Tragom zvezda

Priča o penicilinu je priča o evolucijskom ratu izmedju gljiva i bakterija u kojem se igrom slučaja zatekao i čovek

Mnogi od nas su i dan danas živi zahvaljujući tome što im je penicilin jednom spasao život, ili možda život njihovih roditelja. Njegova sposobnost da leči bakterijske infekcije je spasila na milione i milione života, te ga mnogi još i danas sa pravom nazivaju “čudesni lek”. Bakterijske infekcije nekada su odnosile daleko više ljudi nego što to čine danas. Možda niste znali ali činjenica je da većina vojnika koja je umirala tokom Drugog svetskog rata, nije bivala direktno ubijena metkom ili eksplozivom, već je umirala od bakterijskih infekcija na ranama prouzrokovanim tim oružijem. Ipak, naša priča o penicilinu, o prvom antibiotiku koji je uspešno korišten u lečenju ljudi od bakterijskih infekcija, ni manje ni više, počinje sa pričom o slučajnosti. 

Horore koje su za sobom ostavljale čak i najobičnije
bakterijske infekcije je čovečanstvo brzo zaboravilo.
Ove slike napravljene 1942. godine prikazuju efekat
i rezultate upotrebe penicilina nakon četiri dana (3),
nakon devet dana (4) pa do potpunog ozdravljenja (5)(6)

Britanski mikrobiolog Alexander Fleming (1881-1955) potiče iz siromašne škotske farmerske porodice, bio je jedno od četvoro dece. Kao dvadesetogodišnjak upisuje medicinsku školu a nakon toga učestvuje i u Prvom svetskom ratu radeći u bolnicama na zapadnom frontu u Francuskoj. Izložen infekcijama umirućih vojnika počeo je ozbiljno proučavati bakterije koje su bile uzrok mnogih bolesti.  Do svojeg otkrića Fleming je došao sasvim slučajno. Kako je i sam kasnije govorio:

“Kada sam se probudio tog dana svakako nisam planirao da pokrenem revoluciju u medicini otkrivanjem prvog svetskog antibiotika – ubicu bakterija. Ali pretpostavljam da se baš to i dogodilo”.

Šta se zapravo dogodilo? Vrativši se sa godišnjeg odmora, Fleming je otkrio da se budj razmnožila u jednoj od Petrijevih šoljica koje su ostale na njegovom stolu. Fleming se odmah zapitao zašto je došlo do toga i krenuo pronaći uzrok. On je sadržaj šoljica pažljivo ispitivao mikroskopom i otkrio da je budj stvorila neku antibakterijsku materiju – materiju koja na bakterije deluje kao otrov. Verovatno je u Petrijevu šoljicu dospela spora budji iz susedne laboratorije sa sprata ispod njegove. Kako je njemu ta čestica budji bila već poznata pod nazivom Penicillium notatum, doktor Fleming je tu materiju nazvao penicilinom.

Aleksandar Fleming,rodjen 6. Avg 1881. g.  preminuo 11. Marta 1955. g

Šta je uopšte “budj” ?

Pre nego nastavimo priču dalje, podsetimo se nekih elementarnih stvari. Budj (iliti plesan) ste verovatno nekad primetili na parčetu starog hleba. Ako hleb nekoliko dana stoji na vlažnom, toplom mestu, pokrije ga mreža belih, paučinastih konaca, koji kao da su posuti crnim prahom.

Ako bi pogledali kroz mikroskop, videli bi ste da je ova mreža načinjena od mnogobrojnih dugih, bezbojnih konaca, kojih ima dve vrste. Jedni su pokriveni crnim lopticama sa sporama, pomoću kojih se budj razmnožava. Drugi su kraći i ulaze u hleb, pa služe kao korenje i upijaju hranu. Budj (plesan) je samo još jedna od vrsta gljive, a gljive spadaju u najstarije i najrasprostranjenije organizme na Zemlji. One su jedno zasebno i veoma neobično carstvo unutar eukariota.

Zelena buđ koja se razmnožava i živi na parčetu hleba zove se
Penicillium glaucum.  
Ista vrsta budji se koristi i za proizvodnju
čuvenog “Budjavog sira” (engl. Blue Cheese)

Budj ili plesan je naziv za mikroskopsku vrstu gljiva, izgradjene su od nitastih hifa. Kao i sve druge gljive, budj ne dobija energiju putem fotosinteze (ne poseduje zelene hloroplaste) već od organske materije na kojoj živi. One svojim hifama urastaju u podlogu (hleb, na našem primeru) gde luče digestivne enzime. Izlučeni enzimi zatim vare hranu za gljivu koju onda hife jednostavno upijaju.

Budj se razmnožava putem spora, koje mogu sadržati jedan ili više nukleusa. Spore budji mogu biti aseksualne (produkti mitoze) ili seksualne (produkti mejoze) ali mnoge vrste su u stanju proizvoditi oba tipa. Njene spore su strahovito male i jedva se mogu videti mikroskopom te mogu lebdeti u vazduhu gotovo beskonačno dugo i preživeti ekstremne temperature i pritiske.

Neke budji se hrane trulom biljnom i životinjskom materijom, druge su paraziti, to jest, žive na živim bićima. Najčešće vrste budji su one koje narod zove crna i zelena budj, a ime su dobile po boji njihovih spora. Pošto se ove spore nalaze u vazduhu svuda oko nas, one brzo “napadaju” hranu, voće, pa čak i kožne predmete ostavljene na toplim i vlažnim mestima.

Zelena budj koja se razmnožava na hlebu zove se Penicillium glaucum. Njoj veoma slična, samo što raste vani, uglavnom je ima na objektima gde ima vlage, je Penicillium notatum, a to je upravo ona koja je važna za našu priču jer se od nje dobija penicilin. To jest, njeni digestivni enzimi (koji joj služe da vari hranu) su značajni zbog toga što su smrtonosni za bakterije. Upravo su njeni digestivni enzimi bila “materija” koji je Fleming pronašao u svojoj P. šoljici a koja je bila odgovorna za smrt baketrija.

Kako penicilin ubija bakteriju ? 

Bakterije su jednoćelijski organizmi, sa poprilično jednostavnom strukturom ćelije, njena ćelija nema jezgra ni organele kao što su mitohondrije ili hloroplasti koje imaju recimo biljne i životinjske vrste ćelija. Ono što penicilin zapravo radi je da remeti sintezu ćelijskog zida bakterije. Ćelijski zid je veoma bitan za njen opstanak, on je odgovoran za postojanost bakterijske ćelije u različitim uslovima sredine, a naročito je značajan u sprečavanju prekomernog bubrenja bakterije u hipotoničnoj sredini.

Time što remeti intregitet ćelijskog zida bakterije, penicilin je čini podložnom prekomernom ulasku vode, a konačan efekat jeste taj da bakterija puca. Na dejstvo penicilina bakterije su najosetljivije u fazi deobe.

Nauci je do danas poznato i to kako se ovaj proces obavlja na biohemijskom nivou, ovo naravno zahteva daleko opširnije objašnjenje, o tome bi se moglo napisati nekoliko knjiga. Ukratko, penicilini se vezuju za grupu bakterijskih proteina karakterističnih po svom afinitetu prema penicilinu koji se zbog toga nazivaju i penicilin-vezujući proteini — PVP (engl. Penicillin-binding protein — PBP). Penicilin-vezujući proteini locirani su sa spoljašnje strane plazma membrane bakterija i obavljaju različite enzimske uloge, najčešće ponašajući se kao transpeptidaze, karboksipeptidaze ili endopeptidaze. Penicilini se vezuju za čitav spektar PVP koje jedna bakterija eksprimira. Medjutim, vezivanje tek za neke od ovih proteina uzrokuje smrt bakterije, dok vezivanje za druge u manjoj ili većoj meri menja njenu funkcionalnost ili morfologiju. Svaki penicilin ima sopstveni aranžman afiniteta prema različitim PVP kojim je i određena njegova efikasnost protiv date bakterije.

Kolonija bakterije Staphylococcus aureus (van centra) i Penicillium
chrysogenum
 (u centru).  Prazan prostor izmedju koji bakterije izbegavaju
naziva se i kao zona inhibicije.

Na gornjoj slici vidimo Petrijevu šolju u kojoj se nalazi kolonija bakterije Staphylococcus aureus (van centra) i Penicillium chrysogenum (noviji naziv za naš Penicillium notatum) a koji se nalazi u centru. Zapazite prazan prostor izmedju koji bakterije izbegavaju da nasele.

Staphylococcus aureus ili zlatni stafilokok je bakterija iz grupe stafilokoka, ova vrsta pripada loptastim bakterijama (grčki kokos = zrno, a postoje još i štapićaste i spiralne bakterije). Ova bakterija je patogena i izaziva mnošto različitih infekcija i intoksikacija počev od manjih infekcija kože (infekcija rane i slično) do teških bolesti poput sepse, zapalenja pluća, apscesa, sindroma toksičnog šoka itd.

Dalek je put od otkrića do proizvodnje penicilina

Vratimo se sada prethodnoj priči. Od Flemingovog otkrića do korisne primene u medicini, put je bio dug. Nakon otkrića koje se može okarakterisati kao slučajnost, Fleming se našao pred nizom naučnih problema. On je prepoznao potencijalne terapijske implikacije penicilina, ali znajući da penicilin ubija bakterije, Fleming se upitao neće li ta materija štetno delovati i na bolesnike. Stoga je najpre počeo obavljati eksperimente na zečevima i miševima na koje penicilin nije ostavljao nikakve štetne posledice.

Prvi pokušaji izolovanja penicilina nisu bili preterano uspešni. Nakon ispitivanja na miševima koja su se prvenstveno bavila procenom toksičnosti penicilina, Fleming 1931. prekida dalji rad. Čak je i 1929. objavio rezultate istraživanja u Britanskom naučnom časopisu ali to nije imalo većeg značaja. Kako su doktori u tadašnje vreme već znali za mnoge druge materije koje sprečavaju razvijanje zaraznih bakterija, nisu davali značaj penicilinu. Izmedju ostalog i zato jer se mogao dobiti samo u malim količinama.

Zbog toga se penicilin nije koristio u bolnicama i ostao gotovo zaboravljen punih deset godina. Tek krajem 1938. i početkom 1939. godine na Univerzitetu u Oksfordu okupljen je tim naučnika čiju su okosnicu činili Howard Florey i Ernst Boris Chain. Oni su počeli intenzivno da rade na prečišćavanju penicilina i ispitivanju njegovog sistemskog dejstva. Količine penicilina koji su uspeli da dobiju nisu bile dovoljne da proizvedu značajne rezultate kod ljudi. Ipak su pokazali da je penicilin, primenjen na miševima inficiranim streptokokama, efikasan i netoksičan sistemski antibakterijski agens. Rezultati objavljeni u Maju 1940. godine su označili intenziviranje napora na izolovanju potpuno čistog penicilina.

U medjuvremenu su proučavali mogućnosti za masovnu proizvodnju penicilina, ali nisu uspevali pronaći kompaniju koja bi preuzela rizik investicije, takodje bio je to period počinjanja Drugog svetskog rata, mnoge fabrike i postrojenja bivale su pretrpane poslom uglavnom za ratne svrhe.

Godine 1941, Florey i Heatley putuju u SAD sa ciljem da tamo zainteresuju neke od farmaceutskih kompanija da pokrenu proizvodnju penicilina. Naravno, nisu bili dočekani raširenih ruku, penicilin se proizvodio u jako malim količinama što kompanije nisu smatrale profitabilnim. Ipak, pošlo im je za rukom nagovoriti vladu i četiri američke kompanije na proizvodnju. Penicilin je odigrao značajnu ulogu u smanjenju smrtnosti medju ranjenicima u Drugom svetskom ratu.Tako su u SAD tek pred kraj rata počele industrijalizacija i proizvodnja većih količina penicilina koji je spasao na milione života. U to vreme taj spasonosni lek bio još veoma skup.

Reklama za penicilin koja je Avgusta 1944. godine
objavljena u Life magazinu, SAD

Još od tada farmaceutske kompanije su tražile nove mogućnosti za proizvodnju sve većih i većih količina penicilina, naravno, na brži i jeftiniji način, ali se on i dalje mogao dobijati samo od budji u staklenim posudama. Stoga su se te gljivice počele uzgajati u dubokim buradima, a američkim avijatičarima širom sveta je čak bilo naredjivano da donose uzorke zemlje sa raznih mesta, kako bi se ispitalo ima li u njoj traženih gljivica. Penicilin je postajao veoma unosan posao i vremenom je medju tim uzorcima pronalažen i drugi tip budji, od koje se mogla proizvoditi dvostruko veća količina penicilina.

Danas je penicilin tako jeftin da košta manje od bočice u kojoj se pakuje. Penicilinom se leče mnoge teške bolesti, ali on i dalje nije delotvoran protiv svih oboljenja. Ipak, njegovo otkriće je podstaklo naučnike na pronalaženje drugih i boljih antibiotika, sličnih penicilinu, koji uništavaju bakterije još bolje.

Neželjeni efekti pencilina

Penicilini su, uopšteno govoreći, supstance veoma niske toksičnosti, i smatraju se, osim kod preosetljivih pojedinaca, jednim od bezbednijih antibiotika. Ipak, uzimani oralno penicilini mogu dovesti do blagih poremećaja u normalnoj flori creva (jer ubijaju u njima i bakterije koje nam koriste pri varenju hrane), mogu izazvati i mučninu ili povraćanje ali su sva ova stanja samoograničavajuća i nestaju ubrzo nakon prekida terapije.

Kod primene jako velikih doza penicilina, naročito kod pacijenata sa smanjenom bubrežnom funkcijom, postoji rizik od pojave encefalopatije (u širem smislu oštećenja mozga). Specifični penicilini mogu ispoljavati i dodatne neželjene efekte. Opisana je i pojava (sa malom učestalošću) oboljenja bubrega i hematoloških poremećaja (leukopenije, posebno kod ampicilina i flukloksacilina, hemolitička anemija, trombocitopenija, poremećaji koagulacije. Bitno je spomenuti da se preosetljivost na peniciline javlja kod 1-10% pacijenata.

Anafilaktički šok, je najozbiljnija reakcija preosetljivosti na penicilin, javlja se  kod 1 do 5 pacijenata na 10.000 onih kojima je terapija propisana (0,05%).Anifalaksa je potencijalno letalna pa se visoke doze primenjivanog penicilina moraju davati samo u ambulantnim ili kliničkim uslovima, jer se na pacijentu hitno mora primeniti adrenalin i osigurati prohodnost disajnih puteva u slučaju pojave anafilaktičke reakcije.

Poseban problem je i to što je predvidjanje reakcija preosetljivosti na peniciline veoma teško. Istorija ranijih reakcija pacijenta predstavlja najpouzdaniji parametar, mada postoje i načini za izvodjenje kožnih proba. Poznato je i to da pojedinci sa istorijom preosetljivosti na druge agense (polen, specifičnu hranu, itd) imaju veći rizik za razvitka ovakvih reakcija na penicilin.

Evolucija bakterija i otpornost na antibiotike

Prirodna populacija bakterija sadrži, pored velikog broja pojedinačnih jedinki, i značajne razlike u genetskom materijalu, što je prvenstveno posledica genetskih mutacija. Kada su izložene antibioticima, većina bakterija će umreti brzo, ali neke jedinke mogu imati mutacije koje ih čine nešto manje osetljivima na primenjeni antibiotik. Ako je izloženost antibioticima kratka, te jedinke će preživeti tretman i opstati. Ovo je tipičan primer prirodne selekcije na delu.

Otpornost bakterija na antibiotike je povećana kroz
preživljavanje bakterija koje su imune na dejstvo
antibiotika , a čiji potomci zatim nasledjuju tu otpornost
stvarajući nove populacije otpornih bakterija.

Čak je i sam A. Fleming svojevremeno najavljivao da će široka upotreba penicilina nužno dovesti do razvoja otpornosti bakterija na taj antibiotik. I drugi stručnjaci su još tokom prvih primena antibiotika bili svesni činjenice da će se korištenjem antibiotika u bakterijama podstaći razvoj otpornosti. Ipak, na početku “ere antiobiotika” vladalo je optimistično uverenje da će taj problem biti nadvladan pronalaženjem
novih i novih antibiotika. Medjutim, vremenom se ispostavilo da je jako teško doći do supstanci koje bi na potpuno nove načine uništavale iste vrste bakterija, a koje bi istovremeno morale biti i netoksične za ljude.

Do danas, medju bakterijama razvili su se mnogobrojni mehanizmi otpornosti. Bukvalno nema ni jednog antibiotika na koji se otpornost nije razvila. U najveće kliničke probleme ubrajaju se otpornost pneumokoka na penicilin, meticilinska i višestruka otpornost bakterije Staphylococcus aureus (MRSA), enterobakterije otporne na 3. i 4. generaciju cefalosporina (koji je klasa β-lactam antibiotika originalno izvedena od gljive Acremonium), otporni Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter baumanii.

Ono što je dodatni problem je i to što genetske mutacije na bakterijama nisu nužne da bi do razvijanja otpornosti došlo. Bakterije mogu inkorporirati delove genetskog materijala direktno od susednih patogenih bakterija (putem tzv. horizontalnog transfera gena). Skorija istraživanja čak pokazuju da i količine antibiotika koje su potrebne za razvijanje otpornosti mogu biti veoma male. Posebno je zabrinjavajuća činjenica što se najveći udeo otpornih bakterija pojavljuje na farmama (gde proizvodjači stoke prekomerno koriste antibiotike u njihovoj ishrani).

Otpornost bakterija na antibiotike, svakako jeste i biće u skorijoj budućnosti jedan od vodećih problema medicine. Borba protiv otpornosti bakterija na antibiotike ubraja se u prioritete SZO zbog čega se održavaju brojne medjunarodne konferencije na tu temu. Osnova kontrole razvoja i daljeg širenja otpornosti leži u stalnom praćenju procentualne otpornosti i potrošnje antibiotika u okruženju, zatim stalna edukacija medicinskih radnika ali i bolesnika o tome zašto je važna racionalna i umerena primena antibiotika.

U svakom slučaju, bakterije i drugi parazitski organizmi su imali i imaće i dalje snažan uticaj na evolucionu istoriju svakog bića na planeti, pa tako i na čoveka. Borbu sa patogenima čovek ne može izbeći, bar ne dok bude naseljavao Zemlju. Zahvaljujući čestici budji koja je slučajno doletela kroz prozor profesora Fleminga i upala u njegovu Petrijevu šolju i kasnije dovela do čitave revolucije u lečenju i “ere antibiotika”, čovek je mudro uspeo iskoristiti oružije njihovog starog neprijatelja (gljiva). Pošlo nam je za rukom da preokrenemo situaciju u svoju korist, unapredimo odbranu od patogena i time izmenimo istoriju čovečanstva. Sada nam izgleda preostaje krenuti dalje i tražiti nova oružija za tu borbu.

RSS
Follow by Email
Twitter