Уже в самом начале XX столетия исследования химиков-органиков показали, что целый ряд выделенных соединений растительного происхождения, и в частности алкалоидов, может быть использован в медицине в качестве лекарственных препаратов. Были проведены очень важные для фармацевтической промышленности многочисленные органические синтезы; среди них — получение диэтилбарбитуровой (Э. Фишер и Й. Меринг, 1903 г.) и диэтилфенилбарбитуровой (Генрих Гелейн, 1913 г.) кислот, которые стали применяться как снотворные препараты под названием веронал и люминал.
В конце XIX столетия многие биохимики и врачи стали разрабатывать методы лечения инфекционных болезней с помощью химических веществ. В 1896 г. из жидкости, содержащей культуру грибка из рода Penicillium, Б. Гозио выделил кристаллическое соединение — микофеноловую кислоту, подавляющую рост бактерий сибирской язвы. Свойство одних организмов влиять на жизнедеятельность других было подмечено в конце XIX в. русским ученым И.И. Мечниковым. Он предложил использовать молочнокислые бактерии болгарской простокваши против гнилостных бактерий микрофлоры кишечника.
В начале XX столетия немецкий врач, бактериолог и химик Пауль Эрлих начал борьбу с сифилисом, который в те времена имел все признаки эпидемии. Немецкий врач и его сотрудник Сахатиро Хата апробировали сотни соединений мышьяка, пока 606-й по счету препарат не оказался высокоэффективным в уничтожении спирохет — возбудителей сифилиса. Препарат «606», открытый в 1909 г., был назван сальварсаном («спасительный мышьяк»), и с 1910 г. это лекарство появилось на рынке. Это препарат принес немецкому ученому мировую славу. Позже
Эрлих синтезировал и менее токсичный неосальварсан (препарат «914»). Эти вещества явились первыми лекарствами направленного действия, полученные человеком в результате тщательно запланированного синтеза.
Выяснение строения веществ, используемых в медицине, и способов их целенаправленного синтеза привело к более тесному сотрудничеству медиков, фармацевтов и химиков. Таким образом было положено начало исследованиям в самостоятельной научной области — химиотерапии, которая ставила своей основной задачей лечение болезней с применением специальных химических препаратов. Химиотерапия[81] сыграла важную роль в борьбе с возбудителями болезней — микробами, а позднее с простейшими, грибками и вирусами.
В 1908 г. было синтезировано соединение, названное сульфаниламидом, которое пополнило обширный ряд соединений, не нашедших применения в свое время. Однако четверть века спустя, благодаря исследованиям немецкого врача и химика Герхарда Домагка было установлено, что сульфаниламид и еще целый ряд родственных ему соединений можно использовать для лечения некоторых инфекционных заболеваний{662}.
Пауль Эрлих (1854–1915)
Строение молекулы сальварсана
Сульфаниламид
Г. Домагк продолжил начатые еще П. Эрлихом работы по изучению возможности применения различных красителей в качестве лекарственных препаратов. Его выбор пал на сульфаниламиды, большинство из которых использовали в качестве красителей черного цвета. В результате многолетних скрупулезных экспериментов было установлено, что вещество из группы сульфаниламидов красного цвета обладает высокой эффективностью при лечении инфекционных болезней у мышей. В течение нескольких лет сотрудники фармацевтической компании «Байер АГ» проводили детальные исследования сульфаниламидов с целью изучения всех клинических показаний новой группы лекарств. Специалисты опасались проявления вредных побочных эффектов от применения неизвестных ранее медикаментов. В конце концов, было установлено, что препарат Prontosil обладает сильным защитным действием против инфекционных болезней, вызванных различными стрептококками, включая заражение крови и послеродовый сепсис, а также кишечной палочкой и холерным вибрионом. Применяя этот препарат, Домагк спас свою дочь от ампутации руки.
Благодаря появлению сульфаниламидов в конце 30-х гг. XX столетия было спасено множество человеческих жизней. Среди пациентов, принимавших новые лекарства, было немало известных личностей: в частности, младший сын президента США Ф.Д. Рузвельта и даже премьер-министр Великобритании У. Черчилль.
В первые годы Второй мировой войны для американских солдат были выпущены специальные пакеты первой помощи, в которых находились сульфаниламидные препараты, применяемые при ранениях. В 1941–1943 гг. нацистские врачи проводили клинические испытания новых разновидностей сульфаниламидов на военнопленных в концентрационных лагерях.
Сульфаниламиды оказались первыми бактерицидными препаратами, которые проложили путь к использованию антибиотиков в медицинской практике. Применение антибиотиков — органических веществ, образуемых живыми организмами и обладающих способностью подавлять развитие микроорганизмов и задерживать рост опухолевых клеток, оказало решающее влияние на развитие химиотерапии в целом. Первым среди этой группы лекарственных препаратов был открыт пенициллин.
Как свидетельствуют новейшие данные, предыстория открытия пенициллина уходит корнями в древнейшие времена. Еще до нашей эры народы Индии и Греции использовали различные виды грибковой плесени для обработки открытых ран. Существует упоминание в летописи, что солдатам цейлонского царя Дутугемуну (161–137 гг. до н.э.) было предписано выдерживать на чердаках жмых до тех пор, пока он покроется плесенью, чтобы в дальнейшем использовать его для лечения свежих ран. Традиционная медицина славянских народов практиковала применение заплесневелого хлеба при лечении кишечных инфекций. В частности, Генрих Сенкевич в романе «Огнем и мечом» описывает способ обработки раневых поверхностей смесью из заплесневелого хлеба и паутины. В своей книге «Культура Кальавайа» Э. Облитас-Поблете описал применение проформы пенициллина в лечебной практике индейских знахарей народности кальавайа, которые при инках (XV–XVI вв.) были привилегированной кастой «носильщиков паланкина» и лекарями правителя{663}. Знахари кальавайа готовили лечебное снадобье из смеси грибков и различных растений.
Герхард Йоханнес Пауль Домагк (1895–1964)
В 1870 г. британский физиолог Дж. С. Бурдон-Сандерсон обнародовал свои наблюдения, что грибки рода Penicillium замедляют размножение дифтерийной палочки и холерного вибриона. Спустя пять лет, вдохновленный исследованиями своего предшественника, Дж. Тиндаль продемонстрировал противомикробное действие грибков Penicillium на заседании Королевского научного общества. На протяжении последующих лет неоднократно появлялись аналогичные сообщения, однако научное сообщество практически не обращало на них никакого внимания.
Достаточно обоснованной оказалась публикация бельгийских микробиологов Андре Грациа и Сары Дат, описывающая изучение замедления процесса размножения золотистого стафилококка под действием культуры грибков Penicillium. Но и эта статья осталась практически незамеченной.
В 1928 г. шотландским ученым Александром Флемингом был выделен первый антибиотик[82] — пенициллин{664}. Вещество получили на основе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов из штамма грибков вида Penicillium notatum. Учитывая постоянное внимание (на протяжении практически полувека) к изучению противомикробного действия плесени этого вида, вряд ли стоит согласиться с мнением некоторых историков науки, утверждающих, что открытие британского микробиолога было случайным. Бесспорен факт, что разработать промышленный метод получения нового препарата А. Флемингу не удалось.
В результате проведенных опытов А. Флеминг пришел к выводу, что пенициллин не может достаточно долго сохранять свою активность в человеческом теле. Поэтому в 1931 г. он прекратил эксперименты с новым препаратом{665}.
Александр Флеминг (1881-1955)
В 1939 г. группа специалистов под руководством австралийского биохимика X. У. Флори в Оксфордском университете достигла значительного прогресса в изучении in vivo бактерицидного действия пенициллина. Однако стремление ученых добиться надежных статистических данных при клинических испытаниях на людях потерпело неудачу из-за недостаточных объемов пенициллина. Тем не менее, они уверенно доказали высокую эффективность и безопасность нового препарата на опытах с мышами.
После достаточно обнадеживающих испытаний пенициллина группой под руководством X. У. Флори на повестку дня был поставлен вопрос о массовом производстве нового препарата. В 1942 г. первый пациент был успешно излечен от сепсиса при помощи пенициллина, изготовленного в США компанией Merck & Со. В июле 1943 г. Объединенный комитет начальников штабов армии США составил план производства и распределения запасов пенициллина для войск антигитлеровской коалиции. Создание Северной Региональной Научно-исследовательской лаборатории в штате Иллинойс дало возможность Соединенным Штатам произвести 2,3 миллиона доз к моменту высадки союзнических армий в Нормандии.
Во время Второй мировой войны одним из консультантов Военного совета по производству пенициллина был Р. Вудворд. Он первым высказал мысль об ошибочности трициклической структуры (тиазолидин соединялся амино-мостом оксазинона), выдвинутой группой исследователей пенициллина из США.
Хотя многие специалисты предполагали бета-лактамную структуру пенициллина, фактически первыми это предложили химики Оксфорда и фармацевты компании Merck & Со. В конечном итоге в 1945 г. Дороти Кроуфут-Ходжкин с помощью рентгеновской кристаллографии подтвердила для пенициллина именно беталактамную структуру.
Дороти Мэри Кроуфут-Ходжкин (1910–1994)
Строение ядра молекулы пенициллина
Во время Второй мировой войны пенициллин сыграл неоценимую роль в спасении человеческих жизней. В 1944–1945 гг. среди военнослужащих стран антигитлеровской коалиции количество летальных исходов и вынужденных ампутаций, вызванных инфицированием ран, сократилось на 12–15% по сравнению с первым периодом боевых действий. В 1945 г. А. Флемингу, X. У. Флори и Э.Б. Чейну была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие пенициллина и его целебного воздействия при различных инфекционных болезнях».
В СССР первые образцы пенициллина получили в 1942 г. микробиологи 3. В. Ермольева и Т.И. Балезина{666}. Зинаида Виссарионовна Ермольева активно участвовала в организации промышленного производства пенициллина. Созданный ею препарат пенициллина (крустозин ВИЭМ) был получен из штамма грибков вида Penicillium crustosum.
Зинаида Виссарионовна Ермольева (1898–1974)
C конца Второй мировой войны пенициллин стал наиболее широко используемым антибиотиком вплоть до настоящего времени (см. цв. иллюстрации к данной главе). Однако со временем некоторые болезнетворные бактерии приобрели определенную устойчивость к этому препарату. В 1943 г. американский микробиолог Зельман Ваксман открыл стрептомицин. После нескольких лет тестирования и доработки новый антибиотик стали широко использовать для борьбы с туберкулезом и проказой. Стрептомицин оказался весьма ценным лекарством, поскольку показал свою высокую эффективность в отношении тех бактерий, которые обладали устойчивостью к сульфаниламидным препаратам и пенициллину. Получение стрептомицина побудило других ученых к поиску новых антибиотиков[83]. Развитие этого направления в создании новых лекарственных средств — безусловная заслуга работ 3. Ваксмана. В 1952 г. американскому ученому была вручена Нобелевская премии по физиологии и медицине за «открытие стрептомицина, первого антибиотика, эффективного при лечении туберкулеза».
Сравнительно узкий диапазон разновидностей болезнетворных микробов, подверженных губительному воздействию пенициллина, а также его недостаточно высокая активность при пероральном применении, инициировали поиск новых производных этого вещества. Приоритетной задачей ученые считали возможность расширения списка инфекционных болезней, поддающихся лечению производными пенициллина. Выделение пенициллинового ядра позволило разработать полусинтетическую разновидность этого препарата, что открывало возможность экспериментировать с различными заместителями. Первым крупным достижением в этом направлении исследований явилось создание ампициллина. Новый препарат воздействовал на более широкий спектр болезнетворных бактерий. Еще одним важным событием в совершенствовании антибиотиков пенициллинового ряда стало создание производных, губительных для золотистого стафилококка, в том числе, тетрациклина. Вершиной исследований в этом направлении стало создание препаратов, воздействующих на грамотрицательные бактерии.
Зельман Абрахам Ваксман (1888–1973)
К концу XX столетия было описано более 4500 природных антибиотиков, но только около 60 из них нашли применение в борьбе с различными заболеваниями человека, животных и растений. Так как не все природные антибиотики пригодны для использования в лечебных целях, разработаны способы их химической и микробиологической модификации — получения полусинтетических антибиотиков. Для ряда антибиотиков разработаны методы полного химического синтеза, но, как правило, такой синтез очень сложен и дорогостоящ. В настоящее время таким способом получают только левомицетин и циклосерин. Наряду с развитием традиционных способов получения новых антибиотиков (поиск микроорганизмов-продуцентов, модификация природных антибиотиков) в последние годы большое значение приобрели методы генетической инженерии.