Студент-биолог, неся в институт кусочек заплесневелого сыра, идёт на лабораторную работу, чтобы под микроскопом рассмотреть грибы рода Penicillium, которые изменили историю медицины и помогли победить некоторые болезни, казавшиеся неизлечимыми.
В России 1860-х годов в Санкт-Петербурге среди медиков шла острая дискуссия об опасности зеленой плесени для человека. Некоторые считали ее болезнетворным микроорганизмом, другие же, включая учеников Боткина Вячеслава Манассеина и Алексея Полотебнова, полагали грибы безвредными.
Ученые проводили опыты с Penicillium glaucum, и в 1871 году почти одновременно получили один результат: в среде с плесенью бактерии не росли. Манассеин утверждал, что доказал способность плесени подавлять рост бактерий. Полотебнов же сделал практический вывод, что грибы рода Penicillium могут задерживать развитие возбудителей кожных заболеваний человека. Об этом он написал в своей работе «О патологическом значении зеленой плесени» в 1873 году.
Полотебнов предлагал лечить инфицированные раны и язвы жидкостью, где росла плесень. Он неоднократно проверял свойства зеленой плесени сначала на безнадежных пациентах, спасая жизни, а затем и в повседневной практике при лечении гнойных нарывов.
Несмотря на то, что спор был разрешен в пользу плесени (врачи перестали подозревать ее в возбуждении болезней), эти работы не получили должной оценки и развития.
Чудодейственные грибы
О лечении гнойных болезней с помощью плесени и антибиотических свойств некоторых веществ писали ещё Авиценна (XI век) и Филипп фон Гогенгейм (XVI век), также известный как Парацельс.
В 1928 году шотландский микробиолог Александр Флеминг обнаружил, что определённый вид плесневого грибка уничтожил культуру бактерий, необходимую для его экспериментов. Staphylococcus aureusПо кругу от пятен плесени на чашках Петри с культурой микробов исчезли все колонии золотистого стафилококка. Ученый был удивлен, потому что никогда не видел гибели стафилококков под воздействием других микроорганизмов, а тем более растворения их колоний. Вскоре Флеминг выяснил, что грибок с таким необычным поведением принадлежит виду Penicillium notatumИсследуя действие гриба, Флеминг обнаружил, что его влияние распространяется преимущественно на болезнетворные бактерии. Он предположил, что гриб вырабатывает антибактериальное вещество, поражающее определённые микробы, а не все. Назвал это вещество пенициллином в честь гриба и опубликовал результаты, но добыть первый антибиотик ему не удалось.
Работы Флеминга долгое время оставались незамеченными, но спустя десять лет, с началом Второй мировой войны, получили признание. В 1940 году соотечественники Флеминга — Ховард У. Флори и Эрнст Б. Чейн — изготовили высокоэффективный концентрат пенициллина и провели масштабные клинические испытания. За открытие пенициллина и его лечебное воздействие при инфекционных заболеваниях в 1945 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили все трое.
После пенициллина изучали актиномицин, стрептомицин, обнаружили хлорамфеникол, тетрациклины, эритромицины и другие антибиотики. В 1942 году американский микробиолог и химик Зельман Абрахам Ваксман ввел термин «антибиотик», что в переводе означает «против жизни». Сам Ваксман открыл много антибиотических веществ, придумал методы их изучения и получил Нобелевскую премию за открытие стрептомицина, первого эффективного против туберкулеза антибиотика.
К шестидесятым годам прошлого века было получено почти все основные виды антибиотиков. Сегодня описано более 10 тысяч антибиотиков, но около двухсот используются для лечения огромного спектра инфекционных заболеваний, считавшихся ранее неизлечимыми или трудноизлечимыми: воспалительных процессов (пневмонии, перитонита, фурункулеза), различных форм туберкулеза.
Что такое антибиотик
Когда накопилось достаточное количество сведений о свойствах и характеристиках этих веществ, сформировалось общее понимание понятия «антибиотик».
В первую очередь это продукты жизнедеятельности организмов, преимущественно микроскопических грибов, а также редкие варианты от микробов, растений и животных.
Также к антибиотическим веществам относятся химические модификации этих продуктов. Вещества могут быть природными, создаваемыми живыми организмами (например, пенициллин), или искусственно синтезированными соединениями.
Второе – это вещества с высокой физиологической активностью по отношению к отдельным группам микроорганизмов (бактериям, грибам, вирусам, водорослям) или раковым клеткам. Это означает, что каждое вещество проявляет действие только на определенные организмы, не влияя на другие формы жизни. Такая избирательность обусловлена различиями в обмене веществ и структуре клеток у разных живых существ.
Продукты жизнедеятельности организма, такие как аммиак, спирт или органические кислоты, также обладают антимикробными свойствами, но не являются антибиотиками, так как действуют не избирательно. Например, аммиак, выделяемый уробактериями, препятствует росту других бактерий, кроме создавших его. Самый распространенный антисептик — спирт — уничтожает всех микроорганизмов без исключения, независимо от их патогенности или полезности. Антибиотики действуют иначе. В нашем организме живут и работают разнообразные микроорганизмы. При размножении болезнетворных микробов требуется препарат, способный выбрать и уничтожить только их. Такую роль выполняет антибиотик. Но врач, назначая антибиотический препарат, должен точно знать, какими именно микроорганизмами вызвано заболевание (вирусы, бактерии, грибы, водоросли, простейшие).
Антибиотики отличает высокая биологическая активность по отношению к чувствительным организмам даже при малых концентрациях: для пенициллина это 0,000001 г/мл.
Классификация
Более чем за полвека исследований сформировались разные подходы к классификации антибиотиков, важную роль в которых играют интересы ученых. Можно делить антибиотики по механизму и спектру действия, строению или производителю. Рассмотрим примеры механизмов действия разных классов антибиотиков на примере препаратов против бактерий.
Антибактериальные средства
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. Позднее в 1961 году Е. Абрахам и Г. Ньютон выделили из экстракта плесневого грибка Cephalo-sporium acremonium новый антибиотик — цефалоспорин С. Он не нашел широкого применения, но к началу 1970-х на его основе был синтезирован целый спектр различных полусинтетических цефалоспоринов с большей активностью и более широким спектром действия, чем у предшественника. Антимикробное действие цефалоспоринов оказалось невероятно похожим на действие пенициллиновых антибиотиков. Поэтому ученые предположили, что это связано со структурной особенностью данных веществ, а именно с наличием в их молекулах одинакового фрагмента. Ситуация прояснилась, когда в 1981 году были открыты принципиально новые антибиотические вещества — монобактамы. Оказалось, что первоначальные предположения были верны отчасти — ошибка была в выборе фрагмента: за проявление такой высокой биологической активности этой большой группы антибиотиков отвечает элемент всего из четырех атомов. Это так называемое бета-лактамное кольцо — гетероциклическая структура, состоящая из трех атомов углерода и одного атома азота, составная часть молекул вышеперечисленных препаратов, которые иначе называют семейством бета-лактамных антибиотиков.
Противобактериальные препараты действуют путём подавления синтеза бактериальной клеточной стенки. В попавшей в клетку бактерию продолжается рост, но ее стенка, неспособная достраиваться, становится все тоньше и разрушается, что приводит к гибели микроорганизма.
Клеточная стенка бактерий имеет специфическую структуру, отличающуюся от стенок клеток других организмов, в том числе человека. Это позволяет антибиотикам действовать избирательно без вреда «невиновным» клеткам.
Следующий класс антибиотиков борется с бактериями, подавляя синтез белка, который происходит на рибосомах. Аминокислоты, доставляемые молекулами-переносчиками — транспортными РНК, соединяются в белок. Один из основных механизмов подавления – присоединение антибиотика к рибосоме, чтобы помешать поступлению транспортных РНК. В результате работа рибосом нарушается, а сборка белка останавливается. Такой механизм действия антибиотиков был установлен в 1950 году.
В настоящее время к антибактериальным препаратам, подавляющим синтез белка, относят классы тетрациклинов, аминогликозидов и макролидов, а также ряд других антибиотиков (например, хлорамфеникол). Главный антибиотик аминогликозидного ряда — стрептомицин — был открыт З.А. Ваксманом в 1944 году в результате тщательно спланированной программы поиска антибактериальных препаратов. Уникальность действия стрептомицина и других аминогликозидов состоит в том, что
не только полностью подавляют синтез белковых веществ, но и могут нарушать последовательность аминокислот в белке, вызывая образование дефектных белков. Накопление их в клетке может приводить к неправильной работе клеточных систем и гибели бактерии.
Два механизма действия антибиотиков мы рассмотрели. Другие группы воздействуют, замедляя или подавляя важные для микроорганизмов процессы: синтез белков, клеточной стенки и ДНК.
Гонка вооружений
В течение десяти лет после появления пенициллина 70% стафилококков стали к нему устойчивы. Через двадцать пять лет первые пенициллины почти утратили способность бороться с инфекциями. Этот процесс неизбежен и при широком применении антибиотиков приобретает большое значение.
Множественность микробов способна помочь им противостоять действию антибиотиков. Если несколько микроорганизмов случайными мутациями обезвреживают попавшие к ним молекулы антибиотика, а у их потомков механизм борьбы с антибиотиком совершенствуется (например, начинают синтезировать больше фермента, разрушающего активный центр молекулы антибиотика), то в итоге большинство микробов этого вида окажутся устойчивыми даже к высоким концентрациям данного антибиотика. Появление устойчивых штаммов микроорганизмов ускоряется бесконтрольным приемом антибиотиков при самолечении и тем, что врачи часто назначают пациентам антибиотики, когда в этом нет необходимости.
В 1981 году появилось объединение МСРПА — Международный союз за разумное применение антибиотиков, а через двадцать лет вышла «Глобальная стратегия ВОЗ по сдерживанию резистентности к противомикробным препаратам».
Стратегия ВОЗ предполагает ежегодное составление органами здравоохранения государств списков антибиотиков для применения «только по назначению». В них учитывается противомикробная активность и распространенность устойчивых к ним микроорганизмов. Кроме основного списка существует так называемый «резервный список» антибиотиков, предназначенных не для широкого применения. Их используют в крайнем случае, когда нужно уничтожить штамм, приобретший раньше времени устойчивость к препаратам основной группы. В современных условиях пренебрежение этими правилами в каком-то регионе может привести к распространению устойчивой инфекции по всему миру. Бессистемное использование антимикробных средств приближает время, когда не останется ни одного штамма микроорганизмов, на который сможет подействовать хотя бы один из известных антибиотиков. Тогда нам придется рассчитывать только на собственный иммунитет.