3 курс / Фармакология / Механизмы_биосинтеза_антибиотиков_и_их_действие_на_клетки_микроорганизмов

Основополагающими работами, которые использовали научный подход к проблеме химиотерапии инфекционных заболеваний, стали исследования П. Эрлиха, опубликованные в 1897 году, а в период с 1902 по 1912 год им были сформулированы почти все концепции, которые легли в основу последующего изучения антимикробных агентов. Его первые идеи возникли при работе с прижизненными красителями, избирательно поглощаемыми живыми клетками. Основываясь на работах Р. Коха о лечебном действии оксида мышьяка при терапии трипаносомоза, П. Эрлих синтезировал другие родственные соединения и исследовал их активность. В 1910 году им был создан лекарственный препарат сальварсан, получивший широкое применение в лечении сифилиса.

П. Эрлихом был предложен и сам термин «химиотерапия» для обозначения химических соединений, с помощью которых можно бороться с инфекционными болезнями. Впоследствии были сформулированы основные принципы этого научного направления. Во-первых, было постулировано, что лекарственные препараты должны связываться с определенными рецепторами, имеющимися на поверхности клеток. Данное положение нашло свое отражение в современных представлениях о механизмах транспорта лекарств через клеточные мембраны. Во-вторых, было постулировано, что химиотерапевтическое соединение должно обладать двумя функциональными особенностями: иметь участок связывания, или «гаптофор», обеспечивающий взаимодействие с рецепторами клеток; и «токсофор» − токсичную группировку, обусловливающую воздействие на клетку. В-третьих, П. Эрлих установил важность количественных измерений соотношения между дозой соединения, достаточной для лечебного эффекта и оказывающей токсическое действие. Им были введены такие понятия, как максимально переносимая доза (ДТ), минимальная лечебная доза (ДС), а их соотношение (ДТ/ДС) получило название химиотерапевтического индекса. Малотоксичные и нетоксичные препараты имеют индекс больше 1; если эта величина равна или меньше 1, то препарат является токсичным или высокотоксичным.

П. Эрлих предложил и стратегию поиска новых лекарственных препаратов. Один из подходов – проведение испытания большого числа различных химических соединений в относительно простом биологическом тесте для установления связи биологической активности с тем или иным типом химической структуры. Второй метод, предложенный ученым, заключался в направленном синтезе химических соединений, обладающих нужной антимикробной активностью. Любое улучшение антимикробных свойств (расширение спектра действия, снижение токсичности и др.) может быть использовано для получения наилучшей из возможных химических структур. П. Эрлих также считал, что соединения, действую-

4

щие на возбудителей инфекции, не обязательно должны вызывать гибель последних. Вполне достаточным может быть предотвращение его размножения, а в дальнейшем природные защитные механизмы организмахозяина (клеточные и гуморальные факторы иммунитета) справятся с чужеродными организмами.

П. Эрлих обратил внимание и на проблему устойчивости микроорганизмов к химиотерапевтическим соединениям. На основании различной чувствительности трипаносом к гистологическим красителям был сделан вывод о наличии у клеток различных рецепторов для взаимодействия с ними. В случае устойчивости и меньшего накопления красителя внутри клеток происходит снижение сродства между рецепторами и красителем. Важность научных выводов П. Эрлиха и сформулированных им основных положений теории химиотерапии позволяет назвать данный этап периодом научной химиотерапии.

В 1935 году появилось сообщение Г. Домагка об эффективности пронтозила красного (красный стрептоцид) при терапии бактериальных инфекций, вызванных грамположительными кокками. Оказалось, что в организме данное соединение распадается с образованием сульфаниламида, который и является эффективным антибактериальным агентом. В дальнейшем были синтезированы другие производные сульфаниламидов (этазол, фталазол), которые успешно используются до настоящего времени. Однако и сейчас достигнуто относительно мало в создании и использовании синтетических препаратов для терапии инфекционных заболеваний: синтетическими, например, являются производные 8-окси- хинолина, нитрофурановые соединения и некоторые другие. Этот период развития иссследований, посвященный обнаружению синтетических антимикробных препаратов, получил название сульфаниламидотерапии и продолжался примерно до 1940 года, когда был получен в кристаллическом виде первый антибиотик – пенициллин.

История открытия антибактериальных свойств пенициллина является увлекательной сама по себе и стала классическим примером для молодых исследователей. В 1929 году А. Флеминг обнаружил факт задержки роста стафилококков в присутствии плесени Penicillium notatum, и вещество, которое вызывало такой эффект, было названо пенициллином. Однако только в 1939−1940 годах Г. Флори и Э. Чейну удалось получить это вещество в неочищенном кристаллическом, но высокоактивном виде и продемонстрировать его активность in vitro. Данные исследования следует рассматривать как величайшие в медицине и биологии. Именно они послужили основой для возникновения такой отрасли знания, как учение об антибиотиках, заложили основы создания медицинской промышленности и промышленного получения антибиотиков.

5

Многие исследователи занимались проблемой поиска новых антибиотических препаратов. Следует отметить работы С. Ваксмана, которые привели к обнаружению и выделению стрептомицина. К 1940 году были известны пять антибиотиков: микофеноловая кислота (1896 год, Б. Гозио), пиоционаза (1899 год, Р. Эммерих и О. Лоу), актиномицетин (1937 год, М. Вельш), мицетин (1939 год, А. Красильников) и тиротрицин (1939 год, Р. Дюбо). Этот этап развития учения об антибиотиках получил название периода антибиотикотерапии.

Трудно оценить количество известных в настоящее время веществ с антимикробной активностью, отметим лишь, что ежегодно на цели их изыскания выделяются огромные средства. Рассмотрим причины столь пристального внимания к ним:

1.Многие антибиотические вещества или продукты их модификации – незаменимые лечебные препараты, широко применяемые при лечении инфекционных заболеваний, которые считались ранее либо неизлечимыми, либо характеризовались высокой летальностью.

2.В последние годы изменилась этиологическая структура ряда инфекций: число видов бактерий, вызывающих их, достигло 3000. Вместе с тем грамотрицательные бактерии характеризуются более высокой степенью устойчивости к антибиотикам в этиологии инфекционных заболеваний, что предполагает поиск новых антибиотиков и увелечение их выпуска.

3.Антибиотики необходимы в сельском хозяйстве как лечебные препараты, а также как стимуляторы роста животных. Кроме того, некоторые антибиотики применяются в пищевой промышленности в качестве консервантов скоропортящейся продукции.

4.Проблема возникновения и широкого распространения резистентных к антибиотикам форм микроорганизмов ставит задачу замены одних антибиотиков другими, более эффективными.

5.Антибиотики широко применяются в научных исследованиях, при изучении отдельных сторон метаболизма организмов, расшифровке тонких молекулярных механизмов биосинтеза белка, функционирования клеточных структур и т. п.

6.Изучение химической структуры и путей образования антибиотиков представляет интерес для специалистов в области химии природных соединений, способствует исследованию механизмов биосинтетической деятельности штаммов-продуцентов, раскрытию основных этапов их физиологии и др.

Столь широкое использование множества химических соединений, наделенных антибиотической активностью, позволяет назвать XXI век

6

периодом комбинированной химиотерапии. В клинике используется около 200 антибиотиков как индивидуальных средств и примерно в 10 раз больше их лекарственных форм (в виде таблеток, мазей, суспензий, порошков и др.). Среди всех групп лекарственных веществ антибиотики занимают первое место по жизненной необходимости.

Вцелом понятие «химиотерапевтические средства» (или вещества),

кчислу которых относятся антибиотики, антисептики, дезинфектанты, означает чужеродные для организма соединения, которые при введении в

организм оказывают губительное воздействие на возбудителя инфекции, уничтожая его или резко снижая патогенное влияние. Если эти средства применяются до начала развития инфекции, то говорят о химиопрофилактике, если при уже развившейся инфекции, то имеют в виду химиотерапию – теорию и практику использования химических средств специфического действия в комплексном лечении заболеваний, вызванных соответствующим возбудителем.

Эффект комбинированного применения терапевтических средств может проявляться в форме синергизма, антагонизма и индифферентности. Под синергизмом понимают возрастание противомикробного эффекта при комбинации двух препаратов как в отношении дозы, так и в отношении ожидаемого эффекта по сравнению с использованием каждого из них по отдельности. Антагонизм – снижение антимикробной активности одного препарата при добавлении другого. Индифферентность – явление более частое, чем предыдущие два, и в этом случае комбинация химиотерапевтических средств не превышает эффектов каждого из них или же представляет собой их арифметическую сумму. Вещества, действующие на микроорганизмы, должны удовлетворять следующим требованиям клиники:

•активность в отношении одного или нескольких возбудителей;

•хорошее всасывание и распределение в организме;

•низкая токсичность или ее полное отсутствие.

2.ПОНЯТИЕ «АНТИБИОТИК». КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ АСПЕКТЫ

ДЕЙСТВИЯ АНТИБИОТИКОВ НА КЛЕТКИ ПАТОГЕНОВ

Впервые термин «антибиотик» (буквальный перевод – «против жизни») ввел в употребление С. Ваксман в 1942 году. Однако до сих пор в литературе встречаются как более широкие, так и более узкие определения этого понятия. Учитывая все биологические особенности и свойства

7

химической структуры этих соединений, можно остановиться на следующем определении. Антибиотики – специфические продукты жизнедеятельности или их модификации, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов (вирусам, бактериям, грибам, водорослям и простейшим) или клеткам злокачественных опухолей, избирательно задерживающие рост или полностью подавляющие их развитие.

Характеризуя антибиотики как химические соединения, следует отметить следующие их особенности:

•молекулярная масса антибиотиков составляет от 150 до 5000 Д;

•молекулы антибиотиков состоят из углерода и водорода, или же из углерода, водорода, азота и кислорода, в некоторых случаях имеются атомы серы, фосфора или галогенов;

•в молекуле антибиотиков представлены практически все известные в органической химии группировки: карбоксильные, карбонильные, циклические, ароматические и др.;

•все антибиотики могут быть получены в кристаллическом виде. Строго говоря, к антибиотикам следует отнести и полусинтетиче-

ские производные, полученные либо путем химической модификации природных антибиотиков или продуктов метаболизма организмов, либо продукты, полученные в результате их микробиологической трансформации.

С биологической точки зрения антибиотики относятся к вторичным метаболитам клетки. Это значит, что они синтезируются на определенной стадии развития культуры-продуцента и их образование не является обязательным для клетки. Представления о двухфазности микробиологического синтеза вторичных метаболитов свидетельствуют, что в первую фазу (ростовую, или трофофазу) происходит накопление относительно окисленных соединений клетки, интенсивный синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, ферментов, а во время второй (продуктивной, или идиофазы) имеет место синтез антибиотиков. Среди других биологических особенностей образования антибиотиков можно отметить следующие:

1)большинство антибиотиков являются вторичными метаболитами трех главных групп организмов: эубактерий, актиномицетов, грибов. Немногие антибиотики образуются высшими грибами, водорослями и растениями, причем обычно такие антибиотики характеризуются малой специфичностью биологического действия;

2)наиболее разнообразные антибиотики образуются актиномицетами (не менее 50 % из всех известных), мицелиальными грибами (около 10 %), из эубактерий наиболее часто продуцентами являются представи-

8

тели родов Bacillus и Pseudomonas (около 400−600), причем большинство антибиотиков бактериального происхождения – полипептиды;

3)очень часто определенный штамм образует семейство сходных по структуре и одинаково синтезируемых антибиотиков, но возможно образование одним продуцентом двух или более неродственных соединений;

4)образование антибиотиков не является видоспецифичным или родоспецифичным свойством продуцента: один и тот же антибиотик может синтезироваться далеко отстоящими в систематическом отношении микроорганизмами. Однако связь между таксономическим положением и синтезом определенных групп антибиотиков все же прослеживается (терпеноидные структуры синтезируются только грибами, а стерины входят в число компонентов их клеточных стенок).

Подавление антибиотиками роста других организмов включает два понятия: бактериостатическое, при котором после удаления антибиотика из среды рост восстанавливается, и бактерицидное – необратимое летальное действие антибиотика на клетку. В том случае, если гибель микрооорганизма определяется лизисом клетки, говорят о бактериолитическом действии антибиотика. Соответствующие указанным выше эффектам концентрации антибиотиков получили название бактерицидных и бактериостатических.

Основная характеристика активности антибиотика – минимальная концентрация, подавляющая рост микроорганизмов, которая называется

минимальная подавляющая (или ингибирующая) концентрация (МПК,

МИК). На эту величину оказывают влияние ряд факторов: состав среды,

вкоторой проводится определение (рН, наличие сыворотки, определенных катионов); условия инкубирования (температура, время, аэрация); величина и плотность инокулюма и т. п. Кроме того, характеризуя действие антибиотика, особенно необходимо учитывать вид микроорганизмов

и форму его нахождения in vivo − внутриили внеклеточно.

Величина биологической активности антибиотиков обычно выражается в условных единицах, содержащихся в 1 мл раствора (ед/мл) или в

1 мг препарата (ед/мг). За единицу антибиотической активности при-

нимается минимальное количество антибиотика, способное подавить развитие или задержать рост определенного числа клеток стандартного штамма тест-микроба в единице обьема питательной среды. Например, за единицу активности пенициллина принято минимальное количество препарата, задерживающее рост золотистого стафилококка в 50 мл бульона, а для стрептомицина – минимальное количество антибиотика, задерживающее рост кишечной палочки в 1 мл бульона. После выделения

9