פניצילין

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

פניצילין (Penicillin) הוא תרופה אנטיביוטית המופרשת באופן טבעי על ידי זן מסוים של הפטרייה Penicillium chrysogenum (נקראה בעבר Penicillium notatum). הפניצילין גורם להרס דופן התא של חיידקים, בעיקר חיידקים גרם-חיוביים.

פניצילין הוא האנטיביוטיקה הראשונה שנתגלתה. גילויו חולל מהפכה ברוקחות וברפואה, והביא למיגורן של מחלות שבעבר היו קטלניות וגרמו למותם של מיליונים. אנטיביוטיקות רבות הינן נגזרות של פניצילין, ועד לעצם היום הזה מפתחים חוקרים תרופות חדשות המבוססות על פניצילין.

[עריכה] כימיה

המבנה הקבוע של פניצילין; השרשרת הצדדית, משמאל, מסומנת ב-R

סינתזה של פניצילין כפי שהיא מבוצעת בתא הפטרייה. התוצר הסופי בדוגמה זו היא פניצילין G

אמוקסיצילין, סוג של פניצילין. טבעת הלקטם מוקפת בעיגול אדום

אלכסנדר פלמינג

מולקולת הפניצילין קטנה ופשוטה. היא מורכבת מחלק קבוע, בעל שתי טבעות, ומחלק משתנה - קבוצה (או "שרשרת") צדדית המסומנת באות R. עם שינוי הקבוצה הצדדית מתקבל סוג שונה של פניצילין; השם "פניצילין" מתייחס, בהתאם לכך, לקבוצה שלמה של תרופות.

החלק הקבוע של הפניצילין מורכב מטבעת מרובעת ומטבעת מחומשת. בזמנו סברו כימאים כי טבעת מרובעת אינה יכולה להתקיים בחומר טבעי עקב מתחים כימיים המקשים על קיומה; לפיכך עם גילויו טמן מבנה הפניצילין הפתעה מרתקת לציבור הכימאים (במרוצת הזמן נתגלו חומרים נוספים בעלי טבעות מרובעות, אך לפניצילין שמורה זכות הראשונים).

הטבעת המרובעת היא האתר הפעיל בפניצילין, והיא זו הפועלת נגד דופן התא של החיידקים. הטבעת מכילה קבוצת קרבוניל (C=O) ומיד לצידה אטום חנקן. תרכובות אורגניות כאלו קרויות אמידים, ואמידים הסגורים בטבעת קרויים לקטמים. אות יוונית מתווספת לשם הלקטם לציון מספר האטומים בטבעת, ובמקרה של פניצילין, שטבעתו מכילה ארבעה אטומים - β-לקטם (בטא-לקטם). בנוסף לכל התרופות ממשפחת הפניצילין קיימות מאות תרופות אחרות המכילות טבעת β-לקטם.

הטבעת הלקטמית מגיבה עם האנזים המקשר את הפולימרים הפפטידוגליקנים בדופן התא וכך מנטרלת את האנזים. כתוצאה מכך דופן התא אינו יכול להיבנות, ותא החיידק אינו יכול להתרבות.

עקב אי-היציבות הכימית של הטבעת, כמויות זעירות של חומרים חומציים או בסיסיים גורמים לפתיחתה ולאיבוד היכולת האנטיביוטית שלה. חיידקים רבים פיתחו במרוצת הדורות עמידות לפניצילין. בחיידקים אלו קיים אנזים הקרוי β-לקטמז (β-lactamase) אשר גורם לפירוק הטבעת.

פטריות המייצרות פניצילין עושות זאת באמצעות איחוי של שתי חומצות אמינו: ולין וציסטאין. גם הקבוצה הצדדית מקורה במקרים רבים בחומצת אמינו. הטבעת המחומשת של הפניצילין (טבעת תיאזולידין, Thiazolidine) מכילה אטום גופרית, וקשורה אליה קבוצת קרבוקסיל (COOH) ושתי קבוצות מתיל (CH₃). מקורו של אטום הגופרית בציסטאין ושל קבוצות הקרבוקסיל והמתיל - בוולין.

הפניצילין המקורי והנפוץ ביותר הוא פניצילין G, בנזילפניצילין. הקבוצה הצדדית בפניצילין זה היא שייר בנזיל (Benzyl), המורכב מטבעת בנזן ומקבוצת מתילן (CH₂). פניצילין V זהה ל-G מלבד אטום חמצן המצוי בין טבעת הבנזן וקבוצת המתילן (והיוצר, לפיכך, קשר אתרי). לתרופות אחדות ממשפחת הפניצילין שמות טריוויאליים משלהן; אמוקסיצילין, למשל, הידועה בישראל כמוקסיפן, הינה פניצילין בעל קבוצה צדדית המכילה קבוצת אמינו (NH₂) ופנול (טבעת בנזן אליה קשורה קבוצת הידרוקסיל).

הקבוצות הצדדיות השונות מקנות תכונות כימיות - ולפיכך פרמקולוגיות - לסוגי הפניצילין השונים. פניצילין V, למשל, עמיד בפני חומציות, כך שניתן ליטול אותו דרך הפה (משם יגיע לקיבה ולא יהרס על ידי חומצת המימן הכלורי המצויה שם). מתיצילין, לעומת זאת, אינו עמיד בפני חומציות (למרות שגם הוא מכיל טבעת בנזן בקבוצה הצדדית), כך שיש להזריקו ישירות למחזור הדם כדי למנוע מגע עם החומצה שבקיבה.

[עריכה] גילוי הפניצילין

הפניצילין נתגלה לראשונה בשנת 1896 בעבודת המחקר של הרופא הצרפתי (אז סטודנט לרפואה במכון פסטר) Ernest Duchesne - בה הוא תיאר את עיכוב הגידול של חיידקי Escherichia coli על ידי הפטרייה Penicillium glaucum. אך עבודתו לא זכתה להתייחסות ונשכחה. מיד לאחר השלמת לימודיו התגייס לצבא ולא המשיך במחקר.

32 שנה חלפו, עד שב-1928 הבחין אלכסנדר פלמינג, רופא וביוכימאי באוניברסיטה בריטית, בצלחת פטרי אשר גדלו בה חיידקי Staphylococcus aureus, בזיהום פטרייתי על הצלחת. הזיהום עצמו היה שגרתי, אך הוא שם לב לכך שמושבות החיידקים בסביבת הפטרייה היו קטנות ופגועות יחסית למושבות החיידקים המרוחקות מהפטרייה.

פלמינג פרסם את ממצאיו בשנת 1929 אך הם לא עוררו עניין בקרב הציבור ובקרב רעיו המדענים כאחד. הוא המשיך לחקור את הפניצילין ומצא שהפניצילין היה חזק מכל חומר אנטיבקטריאלי אחר שהיה בנמצא עד לאותה העת. לא זו בלבד אלא גם שחומר זה נמצא לחלוטין בלתי מזיק לאדם וכך גברה תועלתו הרפואית פי כמה.

אך הבעיות המשיכו לרדוף את פלמינג בזו אחר זו. פלמינג אשר עבר לבדו חסר את הציוד הדרוש לביצוע מחקרים בסדר הגודל הנדרש, מלבד זאת לא הצליח לבודד את הפניצילין ולהפיק תמיסה טהורה ודומה כי בלתי אפשרי היה לייצר את הפטרייה בכמויות משמעותיות. הוא חדל לעבוד עם הפניצילין בשנת 1934.

עשר שנים לאחר גילוי הפניצילין על ידי פלמינג החל הווארד פלורי להתעניין בנושא המחקר האנטיביוטי ובמהלך חיפושיו אחר מאמרים בנושא נתקל בזה של פלמינג והתעניינותו בנושא התעוררה. פלורי החל לחקור את הפנצילין יחד עם ארנסט בוריס חיין (צ'יין) מלבד זאת עבד פלורי במעבדה מצוידת וממומנת היטב.

חיין התחיל לעבוד עם הפניצילין לראשונה במעבדתו של פלורי ואפילו גילה תת-תרבית של אותה תרבית מקורית שהתגלתה על ידי פלמינג לראשונה, בעוד שפלורי, אשר עמד בראש צוות המחקר, נחשב לעתים לחסר ידע אמיתי בנושא, טענה חסרת ביסוס שכן פלורי החל להתעניין בנושא עוד בתקופתו של פלמינג וידיעותיו בנושא האנטיביוטיקה היו למעשה רבות מאוד. היה זה גם חיין שהצליח לייצר לבסוף תמצית מזוקקת של פניצילין והחל להתנסות איתה. חיין ופלורי החלו במהרה לנסות את האנטיביוטיקה על יצורים חיים והזריקו את הפניצילין הטהור לגופן של חיות מעבדה. הניסויים הוכתרו בהצלחה ולחיות לא נגרם שום נזק. פלורי וצ'יין הוכיחו כי לפניצילין אכן יש פוטנציאל כתרופה אנטיביוטית.

בעיה אחת נותרה בעינה והיא הפקת הפניצילין, אמרה שהומצאה על יד חבריהם של פלורי וצ'יין למעבדה מדגימים זאת: "אתה יכול להוציא יותר זהב ממי מלח, מאשר פניצילין מתוך התמיסה".

עם פרוץ מלחמת העולם השנייה באירופה הפך הפניצילין למוצר יקר ערך עד מאוד ואומרים כי היה שווה פי כמה ממשקלו בזהב. למרות מאמציהם הרבים של חיין ופלורי נוכחו לדעת שהתמיסה הראשונית שאותה גילה פלמינג אינה טובה מספיק, לכן יצאו בחיפוש אחר פניצילין יעיל יותר, זה נמצא בדמות הפניציליום כרוסוגיום. אך גם תרבית זו לא הספיקה ולכן החלו המדענים להקרין על התרבית קרני X וקרני UV וגרמו למוטציות בתא אשר הובילו לבסוף לפטרייה המייצרת פניצילין במדד של פי אלף מהמקורית. דרכי ייצור חדשות ומועילות יותר נמצאו ודרכו של הפניצילין נסללה.

[עריכה] התפתחותו של תהליך ייצור הפניצילין

ייצור פניצילין ב"בית שטראוס" בירושלים, 1945. מעבדות לייצור פניצילין הוקמו בירושלים על ידי אנשי האוניברסיטה העברית בימי מלחמת העולם השנייה, כאשר נוסחת הייצור נחשבה לסוד צבאי, במסגרת המאמץ המלחמתי של בריטניה

מצע המזון של פטריית הפניצילין מוכרח להכיל מרכיבים מסוימים: סוכרים (פחמימות), מקור חנקני ממנו מסנתזת הפטרייה חומצות אמינו וחלבונים, וחומרים שתפקידם לשמור על ריכוז קבוע של יוני מימן. בתחילה, השתמשו הכימאים פלורי וחיין בסוכרוזה כמקור אנרגיה כדי להפיק את הפטרייה ובעקבות כך את הפניצילין שהיא מפרישה. בארצות הברית הוחלפה הסוכרוזה בלאקטוזה (סוכר החלב) אשר שימשה במשך שנים מספר בתעשיית הפניצילין, הלאקטוזה היא סוכר יקר יחסית ולכן הוחלפה הלאקטוזה בגלוקוז (סוכר הענבים) ואחר כך במולאסה (פסולת סוכר) או בעמילן (רב סוכר).

עם שגשוג משק הדגנים בארצות הברית נוסו תמציות גולמיות של תירס וחיטה אשר נמצאו בשפע באותו הזמן. תמציות אילו היו למקור של חנקן בשביל הפטרייה והתברר כי הן מביאות לשיפור ניכר בתפוקת הפניצילין. תוספת תולדה של החומצה הפניצלאצטית לקרקע המזון, כמקור לבניית השרשרת הצדדית של הפניצילין תרמה אף היא להעלאת הניצולת, התברר גם שבנוכחות חומצה פניצלאצטית מתקבל רק פניצילין אחד ולא תערובת, דבר אשר הקל מאוד על בידודו של התוצר הסופי.

הפטרייה המייצרת את הפניצילין זקוקה לחמצן, ולכן היא מתפתחת רק על פני שטח תרביות הגידול, נמצא שניעור של מכלי הגידול מגדיל במידה ניכרת את כמות הפניצילין המופק על ידי הפטרייה. לפיכך חוברו מכלי התסיסה למנועים אשר הרטיטו אותם ואת תכולתם ללא הרף. זמן לא רב עבר ושיפור נוסף הושג באמצעות בעבוע אוויר מתחתיות כלי הגידול. טכניקה זו אפשרה לקיים את תהליך התסיסה בכל נפח הנוזל ואפשרה לוותר על מנועי הטלטול המסורבלים.

פניצילין G, המכיל שרשרת של חומצה פנילצאטית היה הפניצילין הראשון שיוצר בקנה מידה תעשייתי. פניצילין זה זול לייצור ונמצא בשימוש גם כיום. פניצילין G ניתן לתת בהזרקה בלבד. כיוון שהוא מתפרק בקיבה על ידי חומצת מימן כלורי לא ניתן לתת אותו דרך הפה באופן פומי. לפניצילין V (שם מסחרי נפוץ בישראל RAFAPEN) טווח פעילות אנטי חיידקי זהה לשל פניצילין G. יתרונו בכך שעמיד לפירוק בקיבה ולכן ניתן לתת אותו באופן פומי.

להתקדמות רבה בתחום ייצור הפניצילין תרמה חברה בריטית בשם ביצ'אם. זאת גילתה כי בתרבית גידול החסרה מרכיב השרשרת הצדדית של הפניצילין, מייצרת הפטרייה בעיקר את השלד של שתי הטבעות. לשלד חומצתי זה לכשעצמו יכולות אנטיביוטיות חלשות אבל תגלית זו פתחה אפשרויות רבות ונרחבות לתולדות רבות ומרשימות של הפניצילין.

פניצילינים סינתטיים-למחצה אשר בנו את שלדם במתקן התסיסה ואת מרכיביהם במעבדה החלו להופיע בשוק והראשון מבניהם היה המתיצילין אשר היווה פתרון לבעית עמידות החיידקים באמצעות מרכיביו הייחודיים, הסינתטיים. חסרונו היה באי יציבותו בחומצות, מלבד זאת הוא גם היה חלש יותר מן הפניצילין G הוותיק והדבר חייב מתן של כמויות גדולות יותר ממנו. עם השנים פותחו פניצילינים אחרים, יציבים יותר לחומצות ועמידים יותר בפני חיידקים והמלחמה נמשכת עד היום.

[עריכה] עמידות לפניצילין

[עריכה] בטא לקטמאז

במשך השנים התפתחו זני חיידקים המייצרים בטא לקטמאז שהנו אנזים המפרק את הטבעת הבטא לקטמית. חיידקים אלו הנם עמידים לפניצילין. דוגמה סטאפילוקוקים.

[עריכה] מוטציות

לאחר חשיפה חוזרת לאנטיביוטיקה מתרחשות מוטציות (באמצעות עיקרון הברירה הטבעית) הגורמות לשינויים בטרנספפטידאז (האנזים האחראי על בניית דופן תא החיידק), ובעקבות זאת מפריעות לאינטראקציות בינו לבין הפניצילין. מוטציות אלה הן הן גורם משמעותי לפיתוח עמידות בפני אנטיביוטיקה.

[עריכה] שנוי באפיניות של חלבונים קושרי פניצילין

תכונה זו מקטינה את יכולת הקשירה של הפניצילין לחיידק ומקנה לחיידק עמידות. לדוגמה סטאפילוקוקוס זהוב עמיד למתיצילין - MRSA.

[עריכה] שימושים רפואיים

[עריכה] בנזיל פניצילין (פניצילין G)

בנזיל פניצילין הידוע בשם פניצילין G הנו אב הטיפוס למשפחת הפניצילין. ניתן לתת בהזרקה בלבד, כיוון שמתפרק בקיבה על ידי חומצת מימן כלורי לא ניתן לתת אותו דרך הפה (באופן פומי).

• טווח פעילות אנטי חיידקי:
  • נקדים גראם חיוביים - סטרפטוקוקוס, ופנאומוקוק רגישים לפניצילין. ל סטאפילוקוק עמידות גבוהה לפניצילין ולכן אינו תרופת הבחירה לזיהומים אלו.
  • נקדים גראם שליליים - ניסריה מנינגיטידיס, וניסריה גונוראה אם כי לאחרון עמידות הולכת וגוברת.
  • ספירוכטות כדוגמת טרפונמה פאלידום - הגורם למחלת העגבת.

קיימת עמידות גוברת והולכת כנגד חיידקים אל-אווירנים (אנאארובים). פניצילין אינו טיפול יעיל כנגד מתגים גראם שליליים.

[עריכה] פניצילין V

לפניצילין V (נפוץ בישראל בשם המסחרי RAFAPEN) טווח פעילות אנטי חיידקי זהה לשל פניצילין G. יתרונו בכך שעמיד לפירוק בקיבה ולכן ניתן לתת אותו באופן פומי (דרך הפה). פניצילין V הנו טיפול הבחירה (ברירת המחדל) לדלקת גרון הנגרמת מסטרפטוקוקוס מקבוצה A.

[עריכה] אמינופניצילינים

לאמינופניצילינים טווח פעילות כמו לבנזיל פניצילין ובנוסף יעילים כנגד גראם שליליים כדוגמת אשריכיה קולי, המופילוס, מורקסלה, סלמונלה ושיגלה, אם כי ישנה עמידות גם בין חיידקים אלו - (עד 90% במורקסלה). תכשירים אלו הנם טיפול הבחירה כנגד זהומים הנגרמים מפנאומוקוקוס:

• אמפיצילין - אמינופניצילין הניתן בהזרקה.
• אמוקסיצילין, פנבריטין (שמות מסחריים בישראל מוקסיפן, מוקסיויט), הנו אמינופניצילין הניתן באופן פומי. ספיגתו טובה משל פניצילין V.
• אמוקסיצילין וחומצה קלוולונית (נפוץ בישראל בשם המסחרי אוגמנטין). מולקולת החומצה הקלוולונית (קלוולונאט) מעכבת את פעילות האנזים בטא לקטמאז.

[עריכה] פניצילינים סמיסינתטיים

אב הטיפוס של קבוצה זו הנו מתיצילין. דוגמאות נוספות הן אוקסצילין, קלוקסצילין ונפצילין. לקבוצה זו שיירים כימיים המונעים את זהויים על ידי הבטא לקטמאז, תכונה המאפשרת להתגבר על עמידות חיידקים כמו סטאפילוקוקים. עם זאת קיימים סטאפילוקוקים העמידים לפניצילינים סמיסינתטים כמו MRSA.

[עריכה] אורידופניצילינים

• מזלוצילין
• אזלוצילין
• פיפרצילין
• טיקרצילין

לקבוצה זו טווח פעולה דומה לזה של אמינופניצילינים, ובנוסף יעילים כנגד החיידק פסאודומונס וכן כנגד חיידקים אנארובים. תוספת מולקולה מעכבת בטא לקטמאזה לאורידופניצילין הופכת אותה להיות בעלת טווח רחב ביותר (TAZOCIN). תרופות אלו ניתנות דרך הוריד הן משמשות לטיפול בזיהומים קשים, ואצל מדוכאי חיסון.