных инфекций, пенициллин, безусловно, полезен для бактериологов благодаря своей способности ингибировать нежелательные микробы в бактериальных культурах, что позволяет легко изолировать нечувствительные к пенициллину бактерии. Ярким примером этого является очень легкая изоляция бациллы гриппа Пфайффера при использовании пенициллина ... Предполагается, что он может быть эффективным антисептиком для нанесения или инъекций в участки, инфицированные чувствительными к пенициллину микробами.

Дж. Э. Брин, член Клуба искусств Челси , однажды спросил Флеминга, считает ли он когда-нибудь возможным практическое использование пенициллина. Флеминг какое-то время бессмысленно смотрел, а затем ответил: «Я не знаю. Он слишком нестабилен. Его придется очистить, а я не могу сделать это сам». В 1941 году Британский медицинский журнал сообщил, что

Первоначальная колония этой плесени, которая оказалась Penicillium notatum , ингибировала рост стафилококков поблизости, а ее жидкие культуры содержали вещество, известное с тех пор как «пенициллин», которое сильно ингибировало рост различных стафилококков, главным образом грамположительных. -положительные бактерии. Его стали использовать в больнице Святой Марии и других местах в качестве ингредиента в селективных питательных средах, и, похоже, он не считался полезным с какой-либо другой точки зрения.

Хотя Ридли и Крэддок продемонстрировали, что пенициллин растворим в эфире , ацетоне и спирте, а также в воде – информация, которая имела решающее значение для его выделения – Флеминг ошибочно утверждал, что он растворим в спирте и нерастворим в эфире и хлороформе , что не было доказано. был протестирован. Фактически пенициллин растворим в этаноле , эфире и хлороформе.

Репликация

В 1944 году Маргарет Дженнингс определила, как действует пенициллин, и показала, что он не оказывает литического действия на зрелые организмы, в том числе на стафилококки; лизис происходит только в том случае, если пенициллин действует на бактерии на начальных стадиях деления и роста, когда он вмешивается в метаболический процесс, формирующий клеточную стенку . Это поставило под сомнение объяснение Флеминга, поскольку плесень должна была появиться там раньше стафилококков. В течение следующих двадцати лет все попытки повторить результаты Флеминга потерпели неудачу. В 1964 году Рональд Хэйр принял вызов. Как и те, кто был до него, он обнаружил, что не может заставить плесень правильно расти на чашке, содержащей колонии стафилококков. Он еще раз изучил статью Флеминга и изображения оригинальной чашки Петри. Он попытался воспроизвести первоначальную компоновку чашки, чтобы между стафилококками было большое пространство. Затем ему удалось заставить плесень расти, но это не оказало никакого влияния на бактерии.

Наконец, 1 августа 1966 года Хэйру удалось повторить результаты Флеминга. Однако, когда он попробовал еще раз две недели спустя, эксперимент провалился. Он задумался, не связана ли с этим погода, ведь Penicillium хорошо растет при низких температурах, а стафилококки - нет. Он провел серию экспериментов с тщательно контролируемой температурой и обнаружил, что пенициллин можно надежно «открыть заново», когда температура будет ниже 20 ° C (68 ° F), но никогда, когда она будет выше 32 ° C (90 ° F). . Он сверился с данными о погоде за 1928 год и обнаружил, что, как и в 1966 году, в середине августа была волна жары, за которой последовали девять дней холодной погоды, начавшейся 28 августа, что значительно способствовало росту плесени.

Нобелевская премия

В 1939 году, через десять лет после прекращения работы в больнице Святой Марии, группа ученых из Школы патологии сэра Уильяма Данна при Оксфордском университете под руководством Говарда Флори , в которую входили Эдвард Абрахам , Эрнст Чейн , Норман Хитли и Маргарет Дженнингс , приступила к работе. исследование пенициллина. Их отправной точкой стала практически забытая бумага Флеминга и образец плесени пенициллина, который Флеминг передал их лаборатории в 1930 году. Они разработали метод выращивания плесени и извлечения, очистки и хранения из нее пенициллина. вместе с анализом для измерения его чистоты. Чейн пришла в голову идея сублимационной сушки , что позволило удалить воду, в результате чего получился сухой коричневый порошок. Они провели эксперименты на животных, чтобы определить безопасность и эффективность пенициллина, прежде чем проводить клинические испытания и полевые испытания. Они вывели его химическую структуру и определили, как оно работает. Частный сектор и Министерство сельского хозяйства США обнаружили и произвели новые штаммы и разработали методы массового производства. Во время Второй мировой войны пенициллин стал важной частью военных действий союзников , и ему приписывают спасение жизней тысяч солдат.

Медаль Нобелевской премии по физиологии и медицине , врученная сэру Александру Флемингу , выставлена ​​в Национальном музее Шотландии.

Когда стало известно о целебных свойствах пенициллина, Флеминг упивался шумихой. Журналисты рассказали знакомую историю об одиноком британском ученом и счастливом открытии. Британский историк медицины Билл Байнум писал:

Открытие и разработка пенициллина являются наглядным уроком современности: контраст между бдительным человеком (Флеминг), проводящим изолированное наблюдение, и использованием наблюдения посредством командной работы и научного разделения труда (Флори и его группа). Это открытие было старой наукой, но само лекарство требовало новых способов ведения науки.

В 1943 году Нобелевский комитет получил единственную номинацию на Нобелевскую премию по физиологии и медицине для Флеминга и Флори от британского биохимика Рудольфа Питерса . Секретарь Нобелевского комитета Йоран Лильестранд дал оценку Флемингу и Флори в том же году, но в то время о пенициллине в Швеции было мало что известно, и он пришел к выводу, что требуется дополнительная информация. В следующем году была одна номинация только для Флеминга и одна для Флеминга, Флори и Чейна. Лильестранд и Нанна Сварц сочли свою работу, и хотя оба сочли Флеминга и Флори одинаково достойными Нобелевской премии, Нобелевский комитет разделился и решил вместо этого присудить премию в том же году Джозефу Эрлангеру и Герберту С. Гассеру .

В 1945 году было выдвинуто большое количество номинаций Флори и Флеминга или обоих, а также одна кандидатура Чейна от Лильестранда, который номинировал всех троих. Лильестранд отметил, что в тринадцати из первых шестнадцати поступивших номинаций упоминался Флеминг, но только в трех упоминался он один. На этот раз оценки дали Лильестранд, Свен Хеллерстрем и Андерс Кристенсон , которые поддержали всех троих. Нобелевская ассамблея Каролинского института рассматривала возможность присудить половину премии Флемингу и по четверти Флори и Чейну, но в конце концов решила разделить ее поровну на три части. 25 октября 1945 года было объявлено, что Флеминг, Флори и Чейн в равных долях получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1945 года «за открытие пенициллина и его лечебного эффекта при различных инфекционных заболеваниях».

Ссылки

• Бикель, Леннард (1995) [1972]. Флори: Человек, который создал пенициллин . Издательство Мельбурнского университета «Австралийские жизни». Карлтон, Виктория: Издательство Мельбурнского университета. ISBN  978-0-522-84712-3 . OCLC   761193113 .
• Чейн, Э. (31 декабря 1971 г.). «Тридцать лет пенициллиновой терапии» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 179 (1, 057): 293–319. Бибкод : 1971РСПСБ.179..293С . дои : 10.1098/rspb.1971.0098 . ISSN   1471-2946 . ПМК   5366029 . ПМИД   4401412 .
• Флеминг, Александр (1999). «Пенициллин: Нобелевская лекция, 11 декабря 1945 г.». В Самуэльссоне, Бенгте; Солман, Майкл; Линдстен, Ян Э. (ред.). Нобелевские лекции по физиологии и медицине, 1942–1962 гг. (PDF) . Сингапур: World Scientific. стр. 83–93. ISBN  978-981-02-3411-9 . OCLC   1291446203 .
• Гринвуд, Дэвид (2008). Противомикробные препараты: хроника медицинского триумфа двадцатого века . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-156007-1 . OCLC   801405589 .
• Заяц, Рональд (1970). Рождение пенициллина и обезвреживание микробов . Лондон: Джордж Аллен и Анвин. ISBN  978-0-04-925005-5 . OCLC   102892 .
• Хобби, Глэдис Л. (1985). Пенициллин: ответ на вызов . Нью-Хейвен и Лондон: Издательство Йельского университета. ISBN  978-0-300-03225-3 . OCLC   11157939 .
• Лакс, Эрик (2015). Плесень в пальто доктора Флори: история пенициллинового чуда . Нью-Йорк: Генри Холт и компания. ISBN  978-1-62779-644-6 . OCLC   910881004 .
• Макфарлейн, Гвин (1979). Говард Флори: Становление великого учёного . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-858161-1 . OCLC   4835043 .
• Мейсон, Бретт (2022). Волшебники страны Оз: Как Олифант и Флори помогли выиграть войну и сформировать современный мир . Кенсингтон, Новый Южный Уэльс: NewSouth Books. ISBN  978-1-74223-745-9 . OCLC   1334109106 .
• Норрби, Э. (2010). Нобелевские премии и науки о жизни: уникальный арбитр развития наук о жизни . Сингапур: Всемирная научная издательская компания. ISBN  978-981-4299-37-4 . OCLC   758961578 .
• Поммервилль, Джей Си (2014). Основы микробиологии (10-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Джонс и Бартлетт. ISBN  978-1-284-03968-9 . OCLC   1193951845 .
• Уильямс, Тревор Дж. (1984). Говард Флори: Пенициллин и после него . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-858173-4 . OCLC   10696385 .
• Уилсон, Дэвид (1976). Пенициллин в перспективе . Лондон: Фабер и Фабер. ISBN  978-0-571-10839-8 . ОСЛК   3091743 .

Эта статья была отправлена ​​в WikiJournal of Medicine на внешнее академическое рецензирование в 2021 году ( отчеты рецензентов ). Обновленный контент был реинтегрирован на страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2021 г. ). Проверенная версия записи: Холхринг Лалчхандама; и др. (22 октября 2021 г.). «История пенициллина» (PDF ) Викижурнал медицины 8 (1):3.doi : 10.15347 /WJM/2021.003 . ISSN   2002-4436 . Викиданные,   первый квартал