Rozdział 6 opracowała Jadwiga Baj

Projekt okładki i stron tytułowych Edwin Radzikowski

Na okładce: Escherichia coli przed (podłużne) i po (kuliste) działaniu mecylinamu

Redaktor prowadzący Krystyna Mostowik

Podręcznik akademicki dotowany przez Ministerstwo Edukacji Narodowej

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2001

ISBN: 978-83-01-21506-4

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2010 r., (wyd. I)
Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.
02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2
tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288
Infolinia 801 33 33 88
e-mail: pwn@pwn.com.pl, www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN mobisfera.pl

Spis treści

1 Wstęp

1.1. Wprowadzenie historyczne

1.1.1. Dawne leki

1.1.2. Twórca chemioterapii – P. Ehrlich

1.1.3. Sulfonamidy i początki ery antybiotyków

2 Klasyfikacja antybiotyków

2.1. Podstawowe klasy antybiotyków

2.1.1. Aminoglikozydy i aminocyklitole

2.1.2. Ansamycyny

2.1.3. Antybiotyki β-laktamowe

2.1.4. Antybiotyki peptydowe

2.1.5. Fusydany

2.1.6. Chloramfenikole

2.1.7. Cyklotialidyny

2.1.8. Grupa MLS (makrolidy, linkozamidy i streptograminy)

2.1.9. Pochodne aminokwasów

2.1.10. Tetracykliny

2.2. Inne antybiotyki

2.3. Chemioterapeutyki syntetyczne

2.3.1. Chinolony

2.3.2. Leki przeciwgruźlicze

2.3.3. Metronidazol

2.3.4. Preparaty furanowe

2.3.5. Sulfonamidy

3 Mechanizmy działania antybiotyków

3.1. Antybiotyki hamujące syntezę kwasu deoksyrybonukleinowego

3.1.1. Synteza DNA

3.1.2. Antybiotyki hamujące aktywność topoizomeraz

3.1.3. Inne antybiotyki i chemioterapeutyki hamujące syntezę DNA

3.1.4. Inhibitory prekursorów kwasów nukleinowych

3.1.5. Inhibitory replikacji DNA

3.2. Antybiotyki hamujące syntezę kwasu rybonukleinowego

3.3. Antybiotyki hamujące syntezę białek

3.3.1. Aminoglikozydy/aminocyklitole

3.3.2. Antybiotyki działające na podjednostkę 30S rybosomu

3.3.3. Antybiotyki działające na podjednostkę 50S rybosomu

3.3.4. Antybiotyki nie wiążące się do rybosomu

3.4. Antybiotyki oddziałujące na syntezę mureiny

3.4.1. Biosynteza mureiny

3.4.2. Inhibitory I etapu syntezy mureiny

3.4.3. Inhibitory II etapu syntezy mureiny

3.4.4. Inhibitory III etapu syntezy mureiny

3.4.5. Białka wiążące penicylinę

3.5. Chemioterapeutyki działające na błony komórkowe

3.5.1. Inhibitory funkcji błony cytoplazmatycznej

3.5.2. Inhibitory funkcji błony zewnętrznej

3.6. Antymetabolity

3.7. Niespecyficzne działanie antybiotyków na bakterie

4 Oporność bakterii na antybiotyki

4.1. Genetyczne uwarunkowania oporności na antybiotyki

4.1.1. Oporność chromosomowa

4.1.2. Oporność związana z plazmidami

4.1.3. Transpozony i inne elementy ruchome

4.1.4. Kasety genowe, integrony i super-integrony

4.2. Mechanizmy oporności bakterii na antybiotyki i niektóre ważniejsze chemioterapeutyki

4.2.1. Oporność na antybiotyki hamujące syntezę i funkcje kwasów nukleinowych

4.2.2. Oporność na antybiotyki hamujące syntezę białek

4.2.3. Oporność na inhibitory syntezy mureiny

4.2.4. Oporność na antymetabolity – sulfonamidy i trimetoprim

4.2.5. Oporność na antybiotyki działające na błony komórkowe

4.2.6. Oporność na leki przeciwprątkowe

4.3. Zjawisko tolerowania antybiotyków

5 Ewolucja oporności bakterii na antybiotyki

5.1. Domysły dotyczące genezy oporności

5.2. Oporność na antybiotyki pojawiła się w glebie

5.3. Czy plazmidy odgrywają szczególną rolę w lekooporności?

6 Perspektywy walki z bakteriami chorobotwórczymi

6.1. Ograniczenie i rozsądne stosowanie antybiotyków

6.2. Doskonalenie znanych antybiotyków

6.3. Produkcja nowych antybiotyków działających na „stare” cele

6.3.1. Błona zewnętrzna

6.3.2. Szlak biosyntezy mureiny

6.3.3. Autolizyny

6.3.4. Błona cytoplazmatyczna

6.3.5. Gyraza

6.4. Produkcja nowych antybiotyków działających na znane „nowe” cele

6.4.1. Czynniki uczestniczące w adhezji

6.4.2. Syntetazy aminoacylo-tRNA

6.4.3. Pompy bakteryjne i systemy sekrecji

6.4.4. Dwuskładnikowe systemy regulacyjne

6.5. Poszukiwanie nowych celów dla czynników przeciwbakteryjnych dzięki genomice

6.6. Bakteriofagi

6.7. Szczepionki

6.8. Podsumowanie

Suplement I

Suplement II

Przedmowa

W roku 1992 nakładem Wydawnictwa Naukowego PWN ukazała się książka profesora Zbigniewa A. Kwiatkowskiego Oporność bakterii na antybiotyki. Wypełniła ona wyraźnie wtedy odczuwalną lukę w polskim piśmiennictwie naukowym dotyczącym antybiotyków, ich działania oraz mechanizmów bakteryjnej oporności na te leki. Książka ta powstawała w szczególnych okolicznościach, gdyż jej Autor, zmożony chorobą, już wtedy praktycznie nie wychodził z domu, nie miał też dostępu do Internetu. Polegał więc na dostarczanych mu głównie przez autora niniejszej Przedmowy materiałach, na własnej bogatej wiedzy i przemyśleniach.

Od roku 1992 liczba antybiotyków stosowanych w medycynie stosunkowo niewiele się zmieniła. Do chemioterapeutyki wprowadzono nowe analogi związków już znanych, a jedynym antybiotykiem zupełnie nowej klasy jest stosowany od bardzo niedawna linezolid (Zyvox). Więcej nowych antybiotyków, najczęściej nieprzydatnych w lecznictwie ze względu na ich silne działanie uboczne, znalazło zastosowanie w badaniach laboratoryjnych oraz w rolnictwie. Minione lata przyniosły jednak bardzo wiele informacji o mechanizmie działania antybiotyków, a przede wszystkim o przyczynach gwałtownie narastającej lekooporności wśród bakterii. Lepiej poznano przyczyny rozprzestrzeniania się oporności, zarówno między oddziałami w szpitalach, jak i między odległymi częściami świata. Odkryto i opisano wiele zupełnie nowych mechanizmów warunkujących oporność, co jeszcze raz udowodniło ogromne możliwości bakterii w tym zakresie. Celowe zatem wydało się wznowienie, w zaktualizowanej formie, dawno zresztą wyczerpanego nakładu Oporności bakterii na antybiotyki. Profesor Kwiatkowski rozmawiał ze mną na ten temat wielokrotnie. Po licznych dyskusjach, powstał jednak pomysł napisania przez nas dwóch zupełnie nowej książki, w której wykorzystano by pewne fragmenty wcześniejszej, np. część wprowadzenia historycznego. Wspólnie stworzyliśmy spis treści nowej książki Bakterii, antybiotyki, lekooporność. Ale droga od napisania „spisu” do wypełnienia treścią kolejnych jego punktów była bardzo trudna, a to ze

względu na nieubłaganie pogarszający się stan zdrowia prof. Kwiatkowskiego. Z tego właśnie powodu świadomie postanowił ograniczyć On swój udział w jej tworzeniu. Nie doczekał, niestety, ukończenia jej pisania.

Książka ta zapewne w ogóle by nie powstała, gdyby nie zaangażowanie osób, którym w tym miejscu chciałbym bardzo gorąco podziękować – przede wszystkim pani dr Jadwidze Baj z Instytutu Mikrobiologii Uniwersytetu Warszawskiego (IMUW) za wzięcie na siebie ciężaru napisania całego, bez kilku drobnych fragmentów, rozdziału o perspektywach walki z bakteriami chorobotwórczymi oraz za cenne uwagi dotyczące treści pozostałych rozdziałów, pani Alison Z. Young, MD, PhD z Cornell University za pomoc w dotarciu do materiałów źródłowych i nieustającą inspirację, pani mgr Małgorzacie Kłoszewskiej (IMUW) za udział w części dotyczącej oporności na wankomycynę, panu Markowi Woźniakowi za perfekcyjne wykonanie rycin oraz skład komputerowy całości w bardzo krótkim czasie, pani redaktor Małgorzacie Nawrot (PWN) za życzliwość i wsparcie.

Bakterie, antybiotyki, lekooporność, to książka o charakterze nieco encyklopedycznym, w której zainteresowany Czytelnik znajdzie odpowiedzi na nurtujące Go pytania dotyczące konkretnych antybiotyków i sposobów ich działania. Równocześnie uzyska informacje na temat coraz bardziej nagłaśnianego w mediach istotnego problemu oporności gronkowców, paciorkowców, czy innych bakterii chorobotwórczych na antybiotyki, mechanizmów powstawania tej oporności, a w końcu perspektyw w walce z bakteriami chorobotwórczymi.

Zdzisław Markiewicz

ROZDZIAŁ 1 Wstęp

Człowiek, podobnie jak zwierzęta, zawsze żyje w bezpośrednim otoczeniu bakterii, wirusów i innych drobnoustrojów. Niektóre wyraźnie szkodzą swym „gospodarzom”, wywołują choroby, czasem kaleczą i zabijają. Tak musiało być już przed milionami lat, gdy na Ziemi pojawiali się nasi bezpośredni przodkowie, choć, rzecz oczywista, ani o ich chorobach, ani ich sprawcach nic wiedzieć nie możemy. Znając „obyczaje” dzisiejszych drobnoustrojów, przypuszczamy, że przełom we współżyciu człowieka z drobnoustrojami – wśród nich przede wszystkim z bakteriami – nastąpił mniej więcej przez 6 tysiącami lat, gdy na terenie Bliskiego Wschodu, następnie w Europie powstawały pierwsze duże osiedla ludzkie, warownie, miasta. W związku z zagęszczeniem ludzi, rozwojem handlu, dużymi wojnami, bliskim kontaktem ze zwierzętami udomowionymi, niektóre choroby szerzyły się gwałtowniej, nazwano je epidemiami, tj. przychodzącymi do miast jakby zaprószone wiatrem i ogniem. Inne miały naturę lokalną i nazwano je chorobami endemicznymi, współbytującymi z człowiekiem w jakimś miejscu, mieście. Niektóre z tych plag, a zwłaszcza te najgroźniejsze, przychodzić miały na człowieka za sprawą duchów, bóstw, były karą za jakieś winy, nawet przodków. Duchom i bóstwom trzeba było składać ofiary, oczarowywać je śpiewem, modłami. Czasem, a wiedziano to już bardzo dawno, chory człowiek przenosił zarazę na zdrowego. W Księdze Królewskiej Starego Testamentu zapisano: „I zaraził Pan króla, a był trędowatym aż do śmierci swojej i mieszkał w domu osobnym”. Jeszcze w Średniowieczu włóczące się gromady trędowatych musiały o swym zbliżaniu się dawać znać dźwiękiem dzwoneczków i ostrzegawczymi okrzykami.

Choroby, które dziś nazywamy zakaźnymi, przez stulecia nie miały swej nazwy, a jedynie opisywano ich objawy, np. gorączkę, zmiany skórne, wysypkowe, gastryczne, zimnicę itp. Pierwszy wielki lekarz grecki Hipokrates (460–377 p.n.e.), nie odbierając bogom prawa do zadawania chorób, przyczyny ich dopatrywał się również w miazmatach – cuchnących wydzielinach niektórych miejsc, ale także w zaburzeniach równowagi płynów ustrojowych, zwanych humorami, np. żółci, krwi, „flegmy”.

Dopiero na przełomie XV i XVI wieku nowy duch czasów przynosił nadzieję odmiennego widzenia przyczyn chorób zakaźnych już wówczas zwanych pestilencjami (pestis później oznaczało dżumę) lub morbes contagiones. Koncepcję kontagionu – czynnika zakaźnego, wprowadził włoski lekarz Girolamo Fracastoro, nazwany w Polsce Frakastorem. Był humanistą-poetą, kolegą Mikołaja Kopernika z czasów akademickich w Padwie. Jego poemat Syphilis sive Morbus Gallicus opisywał groźną wówczas chorobę francuską (kiłę), wywodząc ją od mitologicznego pasterza Syfilusa. Sławę Frakastorowi przyniosła książka De contagione et contagiosis morbis napisana w 1546. Kontagion, czynnik zakaźny, choć jeszcze nie jakaś istota żywa, ale już rzecz materialna, przenosił choroby zakaźne przez kontakt chorego ze zdrowym, poprzez przedmioty, jak np. ubrania, bieliznę lub też na odległość przez powietrze (stąd pojęcia morowego powietrza, czy w ogóle powietrza jako nosiciela epidemii). Frakastor nie precyzował, co to są te jego seminaria (łac. zawiązki) morbi. Dopiero w roku 1668 kupiec holenderski i szlifierz amator soczewek, zobaczył jako pierwszy człowiek świat istot żywych, ale tak maleńkich, że dopiero znacznie powiększony stawał się widoczny. Komórki roślinne zauważono już wcześniej, ale to co ujrzał kupiec z Delft przekraczało wszelkie granice wyobraźni. Leeuwenhoek, bo takie nazwisko nosił sławny odkrywca – oglądał pod swoimi prostymi mikroskopami (trzymanymi w ręce, pod światło), ale obdarzonymi doskonałymi soczewkami co popadło – wodę spod rynny, ślinę, spermę. A to co widział opisywał w listach do Królewskiej Akademii w Londynie, opatrywał rysunkami, a tylko możnych tego świata zapraszał na demonstracje dziwacznych zwierzątek, kolek, wijących się potworków. W tamtych czasach odkrycie nowego świata nie budziło zainteresowania przyrodników, a spory co do sensu istnienia takich istot wiedli raczej filozofowie i inni humaniści. Dopiero XIX wiek przyniósł odkrycie tajemnicy istoty spod mikroskopu.

Dzięki odkryciom chemika – Ludwika Pasteura (1822–1895) i lekarza – Roberta Kocha (1843 – 1910) ludzkość usłyszała o znaczeniu i roli bakterii. Pasteur obalił teorię samorództwa, wówczas już ograniczoną do mikrobów, drobnoustrojom przypisywał rolę w procesach fermentacji i gnicia. Jego prace nad chorobą jedwabników – pebryną, wywoływaną przez pierwotniaki, uznać należy za początki mikrobiologii chorób zakaźnych. W dalszych swych pracach zajmował się zarazkami wąglika i cholery drobiu.

Przez lata trwał spór pomiędzy Pasteurem i Kochem dotyczący pierwszeństwa niektórych odkryć, między innymi roli laseczki, nazwanej wkrótce Bacillus anthracis, w wywoływaniu wąglika. W roku 1878 Pasteur wraz z Joubertem i Chamberlandem napisali, iż w celu stwierdzenia, że mikroskopijny organizm jest z pewnością sprawcą choroby i kontagionem, należy wyhodować go poza organizmem żywicielskim. Taka hodowla powinna wywoływać symptomy choroby w organizmie zwierzęcym. Należy jednak pamiętać, że doświadczenia swe prowadził Pasteur posługując się hodowlami płynnymi, które, jak sam stwierdził, podczas przechowywania przestawały być sterylne. W tym samym roku

Pasteur, który z pewnością znał prace Listera, twórcy antyseptyki, napisał: „Gdybym miał honor być chirurgiem, będąc przekonany o niebezpieczeństwach, które mogą być spowodowane przez drobnoustroje, występujące wszędzie, a zwłaszcza w szpitalach, nie tylko używałbym instrumentów w stanie wielkiej czystości, ale także po umyciu rąk z najwyższą dokładnością, przeprowadziłbym je gwałtownie przez płomień, i używałbym tylko opatrunków, które zostały ogrzane w temperaturze 130 – 150°C”. W roku 1880 Pasteur zajął się problematyką zjadliwości zarazków wywołujących cholerę drobiu i stwierdził, że modyfikując warunki hodowli można drobnoustrój „osłabić”, zmniejszyć jego zjadliwość. Podobny efekt osłabienia (atenuacji) uzyskiwał Pasteur przez wielokrotne pasaże zarazków na pożywkach laboratoryjnych. Takie osłabione hodowle stosował jako szczepionki zapobiegające rozwojowi choroby pod wpływem drobnoustroju w pełni zjadliwego. W ten sposób uzyskał Pasteur szczepionkę przeciw zarazkowi wąglika, a w roku 1885 ogłosił pomyślne zastosowanie osłabionych zarazków wścieklizny, których wszczepienie człowiekowi pogryzionemu przez wściekłego psa nie dopuszczało do rozwoju choroby. Pasteur, rzecz oczywista, nie znał sprawcy wścieklizny, choć nazwał go wirusem (łac. virus – trucizna), ale wiedział, że nie jest bakterią. Otrzymał jego hodowle przez pasaże w mózgu królika. Po 50 pasażach zjadliwy zarazek, zwany „wirusem ulicznym” (wywoływał wściekliznę u psów), tracił swą zjadliwość i mógł być stosowany jako szczepionka zarówno u zwierząt, jak i u ludzi.

Twórcą bakteryjnej teorii chorób infekcyjnych był Koch. Rozpoczynając pracę nad etiologią wąglika, Koch opierał się na wcześniejszych o kilka lat obserwacjach Davaine’a, który stwierdził obecność pałeczkowatych tworów we krwi i narządach chorych zwierząt. Koch wykazał, że twory te są przetrwalnikującymi laseczkami – i nazwał je Bacillus anthracis. Wywołują one wąglik po wprowadzeniu do organizmu zdrowych zwierząt.

Przełomowe znaczenie w rozwoju bakteriologii miało zastosowanie przez Kocha techniki zestalania podłoży bakteriologicznych za pomocą agaru i otrzymywanie „czystych kultur” bakteryjnych. Koch był twórcą podstawowych reguł diagnostycznych, które później nazwano postulatami Kocha. W roku 1882 ludzkość z ust Kocha dowiedziała się, iż sprawcą gruźlicy jest bakteria. Droga gwałtownego rozwoju bakteriologii została otwarta. Weszli na nią uczniowie i współpracownicy Kocha, stwierdzając bakteryjną etiologię cholery, błonicy, róży, tężca, płatowego zapalenia płuc, zapalenia opon mózgowych, dżumy. W konkurencyjnym ośrodku badawczym w Paryżu, Pasteur i jego uczniowie tworzyli także podwaliny bakteriologii i immunologii. W ten sposób Pasteur i Koch wyprowadzili „zwierzątka” Leeuwenhoeka z linneuszowskiego Chaosu.

Jest rzeczą oczywistą, że wykrycie chorób zakaźnych musiało spowodować zainteresowanie pierwszych „łowców mikrobów” sposobami walki z nimi. Miliony ludzi zginęły w wielkich epidemiach cholery i dżumy, miliony powoli umierały na skutek innych infekcji trapiących człowieka – przede wszystkim gruźlicy. Teraz, gdy sprawcy byli znani, rozpoczęto badania nad niszczeniem zarazków oraz na sposobami niedopuszczania do infekcji. Zastąpienie w praktyce medycznej „ducha epidemii” i morowego powietrza bakteriami, a wkrótce także wirusami – nie przychodziło łatwo. Odkrycia Pasteura i Kocha przyjmowane były przez wielu sceptycznie. Z podobną niechęcią odnoszono się w latach czterdziestych ubiegłego wieku do zaleceń Semmelweissa, by studenci medycyny przychodzący do położnic wprost z prosektorium, myli ręce roztworem sody kaustycznej. Miało to zapobiegać szerzeniu się gorączki połogowej. Jeszcze wtedy wierzono, że sprawcą infekcji miał być genius epidemicus. Semmelweiss, wówczas asystent kliniki położniczej w Wiedniu, zauważył, iż częstość zachorowań położnic wzrastała, gdy na oddziale obecni byli studenci medycyny, którzy chorobę „przynosili” z prosektorium. Po opublikowaniu swoich wyników Semmelweiss musiał opuścić klinikę, zmarł w Budapeszcie, znękany krytyką, a potem obojętnością. Był zbyt słaby, by obalić panujące wówczas poglądy.

W kilkanaście lat później Joseph Lister, chirurg ze Szkocji, opierając się na pracach Pasteura, opisał zastosowaną przez siebie metodę użycia antyseptyków, między innymi sody, kwasu karbolowego i fenolu, do odkażania narzędzi i dezynfekcji pola operacyjnego.

Pasteur, choć nie był lekarzem, zajął się zagadnieniem zapobiegania chorobom zakaźnym. Jak już wcześniej napisano, opracował i zastosował w praktyce metody szczepień zapobiegawczych przeciwko cholerze drobiu, wąglikowi, a nade wszystko przeciw wściekliźnie. Ten wielki sukces pierwszego „łowcy mikrobów” przez niektórych został przyjęty nieprzychylnie, powstało nawet Międzynarodowe Towarzystwo Przeciwników Szczepień. Był to już jednak ostatni opór przeciwników bakteryjnej teorii chorób zakaźnych.

Zachęcony powodzeniem Pasteura, podobną drogą próbował iść Koch. Szukał on specyficznej terapii przeciw zarazkom gruźlicy. W roku 1890 ogłosił wyniki pozytywnych, jak wówczas sądził, zastosowań czynnika, którego pochodzenia i sposobu uzyskania początkowo nie ujawnił, a który miał zwalczać infekcje gruźlicy u ludzi. Ten czynnik Kocha został wkrótce nazwany tuberkuliną. Okazało się jednak, że tuberkulina nie jest lekiem przeciw zarazkom gruźlicy, a przeciwnie, wprowadzona do chorego organizmu powodowała chorobę, a nawet do śmierć. Niewątpliwy błąd Kocha i bezkrytycznych lekarzy, którzy zaczęli stosować tuberkulinę jako lek przeciw gruźlicy, stał się przyczyną licznych zgonów i poważnym ostrzeżeniem przed pochopnym stosowaniem wyników odkryć naukowych.

W nowy wiek ludzkość wchodziła z nowymi nadziejami. Dzięki Kochowi i jego współpracownikom poznano sprawców wielu groźnych chorób zakaźnych, otwarta była droga do odkrycia wirusów. A co równie ważne, nauka i praktyka wskazały kierunek zwalczania zarazków – miała nim być seroterapia i inne rodzaje szczepień, na przykład atenuowanymi zarazkami (jak doradzał Pasteur), lub nawet żywymi. Przyszłość pokazać miała jednak inną jeszcze drogę, w wielu przypadkach skuteczniejszą niż szczepienia. Była to chemioterapia, leczenie substancjami chemicznymi, kontynuatorka sławnej niegdyś jatrochemii (grec. iatros – uzdrowiciel, lekarz).

1.1. Wprowadzenie historyczne

1.1.1. Dawne leki

Sama natura narzucała człowiekowi myśli o różnorodnych lekach, remediach, panaceach i środkach na długie życie, w starożytności zwanych macrobiotica. Nie znając przyczyn chorób, nie zawsze zapewne wierząc w skuteczność zaklęć, czarów i modłów, próbowano przywracać zdrowie tym co najbliżej – okładami lub jedzeniem ziemi, ale nie obojętne skąd pochodzącej (słynna np. była ziemia z wyspy Lemnos). W Polsce takie medykamenty zwano glinkami i stosowano je w przypadkach wrzodów, ukąszeń pająków i wściekłych psów, krwawień wewnętrznych, gruźlicy, a nawet dżumy. Inną skarbnicą leków były rośliny i „preparaty” zwierzęce – krew, suszone narządy, kości. Cudownym panaceum przez wieki miała być driakiew, zwana księciem wszystkich leków, a przede wszystkim uniwersalną odtrutką. W Średniowieczu stosowano driakiew między innymi przeciw zapaleniu stawów, żółtaczce, trądowi, różnym gorączkom, dżumie, syfilisowi. O skuteczności decydowała zapewne wiara, a w pewnym stopniu dodawane do „leku” substancje narkotyczne. W XVI wieku stwierdzono, że ekstrakt z kory chinowca skutecznie zwalcza malarię (obecnie wiemy, że na skutek obecności chininy).

Bliższe problematyce, której poświęcamy tę książkę, były leki pochodzące ze sproszkowanych minerałów, metale – jak złoto, rtęć, ich roztwory, zawiesiny, destylaty – produkty kuchni alchemicznej. Złoto w różnych postaciach, zwane eliksirem życia, głównie za sprawą alchemików, ale także chińskich, greckich i arabskich lekarzy, miało nie tylko odmładzać, ale leczyć dżumę, syfilis. W roku 1880 Robert Koch stwierdził, że złoto hamuje in vitro wzrost zarazków gruźlicy i sugerował możliwość stosowania złota jako leku przeciw tej chorobie. Szerokie zastosowanie w leczeniu kiły znalazła rtęć i jej związki, które choć silnie toksyczne odegrały ważną rolę w zwalczaniu tej choroby. Preparaty antymonowe znalazły gorącego zwolennika w osobie lekarza i alchemika zwanego Paracelsusem (1493–1541). Życie, zdaniem tego lekarza, jest nieustannym procesem odnowy i niszczenia. Antymon, który według niego leczył wszystkie choroby (antimonum omnes morbos tollit), zapobiegać miał procesom rozpadu. Paracelsusa uważa się za twórcę nowoczesnej jatrochemii (leczenia chemikaliami). Preparaty stosowane do leczenia należało tak przekształcać chemicznie, by likwidować ich szkodliwe działanie. Leki oparte na preparatach antymonu zostały ostatecznie odrzucone, jako przynoszące więcej szkody niż pożytku.

1.1.2. Twórca chemioterapii – P. Ehrlich

Paul Ehrlich (1845–1915), współpracownik Kocha, bakteriolog i wybitny immunolog (twórca teorii odporności), na kongresie Berlińskiego Towarzystwa Medycznego w roku 1907 wypowiedział zdanie zawierające jego program badawczy: „Potrzebna nam jest chemotherapia specifica, znaczy to, iż szukamy czynników, które z jednej strony mogłyby zabijać niektóre pasożyty, nie czyniąc – z drugiej strony – zbyt dużej szkody organizmowi”. Celem chemioterapii jest dziś, tak jak wówczas, niszczenie zarazka przez zastosowanie specyficznych substancji chemicznych, które równocześnie jak najmniej szkody przynoszą „gospodarzowi” – człowiekowi lub zwierzęciu.

Rozgłos i wysoką pozycję naukową przyniosły Ehrlichowi prace z zakresu immunologii. W roku 1908 dzięki dokonanym odkryciom i stworzeniu teorii odporności Ehrlich otrzymał Nagrodę Nobla. Rozpoczynając nowy kierunek prac był inspirowany własnymi obserwacjami nad przyżyciowym wiązaniem barwników w komórkach i tkankach. Niektóre z barwników wykazywały specyficzność, wiążąc się z określonymi komórkami. Słynna koncepcja Ehrlicha „magicznych pocisków” powstała, gdy zajmował się działaniem antytoksyn. Dzięki obecności i chemicznemu powinowactwu czynnych grup na cząsteczce antytoksyny, jak pocisk trafia ona w cel (tarczę), wiążąc i unieczynniając toksynę. Było to według Ehrlicha zjawisko w swej istocie podobne do wybiórczego wiązania się barwników z określonymi tkankami. Takimi magicznym pociskami stały się później substancje chemiczne badane w laboratorium Ehrlicha pod kątem ich skuteczności w lecznictwie. W tym przypadku skuteczność działania miałaby się wiązać według Ehrlicha z chemiczną interakcją pomiędzy odpowiednimi receptorami na powierzchni zarazka oraz substancji chemicznej działającej na zarazek. Poszukiwania Ehrlicha szły w kierunku wykrycia takich związków organicznych, które mają równocześnie dwie właściwości – zawierają grupę toksyczną dla zarazka (grupa ta nazwana została przez Ehrlicha farmakoforową lub toksoforową) oraz drugą grupę – haptoforową, odpowiedzialną za „odnalezienie” komórki bakteryjnej lub pierwotniaka. Ta ogólna teoria działania chemioterapeutyków przetrwała do czasu, gdy możliwe stało się szczegółowe badanie mechanizmów ich działania.

Wybór Ehrlicha padł na barwniki. Jeden z nich, wykazujący właściwości neurotropowe, błękit metylenowy, okazał się w pewnym stopniu skuteczny w leczeniu malarii. W laboratorium Ehrlicha syntetyzowano i badano liczne barwniki, wśród nich czerwień trypanowa znalazła praktyczne zastosowanie w lecznictwie trypanosomatozy u koni. Barwnik ten był pierwszym chemioterapeutykiem uzyskanym na drodze syntezy chemicznej. Następnie Ehrlich zajął się badaniem organicznych związków zawierających arsen w cząsteczce. Niektóre z tych związków były już wcześniej podawane ludziom, na przykład atoksyl (rys. 1.1) w przypadkach śpiączki afrykańskiej, jednakże metoda ta została zaniechana ze względu na dużą toksyczność preparatu.

W roku 1909 Ehrlich rozpoczął współpracę z Japończykiem, Sahachiro Hata, który opracował metodę laboratoryjnej infekcji królików krętkiem bladym – Treponema pallidum. Umożliwiło to badanie działania związków arsenu przeciw krętkom kiły. W roku 1910 Ehrlich doniósł o wykryciu skutecznego leku przeciw kile – był nim słynny preparat 606 – salwarsan (rys. 1.1). Ehrlich sam syntetyzował lek i rozprowadzał zgłaszającym się lekarzom. Preparat jest skuteczny, choć podawany domięśniowo często powoduje nekrozę. Ehrlich decyduje się na podanie leku dożylnie. Prowadził dalej badania i w roku 1922 wykrył neosalwarsan – chemioterapeutyk działający skutecznie przeciw krętkom kiły i rozpuszczalny w wodzie.

Rys. 1.1. Chemioterapeutyki arsenowe salwarsan (a) i atoksyl (b)

Dzięki Ehrlichowi ludzkość otrzymała pierwsze „wielkie” chemioterapeutyki, a przed nauką została otwarta nowa droga poszukiwań leków przeciw drobnoustrojom. Marzenia Ehrlicha o stworzeniu therapia sterilisans magna, która pozwalałaby na niszczenie zarazków za pomocą pojedynczych dawek potężnego leku, spełniła się jedynie częściowo. Najbliższe lata przyniosły odkrycie nowych chemioterapeutyków.

1.1.3. Sulfonamidy i początki ery antybiotyków

Barwniki były jedną z grup substancji, które budziły zainteresowanie bakteriologów. W Polsce działanie barwników, obok innych substancji, badał Filip Eisenbergh (dyrektor Państwowej Stacji Bakteriologicznej w Krakowie, w latach 1933–1939). We Francji silny ośrodek badania różnych substancji chemicznych pod kątem ewentualnego zastosowania w chemioterapii powstał w Instytucie Pasteura i był kierowany przez Ernesta Fourneau. Największym odkryciem pochodzącym z tej pracowni było opisane w roku 1935 przez Tréfouëla przeciwbakteryjne działanie sulfanilamidu. Historia sulfonamidów zaczęła się jednak w Niemczech, a autorem jej był Gerhard Domagk (1895–1964). W jego laboratorium prowadzono syntezę barwników badając ich skuteczność przeciw bakteriom chorobotwórczym, zarówno in vivo, jak i in vitro. Jedną z takich substancji, otrzymaną w roku 1932, był prontosil rubrum należący do sulfamidochryzoidyn. Wykazywał on małą toksyczność i silne działanie przeciw infekcji paciorkowcowej u zwierząt, mimo iż w laboratorium związek ten nie tylko nie zabijał bakterii, lecz nawet nie hamował ich wzrostu. Badania te podjął Tréfouël z Instytutu Pasteura. Stwierdził on aktywność substancji powstających ze sprzężenia diazowych pochodnych aminosulfamidu z monoi polifenolami. Wykazał, że w organizmie zarówno prontosil, jak i inne pokrewne związki ulegają rozpadowi z wytworzeniem p-aminobenzenosulfonamidu, który hamuje wzrost bakterii i ma działanie chemioterapeutyczne.

W roku 1939 Domagkowi przyznano Nagrodę Nobla za wykrycie nowej grupy chemioterapeutyków – sulfonamidów. Nagrody jednak, na skutek zakazu Adolfa Hitlera, nie mógł odebrać. Inne wkrótce otrzymane sulfonamidy (rys. 1.2) okazały się skutecznymi chemioterapeutykami. Impet badań nad tą grupą został w pewnym stopniu zahamowany przez odkrycie penicyliny, a wkrótce innych antybiotyków.

Rys. 1.2. Prontosil rubrum i produkt jego przemiany – p-aminobenzenosulfonamid (sulfanilamid)

Zanim doszło do wiekopomnego odkrycia penicyliny, Aleksander Fleming (1881–1955) był już znanym bakteriologiem i odkrywcą lizozymu. Pracował w St. Mary’s Medical School w Londynie. Obecność lizozymu, który działał litycznie na ścianę komórkową wielu bakterii, wykazał Fleming w wydzielinie z nosa, w łzach, a także w białku jaja kurzego. Późniejszy odkrywca penicyliny sądził, iż lizozym może być stosowany miejscowo, jako chemioterapeutyk. Do odkrycia penicyliny doszło przypadkowo, gdy, na długo przetrzymywanej płytce Petriego wokół kolonii pleśni – Penicillium, Fleming zauważył strefę zahamowania wzrostu bakterii gronkowca złocistego – Staphylococcus aureus. Substancję dyfundującą do podłoża nazwał Fleming penicyliną. Odkrywca tego nowego preparatu nie miał jednak możliwości oczyszczenia go – badał jedynie filtraty hodowlane, stwierdzając ich wysoką aktywność. Ostrożnie sugerował też możliwość miejscowego stosowania penicyliny przeciw powierzchniowym infekcjom bakteryjnym.

Sam Fleming z entuzjazmem przyjmował wiadomości o nowej metodzie zwalczania bakterii, tj. chemioterapii, i był jednym z pierwszych, który w swej skromnej praktyce lekarskiej zastosował preparat Ehrlicha – salwarsan – do leczenia syfilityków w Anglii.

W roku 1935 Fleming nie bez zaskoczenia dowiedział się, że oczyszczaniem i dalszym badaniem penicyliny zajęła się grupa badaczy pracujących w Oksfordzie, kierowana przez profesora patologii – Howarda Floreya. Wraz z Ernstem Chainem i innymi współpracownikami otrzymali oni preparat, uzyskując substancję rozpuszczalną w wodzie. Stwierdzono jej wysoką aktywność (raczej bakteriostatyczną niż bakteriobójczą) wobec gronkowców, paciorkowców oraz beztlenowej laseczki Clostridium septicum. W czasie ostatniej wojny światowej powstał wielki program badawczy, obejmujący także problematykę produkcji penicyliny na skalę przemysłową. W programie uczestniczyli uczeni z Wielkiej Brytanii i Stanów Zjednoczonych. Otrzymano penicylinę w formie krystalicznej i określono jej strukturę chemiczną. Stosując metodę mutagenizacji, uzyskano ponad tysiąckrotny wzrost zawartości antybiotyku w płynie hodowlanym Penicillum notatum. Rozpoczęto produkcję penicyliny krystalicznej na skalę przemysłową. Po raz pierwszy podano pacjentowi penicylinę w przypadku ostrej posocznicy w roku 1941. W roku 1945 Fleming, Florey i Chain za wykrycie i wprowadzenie penicyliny do terapii otrzymali Nagrodę Nobla.

Jakkolwiek pierwszy „wielki” antybiotyk odkrył Fleming, a era stosowania w lecznictwie i badaniach antybiotyków zaczęła się z roku 1951, myśl o praktycznym wykorzystaniu zjawiska antybiozy pojawiła się znacznie wcześniej. W roku 1877 Pasteur i Joubert rozważali możliwość stosowania mikrobów w lecznictwie jako czynnika zwalczającego inne chorobotwórcze zarazki. Oparli się przy tym na obserwacji, iż laseczka wąglika dobrze rośnie w sterylnym moczu, lecz ginie, gdy do moczu wprowadzono bakterie izolowane z powietrza. W doświadczeniach prowadzonych na zwierzętach Pasteur i Joubert stwierdzili, że równoczesne szczepienia zwierząt laseczką wąglika i innymi niechorobotwórczymi bakteriami osłabia objawy choroby. W roku 1885 Cantani podjął próbę leczenia gruźlicy płuc rozpylając do tchawicy zawiesinę bakterii Bacterium terumo. W roku 1899 ukazała się praca donosząca o obecności w starej hodowli Pseudomonas substancji zwanej piocyjanazą, która wykazywała działanie przeciwbakteryjne. Próbowano ją stosować w leczeniu błonicy.

W roku 1924 Gratia i Dath stwierdzili obecność czynnika bakteriolitycznego pochodzącego z promieniowców, zaliczanych wówczas do rodzaju Streptothrix. Preparat ten, nazywany początkowo „mykolizatem ze Streptothrix”, w roku 1937 został nazwany aktynomycetyną. Był to w rzeczywistości sterylny filtrat hodowli. Wykazywał on działanie terapeutyczne, szczególnie w przypadku infekcji paciorkowcowych. Wszystkie te badania i obserwacje znalazły się wkrótce w cieniu, gdy wykryto i zastosowano w lecznictwie penicylinę. Do wielkiego, choć przypadkowego odkrycia dokonanego przez Fleminga można zastosować słynne powiedzenie Pasteura, iż „przypadek sprzyja umysłom przygotowanym”.

Drugi nurt badań, a wkrótce także wielkich odkryć, był związany z bakteriologią gleby. Na Wydziale Rolniczym Uniwersytetu Rutgers (USA), jeszcze jako student, imigrant z Rosji, Selman Waksman zajął się mało znaną grupą bakterii glebowych, zwanych wówczas Actinomycetes. Później Waksman pracował nad bakteriami siarkowymi, między innymi wykrywając Thiobacillus thiooxidans. Gdy jeden z uczniów Waksmana, René Dubos wykrył w roku 1939 substancję toksyczną dla bakterii, wytwarzaną przez bakterię glebową Bacillus brevis – tyrotrycynę (była to mieszanina polipeptydów – gramicydyny i tyrocydyny), Waksman zmienił swe zainteresowania badawcze. Rozpoczął systematyczne poszukiwanie „producentów” podobnych substancji wśród bakterii glebowych. Jeszcze wtedy termin antybiotyk nie był w użyciu – stworzył go właśnie Waksman. W związku z odkryciami w Rutgers University zaczęto mówić o antybiotykach Waksmana. Były to: w roku 1940 aktynomycyna, w roku 1944 streptomycyna, w roku 1949 neomycyna. Za odkrycie streptomycyny Waksman otrzymał w roku 1952 Nagrodę Nobla.

Odkrycia antybiotyków następowały teraz lawinowo. W roku 1947 wykryto chloromycetynę, pierwszy antybiotyk o szerokim spektrum działania, a w rok później Benjamin Duggar opisuje pierwszy antybiotyk z grupy tetracyklin, które do dziś mają najszersze spektrum działania obejmujące większość bakterii gramdodatnich i gramujemnych, łącznie z riketsjami i chlamydiami oraz rodzajem Brucella. Rozpoczyna się nowy etap – poszukiwania drobnoustrojów wytwarzających substancje antybiotyczne prowadzi się już nie w laboratorium uczelni, lecz w pracowniach firm farmaceutycznych, które dysponują olbrzymimi środkami finansowymi i zatrudniają kadrę specjalistów z różnych dziedzin. W ten sposób rodzi się przemysł biotechnologiczny. Pojawiają się nowe i coraz nowsze antybiotyki, zarówno w swej wyjściowej postaci wytwarzane przez drobnoustroje, jak również tak zwane półsyntetyczne (produkt naturalny przekształcany lub modyfikowany chemicznie przez człowieka) i w pełni syntetyczne, nie mające swych odpowiedników w przyrodzie (tab. 1.1). O niektórych lekach przeciwbakteryjnych z tej ostatniej grupy znajdzie Czytelnik informacje w rozdziale poświęconym podstawowym klasom antybiotyków.

Tabela 1.1. Kamienie milowe w rozwoju chemioterapii

1888–1889

Odkrycie pierwszego naturalnego antybiotyku. Freudenreich stwierdza obecność substancji przeciwbakteryjnej w hodowli Pseudomonas aeruginosa (wówczas Bacillus pyocyaneus). Emmerich i Low nazywaj1 tę substancję piocyjaniną.

1910–1912

Ehrlich odkrywa pierwszy chemioterapeutyk (salwarsan), który zostaje zastosowany do leczenia kiły. Wprowadza on do słownictwa termin „chemioterapia”.

1924

Gratia i Dath stwierdzają bakteriobójcze działanie przesączu hodowli Streptothrix (aktynomycyna).

1929

Fleming wykrywa penicylinę.

1935

Domagk ogłasza syntezę prontosilu, pierwszego przeciwbakteryjnego leku o szerokim zastosowaniu terapeutycznym.

1939–1940

Dubos oznajmia o odkryciu gramicydyny.

1940

Florey i Chain wykazują skuteczność penicyliny w leczeniu schorzeń u zwierząt. Ze względu na działania wojenne, szybko zostaje ona wprowadzona do użytku na froncie.

1943

Waksman odkrywa streptomycynę i jako pierwszy stosuje określenie „antybiotyk”.

1947

Burkholder wykrywa chloramfenikol (wtedy zwany chloromycetyn1).

1948

Duggar odkrywa pierwszy antybiotyk o szerokim spektrum aktywności – tetracyklinę.

1956

Wykrycie wankomycyny.

1961

Mason wykrywa linkomycynę (linkozamid), antybiotyk ten zostaje wprowadzony do lecznictwa 6 lat później.

2000

Wprowadzenie do użytku linezolidu (Zyvox), pierwszego od 35 lat przedstawiciela zupełnie nowej grupy antybiotyków.

ROZDZIAŁ 2 Klasyfikacja antybiotyków

Antybiotyki są produktami metabolizmu drobnoustrojów. Działają bakteriobójczo lub bakteriostatycznie na wrażliwe mikroorganizmy. Niektóre antybiotyki oddziałują na komórki pierwotniaków lub grzybów. Producentami tych związków są przede wszystkim bakterie żyjące w glebie oraz niektóre grzyby. Znane są nieliczne antybiotyki wytwarzane przez inne drobnoustroje, na przykład glony, nie mają one jednak znaczenia klinicznego. Antybiotyki znajdują szerokie zastosowanie w lecznictwie ludzi i zwierząt. Niektóre z nich są także stosowane jako dodatek do pasz, gdyż korzystnie, choć w bliżej nieznany sposób wpływają na przyrost masy ciała zwierząt hodowlanych, zapewne poprzez modyfikację składu i aktywności drobnoustrojów jelitowych. Pewne antybiotyki, szczególnie peptydowe, są też wykorzystywane w przechowywaniu żywności. W laboratorium antybiotyki znajdują szerokie zastosowanie jako specyficzne inhibitory reakcji metabolicznych.

Wprawdzie „klasyczne” pojęcie antybiotyku zdefiniowane przez Waksmana mówi o wytwarzanych przez mikroorganizmy naturalnych substancjach, które w małych stężeniach mają zdolność zabijania lub hamowania wzrostu innych drobnoustrojów, lecz we współczesnym ujęciu antybiotyk to związek chemiczny wytwarzany przez jakikolwiek organizm (najczęściej jednak będący drobnoustrojem), który wybiórczo działa na struktury i procesy biologiczne, hamując wzrost lub podział komórek. Oczywiście, chodzi tu o metabolity wtórne, które są szkodliwe już w małych stężeniach, a nie o takie uboczne produkty metabolizmu jak amoniak, kwasy organiczne czy nadtlenek wodoru. Współczesne pojęcie antybiotyku idzie zresztą dalej, gdyż nazwa ta często stosowana jest dla licznych półsyntetycznych pochodnych antybiotyków naturalnych, a czasem nawet w odniesieniu do całkowicie syntetycznych analogów powstających w laboratorium jako związki naśladujące działanie antybiotyków naturalnych. W tej i innych częściach niniejszej książki będą omówione przed wszystkim antybiotyki naturalne i półsyntetyczne, ale wspomnimy również i o ważniejszych chemioterapeutykach syntetycznych.

Specyficzność oddziaływań antybiotyków polega na „trafianiu” w określone miejsce (cel lub tarczę) komórki wrażliwego drobnoustroju. Antybiotyki działają więc wybiórczo na określone grupy bakterii, niektóre grzyby lub pierwotniaki. Pierwszy odkryty i klinicznie zastosowany antybiotyk – penicylina, działa na bakterie gramdodatnie, drugi antybiotyk – streptomycyna wykazuje szerokie spektrum działania, także wobec prątków gruźlicy. Antybiotyki powstają jako produkty końcowe różnych szlaków metabolicznych komórek-producentów. W odróżnieniu od metabolitów podstawowych zalicza się je do tak zwanych metabolitów wtórnych. Nasuwa się pytanie, jaką rolę pełnią antybiotyki w naturalnych środowiskach życia drobnoustrojów. Większość (około 80%) znanych antybiotyków wytwarzana jest przez promieniowce żyjące w glebie. Jako substancje toksyczne dla innych drobnoustrojów, antybiotyki z pewnością odgrywają rolę w ekologii mikroorganizmów. Wytwarzanie określonego antybiotyku może być właściwością drobnoustrojów należących do jednego gatunku, ale także do kilku gatunków jednego rodzaju, a nawet do różnych grup taksonomicznych. Znane są przypadki, gdy jeden drobnoustrój wytwarza dwa lub więcej różnych antybiotyków.

Pod względem chemicznym antybiotyki stanowią grupę bardzo mocno zróżnicowaną i czasami trudno jest dany związek ściśle zaliczyć do danej klasy. Klasyfikacje ściśle oparte na kryteriach chemicznych grupują antybiotyki o odmiennych mechanizmach działania i innym spektrum aktywności. A więc np. do klasy antybiotyków węglowodanowych należą związki o tak odmiennych właściwościach jak „czyste” cukry (np. nojirymycyna), aminoglikozydy (streptomycyna) i aminocyklitole (spektynomycyna), ortozomycyny (ewerninomycyna), C-glikozydy (wankomycyna), N-glikozydy (streptotrycyna) i glikolipidy (moenomycyna). W przedstawionej klasyfikacji antybiotyki są grupowane na podstawie wspólnej budowy chemicznej oraz atakowanego przez nie wspólnego celu.

2.1. Podstawowe klasy antybiotyków

2.1.1. Aminoglikozydy i aminocyklitole

Streptomycyna była pierwszym wykrytym przez Waksmana antybiotykiem aminoglikozydowym. Otrzymano ją z podłoża hodowlanego Streptomyces griseus, lecz metabolit ten wytwarzany jest też przez inne gatunki promieniowców. Streptomycyna jednak nie jest charakterystycznym przedstawicielem grupy aminoglikozydów, gdyż od większości innych tego typu antybiotyków różni się zarówno budową cząsteczki, jak i charakterem wiązania do rybosomu (rys. 2.1). Jest ona silnie zasadowym pseudotrisacharydem zawierającym sześcioczłonowy pierścień aminocyklitolowy będący streptydyną (streptomycyna A) lub pseudotetrasacharydem (streptomycyna B). Podobnie jednak jak inne aminoglikozydy i aminocyklitole, wykazuje szerokie spektrum działania zarówno wobec bakterii gramdodatnich, jak i gramujemnych. Streptomycyna jest aktywna także wobec prątków gruźlicy.

Rys. 2.1. Spektynomycyna (a) i streptomycyna (b)

Ze względu na strukturę, wyróżnia się trzy główne grupy antybiotyków należących do aminoglikozydów/aminocyklitoli, stosowanych w chemioterapeutyce. Pierwsze dwie grupy zawierają pierścień aminocylitolowy będący 2-deoksystreptoaminą, połączony z dwiema lub więcej resztami cukrowymi:

- 4,5-podstawione deoksystreptoaminy (np. neomycyna, paromomycyna, rybostamycyna, liwidomycyna);

- 4,6-podstawione deoksystreptoaminy (np. kanamycyna, tobramycyna – rodzina kanamycyny – oraz półsyntetyczne pochodne kanamycyny A – amikacyna i dibekacyna). W tej grupie znajdują się również sysomycyna, jej półsyntetyczna pochodna netylmycyna oraz gentamycyna (rodzina gentamycyny) (rys. 2.2).

Do trzeciej grupy należą aminoglikozydy zawierające pierścień aminocyklitolowy będący streptydyną (np. streptomycyna, kasugamycyna) oraz aminocyklitole (spektynomycyna) (rys. 2.1).

Wymieniona w ostatniej grupie spektynomycyna, wytwarzana przez promieniowca Streptomyces spectabilis, nie jest aminoglikozydem, gdyż nie zawiera aminocukrów ani wiązań glikozydowych. Jest przedstawicielem ścisłych aminocyklitoli, a właściwie jest diaminocyklitolem. W przeciwieństwie do aminoglikozydów spektynomycyna ma działanie bakteriostatyczne, a nie bakteriobójcze, i jej wiązanie się z celem w rybosomie jest odwracalne. Działa na bakterie gramujemne i gramdodatnie, często znajdując zastosowanie w zwalczaniu gonokoków opornych na inne antybiotyki. Kasugamycyna działa głównie na bakterie gramujemne, w tym Pseudomonas, ale jest powszechnie stosowana przeciw Puricularia oryzae, grzybowi powodującemu spustoszenia w uprawach ryżu.

Rys. 2.2. Neomycyna C (a) i gentamycyna A1 (b)

Prawie wszystkie aminoglikozydy/aminocyklitole, podobnie jak streptomycyna, są wytwarzane przez promieniowce. Do wyjątków należą gentamycyna (produkowana przez Micromonospora purpurea), sysomycyna (wytwarzana przez Micromonospora inyonensis) i netylmycyna (Micromonospora spp.). Angielskie nazwy gentamicin, netilmicin czy sisomicin (w przeciwieństwie do np. kanamycin) podkreślają grzybowe pochodzenie antybiotyku. Gentamycyna jest najdłużej stosowanym aminoglikozydem, o szerokim spektrum działania, w zwalczaniu bakterii z rodzaju Pseudomonas. Stosowana jest również w leczeniu ciężkich schorzeń wywoływanych przez inne bakterie gramujemne, jak Enterobacter, Escherichia coli, Klebsiella, Proteus i Serratia. Często stosuje się ją w kombinacji z antybiotykiem β-laktamowym, szczególnie w przypadku P. aeruginosa. Gentamycyna znajduje również zastosowanie w laboratorium, szczególnie do badań dotyczących bakterii patogennych wnikających do komórek gospodarza, jak np. Listeria monocytogenes.

W lecznictwie wykorzystuje się szereg półsyntetycznych antybiotyków aminoglikozydowych. Redukcja grupy aldehydowej streptomycyny do grupy hydroksylowej prowadzi do otrzymania dihydrostreptomycyny. Innymi znanymi półsyntetycznymi antybiotykami aminoglikozydowymi są amikacyna i dibekacyna, pochodne kanamycyny. Netylmycyna jest 1-N-etylową pochodną sysomycyny, antybiotyku naturalnego dość rzadko stosowanego w lecznictwie. Netylmycyna ma szerszy zakres działania od większości aminoglikozydów, działając na szczepy bakterii oporne na kanamycynę, gentamycynę, tobramycynę i oczywiście sysomycynę.

Aminoglikozydy/aminocyklitole są aktywne przede wszystkim wobec tlenowych bakterii gramujemnych oraz gronkowców. Bakteriobójcze działania przejawiają szczególnie w stosunku do przedstawicieli Enterobacteriaceae, Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter spp. i Providencia spp. Poszczególne antybiotyki tej grupy różnią się jednak swoim spektrum działania. Netylmycyna działa na wiele szczepów bakterii opornych na kanamycynę, gentamycynę, tobramycynę i sysomycynę. Jednym z nowszych półsyntetycznych antybiotyków aminoglikozydowych jest izepamycyna, o znacznie rozszerzonym spektrum działania w porównaniu z innymi aminoglikozydami. Antybiotyk ten jest również w znacznie mniejszym stopniu podatny na inaktywację przez bakteryjne acylazy.

Aminoglikozydy charakteryzują się dwiema właściwościami niekorzystnymi z punktu widzenia zastosowania w lecznictwie. Po pierwsze – z dużą częstością pojawiają się wśród bakterii mutanty oporne na te antybiotyki, a po drugie – oddziałują one na rybosomy w mitochondrialnych komórkach eukariotycznych, co prowadzi do poważnych działań ubocznych. Dłuższe ich stosowanie powoduje uszkadzanie nerek i aparatu słuchu (głuchotę). W związku z tym są one zwykle stosowane jedynie w przypadku ciężkich zakażeń bakteriami gramujemnymi. Stosunkowo często w zakażeniach bakteriami gramdodatnimi, np. w listeriozie, są podawane są łącznie z antybiotykami β-laktamowymi. W zwalczaniu brucelozy (gorączka maltańska) są używane razem z tetracykliną.

2.1.2. Ansamycyny

Ansamycyny (rifamycyny i streptowarycyny) stanowią grupę makrocyklicznych antybiotyków wyróżniających się obecnością alifatycznego mostka (ansa) łączącego dwie przeciwległe części aromatycznego układu naftalenu. Układ aromatyczny grupy antybiotyków ansamycynowych, takich jak rifamycyna, wywodzi się z naftalenu. Pierwszy antybiotyk tej grupy, otrzymany z hodowli Nocardia (Streptomyces) mediterranei był preparatem złożonym z kilku substancji o różnej aktywności. Modyfikując warunki hodowli, otrzymano czysty preparat, rifamycynę B, aktywną wobec bakterii gramdodatnich i prątków gruźlicy (rys. 2.3).

Modyfikacje chemiczne tego antybiotyku doprowadziły do otrzymania pochodnej półsyntetycznej – rifamycyny SV, działającej zarówno na bakterie gramdodatnie, jak i gramujemne, choć zdecydowanie słabiej na te ostatnie. Lek ten jest wysoce aktywny wobec Mycobacterium tuberculosis i w postaci soli sodowej znalazł zastosowanie w leczeniu gruźlicy. Jedną z licznych półsyntetycznych rifamycyn o silnym działaniu przeciwprątkowym jest rifampicyna, będąca pochodną 3-formylorifamycyny SV. Ma ona szczególnie wysoką aktywność wobec prątków trądu (Mycobacterium leprae). Jest też skuteczna wobec gramdodatnich ziarniaków, takich jak gronkowce, paciorkowce i niektórych beztlenowców oraz gramujemnych ziarniaków (Neisseria gonorrhoeae, N. meningitidis) i wykazuje bardzo silną aktywność bakteriobójczą w stosunku do Legionella pneumophila. Inną półsyntetyczną rifamycyną o charakterze lipofilowym jest rifabutyna, będąca pochodną naturalnej rifamycyny S. Znajduje ona zastosowanie w leczeniu typowej i atypowej gruźlicy, choć obecnie najczęściej jest stosowana, łącznie z innymi lekami, w terapii kompleksu M. avium-intracellulare u pacjentów z niedoborem odpornościowym. W chemioterapeutyce znajdują zastosowanie również rifapentyna, która w stosunku do M. tuberculosis dziesięciokrotnie przewyższa aktywnością rifampicynę, oraz rifaksymina, stosowana do leczenia zakażeń bakteryjnych przewodu pokarmowego.

Rys. 2.3. Rifamycyna B

2.1.3. Antybiotyki β-laktamowe

Nazwa tej grupy antybiotyków pochodzi od pierścienia β-laktamowego w ich cząsteczce. Jest to cykliczny amid kwasowy, którego otwarcie powoduje zanik aktywności cząsteczki antybiotyku. Antybiotyki β-laktamowe są wytwarzane przez grzyby z rodzaju Penicillium, Cephalosporium i Aspergillus, a niektóre – przez bakterie z rodzaju Streptomyces i Nocardia, a także Pseudomonas, Gluconobacter, Agrobacterium i Acetobacter. Do tej grupy zaliczamy pierwszy antybiotyk zastosowany w lecznictwie – penicylinę benzylową (penicylina G), wyprodukowaną w laboratorium Fleminga przez Penicillium notatum. Drugą naturalną penicyliną jest fenoksymetylopenicylina (penicylina V).

Oprócz penicylin (penamów) do naturalnych antybiotyków β-laktamowych należą także cefalosporyny (cefemy), a po roku 1971, w wyniku intensywnych poszukiwań do grupy tej dołączyły również blisko spokrewnione z cefalosporynami cefamycyny oraz klawamy (np. kwas klawulanowy, klawamycyna, walklawam), karbapenemy (tienamycyna, kwas oliwanowy, meropenem) i monolaktamy (azetydynony), do których należą nokardycyny i monobaktamy. Jedynym obecnie stosowanym w chemioterapeutyce monobaktamem jest aztreonam (rys. 2.4), który charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami farmakokinetycznymi, bowiem penetruje do większości tkanek. Ze stosowania tigemonamu i karumonamu w zasadzie zrezygnowano.

Rys. 2.4. Aztreonam

W cząsteczce penicylin pierścień β-laktamowy jest sprzężony z pięcioatomowym pierścieniem tiazolidynowym, natomiast w cefalosporynach występuje sześcioatomowy pierścień dihydrotiazynowy (rys. 2.5).

Pierwsze przemysłowe preparaty penicylin, uzyskiwane z hodowli Penicillium chrysogenum, szczepu znalezionego na gnijących resztkach owoców na targu w Preorii (USA), były mieszaniną związków zawierających różne łańcuchy boczne. Dodatek kwasu fenylooctowego do podłoża powodował wzrost zawartości antybiotyku, którym był już zasadniczo czysty preparat penicyliny benzylowej, zwanej też penicyliną G. Na rysunku 2.6 przedstawiono strukturę chemiczną niektórych penicylin naturalnych i półsyntetycznych. Penicyliny G nie stosowano doustnie, gdyż w niskim pH soku żołądkowego ulega rozkładowi. Uzyskana wkrótce, przez modyfikację składu podłoża hodowlanego, fenoksymetylopenicylina jest stabilna w środowisku kwaśnym i może być stosowana doustnie. Podobnie, zmieniając w podłożu składniki odżywcze będące prekursorem antybiotyku otrzymano szereg innych naturalnych penicylin, zwanych też penicylinami biosyntetycznymi. Pierwsze naturalne penicyliny działały przede wszystkim na bakterie gramdodatnie i znalazły szerokie zastosowanie w leczeniu schorzeń wywołanych przez gronkowce i paciorkowce, ale również przez dwoinki rzeżączki i dwoinki zapalenia opon mózgowych.

Rys. 2.5. Podstawowa struktura naturalnych antybiotyków β-laktamowych: penicylin (a), cefalosporyn (b), karbapenemów (c) i monobaktamów (d)

Rys. 2.6. Penicylina benzylowa i niektóre pochodne

Przełomowe znaczenie w poszukiwaniu nowych penicylin, co było szczególnie ważne w związku z pojawieniem się szczepów opornych, miało wprowadzenie do produkcji i zastosowanie penicylin półsyntetycznych. Nastąpiło to, gdy z penicyliny G otrzymano kwas 6-aminopenicylanowy (6-AP), który stanowi „jądro” cząsteczki. Związek ten powstaje w wyniku rozbicia enzymatycznego (enzym – acylaza (amidaza) penicylinowa pochodzi z drobnoustrojów) cząsteczki penicyliny benzylowej, z odłączeniem reszty fenyloacetylowej (rys. 2.7). Do tego celu można również stosować hydrolizę chemiczną, lecz jest to proces droższy i mniej wygodny. Kwas 6-aminopenicylanowy można przekształcać chemicznie na drodze acylacji – w środowisku kwaśnym – w półsyntetyczne penicyliny, z których wiele ma zastosowanie kliniczne. Przez przyłączenie D(-)-fenyloglicyny lub D(-)-p-hydroksyfenyloglicyny do 6-AP powstają odpowiednio ampicylina i amoksycylina (aminopenicyliny). Półsyntetyczne penicyliny są z reguły oporne na niskie pH, a niektóre z nich wykazują oporność na β-laktamazy – enzymy pochodzenia bakteryjnego. Przykładem takich modyfikowanych, półsyntetycznych penicylin, opornych na działanie wielu bakteryjnych penicylinaz, są np. metycylina, nafcylina (obydwa antybiotyki muszą być podawane w formie pozajelitowej z powodu wrażliwości na niskie pH i ich słabej absorpcji z przewodu pokarmowego) oraz należące do penicylin izoksazolilowych, kloksacylina (Syntarpen), dikloksacylina, flukoksacylina.

Rys. 2.7. Kwas 6-aminopenicylanowy

Ważnym efektem modyfikacji chemicznej penicylinowego łańcucha bocznego jest rozszerzenie spektrum działania także na bakterie gramujemne. Przykładem jest ampicylina, amoksycylina, karbenicylina (karboksypenicylina) i jej ester fenylowy – karfecylina. Do półsyntetycznych penicylin nie rozkładanych przez β-laktamazy bakterii gramujemnych należą również tykarcylina (karboksypenicylina) i jej pochodna temocylina. Z reguły wzrost aktywności przeciw bakteriom gramujemnym wiąże się z osłabieniem aktywności wobec bakterii gramdodatnich. Inny antybiotyk tej grupy – mecylinam, półsyntetyczny związek należący do amidynopenicylin, jest bardzo aktywny wobec pałeczek gramujemnych, z wyjątkiem np. Bacteroides fragilis i Pseudomonas aeruginosa oraz niektórych gatunków z rodzaju Proteus, natomiast nie działa na ziarniaki gramdodatnie. Podobnie działa piwmecylinam (Selexid), ester mecylinamu, przeznaczony do podawania doustnego. Piwmecylinam jest ponadto stosowany do zwalczania nosicielstwa pałeczek Salmonella oraz bakteriomoczu w przebiegu ciąży. Penamecylina jest estrem acetoksymetylowym penicyliny benzylowej. W organizmie człowieka lek ten ulega hydrolizie do aktywnej penicyliny. Ważną rolę w lecznictwie odgrywają również penicyliny z grupy ureidopenicylin, np. mezlocylina, azlocylina i piperacylina, które są skuteczniejsze wobec paciorkowców i enterokoków niż karboksypenicyliny. Są aktywne wobec ponad 75% szczepów Klebsiella spp. i doskonale zwalczają większość Enterobacteriacae oraz bakterii beztlenowych, w tym Bacteroides fragilis.

Rys. 2.8. Kwas 7-cefalosporanowy

Pierwszą odkrytą cefalosporyną, produkowaną przez grzyby Cephalosporium, była cefalosporyna C. Antybiotyk ten nie znalazł zastosowania w lecznictwie, dał jednak początek licznym półsyntetycznym cefalosporynom. Cefalosporyny, choć pierwotnie wykryte u grzybów, są też wytwarzane przez promieniowce, głównie Streptomyces clavuligerus. Materiałem wyjściowym do modyfikacji czy biotransformacji cefalosporyn stał się kwas 7-aminocefalosporanowy (7-AC) (rys. 2.8). Kwas ten można chemicznie modyfikować, otrzymując różne pochodne antybiotyki cefalosporynowe, jak na przykład cefalorydyna, cefalotyna – obydwa o szerokim spektrum działania, także w stosunku do szczepów opornych na penicylinę, cefazolina oraz cefalosporyny półsyntetyczne aktywne przy podaniu doustnym, na przykład cefaleksyna, cefaloglicyna i cefradyna. Cefalosporyny dość umownie przyjęto dzielić na generacje, opierając się na ogólnych właściwościach przeciwbakteryjnych poszczególnych antybiotyków. Mimo arbitralności, podział ten jest powszechnie przyjęty. Cefalosporyny wymienione wyżej należą do pierwszej generacji. Do cefalosporyn drugiej generacji, które są bardziej oporne na niektóre β-laktamazy bakterii gramujemnych, należą m.in. cefamandol, cefaklor, cefuroksym, cefmetazol, cefotiam, cefotetan, cefonicyd i cefoksytyna, do cefalosporyn trzeciej generacji, o znacznie rozszerzonym spektrum działania, należą cefotaksym, cefoperazon, latamoksef, ceftazydym, ceftriakson, cefsulodyna i cefoperazon (rys. 2.9), a do czwartej – cefepim.