פלמינג אשר עבד לבדו חסר את הציוד הדרוש לביצוע מחקרים בסדר הגודל הנדרש, ומלבד זאת, לא הצליח לבודד את הפניצילין ולהפיק תמיסה טהורה ודומה, משום שבלתי אפשרי היה לגדל את הפטרייה בכמויות משמעותיות. הוא חדל לעבוד עם הפניצילין בשנת 1934 וחדל לנסות לטפח זאת בשנת 1940.
פיתוח הפניצילין כתרופה.
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 צ'יין ועבד במעבדה מצוידת וממומנת היטב.
צ'יין התחיל לעבוד עם הפניצילין לראשונה במעבדתו של פלורי ואף גילה תת-תרבית של אותה תרבית מקורית שהתגלתה על ידי פלמינג לראשונה. היו שטענו שפלורי, אשר עמד בראש צוות המחקר, היה חסר ידע אמיתי בנושא, אך טענה זו נמצאה חסרת בסיס, שכן פלורי החל להתעניין בנושא עוד בתקופתו של פלמינג, וידיעותיו בנושא האנטיביוטיקה היו למעשה רבות מאוד. היה זה גם צ'יין שהצליח לייצר לבסוף תמצית מזוקקת של פניצילין והחל להתנסות איתה. צ'יין 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 מדגימה זאת: .
הפניצלין נכנס לשימוש בשנת 1942. עם התקדמות מלחמת העולם השנייה באירופה, הפך הפניצילין למוצר יקר ערך עד מאוד, ואומרים כי היה שווה פי כמה ממשקלו בזהב. למרות מאמציהם הרבים של צ'יין ופלורי, הם נוכחו לדעת שהתמיסה הראשונית שאותה גילה פלמינג אינה טובה מספיק, ולכן יצאו בחיפוש אחר פניצילין יעיל יותר. זה נמצא בדמות Penicillium chrysogenum. אך גם תרבית זו לא הספיקה ולכן החלו המדענים להקרין על התרבית קרני רנטגן ועל-סגול וגרמו למוטציות בתא אשר הובילו לבסוף לפטרייה המייצרת פניצילין בשיעור של פי אלף מהמקורית. דרכי ייצור חדשות ומועילות יותר נמצאו ונסללה דרכו של הפניצילין אל שימוש ציבורי רחב היקף.
ייצור המוני של פניצילין.
מצע המזון של פטריית הפניצילין מוכרח להכיל מרכיבים מסוימים: סוכרים, מקור חנקני שממנו מסנתזת הפטרייה חומצות אמינו וחלבונים, וחומרים שתפקידם לשמור על ריכוז קבוע של יוני מימן. בתחילה, השתמשו הכימאים פלורי וצ'יין בסוכרוז כמקור אנרגיה כדי להפיק את הפטרייה ובעקבות כך את הפניצילין שהיא מפרישה. בארצות הברית הוחלף הסוכרוז בלקטוז אשר שימש במשך שנים מספר בתעשיית הפניצילין. הלקטוז הוא סוכר יקר יחסית ולכן הוחלף בגלוקוז ואחר כך בדבשה או בעמילן.
עם שגשוג משק הדגנים בארצות הברית נוסו תמציות גולמיות של תירס וחיטה אשר נמצאו בשפע באותו הזמן. תמציות אלו היו למקור של חנקן בשביל הפטרייה והתברר כי הן מביאות לשיפור ניכר בתפוקת הפניצילין. תוספת נגזרת של החומצה הפנילאצטית לקרקע המזון כמקור לבניית השרשרת הצדדית של הפניצילין תרמה אף היא להעלאת הניצולת, ואף התברר שבנוכחות חומצה פנילאצטית 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.
בנזילפניצילין (פניצילין G), המכיל שרשרת של חומצה פנילאצטית, היה הפניצילין הראשון שיוצר בקנה מידה תעשייתי. פניצילין זה זול לייצור ונמצא בשימוש מאז.
פיתוח פניצילינים סינתטיים למחצה.
להתקדמות רבה בתחום ייצור הפניצילין תרמה חברת התרופות הבריטית ביצ'ם (Beecham), אשר גילתה כי בתרבית גידול החסרה את מרכיב השרשרת הצדדית של הפניצילין, הפטרייה מייצרת בעיקר חומצה 6-אמינופניצילנית. לשלד חומצי זה כשלעצמו יכולות אנטיביוטיות חלשות, אבל תגלית זו פתחה אפשרויות רבות ונרחבות לנגזרות רבות אחרות של הפניצילין.
פניצילינים סינתטיים-למחצה אשר בנו את שלדם במתקן התסיסה ואת מרכיביהם במעבדה החלו להופיע בשוק, הראשון שנכנס לשימוש היה המתיצילין אשר היווה פתרון לבעיית עמידות החיידקים באמצעות מרכיביו הייחודיים הסינתטיים. חסרונו היה באי-יציבותו בחומצות, ומלבד זאת, הוא גם היה חלש יותר מפניצילין G הוותיק, והדבר חייב מתן של כמויות גדולות יותר ממנו. עם השנים פותחו פניצילינים אחרים, בעלי טווח רחב יותר לכיסוי מגוון גדול יותר של מחוללים.
סוגים.
מקובל לחלק את קבוצת הפניצילינים למספר סוגים בהתאם לטווח הפעילות שלהם.
כימיה.
מולקולת הפניצילין מורכבת משלד של חומצה 6-אמינופניצילנית, העשויה שתי טבעות, מרובעת בטא לקטמית ומחומשת תיאזולידינית, ומשייר צדדי המשתנה בין הפניצילינים השונים ומסומן באות "R". באותה התקופה 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 המגיבה עם הטרנספפטידאז ומעכבת אותו. הטבעת מכילה קבוצת קרבוניל ומיד לצדה 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 – בטא לקטם. הטבעת המחומשת של הפניצילין, תיאזולידין (Thiazolidine), מכילה אטום גופרית, וקשורה אליה קבוצת קרבוקסיל ושתי קבוצות מתיל. מקורו של אטום הגופרית בציסטאין ושל קבוצות הקרבוקסיל והמתיל הוא בוולין.
השיירים הצדדיים השונים מקנים תכונות כימיות, וכפועל יוצא פרמקולוגיות, לסוגי הפניצילין השונים. פנוקסימתילפניצילין, למשל, עמיד בפני חומציות, כך שניתן ליטול אותו דרך הפה, משם יגיע לקיבה ולא ייהרס על ידי חומצת המימן הכלורי המצויה שם. מתיצילין, לעומת זאת, אינו עמיד בפני חומציות, על אף שגם הוא מכיל טבעת בנזן בקבוצה הצדדית, כך שהמתן שלו מתבצע בעירוי.
תהליך הייצור של בנזילפניצילין בפטרייה מתבצע בשלושה שלבים. השלב הראשון הוא דחיסה של שלוש חומצות אמינו: חומצה אלפא-אמינואדיפית, ציסטאין וולין לתלת-פפטיד, ACV. תוך כדי תהליך הדחיסה, המזורז על ידי האנזים ACV סינתטאז, מתבצעת אפימריזציה של ולין מתצורה L ל-D. השלב השני הוא חמצון ACV, שהיא מולקולה קווית, לאיזופניצילין N בעלת שתי הטבעות באמצעות האנזים איזופניצילין N סינתאז. לחומר זה פעילות אנטיביוטית חלשה. השלב האחרון הוא טרנסאמידציה, שבמסגרתה השייר הצדדי אלפא-אמינואדיפיל של איזופניצילין N מוסר בעבור שייר פנילאצטיל באמצעות איזופניצילין N N-אצילטרנספראז.
הסרת השייר הבנזילי מבנזילפניצילין ליצירת חומצה 6-אמינופניצילנית היא הבסיס ליצירת הפניצילינים הסינתטיים למחצה.
מנגנון הפעולה.
הטבעת הבטא לקטמית שבפניצילין מעכבת את החלבון הקושר פניצילין (PBP) שהוא סוג של טרנספפטידאז, שתפקידו לבנות קשרים צולבים בין יחידות הפפטידוגליקן בדופן התא של החיידק. לפניצילין דמיון לצמד חומצות האמינו אלנין שבקצה השרשרת הפפטידית המחוברת לחומצה N-אצטילמורמית, אחת מיחידות הפפטידוגליקן. על בסיס הדמיון הזה הוא נקשר ל-PBP דרך חומצת האמינו סרין באתר הפעיל, והטבעת הבטא לקטמית נפתחת ליצירת קשר קוולנטי בלתי הפיך עם הסרין. מאחר שבחיידקים מתקיימים באופן פיזיולוגי תהליכי שיווי משקל של פירוק ובנייה של הפפטידוגליקן, תאי החיידקים, בפרט חיידקים גראם-חיוביים שלהם דופן עבה בת 50–100 שכבות ללא קרום תא חיצוני, חשופים בעקבות העיכוב של האנזים לדלדול דופן התא וכתוצאה מכך ללחצים אוסמוטיים גבוהים ולפירוק, כשעיקר הפעולה של האנטיביוטיקה היא על חיידקים מתחלקים.
שימושים רפואיים.
בנזילפניצילין היא התרופה העיקרית המשמשת לטיפול בזיהומים הנגרמים מ-"Streptococcus pyogenes" ומזנים רגישים לפניצילין של "Streptococcus pneumoniae" ו-"Staphylococcus aureus". זוהי תרופת הבחירה לטיפול בדלקת קרום המוח פנאומוקוקלית ומנינגוקוקלית, אנדוקרדיטיס זיהומית סטרפטוקוקלית וזיהומים בזמן משכב הלידה מ-"Streptococcus agalactiae". פנוקסימתילפניצילין מתאימה לטיפול בזיהומים מחיידקים אלה, ובלבד שדרך המתן הפומית הולמת לחומרת הזיהום. פניצילינים סינתטיים למחצה אינם יעילים יותר לזיהומים אלה. בפרט, ההתוויה היחידה לטיפול באמצעות פניצילינים עמידים לפניצילינאז היא לזיהומים סטפילוקוקליים מזנים רגישים למתיצילין, שכן אף על פי שיש להם פעילות נגד זני "Streptococcus" מסוימים וחיידקים אל-אווירניים, בנזילפניצילין יעיל יותר נגד זיהומים מחיידקים אלה. עבור זיהומים מ-"Enterococcus faecalis" הפניצילין החזק ביותר הוא אמפיצילין.