פניצילין

כימיה

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 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.
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, תיאזולידין (Thiazolidine), מכילה אטום גופרית, וקשורה אליה קבוצת קרבוקסיל ושתי קבוצות מתיל. מקורו של אטום הגופרית בציסטאין ושל קבוצות הקרבוקסיל והמתיל הוא בוולין.
הפניצילין המקורי והנפוץ ביותר הוא פניצילין G, הנקרא גם בנזילפניצילין. הקבוצה הצדדית בפניצילין זה היא שייר בנזיל (Benzyl), המורכב מטבעת בנזן ומקבוצת מתילן. פניצילין V זהה ל-G מלבד אטום חמצן המצוי בין טבעת הבנזן וקבוצת המתילן ואשר יוצר לפיכך קשר אתרי. לתרופות אחדות ממשפחת הפניצילין שמות טריוויאליים משלהן; אמוקסיצילין, למשל, המשווקת בישראל כמוקסיפן, היא פניצילין בעל קבוצה צדדית המכילה קבוצת אמינו ופנול.
הקבוצות הצדדיות השונות מקנות תכונות כימיות, וכפועל יוצא פרמקולוגיות, לסוגי הפניצילין השונים. פניצילין V, 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 שיש להזריקו ישירות למחזור הדם כדי למנוע מגע עם החומצה שבקיבה.

גילוי הפניצילין

כבר בשנת 1897 פרסם הרופא הצרפתי, אז סטודנט לרפואה במכון פסטר, ארנסט דושן, מאמר על יחסי הגומלין בין פטריות וחיידקים. במאמר תיאר את עיכוב הגידול של חיידקי Escherichia coli על ידי הפטרייה Penicillium glaucum. אולם, עבודתו לא זכתה להתייחסות ונשכחה. מיד לאחר השלמת לימודיו התגייס לצבא ולא המשיך במחקר. 
ב-1928 הבחין אלכסנדר פלמינג, רופא וביוכימאי, בזיהום פטרייתי על פני צלחת פטרי שבה גדלו חיידקי Staphylococcus aureus. הזיהום עצמו היה שגרתי, אך הוא שם לב לכך שמושבות החיידקים בסביבת הפטרייה היו קטנות ופגועות יחסית למושבות החיידקים המרוחקות מהפטרייה. הוא גילה שחומר פעיל מסוים שמייצרת הפטרייה הוא הגורם להרג החיידקים וקרא לחומר פניצילין.
פלמינג פרסם את ממצאיו בשנת 1929, אך הם לא עוררו עניין בקרב הציבור ובקרב עמיתיו 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.
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 לייצר את הפטרייה בכמויות משמעותיות. הוא חדל לעבוד עם הפניצילין בשנת 1934 וחדל לנסות לטפח את זה בשנת 1940.
עשר שנים לאחר גילוי הפניצילין על ידי פלמינג החל הווארד פלורי (Florey) 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 (Chain) 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: "אתה יכול להוציא יותר זהב ממי מלח, מאשר פניצילין מתוך התמיסה".
הפניצלין נכנס לשימוש בשנת 1942. עם התפתחות 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 X וקרני UV וגרמו למוטציות בתא אשר הובילו לבסוף לפטרייה המייצרת פניצילין במדד של פי אלף מהמקורית. דרכי ייצור חדשות ומועילות יותר נמצאו ונסללה דרכו של הפניצילין אל שימוש ציבורי רחב היקף.

התפתחותו של תהליך ייצור הפניצילין

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 הפניצלאצטית לקרקע המזון כמקור לבניית השרשרת הצדדית של הפניצילין תרמה אף היא להעלאת הניצולת, ואף התברר 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 ולא ניתן לתת אותו באופן פומי.
לפניצילין V (שם מסחרי נפוץ בישראל RAFAPEN) טווח פעילות אנטיבקטריאלי זהה לשל פניצילין G. יתרונו בכך שהוא עמיד לפירוק בקיבה ולכן ניתן לתת אותו באופן פומי.
להתקדמות רבה בתחום ייצור הפניצילין תרמה חברת התרופות הבריטית ביצ'אם (Beecham), אשר גילתה כי בתרבית גידול החסרה את מרכיב השרשרת הצדדית של הפניצילין הפטרייה מייצרת בעיקר את השלד של שתי הטבעות. 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, יציבים יותר לחומצות ועמידים יותר בפני חיידקים, והמלחמה נמשכת עד היום.

תופעות לוואי

תופעת הלוואי העיקרית של פניצילין היא תגובה מסוג "רגישות יתר" (או "אלרגיה לפניצילין") המתרחשת בכ-2.5% מהמטופלים. תופעה זו יכולה להתבטא בהלם אנפילקטי, המתרחש אצל כחצי אחוז מהמטופלים, המלווה בירידה בלחץ הדם, עווית של הברונכים, בצקת של מיתרי הקול ושל הלוע, הקאות, שלשול וכאבי בטן. כמו כן יכולה להיות תגובה אלרגית הכוללת אורטיקריה (הופעת כתמים מגרדים על העור- "סרפדת"), התקפי אסתמה ונזלת. תופעות לוואי נוספות הם דלקת אינטרסטציאלית של הכליה, אנמיה המוליטית, תרומבוציטופניה (מיעוט טסיות דם) ובשימוש ממושך תיתכן פגיעה בכבד.

עמידות לפניצילין

עקב אי-יציבות כימית של טבעת הבטא-לקטם, כמויות זעירות של חומרים חומציים או בסיסיים גורמים לפתיחת הטבעת ולאיבוד היכולת האנטיביוטית של הפניצילין. חיידקים המייצרים בטא לקטמאז, המפרק את הטבעת הבטא לקטמית, עמידים לפניצילין. חיידקים אלו כוללים, בין היתר, את הסוגים Staphylococcus, ו-Bacteroides.
מנגנון עמידות נוסף הוא שינוי באתרי הקשירה של התרופה על גבי דופן החיידק. לאחר חשיפה חוזרת לפניצילין נבררות באמצעות עקרון הברירה הטבעית מוטציות, אשר מתרחשות באופן טבעי בחיידקים וגורמות לשינויים בטרנספפטידאז, ובעקבות זאת מפריעות לקישור בינו לבין הפניצילין. 
גם חיידקים גראם-שליליים המכילים ממברנה חיצונית עמידים למנגנון הפעולה של התרופה. 
מוטציות הגורמות לירידה באפיניות של כלל החלבונים קושרי הפניצילין בחיידק מקטינות את יכולת הקשירה של סוגים רבים של פניצילין לחיידק ומקנה לחיידק עמידות נגד מגוון פניצילינים. דוגמה לכך הוא הזן MRSA.