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Applicazioni mediche

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Howard Florey (in foto), Alexander Fleming e Ernst Chain hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia o Medicina nel 1945 per il loro lavoro sulla penicillina .

Il 25 novembre 1930, Cecil George Paine, un patologo presso la Royal Infirmary di Sheffield, trattò con successo la congiuntivite neonatale, un'infezione gonococcica nei neonati, grazie all'uso della penicillina (estratto fungino).[1][2][3]

Nel 1940, lo scienziato australiano Howard Florey (in seguito barone Florey) e un team di ricercatori (Ernst Boris Chain, Edward Abraham, Arthur Duncan Gardner, Norman Heatley, Margaret Jennings, J. Orr-Ewing e G. Sanders) presso la Sir William Dunn School of Pathology dell'Università di Oxford, fecero progressi nella produzione di penicillina concentrata a partire da un brodo di coltura fungina che mostrò un'azione battericida sia in vitro che in vivo.[4][5] Nel 1941, curarono un poliziotto, Albert Alexander, con una grave infezione al viso; le sue condizioni migliorarono, ma poi le scorte di penicillina si esaurirono e l'uomo morì. Successivamente, molti altri pazienti furono trattati con successo.[6] Nel dicembre 1942, i sopravvissuti all'incendio di Cocoanut Grove a Boston furono i primi pazienti ustionati ad essere trattati con successo mediante l'uso della penicillina.[7]

Il primo caso di utilizzo efficace della penicillina pura avvenne nel 1942 quando Fleming curò Harry Lambert da un'infezione fatale del sistema nervoso (meningite da streptococco). All'epoca, il team di Oxford era in grado di produrne solo una piccola quantità. Florey diede volentieri l'unico campione disponibile a Fleming. Lambert mostrò un miglioramento a partire dal giorno successivo al trattamento e guarì completamente entro una settimana.[8][9] Fleming pubblicò la sua sperimentazione clinica su The Lancet nel 1943.[10] In seguito alla scoperta medica, il 5 aprile 1943, il Consiglio di guerra britannico istituì il Comitato per la penicillina che portò allo sviluppo di progetti per la sua produzione di massa.[11][12]

Produzione di massa

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Un tecnico che prepara la penicillina nel 1943

Una volta che l'applicazione medica si fu affermata, il team di Oxford scoprì che era impossibile produrre quantità utilizzabili nel loro laboratorio.[6] Non riuscendo a persuadere il governo britannico, Florey e Heatley si recarono negli Stati Uniti nel giugno 1941 con i loro campioni di muffa con l'obiettivo di convincere il governo degli Stati Uniti ad interessarsi alla produzione su larga scala.[13] Si misero in contatto con il laboratorio di ricerca regionale settentrionale dell'USDA (NRRL, ora Centro nazionale per la ricerca sull'utilizzo agricolo) a Peoria, Illinois, dove sono state create strutture per le fermentazioni su larga scala. Seguirono immediatamente la cultura di massa della muffa nonché la ricerca di muffe migliori.[14]

Il 14 marzo 1942, una prima paziente fu trattata per sepsi da streptococco usando la penicillina prodotta negli Stati Uniti da Merck & Co.[15] La metà della fornitura totale prodotta all'epoca fu utilizzata su questa paziente, Anne Miller.[16] Entro il giugno 1942, era disponibile una quantità sufficiente di penicillina per il trattamento di dieci pazienti.[17] Nel luglio 1943, il War Production Board elaborò un piano per la distribuzione di massa delle scorte di penicillina alle truppe alleate che combattevano in Europa.[18] I risultati della ricerca sulla fermentazione del liquore ripido di mais al NRRL hanno permesso agli Stati Uniti di produrre 2,3 milioni di dosi in tempo per l'invasione della Normandia nella primavera del 1944. Una ricerca mondiale condotta nel 1943, portò alla scoperta di un cantalupo ammuffito in un mercato di Peoria, Illinois, che conteneva il miglior ceppo di muffa per la produzione utilizzando il processo del liquore ripido di mais.[19] Lo scienziato della Pfizer, Jasper H. Kane, ha suggerito di utilizzare un metodo di fermentazione in vasca profonda per produrre grandi quantità di penicillina di grado farmaceutico.[20][21]109 La produzione su larga scala è il risultato dello sviluppo di un impianto di fermentazione in vasche profonde da parte dell'ingegnere chimico Margaret Hutchinson Rousseau.[22] Come risultato diretto della guerra e del War Production Board, nel giugno 1945, venivano prodotti oltre 646 miliardi di unità all'anno.[18]

La penicillina veniva prodotta in serie nel 1944.
Poster della Seconda Guerra Mondiale che esalta l'uso della penicillina

G. Raymond Rettew contribuì in modo significativo allo sforzo bellico americano con le sue tecniche per la produzione di quantità commerciali di penicillina, in cui ha combinato la sua conoscenza relativa alla cultura dei funghi con la funzione della scrematrice Sharples.[23] Entro il 1943, il laboratorio di Rettew produceva la maggior parte della penicillina del mondo. Durante la seconda guerra mondiale, la penicillina determinò una grande differenza nel numero di morti e amputazioni causate da ferite infette tra le forze alleate, salvando circa il 12% -15% delle vite.[24] La disponibilità era tuttavia fortemente limitata dalla difficoltà di produrre grandi quantità di penicillina e dalla rapida clearance renale del farmaco, il che provocava la richiesta di dosi frequenti. I metodi per la produzione di massa della penicillina furono brevettati da Andrew Jackson Moyer nel 1945.[25][26][27] Florey non brevettò la penicillina poichè Sir Henry Dale gli disse che farlo non sarebbe stato etico.[6]

La penicillina viene escreta attivamente e circa l'80% di una dose di penicillina viene eliminata dall'organismo entro tre o quattro ore dalla somministrazione. In effetti, durante la prima era della penicillina, il farmaco era talmente scarso e apprezzato che era abitudine comune raccogliere l'urina dai pazienti in trattamento in modo tale che la penicillina in essa contenuta potesse essere isolate e riutilizzata.[28] Questa non era una soluzione soddisfacente e quindi i ricercatori cercarono un modo per rallentare l'escrezione della penicillina. Speravano di trovare una molecola che potesse competere con la penicillina per il trasportatore di acido organico responsabile dell'escrezione, in modo tale che il trasportatore espellesse preferenzialmente la molecola concorrente e la penicillina venisse invece trattenuta. L'agente uricosurico probenecid si dimostrò adatto. Quando probenecid e penicillina vengono somministrati insieme, probenecid inibisce in modo competitivo l'escrezione di penicillina aumentando la concentrazione della penicillina e prolungandone l'attività. Alla fine, l'avvento delle tecniche di produzione di massa e delle penicilline semisintetiche ha risolto i problemi di approvvigionamento e l'uso di probenecid declinò.[28] Tuttavia, il probenecid è ancora utile per il trattamento di alcune infezioni che richiedono concentrazioni particolarmente elevate di penicilline.[29]

Dopo la seconda guerra mondiale, l'Australia fu il primo paese a rendere disponibile il farmaco per uso civile. Negli Stati Uniti, la penicillina fu resa disponibile al pubblico il 15 marzo 1945.[30]

Nel 1945, Fleming, Florey e Chain hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina per lo sviluppo della penicillina.

File:Dorothy Hodgkin Nobel.jpg
Dorothy Hodgkin determinò la struttura chimica della penicillina.

Determinazione della struttura e sintesi totale

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La struttura chimica della penicillina fu proposta per la prima volta da Edward Abraham nel 1942[4] e successivamente, nel 1945, fu confermata usando la cristallografia a raggi X, da Dorothy Crowfoot Hodgkin che lavorava anche a Oxford.[31] Più tardi, nel 1964, quest'ultima ricevette il Premio Nobel per la Chimica per questa e per altre determinazioni della struttura.

Il chimico John C. Sheehan del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha completato la prima sintesi chimica della penicillina nel 1957.[32][33][34] Sheehan aveva iniziato i suoi studi sulla sintesi della penicillina nel 1948 e, durante queste indagini, sviluppò nuovi metodi per la sintesi dei peptidi così come nuovi gruppi protettivi cioè gruppi che mascherano la reattività di alcuni gruppi funzionali.[34][35] Sebbene la sintesi iniziale sviluppata da Sheehan non fosse appropriata per la produzione di massa di penicilline, uno dei composti intermedi nella sintesi di Sheehan era l'acido 6-aminopenicillanico (6-APA), il nucleo della penicillina.[36][37][34][38]

Il 6-APA fu scoperto nel 1957, nel Surrey, dai ricercatori dei Beecham Research Laboratories (in seguito Beecham Group).[39] Il collegamento di diversi gruppi al "nucleo" 6-APA della penicillina permise la creazione di nuove forme di penicilline più versatili e con una migliore attività.[40]

Sviluppi della penicillina

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La ristretta gamma di malattie trattabili o "spettro di attività" delle penicilline, insieme alla scarsa attività della fenossimetilpenicillina attiva per via orale, ha portato alla ricerca di derivati ​​della penicillina in grado di trattare una gamma più ampia di infezioni. L'isolamento del 6-APA, nucleo della penicillina, ha consentito la preparazione di penicilline semisintetiche, con vari miglioramenti rispetto alla benzilpenicillina (biodisponibilità, spettro, stabilità, tolleranza).

Il primo sviluppo importante è stato l'ampicillina nel 1961. Questa ha offerto uno spettro di attività più ampio rispetto a entrambe le penicilline originali. Ulteriori sviluppi hanno prodotto penicilline resistenti alla β-lattamasi, tra cui flucloxacillina, dicloxacillina e meticillina. Questi erano rilevanti per la loro attività contro le specie batteriche produttrici di β-lattamasi, ma inefficaci contro i ceppi di Staphylococcus aureus resistenti alla meticillina emersi successivamente.[41]

Un altro sviluppo della linea delle penicilline vere sono state le penicilline antipseudomonali, come la carbenicillina, la ticarcillina e la piperacillina, utili per la loro attività contro i batteri Gram-negativi. Tuttavia, l'utilità dell'anello β-lattamico era tale che gli antibiotici correlati, inclusi i mecillinam, i carbapenemi e, cosa più importante, le cefalosporine, lo conservano ancora al centro delle loro strutture.[42]

Produzione

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Un fermentatore (bioreattore) usato per lo stampo della Penicillina nel 1957 .

La penicillina è un metabolita secondario di alcune specie di Penicillium e viene prodotta quando la crescita del fungo è inibita dallo stress. Non viene prodotto durante la crescita attiva. La produzione è anche limitata dal feedback nel percorso di sintesi della penicillina. [senza fonte]

α-chetoglutarato + AcCoA → omocitrato → acido L-α-amminoadipico → L-lisina + β-lattamici

Il sottoprodotto, L-lisina, inibisce la produzione di omocitrato e quindi la presenza di lisina esogena dovrebbe essere evitata nella produzione di penicillina.

Le cellule di Penicillium vengono coltivate utilizzando una tecnica chiamata coltura fed-batch, in cui le cellule sono costantemente soggette a stress, necessario per l'induzione della produzione di penicillina. Anche le fonti di carbonio disponibili sono importanti: il glucosio inibisce la produzione di penicillina, mentre il lattosio no. Anche il pH e i livelli di azoto, lisina, fosfato e ossigeno dei lotti devono essere attentamente controllati. [senza fonte]

Il metodo biotecnologico dell'evoluzione diretta è stato applicato per produrre per mutazione un gran numero di ceppi di Penicillium. Queste tecniche includono PCR soggetta a errori, mescolamento del DNA , ITCHY e sovrapposizione dei supporti per PCR.

Le penicilline semisintetiche vengono preparate a partire dal nucleo della penicillina 6-APA.

Biosintesi

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Penicillin G biosintesi

In generale, ci sono tre passaggi principali e importanti per la biosintesi della penicillina G (benzilpenicillina).

  • Il primo passo è la condensazione di tre amminoacidi - acido L-α-amminoadipico, L-cisteina, L-valina in un tripeptide.[43][44][45] Prima di condensarsi nel tripeptide, l'aminoacido L-valina deve subire l'epimerizzazione per diventare D-valina.[46][47] Il tripeptide condensato è chiamato δ- (L-α-amminoadipico) -L-cisteina-D-valina (ACV). La reazione di condensazione e l'epimerizzazione sono entrambe catalizzate dall'enzima δ- (L-α-amminoadipico) -L-cisteina-D-valina sintetasi (ACVS), una peptide sintetasi nonribosomiale o NRPS.
  • Il secondo passo nella biosintesi della penicillina G è la conversione ossidativa dell'ACV lineare nell'isopenicillina N intermedia biciclica da parte dell'isopenicillina N sintasi (IPNS), che è codificata dal gene pcbC.[43][44] L'isopenicillina N è un intermediario molto debole, perché non mostra una forte attività antibiotica.[46]
  • La fase finale è una transamidazione mediante isopenicillina N N-aciltransferasi, in cui la catena laterale α-amminoadipilica dell'isopenicillina N viene rimossa e sostituita con una catena laterale fenilacetilica. Questa reazione è codificata dal gene penDE, che è unico nel processo di ottenimento delle penicilline.[43]

Voci correlate

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  • Funghi medici
  • Penicillinasi

Note

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Bibliografia

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