Открытие пенициллина (1928)

Мир без антибиотиков

В начале XX века бактериальные инфекции были одной из главных причин смерти. Воспаление легких, сепсис, менингит, скарлатина, послеродовая горячка, гонорея, сифилис, туберкулез уносили миллионы жизней. Небольшая царапина или порез могли привести к заражению крови и смерти. Хирургические операции, даже успешно проведенные, нередко заканчивались гибелью пациента от послеоперационной инфекции.

Врачи располагали немногими средствами. Антисептики, введенные в практику Джозефом Листером в 1860-е годы, убивали бактерии на поверхности, но вредили и живым тканям. Сальварсан, созданный Паулем Эрлихом в 1910 году, помогал при сифилисе, но был токсичен. Эрлих мечтал о «волшебной пуле» - веществе, которое убивает микробы, не повреждая организм. Такой пули не было.

Бактериолог из Эйршира

Александр Флеминг родился в 1881 году на ферме в Эйршире на юго-западе Шотландии. В юности он работал клерком в судоходной конторе в Лондоне, а получив небольшое наследство, поступил в медицинскую школу при больнице Святой Марии. Там он остался на всю жизнь, работая в отделе прививок под руководством Алмрота Райта - выдающегося и властного иммунолога, верившего, что будущее медицины - в стимулировании естественной защиты организма.

В годы Первой мировой войны Флеминг вместе с Райтом работал в военном госпитале в Булони во Франции, где изучал раневые инфекции. Он показал, что антисептики, которыми обрабатывали раны, часто убивают больше лейкоцитов - защитных клеток организма, - чем бактерий, и тем самым приносят больше вреда, чем пользы. Этот опыт убедил его, что нужны вещества, действующие избирательно.

В 1922 году Флеминг открыл лизоцим - фермент, содержащийся в слезах, слюне и слизи и растворяющий некоторые бактерии. По рассказу, открытие произошло, когда капля из его носа, простуженного, попала на культуру бактерий. Лизоцим оказался слабым против опасных микробов, но научил Флеминга искать природные антибактериальные вещества.

Забытая чашка

Флеминг был талантливым, но неаккуратным исследователем: его лаборатория была загромождена чашками с культурами, которые он оставлял надолго, чтобы понаблюдать, что с ними произойдет. В конце лета 1928 года он уехал в отпуск, оставив на столе чашки Петри с культурами стафилококков - бактерий, вызывающих нагноения.

Вернувшись 3 сентября 1928 года, Флеминг разбирал старые чашки. На одной из них выросла колония плесени, а вокруг нее бактерии исчезли - растворились, образовав прозрачную зону. Флеминг, по воспоминаниям коллег, заметил, что это забавно. Он понял, что плесень выделяет вещество, убивающее бактерии.

Происхождение плесени, по всей вероятности, было случайным: этажом ниже работал миколог Чарльз Ла Туш, выращивавший различные грибы, и споры могли попасть в лабораторию Флеминга по лестнице или через окно. Позднее исследователи, пытавшиеся воспроизвести наблюдение, пришли к выводу, что ему способствовало редкое сочетание условий: споры попали на чашку до того, как бактерии начали расти, а прохладная погода в первые дни отпуска, сменившаяся теплой, позволила плесени развиться раньше бактерий.

Пенициллин

Флеминг вырастил плесень в жидкой среде и обнаружил, что фильтрат - «плесневый сок» - сохраняет антибактериальное действие даже в сильном разведении. Он подавлял рост стафилококков, стрептококков, пневмококков, возбудителей дифтерии и гонореи, но не действовал на некоторые другие бактерии, например возбудителей тифа. Важно, что фильтрат не был токсичен для лабораторных животных и не повреждал лейкоциты.

Гриб был определен как принадлежащий к роду Penicillium - пеницилл, - позже уточнено, что это Penicillium notatum. 7 марта 1929 года Флеминг дал веществу название «пенициллин». В июне 1929 года он опубликовал статью в «Британском журнале экспериментальной патологии», в которой описал свойства вещества и предположил, что оно может быть эффективным антисептиком для местного применения.

Почему ничего не произошло

Следующий шаг - выделить пенициллин в чистом виде и испытать на больных - Флеминг сделать не смог. Он не был химиком, а его молодые ассистенты Стюарт Крэддок и Фредерик Ридли, пытавшиеся очистить вещество, столкнулись с его неустойчивостью: пенициллин быстро разрушался. В 1932 году биохимик Гарольд Рейстрик из Лондонской школы гигиены также попытался выделить пенициллин, но отказался от работы.

Флеминг, кроме того, не проводил систематических опытов, которые показали бы, что пенициллин действует внутри организма - при введении в кровь зараженного животного. Он использовал пенициллин главным образом в лаборатории, чтобы отделять нечувствительные к нему бактерии от чувствительных при выращивании культур. Его руководитель Райт скептически относился к химиотерапии, а научное сообщество, привыкшее к неудачам с «волшебными пулями», не проявило интереса.

Были и отдельные попытки применения. В 1930-1931 годах бывший ученик Флеминга, врач Сесил Пейн в Шеффилде, успешно вылечил неочищенным фильтратом несколько случаев глазных инфекций у новорожденных и взрослых, но не опубликовал результатов.

В 1930-е годы внимание медиков привлекли сульфаниламиды. В 1935 году немецкий исследователь Герхард Домагк сообщил о действии красителя пронтозила на стрептококковые инфекции. Сульфаниламиды стали первыми массовыми противобактериальными средствами и доказали, что химиотерапия бактериальных инфекций возможна. Это подготовило почву для возвращения к пенициллину.

Оксфорд

В 1938 году австралийский патолог Говард Флори, возглавлявший Школу патологии имени Данна в Оксфорде, и его сотрудник Эрнст Чейн, биохимик, бежавший из нацистской Германии, начали систематическое изучение природных антибактериальных веществ. Прочитав статью Флеминга 1929 года, они выбрали пенициллин одним из объектов исследования. У них была культура гриба, сохранившаяся в Оксфорде.

Ключевую роль сыграл биохимик Норман Хитли. Он разработал метод извлечения пенициллина из культуральной жидкости с помощью растворителей и обратного переноса в водный раствор при изменении кислотности, а также сконструировал производственную установку из подручных средств - молочных бидонов, ванн, больничных суден, книжных стеллажей. Гриб выращивали в сотнях сосудов, за ними ухаживали молодые женщины, нанятые лабораторией. Работа шла в условиях войны, при крайней нехватке средств.

25 мая 1940 года Флори провел решающий опыт. Восьми мышам ввели смертельную дозу стрептококков, четырем из них затем ввели пенициллин. К утру четыре мыши, не получавшие пенициллина, погибли, а леченые остались живы. Результаты были опубликованы в журнале «Ланцет» в августе 1940 года. Опасаясь немецкого вторжения, исследователи натерли споры гриба на подкладку одежды, чтобы в случае необходимости сохранить культуру.

Первые пациенты

12 февраля 1941 года пенициллин впервые получил тяжелобольной человек - оксфордский полицейский Альберт Александер, у которого из небольшой царапины на лице развилось тяжелое заражение, распространившееся на глаза, легкие и кости. После начала лечения его состояние резко улучшилось. Но пенициллина было так мало, что его приходилось выделять из мочи пациента и вводить повторно. Через несколько дней запас кончился, инфекция вернулась, и 15 марта Александер умер.

Следующие пациенты, в основном дети, которым требовались меньшие дозы, были вылечены. Эффективность пенициллина стала очевидной. Проблема заключалась в производстве: получить достаточное количество вещества в лабораторных условиях было невозможно, а британская промышленность, занятая военными заказами, не могла взяться за новое дело.

Американское производство

В июле 1941 года Флори и Хитли отправились в США, чтобы заинтересовать американских ученых и промышленников. Их направили в Северную региональную исследовательскую лабораторию министерства сельского хозяйства в Пеории, штат Иллинойс, специализировавшуюся на ферментации. Микробиолог Эндрю Мойер обнаружил, что добавление в питательную среду кукурузного экстракта - отхода крахмального производства - в десятки раз увеличивает выход пенициллина. Были разработаны методы глубинной ферментации в больших резервуарах.

Поиск более продуктивных штаммов привел к знаменитой находке: в 1943 году лаборантка Мэри Хант принесла из местного рынка заплесневевшую дыню, плесень которой - Penicillium chrysogenum - давала значительно больше пенициллина. Мутантные потомки этого штамма, полученные облучением, легли в основу промышленного производства.

После вступления США в войну производство пенициллина стало государственным приоритетом. Правительство координировало работу фармацевтических компаний - «Пфайзер», «Мерк», «Сквибб» и других. Первым американским пациентом, чью жизнь спас пенициллин, стала в марте 1942 года Энн Миллер, умиравшая от сепсиса в Нью-Хейвене. На ее лечение ушла почти половина всего пенициллина, имевшегося тогда в США. К высадке союзников в Нормандии в июне 1944 года было произведено, по распространенным данным, 2,3 миллиона доз. Пенициллин спас тысячи раненых солдат от газовой гангрены и сепсиса и резко сократил заболеваемость венерическими болезнями в армии.

Рождение легенды

В августе 1942 года Флеминг, получивший от Флори немного пенициллина, вылечил от менингита своего знакомого Гарри Ламберта. Газеты подхватили историю. Алмрот Райт написал в «Таймс» письмо, указав, что лавры первооткрывателя принадлежат Флемингу. Журналисты охотно встречались с Флемингом, тогда как Флори избегал прессы. В итоге в массовом сознании сложился образ Флеминга как единственного создателя пенициллина, а случайное открытие в забытой чашке превратилось в одну из самых известных историй в науке.

В 1945 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена всем троим - Флемингу, Флори и Чейну - «за открытие пенициллина и его целебного действия при различных инфекционных болезнях». Хитли, чей вклад был решающим, премии не получил; его заслуги были признаны лишь много позже, в частности почетной докторской степенью Оксфорда в 1990 году.

Лекарство послевоенного мира

После окончания войны пенициллин стал доступен гражданскому населению. Массовое производство снизило цену: если в 1943 году доза стоила десятки долларов, то к концу 1940-х годов - центы. Однако в разоренной Европе первых послевоенных лет пенициллина не хватало, и возник черный рынок. Торговля разбавленным, негодным пенициллином в оккупированной Вене стала сюжетом фильма Кэрола Рида «Третий человек» (1949) по сценарию Грэма Грина.

Производство пенициллина превратило фармацевтические компании в крупную промышленность, основанную на научных исследованиях и массовом производстве. Модель, отработанная на пенициллине, - поиск природных веществ, их очистка, промышленная ферментация, клинические испытания - определила развитие фармацевтики второй половины XX века. Лаборатория Флеминга в больнице Святой Марии сохранена как музей.

Структура и синтез

Химическое строение пенициллина было установлено в 1945 году Дороти Ходжкин в Оксфорде с помощью рентгеноструктурного анализа. Она показала, что молекула содержит необычное четырехчленное бета-лактамное кольцо, определяющее ее действие. Это открытие стало частью работ, за которые Ходжкин получила Нобелевскую премию по химии в 1964 году.

Полный химический синтез пенициллина был осуществлен американским химиком Джоном Шиэном в 1957 году. В 1959 году ученые британской компании «Бичем» выделили основу молекулы - 6-аминопенициллановую кислоту, - что позволило создавать полусинтетические пенициллины с новыми свойствами: метициллин, ампициллин, амоксициллин.

Как действует пенициллин

Механизм действия пенициллина был понят уже после его внедрения. Бактерии окружены прочной клеточной стенкой, построенной из особого полимера - пептидогликана, который защищает их от разрыва под действием внутреннего давления. Пенициллин связывается с ферментами, сшивающими молекулы этого полимера, и блокирует их. Растущая и делящаяся бактерия не может достроить стенку и разрушается.

У клеток человека и животных такой стенки нет, поэтому пенициллин для них практически нетоксичен - именно это и сделало его той самой «волшебной пулей», о которой мечтал Эрлих. Главной опасностью оказалась аллергия: у части людей пенициллин вызывает реакции, в редких случаях тяжелые.

Пенициллин действует прежде всего на так называемые грамположительные бактерии - стафилококки, стрептококки, пневмококки, - а также на возбудителей гонореи, сифилиса, менингококковой инфекции. Многие грамотрицательные бактерии, например кишечная палочка и возбудители тифа, защищены внешней оболочкой, через которую природный пенициллин проникает плохо. Это объясняло наблюдения Флеминга 1929 года и позднее стимулировало создание полусинтетических препаратов с более широким спектром действия.

Пенициллин в СССР

В Советском Союзе работы по получению антибиотика велись независимо. В 1942 году микробиолог Зинаида Ермольева в Москве получила отечественный препарат пенициллина из местного штамма гриба, названный крустозином, и организовала его производство. В 1944 году Флори посетил Москву и ознакомился с работами советских ученых. Биография Ермольевой легла в основу романа Вениамина Каверина «Открытая книга».

Эпоха антибиотиков

Пенициллин открыл дорогу поиску других антибиотиков. В 1943 году в лаборатории Зельмана Ваксмана в США был открыт стрептомицин - первое эффективное средство против туберкулеза. В 1940-1950-е годы последовали тетрациклины, хлорамфеникол, эритромицин и многие другие. Смертность от бактериальных инфекций резко сократилась, стали возможны сложные операции, трансплантация органов, химиотерапия рака. Средняя продолжительность жизни в развитых странах значительно выросла.

Устойчивость

Уже в 1940 году Эдвард Абрахам и Чейн обнаружили у некоторых бактерий фермент, разрушающий пенициллин. В своей нобелевской лекции 1945 года Флеминг предупреждал, что неправильное применение пенициллина в недостаточных дозах может привести к появлению устойчивых микробов. Его предупреждение сбылось: к 1950-м годам значительная часть больничных стафилококков стала устойчива к пенициллину, в 1961 году появился метициллин-резистентный золотистый стафилококк. Сегодня устойчивость к антибиотикам признана одной из главных угроз здоровью человечества; по оценкам исследователей, в 2019 году она была непосредственной причиной более миллиона смертей в мире.

Итоги

Открытие пенициллина стало одним из важнейших событий в истории медицины XX века. Случайное наблюдение 1928 года превратилось в лекарство благодаря работе многих ученых - бактериологов, биохимиков, инженеров, микробиологов, - и объединенным усилиям государства и промышленности в годы войны. Пенициллин начал эпоху антибиотиков, изменившую отношения человека с микробами и продолжительность жизни. Но его история напоминает и о хрупкости этой победы: устойчивость бактерий ставит под угрозу достижения, казавшиеся окончательными.