Антибіотики

Антибіотики, що виробляються мікроорганізмами хімічні речовини, які здатні гальмувати ріст і викликати загибель бактерій і інших мікробів. Протимікробний дію антибіотиків має вибірковий характер: на одні організми вони діють сильніше, на інші - слабкіше або взагалі не діють. Вибірково і вплив антибіотиків і на тваринні клітини, внаслідок чого вони розрізняються за ступенем токсичності і впливу на кров та інші біологічні рідини. Деякі антибіотики становлять значний інтерес для хіміотерапії і можуть застосовуватися для лікування різних мікробних інфекцій у людини і тварин.

Історичний нарис

В народній медицині для обробки ран і лікування туберкульозу здавна застосовували екстракти лишайників. Пізніше до складу мазей для обробки поверхневих ран стали включати екстракти бактерій Pseudomonas aeruginosa, хоча чому вони допомагають, ніхто не знав, і феномен антібіоза був невідомий.

Однак деякі з перших учених-мікробіологів зуміли виявити і описати антібіоз (пригнічення одними організмами зростання інших). Справа в тому, що антагоністичні відносини між різними мікроорганізмами виявляються при їх зростанні в змішаній культурі. До розробки методів чистого культивування різні бактерії і цвілі вирощувалися разом, тобто в оптимальних для прояву антібіоза умовах. Луї Пастер ще в 1877 описав антібіоз між бактеріями грунту і патогенними бактеріями - збудниками сибірської виразки. Він навіть припустив, що антібіоз може стати основою методів лікування.

Перші антибіотики були виділені ще до того, як стала відомою їх здатність пригнічувати ріст мікроорганізмів. Так, в 1860 був отриманий у кристалічній формі синій пігмент піоціанін, що виробляється невеликими рухомими паличкоподібними бактеріями роду Pseudomonas, але його антибіотичні властивості були виявлені лише через багато років. У 1896 з культури цвілі вдалося кристалізувати ще одне хімічна речовина такого роду, що одержало назву мікофеноловая кислота.

Поступово з'ясувалося, що антібіоз має хімічну природу і обумовлений виробленням специфічних хімічних сполук. У 1929 Олександр Флемінг, спостерігаючи антагонізм Penicillium notatum і стафілокока в змішаній культурі, відкрив пеніцилін і припустив можливість його застосування в лікувальних цілях. Антагоністичні відносини між хвороботворними мікробами і для рослин непатогенних мікроорганізмами грунту, виявлені в змішаних культурах, зацікавили фітопатології, і вони спробували використовувати цей феномен для боротьби з хворобами рослин. Було відомо, що в грунті присутній певний грибок, який зменшує випрівання паростків; в 1936 з культури цього грибка був виділений антибіотик, що отримав назву гліотоксін. Це відкриття підтвердило значення антибіотиків як засобів профілактики захворювань.

Серед перших дослідників, які зайнялися цілеспрямованим пошуком антибіотиків, був Р. Дюбо. Проведені ним та його співробітниками експерименти привели до відкриття антибіотиків, що виробляються деякими грунтовими бактеріями, їх виділення в чистому вигляді та використання в клінічній практиці. У 1939 Дюбо отримав тіротріцін - комплекс антибіотиків, що складається з граміцидину і тіроцідіна; це стало стимулом для інших вчених, які виявили ще більш важливі для клініки антибіотики. У 1942 Х. Флорі зі своїми колегами по Оксфордському університету повторно досліджував пеніцилін і довів можливість його клінічного використання в якості нетоксичного засоби лікування багатьох гострих інфекцій. Тоді ж ці речовини почали називати антибіотиками. З. Ваксман зі своїми студентами в Університеті Ратджерса, США, займався актиноміцети (такими, як Streptomyces) і в 1944 відкрив стрептоміцин, ефективний засіб лікування туберкульозу та інших захворювань. Після 1940 було отримано безліч клінічно важливих антибіотиків, в їх числі бацитрацин, хлорамфенікол (левоміцетин), Хлортетрациклін, окситетрациклін, амфотерицин В, циклосерином, еритроміцин, гризеофульвін, канаміцин, неоміцин, ністатин, поліміксин, ванкоміцин, віоміцін, цефалоспорини, ампіцилін, карбеніцилін, аміноглікозиди, стрептоміцин, гентаміцин. В даний час відкривають все нові й нові антибіотики. У середині 1980-х років у США антибіотики прописувалися частіше, ніж будь-які інші ліки, за винятком седативних засобів і транквілізаторів.

Отримання антибіотиків

Здатністю виробляти антибіотики мають не всі мікроорганізми, а лише деякі штами окремих видів. Так, пеніцилін утворюють деякі штами Penicillium notatum і P. chrysogenum, а стрептоміцин - певний штам Streptomyces griseus, тоді як інші штами тих же видів або взагалі не виробляють антибіотики, або виробляють, але інші. Існують також відмінності між штамами-продуцентами антибіотиків, причому ці відмінності можуть бути кількісними або якісними. Один штам, наприклад, дає максимальний вихід даного антибіотика, коли культура росте на поверхні середовища і знаходиться в стаціонарних умовах, а інший - лише коли його культура занурена в середу і постійно струшується. Деякі мікроорганізми виділяють не один, а декілька антибіотиків. Так, Pseudomonas aeruginosa утворює піоціаназу, піоціанін, піоліпоевую кислоту та інші ПІО-з'єднання; Bacillus brevis виробляє граміцидин і тіроцідін (суміш, відому під назвою тіротріцін); P. notatum - пеніцилін і пенатін; Aspergillus flavus - пеніцилін і аспергілловую кислоту; Aspergillus fumigatus - фумігатін, спінулозін, фумігацін (гельволевую кислоту) і гліотоксін; Streptomyces griseus - стрептоміцин, маннозідострептоміцін, ціклогексімід і стрептоцін; Streptomyces rimosus -- окситетрациклін і рімоцідін; Streptomyces aureofaciens - Хлортетрациклін і тетрациклін. Один і той самий антибіотик може продукуватися мікроорганізмами різного роду. Так, гліотоксін утворюють види Gliocladium і Trichoderma, а також Aspergillus fumigatus та ін Різні мікрорганізми або їх штами можуть виробляти різні хімічні форми одного й того ж антибіотика, наприклад різні пеніциліни або різні форми стрептоміцину.

В останні роки виділено і описано величезне число антибіотиків, що продукуються різними організмами. Здатністю виробляти антибіотики мають як спороутворюючі, так і не утворюють спор бактерії, а крім того, більш половини вивчених на цей предмет пологів грибів.

неспороутворюючих бактерії. З групи бактерій, раніше званих Bacillus pyocyaneus, а пізніше відомих як Pseudomonas aeruginosa, виділені піоціанін і піоціаназа. Інші не утворюють спор бактерії теж виробляють антибіотики, сильно розрізняються за хімічною структурою і антибактеріальних властивостей. Прикладом можуть служити коліціни, вироблені різними штамами кишкової палички (Escherichia coli).

спороутворюючі бактерії. Багато видів спороутворюючих бактерій виробляють різні антибіотики. Так, штами Bacillus subtilis виробляють бацитрацин, субтілін та ін; B. brevis -- тіротріцін, B. polimixa (B. aerosporus) - поліміксин (аероспорін). З B. mycoides, B. mesentericus і B. simplex виділені різноманітні, ще недостатньо вивчені сполуки: баціллін, колістатін та ін Багато хто з них перешкоджають росту грибків.

Актиноміцети. Крім пеніциліну, найбільш важливі антибіотики, що використовуються в якості хіміотерапевтичних засобів, були отримані з актиноміцетів (грібковоподобних бактерій). До теперішнього часу виділено або описано понад 200 таких з'єднань. Деякі з них широко застосовуються в лікуванні інфекційних захворювань людини і тварин. До таких антибіотиків відносяться стрептоміцин, тетрациклін, еритроміцин, новобіоцін, неоміцин та ін Одні з них мають в основному антибактеріальну дію, інші -- антигрибкові, а третій активні проти деяких великих вірусів.

Грибки. Грибками в медицині називають мікроорганізми, що відносяться до царства грибів. Це одні з найбільш важливих виробників антибіотиків. Вони виробляють цефалоспорин, гризеофульвін, мікофеноловую кислоту, пеніциліновий кислоту, гліотоксін, клавацін, аспергілловую кислоту і багато інших з'єднань.

Інші організми. Водорості. Багато водорості здатні виробляти речовини, що володіють антибіотичними властивостями, але поки що жодне з них не знайшла клінічного застосування.

Лишайники. До антибіотиків, вироблюваним лишайниками, відносяться ліхенін і усніновая кислота.

Вищі рослини. Вищі зелені рослини також утворюють антибактеріальні речовини, подібні по своїх властивостях з істинними антибіотиками. До них відносяться фітонциди - Аліцин, Томатина та ін

Тварини. Серед продуктів тваринного походження, що володіють антибактеріальними властивостями, важливе місце займає лізоцим. Багато найпростіші, личинки комах і деякі інші тварини можуть перетравлювати живі бактерії і грибки, однак поки що не з'ясовано, якою мірою ця здатність пов'язана з виробленням речовин, що володіють антибіотичними властивостями.

Хімічна природа

Розроблено кілька систем класифікації антибіотиків, причому за основу бралися різні критерії: походження, антимікробні властивості, токсичність по відношенню до твариною, розчинність або хімічна природа. Найбільш логічним представляється останній підхід до класифікації. Антибіотики можна, наприклад, розділити на ліпоїдами, пігменти, поліпептиди, серусодержащіе з'єднання, хінони, кетони, лактони, нуклеозиди та глікозиди.

Деякі антибіотики вдалося синтезувати (піоціанін, циклосерином і, що найбільш важливо, пеніцилін). Однак весь пеніцилін G (бензилпеніцилін), що застосовувався в медицині до 1962, мав біологічне походження. Поєднання біологічного і хімічного синтезу дозволило створити велике сімейство нових пеніцилінів, багато хто з яких знайшли застосування в якості ліків.

Механізм дії

Антибіотики вважаються в основному бактеріостатичними агентами, тобто інгібіторами росту, хоча деякі з них мають виражену бактерицидну або навіть бактеріолітіческім дією. Багато антибіотики, наприклад актиноміцин, високотоксичних по відношенню до тканин тваринного організму і застосовуються тільки в як протипухлинних препаратів; інші, зокрема пеніциліни, зовсім нетоксичні або (як стрептоміцин) мають лише слабкою токсичністю. Антибіотики широкого спектру дії (наприклад, тетрациклін) порушують нормальну мікробну флору кишечника і можуть викликати шлунково-кишкові розлади або сприяти вторинним інфекціям. Деякі нерозчинні в воді і тому застосовуються лише для лікування поверхневих або місцевих інфекційних процесів. Одні (наприклад, тіротріцін) мають гемолітичним дією, тобто руйнують еритроцити; інші (наприклад, іміпімен), навпаки, інактивуються клітинами організму. (Фермент, інактивуючої іміпімен, в Нині відомий; введення іміпімена разом з інгібітором цього ферменту дозволяє зберегти високу активність антибіотика з усього спектру дії.) Оскільки антибіотиків властива виборча антибактеріальна активність, жоден з них не може застосовуватися як загальне дезінфікуючий засіб проти будь-яких бактерій. Пеніцилін і еритроміцин активні в основному проти кокова форм і різних грампозитивних бактерій, а стрептоміцин -- проти туберкульозної палички. Пеніцилін і стрептоміцин відносно слабко діють на грибкову флору і віруси, хоча перша володіє деякою активністю проти великих вірусів, наприклад проти вірусу пситтакоз, а другий - Проти деяких рикетсій і збудників тропічної пахової гранульоми. Проте ряд антибіотиків, в першу чергу тетрацикліни, діють на багато грампозитивні та грамнегативні бактерії, а також на рикетсії і великі віруси. Деякі антибіотики мають високу противогрибковой активністю, тоді як інші - протипухлинну дію.

Місце програми дії. Антибіотики відрізняються один від одного не тільки за хімічною структурою, але і за місцем програми дії на мікробну клітку. Дія антибіотиків, що застосовуються в низьких концентраціях, звичайно направлено на специфічні особливості життєдіяльності патогенних мікроорганізмів. Клітинні стінки бактерій і грибків цвілевих сильно відрізняються від клітинної оболонки тварин клітин, і багато нетоксичні антибіотики блокують освіту саме клітинних стінок. Так діють пеніцилін, бацитрацин, циклосерином і цефалоспорини, що застосовуються в клініці при бактеріальних інфекціях, а також гризеофульвін, який використовується при шкірних грибкових захворюваннях. Особливо важливу роль у життєдіяльності бактеріальної клітини грає її плазматична мембрана, розташована під клітинною стінкою. Вона регулює проходження в клітку поживних речовин і вихід продуктів виділення, в ній протікають багато ферментативні процеси. Антибіотик поліміксин зв'язується з клітинною мембраною багатьох грамнегативних бактерій і порушує її функцію. Тіроцідін володіє хімічними властивостями детергенту і руйнує мембрану. На неї впливає і стрептоміцин: знову синтезованих мембрана виявляється дефектною, і клітина втрачає життєво важливі для себе компоненти. Ністатин, зв'язуючись з клітинними мембранами різних дріжджових і цвілевих грибків, призводить до втрати їх клітинами необхідного елемента - калію. У всіх живих клітинах відбувається синтез білка. Хлорамфенікол специфічно блокує цей процес у багатьох бактерій. Тетрацикліни теж блокують білковий синтез, але не менш важливою стороною їх ефекту є утворення комплексів з металами і вплив на зв'язування кальцію, магнію та марганцю в клітці. На синтез білка впливає також еритроміцин. Вивчення механізмів дії різних антибіотиків дало багато корисних відомостей про біохімічні процеси, протікають у клітинах мікроорганізмів. Навіть ті антибіотики, які не застосовуються в лікувальних цілях, можуть використовуватися як важливий інструмент біохімічних досліджень.

Основний механізм, за допомогою якого пеніцилін вбиває бактерії (у тому числі культивовані, що використовується для визначення чутливості бактерій до антибіотика), в Нині добре вивчений. Пеніцилін діє на клітинну стінку бактерій; її найважливішим компонентом є пептидоглікану - складні структури, де подібні з глюкозою цукру пов'язані один з одним поперечними пептидними містками, утвореними амінокислотами. У нормі пептидоглікану надають стінок бактерій механічну міцність і стійкість. Пеніцилін так змінює їх біосинтез, що клітинна стінка втрачає необхідну міцність. У результаті вміст бактеріальної клітини випливає, і клітина гине. Оскільки клітини ссавців мають зовсім іншу, що не містить пептідогліканов, оболонку, пеніцилін практично не діє на них. Таким чином, пеніцилін, як правило, абсолютно нешкідливий для людини, якщо не брати до уваги рідкісних побічних ефектів, наприклад важких алергічних реакцій.

Стійкість до антибіотиків. Багато бактерії при тривалому контакті з антибіотиками здатні пристосовуватися до їх дії; це приводить до появи стійких штамів таких бактерій. Так, культури Staphylococcus aureus, спочатку чутливі до пеніциліну, можуть стати резистентними до нього. Інші штами S. aureus виробляють фермент пеніциліназу, який руйнує пеніцилін, і тому здатні викликати важкі інфекційні захворювання навіть у осіб, які отримують цей антибіотик. Туберкульозна паличка, Mycobacterium tuberculosis, будучи спочатку чутливою до стрептоміцину, в ряді випадків адаптується до нього. Деякі штами мікроорганізмів набувають стійкість до кількох антибіотиків. В останні роки багато лікарів висловлюють побоювання, що повсюдне захоплення антибіотиками різко знижує їх ефективність при лікуванні гонореї, черевного тифу, пневмококової пневмонії, туберкульозу, менінгіту та інших важких захворювань.

Клінічне застосування

Антибіотики зробили революцію в лікувальній практиці. Серед численних антибіотиків, широко застосовуються в якості хіміотерапевтичних засобів, у найбільших кількостях використовуються пеніциліни, цефалоспорини, стрептоміцин та інші аміноглікозиди, хлорамфенікол, тетрациклін та еритроміцин. Крім того, важливе значення мають бацитрацин, поліміксин, неоміцин, ністатин і гризеофульвін. У о?? ределенних випадках використовують також і інші антибіотики.

Пеніцилін широко застосовується в лікуванні стафілококових інфекцій - остеомієліту, інфекційного артриту, пневмонії, бронхіту, емпієми, ендокардиту, фурункульозу, ларинготрахеїту, маститу, менінгіту, запалення середнього вуха, перитоніту, інфікованих ран і опіків, септицемії, синуситу, тонзиліту і багатьох інших захворювань. Його з успіхом використовують при різних інфекціях, що викликаються гемолітичними і анаеробними стрептококами, пневмококами, гонококами, менінгококи, анаеробними клостридії (збудниками газової гангрени), дифтерійним паличками, збудниками сибірки, спірохетами і багатьма іншими бактеріями. Однак при змішаних інфекціях, що викликаються грамнегативними бактеріями, а також при малярії, туберкульозі, вірусних інфекціях, грибкових і деяких інших захворюваннях пеніцилін неефективний. Токсична дія пеніциліну проявляється головним чином у вигляді алергічних реакцій (навіть на мінімальні дози) і судомних нападів (при введенні дуже великих доз).

Цефалоспорини за хімічною структурою близькі до пеніциліну, але мають високу стійкість до дії руйнують ферментів (бета-лактамаз), що виробляються рядом бактерій для захисту від пеніциліну. Тому цефалоспорини високоактивні по відношенню до бактерій кишкової групи (грамнегативних паличкоподібні бактерій типу Escherichia coli), в нормі населяють товстий кишечник, і помірно активні по відношенню до дуже небезпечному Pseudomonas aeruginosa, який викликає важкі ураження шкіри. В даний час отримано велику кількість цефалоспоринів, серед них -- застосовувані в клініку цефалотин, цефазолін, цефалексин, цефамандол, дефоксітін і цефтріаксон. Ці з'єднання представляють особливу цінність у випадках важких внутрішньолікарняних інфекцій, коли висока ймовірність зараження стійкими штамами, а також у випадках доведеної резистентності збудника до більш старим і менш ефективним антибіотиків.

Стрептоміцин застосовується при багатьох інфекціях. Це ефективний засіб лікування менінгіту, ендокардиту, ларинготрахеїту, а також захворювань сечових шляхів і легенів, що викликаються бацилою Пфейфера (Hemophilus influenzae). Лікуванню стрептоміцином піддаються також менінгіт, пневмонія і інфекції сечових шляхів, якщо причиною цих захворювань є чутливі до нього штами Escherichia coli, Proteus vulgaris, Klebsiella pneumoniae (бацила Фридлендера), Aerobacter aerogenes і Pseudomonas. Він ефективний при менінгіті, викликається чутливими до даного антибіотика штамами Salmonella, і при туляремії. Крім того, стрептоміцин застосовується при перитоніті, абсцесах печінки, інфекції жовчних шляхів і емпіємі, що викликаються чутливими до нього мікроорганізмами, туберкульозі, хронічних легеневих інфекціях, зумовлених переважно грамнегативними бактеріями, і ендокардиті, причиною якого служать стійкі до пеніциліну, але чутливі до стрептоміцину бактерії. У Водночас стрептоміцин володіє деякою токсичністю і може обумовлювати запаморочення, глухоту і інші небажані явища. Крім того, збудники інфекцій швидко стають стійкими до цього антибіотика. Побічні ефекти під чому вдається усунути шляхом зниження дози і рідкіснішого введення стрептоміцину, а резистентність збудників (зокрема, при лікуванні туберкульозу) - його застосуванням разом з іншими речовинами, наприклад пара-аміносаліцилова кислотою і гідразідом ізонікотинової кислоти.

Інші аміноглікозиди. Крім стрептоміцину в медицині застосовується ряд інших аміноглікозидів (гентаміцин, тобраміцин, канаміцин). Як видно з їх родового назви, всі вони містять аміносахара, з'єднані Глікозидний зв'язком. Антибіотики цієї групи, як і стрептоміцин, володіють вираженою токсичністю, особливо щодо слухової і вестибулярної (обумовлює відчуття рівноваги) систем, але нерідко й у відношенні нирок. Дії цих антибіотиків піддається в основному аеробна грамнегативна флора, тоді як більшість грампозитивних бактерій проявляє високу стійкість до них.

Хлорамфенікол і тетрациклін. Судячи з перехресної резистентності різних бактерій і спектру антимікробної дії, ці антибіотики, особливо тетрацикліни, мають подібні біологічні властивості. Вони ефективні при прийомі внутрішньо (перорально) і широко застосовуються при численних інфекційних захворюваннях, що викликаються бактеріями і деякими великими вірусами. До таких захворювань відносяться черевний тиф, різні форми висипного тифу, плямиста лихоманка, гонококові інфекції, сифіліс, бруцельоз, інфекції сечових шляхів, венерична лімфогранульома та багато інших. Ці антибіотики ефективні також при більшості захворювань, для лікування яких показаний пеніцилін, і їх часто призначають при стійких до пеніциліну інфекціях, а також у тих випадках, коли воліють пероральну терапію.

Еритроміцин і новобіоцін. Еритроміцин та інші антибіотики (наприклад, карбоміцін, олеандоміцин), що мають особливу (макролідних) хімічну структуру, а також новобіоцін характеризуються широким спектром дії - приблизно таким же, як у пеніциліну, але охоплює і деякі грамнегативні бактерії. Їх переваги полягають у можливості прийому всередину і низької токсичності; вони відносно рідко викликають шлунково-кишкові розлади.

Інші антибіотики. До інших клінічно важливим антибіотиків відносяться тіротріцін, поліміксин (аероспорін) і бацитрацин. Будучи порівняно токсичними, вони застосовуються головним чином зовнішньо і перорально. При грибкових інфекціях використовуються переважно ністатин, амфотерицин В і гризеофульвін.

Інші області застосування. Антибіотики широко застосовуються у ветеринарній практиці, для боротьби з рядом хвороб рослин (груш, бобів і перцю) і для очищення вірусних препаратів. антибіотики в корм для прискорення зростання домашньої птиці, свиней і корів. Ця практика викликає певні заперечення: багато вчених вважають, що вона сприяє поширенню хвороботворних мікроорганізмів, резистентних до дії антибіотиків, і тим самим загрожує здоров'ю людини.

Деякі мікроорганізми виробляють речовини, які гальмують розмноження вірусів або руйнують їх, зокрема, ці речовини активні щодо бактеріофагів і вірусів, що викликають хвороби рослин і тварин. Інші подібні з антибіотиками продукти життєдіяльності мікробів знищують або перешкоджають розмноженню пухлинних клітин, в ряді випадків діючи як справжні антибіотики. Деякі сполуки, зокрема актиноміцин, азасерін, саркоміцін і мітоміцін, володіють специфічної протипухлинної активністю і знаходять застосування в лікуванні раку у людини.

Список літератури

Стейніер Р., Едельберг Е., Інгрем Дж. Світ мікробів, тт. 1-3. М., 1979

Мецлер Д. Біохімія, тт. 1-3. М., 1980

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://bio.freehostia.com