Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 31 страниц)

Как достигают цели «волшебные пули»

Лабораторные опыты с сульфаниламидами позволили узнать, каким образом они обезвреживают бактерии.

В отличие от некоторых антибактериальных веществ, таких, например, как дезинфекционные средства, сульфаниламиды не убивают бактерии, они прекращают их размножение.

Бактериостатическое действие сульфаниламидов проявляется в том, что они влияют на ход химических реакций в бактериальных клетках, и это приводит в конце концов к прекращению процесса размножения. А поскольку и бактерии не бессмертны, клетки, переставшие размножаться, через некоторое время погибают.

Но это уже вторичное явление. Исследуя действие сульфаниламидов на ту или иную бактериальную культуру в лабораторных условиях, ученые неоднократно подмечали, что состав некоторых питательных сред противодействует влиянию препарата.

Лишь в 1940 году ученые смогли наконец разрешить вопрос о том, какое вещество парализует действие сульфаниламидов. Английский микробиолог К. Р. Вудс установил, что это пара-аминобензойная кислота (ПАБК). Каждая молекула этого вещества нейтрализует бактериостатическое действие 1000, а иногда и 26 000 молекул сульфаниламида в культуре стрептококков. Если в культуру стрептококков, в которой ранее введением сульфаниламида их размножение было прекращено, добавить небольшое количество ПАБК, деление клеток возобновляется. Такая активность пара-аминобензойной кислоты позволила Вудсу считать, что это вещество необходимо для нормального существования бактерий.

Подобные наблюдения проводил и соотечественник Вудса Филдс. Он установил, что если в питательной среде количество сульфаниламида выше той нормы, которую могла «блокировать» ПАБК, то размножение прекращается. Филдс развил мысль Вудса об огромном значении ПАБК для бактерий, показав, что это вещество является существенным компонентом ферментов, катализирующих важные реакции в клетках бактерий.

Дальнейшие исследования подтвердили предположение Филдса. Пара-аминобензойная кислота оказалась витамином группы В. Она участвует в качестве кофермента главным образом в процессе переноса атомарного водорода – одной из важнейших биохимических реакций во всех живых клетках.

Каким же образом сульфаниламиды нарушают активность ферментов, содержащих пара-аминобензойную кислоту? Это первый вопрос. И второй: почему эта кислота может «блокировать» в несколько тысяч раз большее количество молекул сульфаниламидов? Ответ на оба вопроса один.

Сравним химическую структуру пара-аминобензойной кислоты и сульфаниламида. Они сходны – лишь вместо карбоксильной группы (—СООН), содержащейся в ПАБК, сульфаниламид имеет сульфамидную группу (—S0₂NH₂). Это сходство позволило Вудсу и Филдсу предположить, что сульфаниламиды замещают ПАБК в ферментах микроорганизмов, тем самым лишая их активности. Если в среде находится достаточное количество ПАБК, ферменты полностью обеспечены этим веществом и сульфаниламиды не могут оказать на них вредного действия. Представим себе, что в питательной среде имеется 1000 молекул белка, которые должны соединиться с ПАБК для образования активного фермента. Но в среде находится лишь 20 молекул ПАБК и несколько сотен миллионов молекул сульфаниламида. 980 белковых молекул не смогут соединиться с ПАБК, и тогда имеющиеся в среде очень сходные в химическом отношении молекулы сульфаниламида соединятся с 980 свободными молекулами белка. Фермент не сможет образоваться, биохимические превращения не произойдут, и в результате клетки перестанут делиться.

Итак: 1. Молекулы ПАБК, соединяясь с определенным белком, образуют фермент, катализирующий основные биохимические реакции. Результат: клетки растут и размножаются.

2. При соединении сульфаниламида с этим же белком фермент не образуется. Результат: биохимические реакции не происходят, рост клеток прекращается и они перестают размножаться.

Сопоставление химической структуры пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) и сульфаниламида

При нормальных условиях клетки быстрее усваивают пара-аминобензойную кислоту, чем молекулы сульфаниламидов. С этим связан и факт «блокирования» сульфаниламидов кислотой. Этот факт имеет важное практическое значение: при лечении необходимо ввести достаточное количество сульфамидного препарата, чтобы «блокировать» действие ферментов, в которых нуждается ПАБК.

Еще более эффективным лечебным препаратом является септрин. Он состоит из двух компонентов – сульфаниламида и триметоприма, которые двояко действуют на бактерии: сульфаниламид блокирует включение ПАБК в дигидро-фолиевую кислоту, а триметоприм – ее превращение в тетрагидрофолиевую кислоту, играющую роль «переносчика одноуглеродных соединений».

Разочарование

Появление сульфаниламидов врачи встретили с воодушевлением и большими надеждами. Сколько серьезных болезней было ликвидировано новыми лекарствами! Фармацевтическая промышленность буквально заполонила рынок огромным количеством сульфамидных препаратов, имеющих самые разные фирменные названия и символы. Врачи поздравляли друг друга с крупным успехом, их авторитет необычайно возрос.

Однако использование сульфамидных препаратов в борьбе с бактериями имело и свои теневые стороны. Прошло всего лишь несколько лет, и в лексиконе микробиологов и врачей все чаще стало появляться слово резистентность (устойчивость). Значение этого слова приобретало все более тревожный смысл – сульфаниламиды не оправдывали надежд. По истечении шести лет со времени введения в практику сульфамидных препаратов большая часть больных гонореей уже не поддавалась лечению. Бактерии стали устойчивыми к этому препарату.

Неудачи касались не только гонореи. «Сопротивляться» стали и другие инфекционные болезни. Было показано, что устойчивость бактерий к сульфаниламидам передается последующим поколениям. В связи с этим в период второй мировой войны сульфамидные препараты применялись реже.

К этому времени в некоторых странах медики уже имели в своем распоряжении новое средство, вытеснившее сульфаниламиды, – пенициллин. Но и он не был «панацеей от всех бед». С ним стала повторяться та же история – микробы и к нему приспособились, Но это явление, как мы еще убедимся в дальнейшем, позволило ученым глубже вникнуть в тайны наследственности микроорганизмов.

Борьба с «белой чумой» продолжается

С того времени, как было установлено, что туберкулез является инфекционным заболеванием, и до открытия туберкулезной палочки прошло 40 лет. Интересно, что до открытия и применения вакцины БЦЖ прошло тоже 40 лет. А потом минуло еще четверть века до той поры, когда против этой «белой чумы» стали использовать и химиотерапевтические средства.

Сульфаниламиды не были эффективны в борьбе с возбудителем туберкулеза. После второй мировой войны Домагк и его сотрудники синтезировали контебен и неоконтебен. Оба вещества относятся к тиосемикарбозонам. В послевоенные годы удалось синтезировать еще два препарата – пара-аминосалициловую кислоту (ПАСК) в 1946 году и изониазид (ИНА) в 1951 году; оба обладали высокими противотуберкулезными свойствами. Вместе с ними медицина получила и третье боевое оружие в борьбе с туберкулезом в виде антибиотика стрептомицина.

Введение в практику этих трех лекарственных веществ резко изменило ситуацию, и в 1950–1960 годы смертность от туберкулеза значительно снизилась. Так, если раньше в Голландии на 100 000 жителей от этой болезни умирало 14, го после введения в практику ПАСК, ИНА и стрептомицина число умерших снизилось до 2 человек. В США смертность также снизилась с 21 до 6, во Франции с 47 до 20, а в Японии со 122 до 31 человека.

Однако не стоит забывать, что в ряде развивающихся стран туберкулез, малярия и голод по-прежнему остаются главными причинами высокой смертности. И по прежнему остается в силе лозунг «Никакого перемирия в борьбе с туберкулезом!»

Можно ли искоренить малярию?

Хинин, самое старое из известных средств против малярии, получил нового соратника в борьбе против болезни, которую не раз называли неприятелем номер один. Параллельно с уничтожением комаров, переносящих возбудителя болезни, началось наступление по всему фронту на простейшие из рода Plasmodium – главного виновника этого известного еще в древности заболевания.

Эффективным средством против малярии оказался хлорохин. В Бразилии с 1951 года стали продавать пищевую соль, содержащую примесь хлорохина. Обычно к 1000 частям соли прибавляют 3 части лекарственного вещества. Преимуществом этого средства является то, что его может регулярно получать каждый житель. Под эгидой Всемирной организации здравоохранения уже в 50-е годы была начата кампания по искоренению малярии во всем мире, которая должна была, согласно официальному заявлению, означать «конецмалярийной инфекции и устранение ее очагов в кратчайшее время…» Как мы еще увидим в 20-й главе, в борьбе с переносчиками малярии и других инфекционных заболеваний важную роль сыграли и средства против насекомых – инсектициды.

Химические структуры «волшебных пуль» – наиболее известных химиотерапевтических средств (в скобках указан год их создания).

Младшие члены семейства

В группе химиотерапевтических средств после создания сальварсана появилось уже несколько новых «генераций». Первой из них была группа сульфаниламидов, введенных в практику в 30-е годы. Следующей – ПАСК и ИНА. С того времени постоянно появлялись «младшие члены» этого рода.

В борьбе с бактериями уже несколько лет успешно применяются нитрофураны. В Чехословакии большое распространение из этой группы веществ получил нитрофурантоин. Особое место среди химиотерапевтических средств занимает налидиксин, или налидиксиновая кислота, которая применяется при лечении инфекций мочеполовых путей.

Во многих странах мира работают группы химиков, которые ищут новые средства и создают новые модификации уже известных лекарств. Но есть и такие ученые, которые выбирают «нехоженые тропы», синтезируют новые вещества, затем в микробиологических лабораториях испытывают их действие на бактериях, грибах и простейших. Наиболее эффективные из этих веществ передаются фармакологам. Проводя тщательные анализы над животными, ученые ищут среди полученных соединений самые действенные «волшебные пули»», которые должны, по представлению Эрлиха, поразить возбудителя инфекции, не вредя при этом человеческому организму.

19. Век антибиотиков

Влияние антибиотиков на человеческое общество настолько сильно, что наше время смело можно назвать эрой антибиотиков.

С. Я. Ваксман

Пролог

Во время нашего совместного путешествия в страну микробов мы упоминали о наблюдениях Пастера, касающихся антагонизма среди микроорганизмов. Он обратил внимание на этот факт в 1877 году. Но еще за четыре года до этого английский ученый Уильям Робертс опубликовал свои соображения по этому же поводу. Он писал:

«Мне кажется, что между плесневыми грибами и бактериями существует антагонизм. В многократно повторенных опытах мне удалось наблюдать, что в жидких средах, в которых выращивался гриб Penicillium glaucum, бактерии развивались плохо… По-видимому, можно также говорить и об антагонизме между бактериями двух различных видов. Вероятно, это проявление борьбы за существование…»

Однако и Робертс не был первым. На восемь лет опередил его английский физик Тиндаль, наблюдавший антагонистическое действие одного из видов рода Penicillium на бактерии. А русский врач А. Г. Полотебнов опубликовал в 1872 году сообщение о результатах лечения гнойных ран порошком из спор грибов двух родов: Penicillium и Aspergillus. Двадцатью годами ранее английский врач Моссе описал в журнале «Ланцет» (Lancet) свой многолетний опыт лечения ран дрожжами. Но еще в 1640 году в Лондоне вышла объемистая книга «Ботанический театр», в которой приведены сведения о лечебном использовании микроскопических грибов. В книге есть раздел «Мох с человеческого черепа».

«… Этот вид отчасти напоминает мох, произрастающий на деревьях, а растет он на черепах трупов мужчин и женщин, долго лежащих в покойницкой… Этот мох высоко ценился и в прошлом, а в наше время – еще более, так как из него получают unguentum sympatheticum (мазь, которой лечат раны)… Он может быть собран и с трупов повешенных или казненных».

Все эти сведения сводятся к одному: медицина может и должна использовать антагонизм микробов в своих целях. Пастер справедливо предсказывал, что когда-нибудь это явление будет широко использовано. Правы были и его современники, полагавшие, что антагонизм вызывается какими-то соединениями, продуцируемыми микроорганизмами. В 9-й главе мы также узнали и о выделении в 1896 году из микроскопических грибов соединения, получившего позднее название микофеноловой кислоты. Это был первый антибиотик, полученный в чистом виде.

В то время, когда итальянский врач Госсио изучал микроскопические грибы на рисе, уже было известно, что бактерия синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa (P. pyocyaneum) оказывает антибиотическое действие на некоторые болезнетворные микроорганизмы. Немецкие ученые Р. Эммерих и О. Лёв выращивали культуру этой бактерии в жидкой питательной среде. После того как бактерии размножились, их клетки разрушили и полученную суспензию профильтровали через бактериальный фильтр. Действие сгущенного фильтрата испытали на различных микроорганизмах. Многие болезнетворные бактерии оказались к нему очень чувствительными. Это вещество было названо пиоцианазой. Дальнейшее изучение пиоцианазы показало, что бактерицидным действием обладает пиоцианин – пигмент синегнойной палочки. Процесс выделения пиоцианина был позднее усовершенствован, и его стали производить в больших количествах. Приверженцы лечения с помощью микробов начали широко использовать пиоцианин, но очень скоро оказалось, что во многих случаях он переставал быть эффективным, и его практическое применение постепенно сошло на нет.

В 1913 году два американских исследователя, Альсберг и Блэк, изучали отравляющее действие микроскопических грибов кукурузы на домашних животных. Они выделили гриб, продуцирующий антибиотическое вещество. Исходя из систематической принадлежности гриба к роду Penicillium, они назвали этот второй в истории медицины антибиотик, выделенный в чистом виде, «пенициллиновой кислотой».

Первая мировая война прервала исследования антибиоза и антибиотиков. Но уже в 1920 году сотрудники медицинского факультета в Брюсселе Сарра Дат и Андре Гратиа описали, антибиотические свойства микроба Streptomyces albus. Из жидкой культуральной среды этого микроба был получен антибиотик актиномицетин.

На этом заканчивается первый период в исследовании явлений антагонизма у микробов. Он знаменателен тем, что ученым стала известна способность некоторых микробов подавлять и убивать другие микроорганизмы, а среди них и патогенные.

Было доказано, что эта способность связана с определенными веществами (антибиотиками), выделяемыми микроорганизмами в окружающую их среду. Это явилось предпосылкой для получения и использования антибиотиков в борьбе против болезней бактериального происхождения.

Пенициллин Флемминга

Английский микробиолог Александер Флемминг (1881–1955) начинал свою научную карьеру во время первой мировой войны под руководством известного бактериолога Алмрота Райта. Оба они пытались лечить инфекции в ранах солдат при помощи антисептиков, но их постигло разочарование. Биограф Флемминга пишет, что эта совместная работа «до известной степени подготовила Флемминга к открытию в 1922 годулизоцима – фермента, находящегося в слюне и вызывающего распад микробов».

В конце 20-х годов Флемминг работал в бактериологической лаборатории больницы Св. Марии в Лондоне. Там он сделал свое второе открытие, навеки вписавшее его имя в историю микробиологии и медицины. Это произошло во время его повседневной работы с болезнетворными стафилококками, выращиваемыми на агаре в чашках Петри. Но предоставим слово самому ученому:

«Экспериментируя с различными видами стафилококков, я оставил некоторое количество чашек с культурой на лабораторном столе и время от времени осматривал их. Чашки при осмотре, естественно, открывались, и не исключалось их загрязнение различными микроорганизмами. Я заметил, что около одной крупной колонии плесневых грибов, попавших сюда из воздуха, колонии стафилококков постепенно становились все более прозрачными и, по-видимому, подвергались растворению.»

А. Флемминг не мог не заинтересоваться этим фактом. Колонии коварных стафилококков, против которых были бессильны самые действенные препараты, таяли у него на глазах!

Он сразу же связал это с присутствием плесневого гриба в чашке. Гриб был пересеян в отдельный сосуд. Флемминг получил его культуру в чистом виде и стал изучать его свойства. Две недели он выращивал гриб на мясном бульоне. За это время гриб покрыл всю поверхность питательной жидкости серо-зеленой пленкой. После фильтрования были начаты опыты по изучению действия жидкости на стафилококки. Результат превзошел все ожидания: жидкость оказалась значительно более эффективной, чем все самые действенные антисептические средства. Флемминг пришел к выводу, что гриб выделяет при своем развитии какой-то антибиотик. Действующее вещество было названо пенициллином по имени гриба, принадлежавшего, как выяснилось, к виду Penicillium notatum.

Было установлено, что для бактерий это вещество значительно опаснее, чем для белых кровяных телец; этим оно существенно отличалось от антисептиков, которые Флемминг когда-то испытывал совместно с Райтом. Рост некоторых микробов прекращался даже при разведении фильтрата 1: 800. Флемминг установил также, что грамположительные бактерии были чувствительнее к пенициллину, чем грамотрицательные. Потом начались опыты с животными. Необходимо было выяснить, не обладает ли пенициллин токсическими свойствами. Флемминг ввел кроликам в вену по 20 мл жидкости и убедился, что инъекция оказалась такой же безвредной, как и инъекция жидкой среды, в которой микробы не выращивались.

Позднее он говорил об этом так: «В лаборатории мы применяли пенициллин на протяжении десяти лет для дифференциации культур. В нескольких случаях мы использовали его в качестве локального антисептика, и, хотя результаты были неплохие, нам все же казалось, что его приготовление себя не оправдывает».

Г. У. Флори, продолжавший эти исследования Флемминга, в одном из своих докладов сказал:

«…Из работ Флемминга ничто не свидетельствует о том, что он считал пенициллин возможным химиотерапевтическим средством, способным по кровяному руслу достигнуть зараженной части тела и не причинить при этом вреда организму».

Флори полагал, что пенициллин может проявить свое действие только в достаточно концентрированном виде. Именно это обстоятельство, по его мнению, позволило Домагку провести успешный эксперимент над мышами, зараженными стрептококковой инфекцией. Домагк излечил их пронтозилом. Но Флемминг не был химиком и не мог получить пенициллин в чистом виде.

Выделением и очисткой пенициллина занялась в 1932 году группа химиков под руководством Райстрика. Он был по тому времени одним из самых квалифицированных химиков, выделившим и изучившим уже некоторые другие соединения, продуцируемые микроскопическими грибами. Но после предварительной очистки пенициллина химики отказались от дальнейших попыток получить его в абсолютно чистом виде, поскольку при применении обычных методов он начинал разлагаться. Несколько лет спустя Флори спросил Райстрика, почему он так и не довел изучение пенициллина до конца. Тот ответил, что его интересовала лишь химическая структура таких легко кристаллизующихся биогенных продуктов.

В упомянутом докладе Флори была и такая, кажущаяся резкой фраза: «Открытие пенициллина не явилось плодом каких-нибудь новых научных идей».

Многие критики утверждали даже, что открытие Флемминга было чисто случайным. Против них выступил сподвижник Флемминга Ф. Бустинза-Лахиондо из Мадридского университета:

«.. Говорят о случайности этого открытия, но мне бы хотелось напомнить высказывание Пастера о том, что случай обычно подготовлен определенным ходом мыслей. Нельзя отрицать, что он играет в научной работе немалую роль в качестве какого-то непредвиденного явления. Но кто способен оценить это явление? Его может правильно интерпретировать только зрелая мысль. Многие люди не подготовлены к пониманию природных явлений, и только отдельные личности, воспитанные в повседневном напряжении поиска и одаренные тонким аналитическим интеллектом, наделены даром понимать страницы удивительной книги природы, всегда открытой для тех, кто умеет ее читать.

И плесень Флемминга была лишь эпизодом в процессе открытия пенициллина, исходным пунктом целой серии исследований. Сколько раз чашки с микробной культурой засорялись посторонней инфекцией, не привлекавшей, однако, ничьего внимания?

Но бактериолог больницы Св. Марии был прирожденным исследователем, его мысль была подготовлена к тому, чтобы заметить даже незначительные изменения в колониях выращиваемых микробов. Потому он и выбрал чашку, засоренную плесенью, и, изучая ее, с изумлением заметил, что колонии стафилококков в непосредственной близости от гриба развиваются хуже, чем другие, дегенерируют. Таково было начало истории пенициллина».

Сам Флемминг говорил так: «Конечно, все бактериологи встречались с фактом загрязнения культур микроскопическими грибами. Вполне вероятно, что какой-нибудь другой микробиолог заметил бы, как и я, подобные изменения, но верно и то, что, не имея специального интереса к поискам естественных бактерицидных веществ, он скорее всего отложил бы эту чашку в кучу посуды для мытья».

Мы же можем лишь отметить, что в 30-х годах пенициллин был почти забыт. В те же годы были открыты и получены в чистом виде еще несколько антибиотиков, выделенных из плесневых грибов, но они были вскоре оттеснены победным наступлением сульфаниламидов.