Производство антибиотиков

Классификация антибиотиков

Открытие сульфаниламидных препаратов и применение их в медицинской практике явилось величайшим достижением в химиотерапии многих инфекционных заболеваний, в том числе сепсиса, менингита, пневмонии, рожистого воспаления и некоторых др.

Наибольший интерес для науки и практики представили различные биологически активные вещества, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.

Термин «антибиотик» был предложен А. Вюименом в 1889 г., чтобы обозначить действующий агент процесса «антибиоза», т.е. сопротивления, оказываемого одним живым организмом другому.

В конце XIX в. русские ученые В.А. Манассеия и А.Г. Полотебков показали, что грибы из рода Penicillium способны задерживать в условиях in vivo развитие возбудителей ряда кожных заболеваний человека.

И. Мечников в 1894 г. обратил внимание на возможность использования некоторых сапрофитных бактерий в борьбе с патогенными микроорганизмами.

В 1986 г. Э.Госсио из культуральной жидкости Penicillium выделил кристаллическое соединение (микофеноловую кислоту), подав­ляющее рост возбудителя сибирской язвы.

Р. Эммерих и О. Лоу в 1899 г. сообщили об антибиотическом веществе, образуемом Pseudomonas pyocyanea, и назвали его пиоцианазой. Препарат использовался как местный антисептик.

В 1910 - 13 гг. О. Black и U. Alsherg выделили из гриба рода Penicillium пенициловую кислоту, обладающую антимикробными свойствами.

К сожалению, эти и некоторые другие наблюдения и открытия не получили в то время дальнейшего развития, но они оказали огромное положительное влияние на более поздние исследования в области изучения биологически активных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

В 1929 г. А. Флемингом был открыт новый препарат пенициллин, который только лишь в 1940 г. удалось выделить в кристаллическом виде. Это новое и весьма эффективное химиотерапевтическое вещество было получено в результате жизнедеятельности микроорганизма, то есть биосинтетическим путем.

Применение пенициллина в борьбе с различными инфекционными заболеваниями и воспалительными процессами явилось мощным стимулом для поиска новых, еще более эффективных антибиотических веществ, образуемых различными группами микроорганизмов (бактериями, актиномицетами), низшими растениями (дрожжами, водорослями, плесневыми грибами, высшими грибами), высшими растениями и животными организмами.

Настойчивые поиски продуцентов новых антибиотиков увенчались блестящими успехами.

В 1937 г. О. Вельш описал первый антибиотик актиномицетного происхождения (актиномицин), в 1939 г. Н.А. Красильниковым и А.И. Кореняко был получен линцетин и Дюбо-тиротрицин. Таким образом, к моменту получения пенициллина в очищенном виде уже было известно 5 антибиотических веществ. После этого число антибиотиков росло очень быстрыми темпами.

Изучение пенициллина в Советском Союзе было начато З.В. Ермольевой.

В 1942 г. под ее руководством в лаборатории биохимии микробов Всесоюзного института экспериментальной медицины в Москве был получен первый отечественный пенициллин-крустозин, сыгравший огромную роль в спасении жизней воинов Советской Армии, раненных на полях сражений Великой Отечественной войны.

В январе 1944 г. Москву посетила группа иностранных ученых, среди которых был профессор Г. Флори, привезший с собой английский штамм продуцента пенициллина. Сравнение двух штаммов (советского и английского) показало, что советский штамм образует 28 ед./мл, а английский - 20 ед./мл пенициллина.

Последние 15-20 лет различным вопросам, связанным с изучением антибиотиков, посвящается более пяти тыс. работ ежегодно.

Открытие и изучение свойств нового антибиотика, применяемого в медицинской и ветеринарной практике - это огромный труд ученых различных направлений (микробиологов, биохимиков, генетиков, химиков, технологов, фармакологов, врачей и др.).

По информации американских ученых, над открытием одного антибиотика широкого спектра действия непрерывно работали 55 ученых в течение 2,5 лет. Они изучили более 100 тыс. образцов почвы и израсходовали на исследования 4 млн долларов.

Итальянской фармацевтической компании «Лепетит» для производства нового противотуберкулезного антибиотика потребовалось 11 лет научно-исследовательских работ, которые обошлись в несколько миллионов долларов.

Каковы же основные причины столь быстрого роста числа антибиотиков, происходящего за последние 20-25 лет, несмотря на огромные финансовые затраты и необходимость привлечения большого числа исследователей?

Среди них можно назвать следующие:

1. Многие антибиотические вещества - незаменимые лечебные препараты. Они широко применяются при лечении большого числа инфекционных заболеваний, которые ранее, до открытия антибиотиков, считались неизлечимыми или сопровождались высоким летальным исходом. К их числу следует отнести некоторые формы туберкулеза, чуму, азиатскую холеру, брюшной тиф, бруцеллез, пневмонию, различные септические процессы.

2. Антибиотики - необходимые вещества для сельского хозяйства, прежде всего как лечебные препараты, применяемые в животноводстве, птицеводстве, пчеловодстве и растениеводстве, а отдельные антибиотические вещества - и как стимуляторы роста животных.

3. При широком применении антибиотиков в качестве лечебных препаратов происходит быстрое накопление резистентных к этим соединениям форм микроорганизмов. Проблема резистентности микроорганизмов ставит задачу замены одних антибиотиков другими, то есть поиска все новых и новых антибиотических веществ.

4. Некоторые антибиотики с успехом применяются в пищевой промышленности в качестве консервантов скоропортящихся продуктов (свежей рыбы, мяса, сыра, различных овощей).

5. Антибиотические вещества - новые, ранее неизвестные по химическому строению соединения - представляют огромный интерес для специалистов в области химии природных соединений. Изучение структуры этих веществ, а также синтез некоторых из них способствовали бурному развитию химии, а, следовательно, и самой науки об антибиотиках. Достаточно указать, что к настоящему времени синтезированы такие антибиотики, как пенициллины, хлорамфеникол, тетрациклины и др.

6. Антибиотики нашли широкое применение в научных исследованиях в качестве веществ, используемых при изучении отдельных сторон метаболизма организмов, расшифровки тонких молекулярных механизмов биосинтеза белка, механизма функционирования мембран и других биохимических превращений как специфические ингибиторы определенных реакций. Например, одни антибиотики специфически ингибируют отдельные этапы синтеза белка на рибосомах (хлорамфеникол, пуромицин, тетрациклин), другие - синтез на разных уровнях нуклеиновых кислот (саркомицин подавляет активность полимераз; актиномицин, блеомицин, рубомицин и другие нарушают функцию ДНК), третьи - образование клеточных стенок (пенициллины) и т.д.

7. Изучение путей образования антибиотиков способствует глубокому проникновению в механизмы синтетической деятельности продуцентов этих биологически активных соединений, раскрытию основных этапов их метаболизма.

Все эти факторы способствуют тому, что к проблеме антибиотиков привлечено внимание огромных групп ученых различных направлений: микробиологов, микологов, биохимиков, химиков, генетиков, ихтиологов, фармацевтов, врачей, технологов и т.д.

Изучение антибиотиков - это типичный пример комплексного подхода к проблеме, что само по себе способствовало прогрессу в исследовании этих биологически активных соединений.

Наряду с этим выявлены и недостатки, связанные с высокой резистентностью микроорганизмов к антибиотикам и появлению штаммов не только антибиотикоустойчивых. но и антибиотикозависимых.

Кроме того установлено, что нерациональное применение антибиотиков нередко приводит к развитию у животных и людей кандидомикозных, стафило- и стрептококковых заболеваний, к расстройству пищеварения и интоксикациям.

С учетом этих данных стали появляться высказывания об отказе от производства и применения антибиотиков.

Но в настоящее время пока нет других надежных лекарственных препаратов, которыми можно заменить антибиотики. Поэтому их продолжают выпускать и применять во врачебной практике. Наряду с выпуском известных антибиотиков ведутся поиски новых, более эффективных препаратов (табл. 17).

По различным показателям известные антибиотики классифицируются следующим образом:

По спектру действия:

- антибактериальные, губительно действующие на грамположительные (бензилпенициллин, ристомицин, новобиоцин), гамотрицательные (полимиксин) бактерии, а также антибиотики широкого спектра действия (левомицетин, канамицин, мономицин, гентамицин);

- противогрибковые (нистатин, леворин, гризеофульвин);

- противоопухолевые, включающие в себя шесть групп: актиномицины, антракциклины, оливомицины, брунеомицины, блеомицины, а также такие интерфероны, как стоталон и эленин. Таблица 17.

Классификация антибиотиков

По биологическому происхождению	По механизму Действия	По спектру действия	По химическому строению
Эубактерии Род Pseudomonas пиоцианин, вискозин.	Ингибирует синтез клеточной стенки (пенициллины,цефалоспорины)	Узкого спектра (пенициллины, це- фалоспорины)	Ациклические со- единения (микоза- мин, пирозамин)
Актиномицеты Род Streptomyces Тетрациклины, Стрептомицины, Эритромицин. Род Miсromonospora: гентамицины, сизо- мицин	Нарушает функцию мембран (нистатин, кандицидин)	Широкого спектра (тетрациклины, хлорамфеникол гента-мицин, тобрамицин)	Алициклические со- единения (актидион, туевая кислота). Тетрациклины.
Цианобактерии малинголид	Подавляет синтез РНК (канам ицин, Неомицин) и синтез ДНК (актидион, эдеин)	Противотуберкулезные (стрептомицин, канамицин)	Ароматические соединения (галловая кислота, хлорамфе- никол). Хиноны
Грибы пенициллины	Ингибиторы синтеза пуринов и пиримидинов (азасрин)	Противогрибные (нистатин, кандицин)	Кислородосодержащие гетероциклические соединения (пенициллиновая кис- лота, карлинаоксид)
Лишайники, рас- тения, водоросли усниновая кислота, хлореллин	Подавляет синтез белка (канамицин, тетрациклины, эритромицин, хло- рамфеникол)	Противоопухоле- вые (адримицин)	Макролиды (эритромицин)
Животного происхождения (интерферон, экмолин)	Ингибиторы дыхания (усиновая кислота, пиоцианин). ингибиторы окислительного фосфорилирования(валиномицин, олигомицин)	Противоамебные (фумагиллин)	Аминогликозиды (тобрамицин, гентамицин, стрептоми- цины). Полипептиды (грамицидины)

По химической структуре:

- ациклические (нистатин, кандицин);

- гетероциклические (гризеофульвин);

- макроциклические (макролидазы. эритромицины);

- ароматические (гигромицин);

- аминогликозидные;

- полипептазы (грамицидин, полимиксин);

- пенициллины;

- актиномицины;

- стрептомицины.

Ингибиторы синтеза клеточной стенки Пенициллины Монобактамы Цефалоспорины Карбапенемы Гликопептиды Бацитрацин Циклосерин

ИНГИБИТОРЫ СИНТЕЗА БЕЛКА

Ингибиторы 30S-субъединиц рибосом Тетрациклины Аминогликозиды

Ингибиторы 50S-субъединиц рибосом Макролиды Хдорамфеникол Линкомицин

Ингибиторы функций цитоплазматичес- кой мембраны Полимиксины

Антиметаболиты (метаболизм фолиевой кислоты) Сульфонамиды

Ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот Рифампицин (ингибитор ДНК- зависимой РНК- полимеразы; нарушение транскрипции) Хинолоны (ингибитор ДНК-гиразы; нарушение репликации ДНК)

Р ДНК

IАБКК

e ib1PN1gd+BxqaQZ95XLbyWUUJdLqlnih0T0+NVh9HS9Wwfbl/dXt34r4+eAP1Ww5FrNTWSh1fzcV jyACTuEvDL/4jA45M5XuQsaLTkGyWsccVbDagmA/2cQJiJLF+gFknsn/D+Q/AAAA//8DAFBLAQIt ABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10u eG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5y ZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAJVf9TklAgAAYAQAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9E b2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAOl85oXgAAAACAEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAfwQAAGRycy9k b3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAACMBQAAAAA= " strokeweight="1.5pt">

иРНК

Периплазма

Цитоплазма- Клеточная (бета-лактамаза

тическая стенка аминоглико-

мембрана зидмодифи-

цирующие

ферменты

Рис.10. Механизм действия антибиотиков на бактерии

По молекулярному механизму действия (рис.10):

- антибиотики, действующие на синтез бактерийной клеточной оболочки (пенициллины, ристомицин);

- антибиотики, нарушающие синтез белков (тетрациклины, макролиды, левомицетин);

- антибиотики, нарушающие синтез белков и порядок генетического кода (аминогликозиды);

-антибиотики, нарушающие синтез нуклеиновых кислот (противоопухолевые);

-антибиотики, нарушающие целостность цитоплазматической мембраны (противогрибковые).

В настоящее время описано более 6000 антибиотиков. Однако только 2-3% известных антибиотиков применяется на практике. Остальные из-за их токсичности, инактивации в организме и других причин не используются, большую часть выпускаемых антибиотиков составляют пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины, эритрин, стрептомицин.

Необходимость поисков новых антибиотиков обусловлена многими причинами. Постоянно ведутся поиски эффективных антибиотиков для борьбы с теми заболеваниями, на возбудители которых не действуют существующие препараты. Потребность в антибиотиках обусловлена также тем, что при их использовании в лечебных целях происходит накопление резистентных к этим соединениям форм организмов. Длительное и не всегда оправданное применение антибиотиков приводит зачастую к ускорению эволюции патогенных организмов в сторону закрепления их устойчивости к этим препаратам. Поэтому необходимо постоянно заменять одни виды антибиотиком на другие. Для этого нужно находить наиболее активные микроорга­низмы - продуценты антибиотиков.

Основные этапы поисков антибиотиков:

-выделение микробов антагонистов из почвы;

-определение антагонистического спектра и активности антибиотиков;

-подбор условий культивирования продуцентов антибиотиков;

-выделение и химическая очистка антибиотиков;

-изучение физико-химических и фармакологических свойств антибиотиков;

-испытание химико-терапевтической эффективности;

-идентификация антибиотиков.

Биосинтез антибиотиков - наследственная особенность организмов, проявляющаяся в том, что каждый вид (штамм) способен образовывать один или несколько вполне определенных, строго специфичных для него антибиотических ве­ществ.

Вместе с тем известно, что одинаковые антибиотики могут образовываться несколькими видами организмов.

Выявление потенциальной возможности образовывать в процессе жизнедеятельности антибиотики связано с условиями культивирования организмов. В одних условиях организм образует антибиотик, в других условиях тот же организм не будет обладать способностью синтезировать антибиотическое вещество.

Как пишут С. Ваксман и М. Лешевалье (1962), антибиотики являются «лабораторными продуктами, образуемыми растущими чистыми культурами микроорганизмов в условиях богатой питательными веществами среды при хорошей аэрации, но они не обнаруживаются в почве».