Характеристика антибиотиков, краткая история их возникновения

ВВЕДЕНИЕ

 

Антибиотики - специфические продукты жизнедеятельности различных групп микроорганизмов, низших и высших растений и животных или их модификаций, обладающие высокой физиологической активностью в отношении определённых групп микроорганизмов или злокачественных опухолей, избирательно задерживающие их рост или подавляющие развитие.

Образование антибиотиков - наследственно  закреплённая особенность метаболизма организмов. Это проявляется в том, что каждый вид (или даже штамм) способен образовывать один или несколько определенных, строго специфичных для него антибиотических веществ. Вместе с тем одинаковые антибиотики могут образовываться несколькими видами организмов (это свидетельство того, что данные микроорганизмы имеют общего предка). Образование антибиотика обусловлено определённым характером обмена веществ, возникающим и закреплённым в процессе эволюции организма.

Образование антибиотиков - фактор биологический, имеющий адаптационное значение. Для продуцента способность образовывать антибиотики важна не постоянно, а лишь в неблагоприятных условиях, например, при истощении среды  питательными компонентами, при контакте со специфическими продуктами жизнедеятельности  другого организма.

Антибиотики - первые лекарственные  средства, полученные биотехнологическим способом. С антибиотиками человечество сталкивается с древних времён. Уже в Библии упоминается использование травы иссоп для лечения кожных заболеваний. Эта трава, как известно, поражается плесенью рода Penicillium или Aspergillus и может быть насыщена метаболитами грибов антибиотического характера.

Основные этапы развития производства антибиотиков

1870 г. - обнаружено, что в среде,  содержащей плесень, бактерии  не развиваются (Д. Сандерсон);

1872 г. - доказана способность Penicillium glaucum подавлять рост бактерий (Д. Листер);

1871-1872 гг. - показано, что мододая культура зеленой плесени - грибы рода Penicillium - способна задерживать развитие возбудителей ряда кожных заболеваний человека (В.А. Манассеин, А.Г. Полотебнов);

1877 г. - опубликовано сообщение о  подавлении роста Bacillus ап- thracis аэробными бактериями (Л. Пастер и С. Джеберт, А.Г. Лебединский);

1929 г. - обнаружены антибиотические  свойства грибов Penicillium (А. Флеминг);

1940 г. - выделена субстанция пенициллина  (X. Флори, Е. Чейн);

1942-1956 гг. - коллектив ученых и  практиков во главе с академиками Л.А. Зильбером и З.В. Ермольевой провели поиск и отбор штаммов-продуцентов; разработали ферментационные среды и первые регламенты промышленного производства бензилпенициллина. Сравнение двух штаммов (советского и английского) показало, что советский штамм образует 28 ед/мл, английский - 20 ед/мл.

Открытие и изучение свойств  нового антибиотика, применяемого в  медицинской или сельскохозяйственной практике, - это огромный труд ученых различных направлений (микробиологов, биохимиков, микологов, химиков, генетиков, фармакологов, биотехнологов, врачей). Со времени открытия пенициллина из разных микроорганизмов были выделены более 6000 антибиотиков, обладающих разной специфичностью и разным механизмом действия. Их широкое применение для лечения инфекционных заболеваний помогло сохранить миллионы жизней.

 

1 Общая характеристика антибиотиков

 

Термин «антибиотик» был  предложен в 1942 г. С. А. Ваксманом для обозначения веществ, образуемых микроорганизмами и обладающих антимикробным действием. Впоследствии многие исследователи предлагали свои формулировки, вкладывая в них подчас слишком ограниченное содержание либо чрезмерно расширяя это понятие.

В настоящее время под  антибиотиками понимают химиотерапевтические вещества, полученные из микроорганизмов  или иных природных источников, а  также их полусинтетические аналоги  и производные, обладающие способностью избирательно подавлять в организме  больного возбудителей заболеваний  и (или) задерживать развитие злокачественных  новообразований.

 

Классификация антибиотиков

Сложилось несколько подходов к  классификации антибиотиков: по принципу биологического происхождения (предпочтительна для биологов, изучающих организмы-продуценты антибиотических веществ);

по химическому строению (удобна для химиков, занимающихся изучением строения молекул антибиотиков и путей из синтеза); по типу и механизму биологического действия (принята в медицинской практике).

Тип действия антибиотиков бывает цидным (бактерицидным, фун- гицидным, вирицидным, протозоацидным), под ним понимают необратимое нарушение жизнедеятельности (гибель) инфекционного агента, и статическим (бактериостатическим, фунгистатическим, виристатиче- ским, протозоостатическим), при котором прекращается или приостанавливается размножение возбудителя. Такая градация имеет основное практическое значение при лечении тяжелых инфекций, особенно у пациентов с нарушениями иммунитета, когда обязательно назначение «цидных» препаратов.

В зависимости от точки приложения и механизма биологического действия антибиотики делят на:

I. Специфические ингибиторы биосинтеза  клеточной стенки (пе- нициллины, цефалоспорины и цефамицины, ванкомицин, рис- томицин, циклосерин, бацитрацин, тиенамицины и др.)

И. Препараты, нарушающие молекулярную организацию и функции клеточных мембран (полимиксины, полиены).

3. Препараты, подавляющие синтез белка на уровне рибосом (макролиды, линкомицины, аминогликозиды, тетрациклины, Левомицетин, фузидин).
4. Ингибиторы синтеза РНК на уровне РНК-полимеразы и ингибиторы, действующие на метаболизм фолиевой кислоты (ри- фампицины).
5. Ингибиторы синтеза РНК на уровне ДНК-матрицы (актиноми- цины, антибиотики группы ауреоловой кислоты).
6. Ингибиторы синтеза ДНК на уровне ДНК-матрицы (митомицин С, антрациклины, нитрофураны, налидиксовая кислота).

 

2 Особенности получения  антибиотиков

 

Производство антибиотиков

Технологический процесс производства антибиотиков представлен на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Схема производства антибиотиков в процессе микробного биосинтеза 

Биосинтез антибиотика осуществляется микроорганизмами на определённом этапе их развития. Эта закономерность характерна для бактерий, мицелиальных грибов (Penicillium chrysogenum, Aspergillus fumi- gatus и др.) и для большинства актиномицетов, образующих такие антибиотики, как стрептомицин, хлортетрациклин, окситетрациклин и другие. Максимально высокую активность штамма-продуцента способна обеспечить технология рекомбинантных ДНК, так как можно создавать новые антибиотики с уникальной структурой, оказывающие более мощное воздействие на определенные микроорганизмы и обладающие минимальными побочными эффектами. Генно-инженерные подходы используются для увеличения выхода антибиотиков и соответственно снижения стоимости их производства.

Примеры промышленных продуцентов  основных антибиотиков представлены в таблице 1.

Таблица 1. Промышленные продуценты антибиотиков

При проведении первой стадии технологического процесса (рисунок 1) применяют натуральные  среды неопределенного состава, к числу которых относят продукты крахмалопаточного производства, агар, желатин, отруби, зерно. Композиция натуральных сред неопределенного состава не является постоянной. Например, агар, получаемый из разных видов морских водорослей, по химическому составу - сложный эфирный комплекс полисахарида с серной кислотой и разнообразными микроэлементами. Агар содержит также жирные кислоты, биотин, тиамин или его компоненты. В картофельной среде с глюкозой и пептоном, при одной и той же партии пептона и химически чистой глюкозы, состав картофельного экстракта зависит от сорта картофеля, места его произрастания, времени уборки, срока и режима хранения и других причин. Поэтому для получения сопоставимых результатов, особенно при изучении физиологических и биохимических особенностей микроорганизма, применяют синтетические среды, в состав которых входят определенные химически чистые соединения, взятые в точно указанных концентрациях.

Задача второй стадии - создать  оптимальные условия для развития продуцента и максимально возможного биосинтеза необходимого антибиотика. Особенность производства антибиотиков - двухфазный характер развития продуцентов. В первой фазе развития культуры, носящей название тропофазы (фазы сбалансированного роста микроорганизма), идет интенсивное накопление биомассы продуцента. Продуцент синтезирует белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, ферменты, и другие БАВ, необходимые для роста микроорганизма; наблюдается быстрое потребление основных компонентов субстрата, интенсивное поглощение кислорода. В культуральной среде может снижаться рН, как результат накопления органических кислот. В тропофазе антибиотик, как правило, не образуется или его количество незначительное. Возможно, в этой фазе синтез ферментов, принимающих участие в образовании антибиотика, подавлен. Во второй фазе - идиофазе (фазе несбалансированного роста микроорганизма) - накопление биомассы замедлено. Культуральная среда уже обеднена компонентами, необходимыми для развития продуцента и обогащена продуктами его жизнедеятельности. .В культуре преобладают протеолйтические процессы, приводящие к её подщелачиванию. Продукты метаболизма микроорганизма частично используются на построение клеток мицелия, частично - на синтез антибиотика. Максимум биосинтеза антибиотика в культуральной среде наступает, как правило, после максимального накопления биомассы, этот максимум неодинаков у разных микроорганизмов и при разных условиях культивирования.

Практика промышленной микробиологии  показывает, что процесс получения  того или иного продукта жизнедеятельности  активнее идет в смешанных культурах, при совместном развитии нескольких видов (чаще двух) микроорганизмов. Совместным культивированием специально подобранных микроорганизмов создают условия, при которых значительно увеличивается образование антибиотиков, как результат активации ряда биохимических процессов. В смешанных культурах ферментативная реакция служит ответом на проявление определенных антагонистических взаимоотношений. При совместном культивировании различных микробов могут возникать своеобразные гибриды этих организмов, обладающие иными свойствами по сравнению с исходными чистыми культурами.

С накоплением определенной концентрации антибиотика рост микроорганизмов прекращается (например, Streptomyces griseus прекращает свой рост при концентрации в среде стрептомицина сульфата 0,5%). Из культуральной среды антибиотики выделяют экстракцией органическими растворителями, осаждением, адсорбцией.

Очистку антибиотиков проводят повторной  заменой растворителя, адсорбционно-хроматографическими методами, ВЭЖХ. От степени чистоты препарата, влажности, температуры, рН растворителя зависит стабильность антибиотика.

Затем оценивают антимикробный спектр, стерильность, токсичность, пирогенность, действие на лейкоциты крови и другие показатели.

На всех стадиях получения антибиотика  строго соблюдается технологическая дисциплина, все процессы осуществляются в асептических условиях.

 

3 Частная технология антибиотиков

Пенициллины и цефалоспорины - большая группа лекарственных препаратов, имеющих определенное сродство химического строения, механизмов действия, фармакологических, клинических эффектов. Эти препараты называют Р-лактамными антибиотиками, что обусловлено наличием в их структуре общего для всей группы четырехчленного лак- тамного кольца.

Все пенициллины имеют одинаковое строение основной группы, которая представлена тиазолидиновым кольцом, соединенным с Р-лак- тамным кольцом, и имеющим аминогруппу - 6-аминопеницилановая кислота (6-АПК).

 

Различные пенициллины (G, X, F, К и др.) отличаются строением радикала молекулы боковой цепи (таблица 2), активностью и спектром действия. Важные, с точки зрения клинического использования, представители пенициллинов можно разделить на несколько групп:

обладающие наивысшей активностью  в отношении грамполо- жительных микроорганизмов и слабой в отношении грамотри- цательных видов, а также гидролизуемые р-лактамазам (пенициллин G);

относительно резистентные к действию [З-лактамаз стафилококков, но с более низкой активнолстью в отношении грамположи- тельных микроорганизмов и не действующие на грамотрица- тельные (нафициллин, метациллин);

относительно высокоактивные против грамположительных и грамотрицательных  микроорганизмов, но разрушаемых (З-лакта- мазами (карбенициллин, тикарциллин);

препараты с относительной кислотоустойчивостью и пригодные для перорального применения (пенициллин V, ампициллин, клоксациллин).

Таблица 2. Различные типы пенициллинов и строение их радикалов

Для промышленного производства антибиотика используют культуру Penicillium chrysogenum и среду, содержащую кукурузный экстракт, гидрол, лактозу и минеральные соли.

Вместо кукурузного экстракта  может быть применена арахисовая мука, жмыхи, мука из хлопковых семян  и другие источники; возможность широкого использования продуктов растительного происхождения обусловлена тем, что у P. chrysogenum имеются сильные протеоли- тические ферменты. В качестве углеводов часто используют сахарозу или смесь лактозы с глюкозой в соотношении 1:1. Глюкоза может снижать биосинтез антибиотика; на средах, содержащих лактозу или сахарозу (в условиях депрессии), биосинтез антибиотика идёт активнее. Важную роль в процессе биосинтеза пенициллина играет сера, которая содержится в структуре антибиотика. В качестве источников серы используются натрия сульфат и натрия тиосульфат. Избыток ионов меди не влияет на рост гриба, но подавляет биосинтез пенициллина. Эффект торможения биосинтеза снимается добавлением в среду ионов железа. P. chrysogenum в качестве источника фосфора может использовать не только фосфаты, но и фитаты (соли инозитфосфорных кислот): этот продуцент содержит фермент, разрушающий фитин с освобождением неорганического фосфора.