Золушка, ставшая королевой

Врач берет флакон, на дне которого поблескивают кристаллики какого-то вещества, и, проколов иглой шприца пробку флакона, вводит в него дистиллированную воду. Прозрачные кристаллики быстро растворяются, и жидкость приобретает свойства сказочной "живой воды". Тысячи обреченных возвратил к жизни, к труду этот чудесный раствор, по внешнему виду ничем не отличающийся от обычной водопроводной воды. Многие из вас уже догадались, что речь идет о пенициллине, первом и наиболее известном антибиотике, нашедшем широкое применение в медицине.

Современному молодому врачу трудно даже представить себе, как могли его коллеги обходиться без антибиотиков четверть века назад. Однако, прежде чем достичь столь блестящего положения в медицине, первый из современных антибиотиков - пенициллин - долгое время влачил жалкое существование никем не признанной научной Золушки.

Историю пенициллина, вещества, вырабатываемого микроскопическим плесневым грибком пенициллиумом, или кистевиком, можно начать с работ двух выдающихся русских ученых А. Г. Полотебнова и В. А. Манассеина.

"Дедушка русской дерматологии" Алексей Герасимович Полотебнов (1838 - 1907 гг.) был учеником профессора С. П. Боткина, одного из основоположников русской научной медицины. В 1864 г. Полотебнов блестяще окончил Петербургскую медико-хирургическую академию и был оставлен при академии для усовершенствования. В конце 1867 г. Полотебнова командировали за границу для изучения дерматологии. Он побывал в клиниках Вены, Парижа, Бонна и после возвращения в Петербург в начале 1871 г. стал вести курс накожных болезней в Медико-хирургической академии. Перу Полотебнова принадлежат многочисленные работы по изучению кожных болезней. В этой области ему удалось выяснить целый ряд вопросов, связанных с причиной возникновения некоторых кожных заболеваний, признаками, сопровождающими их течение, и методами лечения.

Полотебнова интересовал также и вопрос о роли микроорганизмов в возникновении различных заболеваний. Это было время, когда рожденная блестящими работами Пастера микробиология делала свои первые еще не совсем уверенные шаги. Многие вопросы, бесспорные для нас, вызывали в то время острые дискуссии. Предметом одной из таких дискуссий был вопрос о происхождении самих бактерий. Полотебнов ошибочно утверждал, что бактерии зарождаются из плесневых грибков, в частности из пенициллов, и их нельзя считать животными организмами, так как они не могут активно двигаться, процессы питания и роста у них незаметны. В связи с этим он отрицал роль бактерий в заражении ран и возникновении инфекционных заболеваний.

Чтобы доказать свою точку зрения, Полотебнов решил прибегнуть к эксперименту. Он разводил на ломтиках лимона обильную плесень - пенициллиум, по его мнению, порождающую бактерии, а затем смешивал эту плесень с маслом и наносил кисточкой на поверхность язв. В других опытах он поверхность язвы покрывал слоем опор, которые образует в изобилии плесень. Таким образом, Полотебнов пытался заразить "бактериями" рану, в полной уверенности, что эта операция не принесет больному никакого вреда. Результаты опытов были очень интересными: язвы, подвергавшиеся обработке плесенью, заживали гораздо быстрее, чем контрольные.

К сожалению, впервые обнаружив благотворное влияние плесени на заживление язв и высказав предположение о значении плесени в хирургии, Полотебнов в/дальнейшем прекратил эти интересные эксперименты и больше к ним не возвращался.

Оппонентом Полотебнова в вопросе о генетической связи плесени и бактерий был его современник, профессор той же Медико-хирургической академии Вячеслав Авксентьевич Манассеин (1841 - 1901 гг.). Как и Полотебнов, он был учеником Боткина, побывал за границей и в 1876 г. стал профессором частной патологии и терапии. Манассеин был выдающимся терапевтом своего времени, уделявшим большое внимание изучению влияния различных факторов окружающей среды на организм человека.

Манассеин решил проверить выводы Полотебнова о возникновении бактерий из плесени, так как предполагал, что в опытах Полотебнова бактерии могли попадать извне. Проведя ряд точных и тонких экспериментов, Манассеин доказал ошибку своего ученого коллеги. Во всех опытах, где принимались меры защиты от проникновения бактерий извне, они в посевах плесени не появлялись и, следовательно, плесенью не порождались.

Проводя опыты с плесенью, Манассеин заметил угнетающее влияние пеницилла, или кистевика, на другие виды микроскопических грибов.

Работы Полотебнова и Манассеина, независимо от причин их породивших, были первыми микробиологическими и клиническими наблюдениями, указавшими на возможность применения пенициллина в медицинской практике. Однако уровень развития науки того времени не давал еще возможности разглядеть в невзрачном зернышке выросшего из него впоследствии великолепного дерева. Только бурное развитие микробиологии пролило новый свет на вопросы антагонизма в мире микроскопических живых существ, и только в наши дни это явление поставлено на службу человечеству.

Угнетающее влияние одних микроорганизмов на другие наблюдал еще гениальный Пастер в 1877 г., который по этому поводу бросил крылатую фразу: "Жизнь мешает жизни", Он уже тогда предвидел большие возможности этого явления в медицине при лечении различных инфекционных заболеваний. Эту идею великого ученого усиленно пропагандировал его выдающийся ученик И. И. Мечников, который впервые попытался использовать микробный антагонизм для практических целей в борьбе с преждевременным одряхлением. Он считал, что со временем происходит отравление организма токсинами гнилостных бактерий, населяющих кишечник, и предлагал подавлять их жизнедеятельность приемами простокваши. Молочная кислота, которая содержится в простокваше и выделяется содержащимися в простокваше микроорганизмами, действительно угнетает развитие целого ряда гнилостных бактерий. Однако Мечников не знал, что микробная флора не только выделяет токсические вещества, она также вырабатывает ряд витаминов и частично удовлетворяет потребность организма человека в этих столь необходимых ему веществах.

Вскоре после опытов Мечникова с простоквашей появился первый антибактериальный препарат, содержащий не микробы, а продукты их жизнедеятельности, токсины. Этот препарат назывался пиациназой и содержал токсины синегнойной палочки. Согласно рекламе, препарат губительно действовал на возбудителей сибирской язвы, тифа, дифтерии и ряда других инфекционных заболеваний. Препарат рекомендовался в качестве средства для лечения длительно незаживающих ран. Вокруг пиациназы была организована шумная реклама, но возлагавшихся на него надежд препарат не оправдал и быстро вышел из употребления. Неудачный дебют первого антибиотика создал у врачей предубеждение к подобным средствам, как к не заслуживающим серьезного внимания трюкам шарлатанов. Поэтому, когда в 1896 г. Гозио выделил из зеленой плесени очищенный кристаллический антибиотик - микофеноловую кислоту и нашел, что она подавляет рост возбудителей сибирской язвы, никто не заинтересовался его открытием. Фармацевтические фирмы были шокированы неудачей с пиациназой и не желали еще раз рисковать своей репутацией. Гозио так и не нашел средств для приобретения подопытных животных и вынужден был прекратить дальнейшие исследования.

Столь же безучастным было отношение медицинской общественности и деловых кругов к последовавшим после открытия микофеноловой кислоты сообщениям ученых о выделении других веществ с антибактериальными свойствами. В 1929 г. английский профессор Александр Флеминг сообщил об открытии им антибиотика пенициллина. Этим открытием, как и многим другим, человечество обязано случаю. Флеминг в это время был заведующим бактериологическим отделением одной из лондонских больниц. В лаборатории отделения ставились многочисленные опыты по выращиванию чистых культур различных бактерий. Для этого в стеклянную чашечку с питательной средой, напоминающей желе, помещались бактерии определенного вида, и чашечка быстро накрывалась прозрачной стеклянной крышкой. Искусство проведения такого эксперимента заключается в том, чтобы не допустить попадания на питательную среду посторонних бактерий или других микроорганизмов, споры которых обычно носятся в воздухе помещений. Бактерии, посеянные на питательную среду, быстро размножаются, и вскоре их колония становится видимой невооруженным глазом; обычно она напоминает круглый диск различной окраски: зеленой, синей, желтой, красной и т. д.

Наблюдая как-то за культурой бактерий стафилококков, Флеминг с досадой обнаружил, что на питательную среду из воздуха попали непрошенные гости - споры микроскопического грибка пеницилла (Penicillium), того самого, с которым проводили свои опыты Полотебнов и Манассеин. Споры проросли и дали обильные всходы. Это был брак в работе, опыты следовало повторить заново.

Пенициллы составляют обширную группу плесневых грибков, насчитывающую в настоящее время около 1000 видов. Они встречаются в почве, на различных растениях, особенно на зрелых плодах, в воздухе жилых помещений. Их можно обнаружить в виде зеленой плесени на стенах сырых и темных помещений, на испорченных фруктах, хлебе и т. д.

Внимание ученого, однако, поразила одна деталь представившейся ему картины. Вместе с пенициллом проросли и посеянные стафилококки, но только на почтительном расстоянии от пришельцев: зона, непосредственно примыкающая к колонии плесени, была пуста, непригодной для развития стафилококков.

Много раз ученый повторял опыты, подсказанные ему случаем, и всегда получал один и тот же результат. Сомнений не было - зеленая плесень выделяла какое-то вещество, губительно действовавшее на целый ряд различных микроорганизмов, в том числе и болезнетворных. Флеминг назвал это вещество пенициллином. Ученый понимал, что пенициллин можно использовать в медицине, но для этого следовало выяснить еще ряд вопросов. А что, если антибиотик, попав в кровь человека, будет также губительно действовать на красные и белые кровяные шарики, не будет ли он токсичен для организма? И снова десятки опытов следуют один за другим. Ответ на поставленные вопросы получился обнадеживающим. Пенициллин оказался совершенно безвредным для животного организма. Он не менял картину крови, не оказывал токсического действия.

Флеминг готовил вытяжки из культур зеленой плесени, и хотя они обладали сравнительно высокой антибактериальной активностью, пенициллина в них содержалось весьма мало. Все попытки Флеминга выделить этот антибиотик из раствора в кристаллическом виде окончились безрезультатно. В 1936 г. на Международном конгрессе микробиологов Флеминг сделал доклад о своих опытах с пенициллином, но его сообщение не привлекло к себе особого внимания. В это время взоры всех, кто был связан с медициной, были прикованы к новому многообещающему открытию. В 1935 г. были обнаружены антибактериальные свойства красного стрептоцида, применявшегося до этого в качестве красителя. Это был первенец появившейся позднее многочисленной группы сульфаниламидных препаратов, обладавших ярко выраженным антибактериальным действием. Эти вещества легко поддавались синтезу, можно было легко видоизменять их молекулу, получая продукты с новыми свойствами. Восторгу врачей и химиков, казалось, не будет предела. Многие полагали, что, разнообразя до бесконечности структуру сульфаниламидов, можно тем самым получать средства от всех видов болезнетворных микробов.

Однако постепенно стало выясняться, что сульфаниламидные препараты имеют ограниченную сферу действия. На целый ряд болезнетворных микроорганизмов они не оказывают никакого заметного действия, несмотря на все ухищрения химиков, предлагавших новые производные со все более замысловатыми формулами.

Нужны были какие-то принципиально новые вещества. И тогда-то вспомнили о пенициллине. Два талантливых английских ученых: молодой профессор Флори, заведовавший кафедрой патологии в Оксфордском университете, и биохимик Чейн задались целью выделить из раствора неуловимый пенициллин. Задача была не из легких. Молекула пенициллина оказалась очень хрупкой, обычные методы выделения разрушали ее. Английским ученым приходилось продвигаться неизведанным путем, изобиловавшим многочисленными препятствиями, и все же они достигли цели. В 1940 г. кристаллический пенициллин, наконец, был получен. В опытах на животных этот слегка желтоватый порошок оказался гораздо эффективнее сульфаниламидных препаратов и, что особенно важно, действовал на устойчивых к сульфаниламидам бактерий. В условиях начинавшейся второй мировой войны такой препарат был нужен как воздух. Работы по получению пенициллина стали форсироваться и в других странах. В 1942 г. З. В. Ермольевой и Т. И. Балезиной был получен первый советский пенициллин.

Однако в Англии пенициллину не повезло. Английское правительство не могло выделить необходимые для организации производства антибиотика средства. В это время страна уже находилась в состоянии войны с фашистской Германией. Флори пришлось ехать в Америку и там с помощью заинтересованных фармацевтических фирм налаживать сложное промышленное производство пенициллина. Когда этот препарат стал в большом количестве поступать в клиники, его чудесные свойства раскрылись в полной мере. Пенициллин оказался весьма эффективным средством лечения заражения крови, которое раньше часто приводило к смертельным исходам, огнестрельных ранений и других инфицированных травм. В хирургической практике он нашел успешное применение при гнойных поражениях суставов и полостей, при остеомиэлите, лечении нагноительных процессов в центральной нервной системе, брюшной и грудной полостях и т. д.

В числе первых пациентов, испытавших на себе благотворное действие пенициллина, был один из друзей Флеминга, заболевший менингитом. Он был доставлен в больницу в безнадежном состоянии, так как применявшиеся в таких случаях сульфаниламидные препараты не оказывали никакого действия. Однако, когда больному впрыснули раствор пенициллина, полученного Флемингом от Флори, его состояние сразу же улучшилось, а через неделю он уже был здоров. "Это произвело на меня, - писал после Флеминг, - глубокое впечатление, и этот случай немало повлиял на развертывание пенициллинового производства в Англии".

Плесневой грибок-пенициллиум

Врачи, познакомившиеся с чудесными свойствами нового препарата, требовали его все больше и больше. Стремительно расширялся круг показаний для применения пенициллина. Он оказался полезным также при лечении ранних форм столбняка, сибирской язвы, дифтерии, крупозного воспаления легких, менингита и ряда других заболеваний. Для удовлетворения спроса нужно было строить целые заводы по производству только одного препарата - пенициллина.

Однако организация промышленного производства первого антибиотика оказалась весьма сложным делом. Как и при лабораторных экспериментах, здесь требовался особый подход. Способы преодоления химической неустойчивости пенициллина были разработаны еще в лабораториях, и не представляло особого труда перенести их в условия крупного производства. Значительно труднее было справиться с другой проблемой. Оказалось, что пенициллин сам может разрушаться многими микроорганизмами, споры которых постоянно носятся в воздухе. Если споры таких микробов попадали в культуральную жидкость, где выращивалась зеленая плесень, они прорастали и начинали выделять в окружающую их среду особый фермент - пенициллиназу. Этот фермент разрывал в молекуле пенициллина несколько химических связей, после чего пенициллин терял антибактериальную активность. Вредные микроорганизмы легко могли попасть в культуральную жидкость с воздухом, которым она постоянно должна насыщаться. Малейшая микроскопическая трещина или зазор в соединениях многочисленных трубопроводов, клапанов, различных приборов, присоединенных к огромному котлу - ферментатору, в котором выращивается плесень, могли стать "воротами инфекции". Чтобы устранить эту опасность, воздух пришлось пропускать через огромные башни, в которых электрические осадители очищали его от пыли, а затем стерилизовать ультрафиолетовыми лучами. Трущиеся части насосов смазывали смазкой, содержащей дезинфицирующие вещества. Было придумано еще множество других технических усовершенствований, позволивших преградить другим микроорганизмам доступ в ферментатор.

Плесень, с которой экспериментировал Флеминг, вырабатывала мало пенициллина - всего около 10 единиц действия (ЕД) на 1 см³ культуральной жидкости. Этого было мало для промышленного производства препарата. Поэтому уже на первой пенициллиновой фабрике, открытой в г. Пеории (США), начались поиски более продуктивных штаммов плесени. Попытки найти подобную разновидность среди спор, носящихся вместе с пылью в воздухе, окончились безрезультатно. Тогда ученые решили заняться исследованием плесеней, развивающихся на различных продуктах питания. Одна из служащих фабрики получила задание закупать на рынке все заплесневелые продукты и доставлять их в лабораторию для исследования. Эта несколько странная для постороннего наблюдателя идея пришлась по вкусу рыночным торговцам, и они щедро снабжали "плесневую Мэри" гнилыми фруктами и овощами. Однажды с рынка в лабораторию была доставлена испорченная дыня, покрытая плесенью. Исследования показали, что плесень этой дыни выделяет пенициллин гораздо в большем количестве, чем грибок, привезенный Флори из Лондона. Новый штамм был размножен и после целого ряда экспериментов, ставивших своей задачей повысить выход пенициллина, был получен штамм грибка, выделявший до 100 ЕД в 1 см³ культуральной жидкости. Этот штамм пошел в промышленное производство.

Все увеличивавшийся спрос на пенициллин ставил перед учеными проблему еще большего увеличения продуктивности плесневого гриба. Самые современные достижения биологической науки были поставлены на службу для выполнения этой задачи. Плесень облучали ультрафиолетовыми и рентгеновыми лучами, обрабатывали различными химическими соединениями, чтобы повлиять на аппарат наследственности, контролирующий синтез всех веществ в клетках, в том числе и пенициллина. И поставленная цель была достигнута; вызывая экспериментальные мутации, генетикам удалось получить высокопродуктивные штаммы плесени, выделявшие более 1000 ЕД пенициллина на 1 см³ культуральной жидкости!

Культуральная жидкость, в которой выращивают зеленую плесень, в качестве питательных компонентов содержит сахар и некоторые минеральные соли (нитрат натрия, фосфат калия, карбонат кальция и некоторые другие). Рыло замечено, что при добавлении к этому основному составу некоторых органических веществ, выход пенициллина значительно увеличивается. Особенно хороший эффект получался при добавлении к культуральной жидкости настоя, получаемого из проросших зерен кукурузы. Ученые установили, что в кукурузном настое содержится фенилэтиламин - вещество, используемое плесневым грибом при синтезе пенициллина. В настоящее время кукурузный настой является обязательным компонентом питательной среды для выращивания плесени, производящей пенициллин.

Долгое время не удавалось установить, в чем же кроется механизм антибактериального действия пенициллина? Ответ на этот вопрос был получен только в 1957 г., когда выяснилось, что пенициллин подавляет процесс формирования клеточной стенки бактерий. Содержимое бактериальной клетки (протопласт), лишенное оболочки, растекается и бактериальная клетка гибнет. Такой механизм действия подтверждался тем, что в присутствии пенициллина в протопласте резко увеличивается количество уридин-нуклеотидов, тех кирпичиков, из которых строится клеточная оболочка бактерии. Формированием клеточной оболочки из уридин-нуклеотидов заведуют особые ферменты, они-то и становятся непосредственной жертвой пенициллина.

Пенициллин не является универсальным антибиотиком. На целый ряд микроорганизмов он не действует. Как было упомянуто раньше, у него даже есть могущественные враги из мира микробов, вырабатывающие фермент пенициллиназу. К числу таких врагов относится и туберкулезная палочка, она также способна вырабатывать пенициллиназу, поэтому пенициллин на нее не оказывает никакого действия.

Блестящий успех пенициллина вдохновил ученых всех стран на поиски новых антибиотиков, эффективных там, где оказывался бессильным пенициллин. И такие антибиотики были найдены. Хотя они также были не универсальны, но во многом дополняли действие пенициллина. Вскоре после введения пенициллина в широкую медицинскую практику был найден антибиотик, губительно действовавший и на туберкулезную палочку.