Вклад отечественных ученых в развитие науки об антибиотиках

Вклад отечественных ученых в развитие учения об антибиотиках.

Учение (наука) об антибиотиках — сравнительно молодая синтетическая ветвь  современного естествознания. Прошло немногим более 60 лет с того времени, когда впервые в 1940 г. был получен  в кристаллическом виде замечательный химиотерапевтический препарат микробного происхождения — пенициллин, открывший эру антибиотиков.

Многие  ученые мечтали о создании таких  препаратов, которые могли бы использоваться при лечении различных заболеваний  человека и были бы способны убивать  патогенные бактерии, не оказывая вредного действия на организм больного.

Имя Зинаиды  Виссарионовны Ермольевой неразрывно связано с созданием первого отечественного пенициллина, становлением науки об антибиотиках, с их широким применением в нашей стране. Большое число раненых в первом периоде Великой Отечественной войны требовало интенсивной разработки и немедленного введения в медицинскую практику высокоэффективных препаратов для борьбы с раневой инфекцией. Именно в это время (1942) З. В. Ермольевой и ее сотрудниками во Всесоюзном институте эпидемиологии и микробиологии был найден активный продуцент пенициллина и выделен первый отечественный пенициллин — крустозин. Уже в 1943 г. лаборатория начала готовить пенициллин для клинических испытаний. Работая практически круглосуточно, в чрезвычайно трудных условиях военных лет, З. В. Ермольева и ее ученики Т. И. Балезина, Л. М. Левитов, В. А. Северин, А. П. Уразова, Ф. Ф. Цуриков, М. И. Жилабо получали, испытывали на активность, стерильность и безвредность и отправляли в клиники драгоценный препарат.

Первые испытания проводились  хирургами нескольких клиник Москвы под руководством проф. И. Г. Руфанова, но в основном — в Яузской больнице, где размещался эвакогоспиталь. Именно здесь, в Яузской больнице, пенициллин, созданный под руководством Зинаиды Виссарионовны, получил всеобщее признание. В начале 1944 г. здесь было проведено сравнение эффективности отечественного и английского пенициллинов, которые привез один из его создателей, знаменитый Г. Флори из Оксфорда. Лечение проводили в двух группах раненых с сепсисом, находившихся в одинаково тяжелом состоянии. И хотя отечественный пенициллин — крустозин был менее очищен и его применяли в меньших дозах, эфгфект лечения был не хуже, чем при применении английского препарата.

Позже под руководством З. В. Ермольевой были созданы и внедрены в производство многие новые антибиотики и их лекарственные формы, в том числе экмолин, экмоновоциллин, бициллин, стрептомицин, тетрациклин; комбинированные препараты антибиотиков (дипасфен, эрициклин и др.). Следует подчеркнуть, что Зинаида Виссарионовна всегда активно участвовала в организации промышленного производства антибиотиков в нашей стране.

Условия культивирования микроорганизмов для получения антибиотиков

Процесс получения антибиотика включает в себя следующие основные стадии (рис. 1):

1. получение соответствующего штамма  — продуцента антибиотика, пригодного  для промышленного производства;

2. биосинтез антибиотика;

3. выделение и очистка антибиотика;

4. концентрирование, стабилизация антибиотика  и получение готового продукта.

Первая  задача при поиске продуцентов антибиотиков – выделение их из природных источников. 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. 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 при хорошем росте не будет обладать способностью синтезировать антибиотическое вещество. Образование антибиотиков будет происходить только при развитии организма в специфической среде и при наличии особых внешних условий. Путем изменения условий культивирования можно получить больший или меньший выход антибиотика, или создать условия, при которых антибиотик вообще не будет образовываться. Можно также путем изменения условий культивирования продуцента добиться преимущественного биосинтеза одного из антибиотиков, при условии образования изучаемым организмом нескольких антибиотических веществ, или же получить новые формы антибиотиков, но только в пределах тех соединений, которые способны синтезироваться этим организмом. К числу наиболее существенных факторов, оказывающих влияние на проявление антибиотических свойств микроорганизмов, относятся состав среды, ее активная кислотность, окислительно-восстановительные условия, температура культивирования, методы совместного выращивания двух или большего числа микроорганизмов и другие факторы.

Среды для культивирования микроорганизмов. Натуральные (комплексные) среды, состоящие из природных соединений и имеющие неопределенный химический состав (части зеленых растений, животные ткани, солод, дрожжи, фрукты, овощи, навоз, почва и т. д.), содержат все компоненты, необходимые для роста и развития микроорганизмов большинства видов. Используются следующие среды:

- мясопептонная среда, в состав  которой одновременно с мясным  экстрактом и пептоном входят  хлорид натрия, фосфат калия, иногда  глюкоза или сахароза; используется  обычно в лабораторной практике.

- картофельные среды с глюкозой  и пептоном, часто используемые  в лаборатории для культивирования  многих видов актиномицетов и  бактерий;

- среды с кукурузным экстрактом, соевой мукой, бардой и другими  веществами, в состав которых  входят сульфат аммония, карбонат  кальция, фосфаты, глюкоза, сахароза, лактоза или иные углеводы  и ряд других соединений; среды  успешно применяются в промышленности, т. к. являются дешевыми и  обеспечивают хорошее развитие  микроорганизмов с высоким выходом  антибиотиков.

Поскольку натуральные среды не позволяют  получать строгие количественные данные для изучения физиологических и  биохимических особенностей организма, применяют синтетические среды, которые подбирают для отдельных  продуцентов индивидуально. Источниками углерода могут быть органические кислоты, спирты, углеводы, сочетания различных углеродсодержащих соединений. При промышленном получении ряда антибиотиков в качестве источников углерода нередко применяют картофельный крахмал, кукурузную муку или другие растительные материалы. Источники азота оказывают большое влияние на образование микроорганизмами антибиотических веществ. Обычно в средах для культивирования микроорганизмов источником азота служат соли азотной (реже азотистой) кислоты, аммонийные соли органических и неорганических кислот, аминокислоты, белки и продукты их гидролиза. Обычно наиболее благоприятным для микроорганизмов является соотношение C/N = 20. Однако для образования антибиотика такое соотношение не всегда оптимально. Поэтому для каждого продуцента необходимо подбирать соответствующее соотношение углерода и азота. Источниками минерального питания служат фосфор, сера и другие макро- и микроэлементы.

Сера  входит в состав некоторых антибиотиков, образуемых грибами (пенициллин, цефалоспорин, глиотоксин и др.), бактериями (бацитрацины, субтилины, низины) и актиномицетами (эхиномицины, группа тиострептона). Обычно источником серы в среде служат сульфаты. Однако при биосинтезе пенициллина лучшим источником серы для продуцента служит тиосульфат натрия.

Влияние рН среды. Многие бактериальные организмы, синтезирующие антибиотики, лучше развиваются при рН около 7,0, хотя некоторые, например молочнокислые стрептококки, продуцирующие низин, лучше развиваются в среде при рН = 5,5÷6,0. Большинство актиномицетов хорошо развиваются при начальных значениях рН среды в пределах от 6,7 до 7,8; в большинстве случаев жизнеспособность актиномицетов при рН ниже 4,0–4,5 подавлена.

Температура. Для большинства бактериальных организмов температурный оптимум развития лежит в диапазоне 30–37 °С. Для продуцента грамицидина С оптимальная температура для развития и биосинтеза равна 40 °С. Актиномицеты, как правило, культивируются при температуре 26–30°С, хотя некоторые виды стрептомицетов могут развиваться как при пониженных (от 0 до 18 °С), так и при повышенных (55–60 °С) температурах. Для большинства мицелиальных грибов оптимальная температура составляет 25–28 °С.

Аэрация. Большинство изученных продуцентов антибиотиков являются аэробами. Для биосинтеза многих антибиотиков (пенициллин, стрептомицин и др.) максимальное их накопление происходит при степени аэрации, равной единице, при которой через определенный объем среды за 1 мин продувается такой же объем воздуха. В процессе развития продуцента антибиотика в промышленных условиях потребность организма в кислороде меняется в зависимости от стадии развития, вязкости культуральной жидкости и других факторов. На определенных стадиях могут возникнуть ситуации, связанные с кислородным голоданием продуцента. В этих условиях следует принимать дополнительные меры, например, повышение концентрации окислителя добавлением пероксида водорода.

КЛАССИФИКАЦИЯ АНТИБИОТИКОВ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ (по Егорову)

Антибиотики ациклического строения (аллицин, биформин, аза-серин, рафанин, нистатин, аскозин, кандимицин, трихомицин, фумагиллин и др.). В зависимости от строения в эту группу входят следующие основные группы: жирные кислоты, ацетилены (HCsCC= SCCH2), полиены, серо- и азотсодержащие соединения. Большое место среди названных соединений занимают полиеновые антибиотики, характерной особенностью которых является наличие системы, содержащей от трех до восьми сопряженных двойных связей, — (СН = СН)—.

К числу полиеновых антибиотиков относится большое число (более 150) веществ. Многие антибиотики этой группы содержат аминосахар (микозамин, перозамин), отдельные вещества в структуре имеют вторую азотсодержащую часть — ароматические кетоны (п-аминоацетофенон, п-аминофенилацетон): Микозамин (дезоксиаминогексоза) содержится во многих антибиотиках-полиенах. Перозамин (амино-двудезокси-О-манноза) входит в состав антибиотика перимицина (син. фунгимицин)

Полиеновые антибиотики в зависимости от наличия в их структуре числа сопряженных двойных связей подразделяются нашесть подгрупп:

1) триены (микротриен, триенин, триен);

2) тетраены (ареномицин, нистатин, фумагиллин и др.);

3) пентаены (группа включает более 40 антибиотиков, в том числе ректилавендомицин, розеофунгин, ауренин, микотицин, флавомицин, фунгохромин и др.);

4) гексаены (малочисленная группа, включающая лишь 8 антибиотиков, среди них дермостатин, эндомицин В (геликсин В), флавицид);

5) гептаены (группа, содержащая около 50 веществ, среди которых есть антибиотики, имеющие практическое значение в медицине. К числу гептаенов относятся: кандидин, кандицидин, трихомицин, леворин, перимицин (фунгимицин, аминомицин) и некоторые другие)

6) октаены (охрамицин).

Большинство противогрибных антибиотиков актиномицетного происхождения по химическому строению принадлежит к полиенам.

Антибиотики алициклического строения. Эта группа антибиотиков включает производные  циклопентана (хаульмугровая кислота, саркомицин), циклогексана (актидион) и циклогептана (туевая кислота):

Тетрадиклины. К этой группе относятся соединения, близкие по своему строению. В основе их лежит структура антибиотика тетрациклина: Хлорамфеникол

Ароматические антибиотики. Соединения, относящиеся к этой группе, являются производными бензола (галловая кислота, хлорамфеникол и другие антибиотики)

Антибиотики-хиноны. Антибиотические  вещества, относящиеся к этой группе соединений, как правило, не имеют  практического значения. В группу входят бензохиноны (рапанон, фумигатин и др.), нафтохиноны (плюмбагин, яваницин и др.) и аитрахиноны (эндокроцин и др.): К антибиотикам-хинонам относятся ицеликомицины; в молекулах последних содержатся хромофорная, углеводная и пептидная группировки. Антибиотики, относящиеся к целикомицинам, представляют собой синие пигменты актиномицетов. Они содержат один и тот же хромофор, относящийся к хинонам, аминосахар глю-козамин и аминокислоту глицин.

Целикомицины принадлежат к новому классу антибиотических веществ — гликохромпептидам. К этой группе антибиотических веществ относятся: целикомицины А, В и С, литмоцидин А, литмофунгин и пигмент 1321-В.

Антибиотики — кислородсодержащие гетероциклические соединения. В  группу входит большое число антибиотиков, в том числе антимицины, пеницилловая кислота, гризеофульвин, усниновая кислота, цитринин, новобиоцин, трихотецин и многие другие соединения. Среди них наибольший практический интерес представляют новобиоцин, гризеофульвин и трихотецин.

Кислородсодержащие гетероциклические  антибиотики можно разделить  на три основные группы.

1. Антибиотики с одним пятичленным О-гетероциклом. Карлинаоксид (производное фурана) содержится в эфирном масле корней растения Carlina ocaulis; пеницилловая кислота образуется Penicillium puberulum и гризеофульвин, образуемый Penic. griseofulvum и некоторыми другими видами из рода Penicillium.

2. Антибиотики с одним шестичленным О-гетероциклом. Койевая кислота — одно из простейших природных производных у-пирона — выделена из мицелия Aspergillus еще в 1907 г., цитринин и новобиоцин.

Антибиотики-олигомицины, К этой группе антибиотиков относятся соединения, содержащие в молекуле сопряженную диеновую систему. В качестве примера можно назвать олигомицины А, В и С, ботр'имицин, хондамицин, финомицин.

Антибиотики-макролиды. Характерная особенность антибиотиков этой группы — присутствие в молекуле макроциклического лактонного кольца, связанного с одним или несколькими углеводными остатками (обычно аминосахарами). К антибиотикам-макролидам относятся метимицин, эритромицин, магнамицин и др.

3. Антибиотики с несколькими  О-гетероциклами. Трихотецин получен из гриба Trichotecium roseum.

Аминогликозидные антибиотики. К этой группе антибиотических веществ относятся соединения, содержащие в молекуле гликозидные связи. К ним принадлежат стрептомицина, гигромицин, неомицины, канамицины, гентамицины, фортимицины и др. Многие из этих антибиотиков широко применяются в медицине при лечении ряда заболеваний.