पेनिसिलिन

जापानी बैंड के लिए पेनिसिलिन (बैंड) देखें। 
पेनिसिलिन (कभी-कभी संक्षिप्त रूप से पीसीएन (PCN) या पेन (pen) भी कहा जाता है) एंटीबायोटिक का एक समूह है, जिसकी व्युत्पत्ति पेनिसिलियम फंगी से हुई है। पेनिसिलिन एंटीबायोटिक ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे पहली दवाएं हैं जो सिफिलिस एवं स्टाफीलोकोकस संक्रमण जैसी बहुत सी पूर्ववर्ती गंभीर बीमारियों के विरुद्ध प्रभावी थीं। पेनिसिलिन आज भी व्यापक रूप से प्रयोग में लाई जा रही हैं, हालांकि कई प्रकार के जीवाणु अब प्रतिरोधी बन चुके हैं। सभी पेनिसिलिन बीटा-लैक्टेम एंटीबायोटिक होते हैं तथा ऐसे जीवाणुगत संक्रमण के इलाज में प्रयोग में लाये जाते हैं जो आम तौर पर ग्राम-पॉज़िटिव, ऑर्गेनिज्म जैसी अतिसंवेदनशीलता के कारण होते हैं।
"पेनिसिलिन" शब्द उन पदार्थों के मिश्रण को भी कह सकते हैं जो स्वाभाविक एवं जैविक पद्धति से उत्पादित किये जाते हैं।

संरचना

"पेनाम" शब्द पेनिसिलिन एंटीबायोटिक के एक सदस्य के मुख्य ढांचे को परिभाषित करने के लिए प्रयोग में लाया जाता है। इस ढांचे का एक आणविक फॉर्मूला R-C₉H₁₁N₂O₄S होता है, जिसमें आर (R) एक परिवर्तनशील साइड चेन है।
सामान्य पेनिसिलिन का 313 से 334 ग्राम प्रति अणु तक एक आणविक वज़न होता है (इनमें से दूसरा जी (G) के लिए है)। अतिरिक्त आणविक समूहों से युक्त पेनिसिलिन प्रकार में लगभग 500 ग्राम प्रति अणु एक आणविक समूह होता है। उदाहरण के तौर पर, क्लोक्सासिलिन में 476 ग्राम प्रति अणु आणविक समूह तथा डिक्लोक्सासिलिन में ग्राम प्रति अणु आणविक समूह होता है।

खोज

पेनिसिलिन की खोज का श्रेय 1928 में स्कॉटिश वैज्ञानिक एवं नोबल पुरस्कार विजेता अलेक्ज़ेंडर फ्लेमिंग को जाता है। उन्होंने दिखाया कि यदि पेनिसिलियम नोटेटम उपयुक्त सबस्ट्रेट में बढ़े, तो यह एंटीबायोटिक गुणों के साथ एक पदार्थ निःसृत करेगा, जिसे उन्होंने पेनिसिलिन करार दिया। इस आकस्मिक अवलोकन ने एंटीबायोटिक खोज के एक आधुनिक युग का सूत्रपात किया। एक दवा के रूप में प्रयोग होने के लिए पेनिसिलिन के विकास का श्रेय ऑस्ट्रेलियाई नोबल पुरस्कार विजेता हॉवर्ड वाल्टर फ्लोरे तथा जर्मन नोबल पुरस्कार विजेता अर्न्स्ट चेन एवं अंग्रेज़ जीव रसायनविज्ञानी नॉर्मन हीट्ले को जाता है।
हालांकि कई अन्य लोगों ने फ्लेमिंग से पहले पेनिसिलियम के जीवाणुगत प्रभाव की सूचना दी थी। मवाद वाले घाव को ठीक करने के एक साधन के रूप में नीले फफूंद के साथ रोटी का उपयोग (अनुमानतः पेनिसिलियम) मध्य युग से यूरोप में लोक दवा का मुख्य आधार था। पहली बार प्रकाशित सन्दर्भ जॉन टिंडाल द्वारा 1875 में रॉयल सोसायटी के प्रकाशन में मिलता है। अर्न्स्ट डचेसने ने 1897 में कागज़ पर इसे प्रलेखित किया, जो इंस्टीट्यूट पेस्टेयर द्वारा उनकी युवावस्था के कारण खारिज कर दिया गया। मार्च 2000 में, सैन जोस, कोस्टा रिका में स्थित सैन जुआन डे दियोस हॉस्पिटल के डॉक्टरों ने वैज्ञानिक कोस्टा रिकान तथा चिकित्सक क्लोडोमिरो (क्लोरिटो) पिकाडो ट्वाईट (1887-1944) की पांडुलिपियों को प्रकाशित किया। उन्होंने 1915 और 1927 के बीच पिकाडो के अवलोकनों को जीनस पेनिसिलियम के फफूंद पर दमनात्मक प्रभाव में सूचित किया। पिकाडो ने अपनी खोज से पेरिस अकैडमी ऑफ साइंसेस को रूबरू कराया, लेकिन इसे पेटेंट नहीं किया, जबकि उनके अन्वेषण फ्लेमिंग की खोज से वर्षों पहले शुरू हो चुके थे। जोसेफ लिस्टर 1871 में अपने कीटाणुहीन शल्यक्रिया के लिए पेनिसिलम के साथ प्रयोग कर रहे थे। उन्होंने पाया कि इसने रोगाणुओं को तो कमज़ोर कर दिया, लेकिन जीवाणु को छोड़ दिया।
फ्लेमिंग ने वर्णन किया कि पेनिसिलिन की उनके खोज की तिथि शुक्रवार की सुबह, 28 सितम्बर 1928 थी। यह एक आकस्मिक दुर्घटना थी: लंदन के सेंट मेरीज़ हॉस्पिटल (अब इम्पेरियल कॉलेज का एक हिस्सा) के तहखाने में स्थित अपनी प्रयोगशाला में फ्लेमिंग ने गौर किया कि स्टेफ़ीलोकोकस प्लेट कल्चर सहित जीवाणुओं वाले एक पात्र को उन्होंने गलती से खुला छोड़ दिया था, जो नीले-हरे सांचे से संदूषित हो गया था, जिसका विकास दृश्यमान था। उस सांचे के चारों ओर दमनकारी जीवाणुओं के विकास का एक मंडल तैयार हो रहा था। फ्लेमिंग ने यह निष्कर्ष निकाला कि वह सांचा एक पदार्थ निकाल रहा था जो इस विकास को रोक रहा था एवं जीवाणुओं को मार रहा था। उन्होंने एक शुद्ध कल्चर विकसित किया एवं पाया कि यह एक पेनिसिलियम सांचा था, जिसे अब पेनिसिलियम नोटेटम के रूप में जाना जाता है। यु.एस. (U.S.) डिपार्टमेंट ऑफ एग्रीकल्चर में एक अमेरिकी विशेषज्ञ की हैसियत से काम कर रहे चार्ल्स थॉम एक स्वीकृत जानकार थे एवं फ्लेमिंग ने यह मामला उन्हें भेजा. फ्लेमिंग ने पेनिसिलियम सांचे के शोरबे वाले कल्चर के निथारन का वर्णन करने के लिए "पेनिसिलिन" शब्द गढ़ा. इन प्रारंभिक चरणों तक में भी पेनिसिलिन ग्राम-पॉज़िटिव जीवाणुओं से लड़ने में काफी प्रभावी तथा ग्राम-निगेटिव अवयवों तथा फफूंदों से लड़ने में अप्रभावी पाया गया। उन्होंने प्रारंभिक आशा जताई कि पेनिसिलिन एक उपयोगी कीटाणुनाशक होगा, जो आज उपलब्ध रोगाणुरोधकों के मुकाबले न्यूनतम विषाक्तता के साथ बेहद शक्तिशाली होगा एवं "बैसिलस इन्फ़्लुएन्ज़ा " (अब हैमोफिलस इन्फ़्लुएन्ज़ा) के प्रयोगशाला संबंधी महत्व का भी उल्लेख किया। आगामी प्रयोगों के बाद, फ्लेमिंग आश्वस्त हुए कि पेनिसिलिन रोगजनक जीवाणुओं को मारने के लिए मानव शरीर में अधिक देर तक नहीं टिक सकता, एवं 1931 के बाद उन्होंने इसका अध्ययन बंद कर दिया। उन्होंने 1934 में पुनः नैदानिक परीक्षण शुरू किया तथा 1940 तक इसकी शुद्धीकरण के लिए किसी उपयुक्त व्यक्ति की तलाश के कोशिश करते रहे।

चिकित्सीय अनुप्रयोग

1930 में शेफिल्ड स्थित रॉयल इनफर्मरी के एक रोगविज्ञानी सेसिल जॉर्ज पाइन ने दाढ़ी की सड़न - साइकोसिस बारबे का इलाज़ करने के लिए पेनिसिलिन के प्रयोग की कोशिश की, लेकिन वे असफल रहे क्योंकि संभवतः वह दवा त्वचा में पर्याप्त रूप से गहरे नहीं घुस पायी. औप्थेल्मिया नियोनेटोरम: नवजातों में होने वाला एक गोनोकोकल संक्रमण, की दिशा में 25 नवम्बर 1930 को पेनिसिलिन के साथ पहली बार रोग के निदान का श्रेय उन्होंने अपने नाम दर्ज किया। उसके बाद उन्होंने चक्षु-संक्रमण के चार अतिरिक्त रोगियों (एक वयस्क एवं तीन शिशु) को ठीक किया, पर पांचवे रोगी को ठीक करने में चूक गए।
1939 में सर विलियम दुन स्कूल ऑफ पैथोलोजी, यूनिवर्सिटी ऑफ ऑक्सफोर्ड के ऑस्ट्रेलियाई वैज्ञानिक हॉवर्ड फ्लोरे (बाद में बैरोन फ्लोरे) एवं शोधकर्ताओं की एक टीम (अर्न्स्ट बोरिस चेन, ए.डी.गार्डनर, नॉर्मन हीटले, एम.जेनिंग्स, जे.ऑर-एविंग एवं जी-सैंडर्स) ने पेनिसिलिन के जीवाणुनाशक प्रभाव इन वाइवो को दर्शाने में महत्वपूर्ण प्रगति की। मानवों को ठीक करने की उनकी कोशिश नाकाम रही क्योंकि पेनिसिलिन की मात्रा पर्याप्त नहीं थी (इलाज किया जाने वाला पहला रोगी सुरक्षा बल का हवलदार एल्बर्ट एलेक्जेंडर था), लेकिन उन्होंने चूहे पर इसे कारगर और हानिरहित साबित किया।
पेनिसिलिन के कुछ अग्रणी परीक्षण इंग्लैंड के ऑक्सफोर्ड के रैडक्लिफ इनफर्मरी में किये गए। कुछ सूत्रों द्वारा इन परीक्षणों का उल्लेख पेनिसिलिन के पहले निदान के रूप में किया जाता है, हालांकि दर्द का परीक्षण पहले भी किया जा चुका था। 14 मार्च 1942 को जॉन बमस्टेड एवं और्वन हेस ने एक मरते हुए रोगी का जीवन पेनिसिलिन का प्रयोग करते हुए बचा लिया।

बड़े पैमाने पर उत्पादन

पेनिसिलिन की रसायनिक संरचना का निर्धारण 1945 में डोरोथी क्रोफूट हॉजकिन ने किया। उसके बाद से पेनिसिलिन आज तक का सबसे व्यापक पैमाने पर प्रयोग किया जाने वाला एंटीबायोटिक बन चुका है एवं यह आज भी बहुत से ग्राम-पॉज़िटिव जीवाणु संक्रमण के रूप में इस्तेमाल किया जाता है। ऑस्ट्रेकियाई होवार्ड फ्लोरे के नेतृत्व में तथा अर्न्स्ट बोरिस चेन एवं नॉर्मन हीटले सहित ऑक्सफोर्ड अनुसंधान वैज्ञानिकों के एक दल ने इस दवा के मास-प्रोडक्शन की एक विधि तैयार की। फ्लोरे एवं चेन ने 1945 का दवाओं के लिए मिला नोबल पुरस्कार फ्लेमिंग के साथ बांटा. द्वितीय विश्व युद्ध के बाद नागरिकों को यह दवा मुहैया कराने में ऑस्ट्रेलिया अव्वल देश था। एमआईटी (MIT) के रसायनज्ञ जॉन सी. शीहान ने 1950 के दशक के पूर्वार्द्ध में पेनिसिलिन एवं इसके कुछ समरूपों का पहला कुल संश्लेषण पूरा किया लेकिन उनके तरीके मास प्रोडक्शन के लिए उपयुक्त नहीं थे।
इस दवा के मास-प्रोडक्शन की चुनौती कठिन थी। 14 मार्च 1942 को स्ट्रेपटोकोकल सेप्टीसेमिया के लिए अमेरिका-निर्मित पेनिसिलिन से पहले रोगी का इलाज किया गया, जिसका निर्माण मर्क एंड कंपनी ने किया था. उस समय उत्पादित कुल आपूर्ति का आधा हिस्सा उस अकेले रोगी के इलाज के लिए इस्तेमाल किया गया। 1942 जून तक अमेरिका में केवल दस रोगियों के इलाज के लिए ही पेनिसिलिन उपलब्ध था। दुनिया भर में ढूंढने के बाद 1943 में पियोरिया, इलिनोयास बाज़ार में एक छोटा सा विलायती खरबूजा मिला, जिसमें सर्वश्रेष्ठ एवं उच्चतम गुणवत्ता वाले पेनिसिलिन थे। खरबूजे की खोज एवं पियोरिया, इलिनोयास के नॉर्दर्न रीजनल रिसर्च लेबोरेटरीज़ में मक्के में भीगी शराब के किण्वन शोध के परिणामों ने अमेरिका को 1944 की वसंत ऋतु में नौर्मेंदी के आक्रमण से लड़ने के लिए एकबारगी 2.3 मिलियन खुराक उत्पादित करने की अनुमति दे दी। केमिकल इंजीनियर मार्गरेट हचिन्सन रूसो द्वारा गहरी-टंकी किण्वन के विकास के कारण बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू हुआ।
जी.रेमंड रेट्यु ने पेनिसिलिन की वाणिज्यिक मात्रा उत्पादित करने के लिए अमेरिकी युद्ध स्तर की कोशिशों में अपने तकनीकों द्वारा योगदान दिया। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान पेनिसिलिन से मित्र देशों के मरने वालों एवं संक्रमित घावों की वजह से अंगविच्छेदन की संख्या में भारी अंतर पड़ा, जिससे अनुमानतः 12%-15% जानें बच गयीं। उपलब्धता बेहद कम थी, बहरहाल पेनिसिलिन की व्यापक मात्रा में निर्माण में कठिनाई एवं गुर्दे के इलाज में दवा के तेज़ी से लग जाने की वजह से शीघ्र ख़ुराक देने की आवश्यकता बढ़ गयी। पेनिसिलिन सक्रिय रूप से उत्सर्जित होता है एवं पेनिसिलिन ख़ुराक का तकरीबन 80% उसे देने से तीन या चार घंटे के भीतर ही शरीर से बाहर हो जाता है। वास्तव में प्रारम्भिक पेनिसिलिन युग के दौरान यह दवा इतनी दुर्लभ थी एवं इसकी कीमत इतनी ज़्यादा थी कि इलाज किये जा रहे रोगियों का मूत्र इकठ्ठा करना आम बन गया था, ताकि मूत्र में मौजूद पेनिसिलिन को अलग किया जा सके एवं उसे पुनः उपयोग में लाया जा सके। 
यह कोई संतोषजनक समाधान नहीं था, इसलिए शोधकर्ता पेनिसिलिन के उत्सर्जन की गति धीमी करने का तरीका ढूंढने लगे। उन्होंने एक ऐसा अणु ढूंढ निकालने की आशा जताई जो उत्सर्जन के लिए दायी कार्बनिक अम्ल परिवाहक के लिए पेनिसिलिन से मुक़ाबला कर सके, कुछ ऐसा ताकि परिवाहक अधिमानतः मुकाबला करने वाले अणुओं को उत्सर्जित करे एवं पेनिसिलिन बचा रहे। युरीकोसुरिक एजेंट प्रोबेनेसिड उपयुक्त साबित कर दिया गया। जब प्रोबेनेसिड एवं पेनिसिलिन एक साथ दिए जाते हैं, तो प्रोबेनेसिड पेनिसिलिन के उत्सर्जन को प्रतिस्पर्धात्मक रूप से रोकता है एवं पेनिसिलिन की एकाग्रता एवं दीर्घकालिक सक्रियता को बचा कर रखता है। अंततः, मास-प्रोडक्शन तकनीक एवं अर्द्ध-सिंथेटिक पेनिसिलिनों के आगमन ने आपूर्ति की समस्या का समाधान कर दिया, अतः प्रोबेनेसिड का यह उपयोग समाप्त हुआ। बहरहाल कुछ ऐसे संक्रमणों के लिए जिनमें ख़ास तौर पर पेनिसिलिन की उच्च एकाग्रता की आवश्यकता होती है, प्रोबेनेसिड आज भी उपयोगी है।

पेनिसिलिन से विकास

इलाज किये जाने योग्य बीमारियों की संकीर्ण रेंज अथवा पेनिसिलिन के स्पेक्ट्रम ऑफ एक्टिविटी के साथ मौखिक रूप से सक्रिय फेनोक्सीमिथाइलपेनिसिलिन की कमज़ोर गतिविधियों ने पेनिसिलिन के संजातीय की खोज की शुरुआत की, जिससे संक्रमण की एक व्यापक श्रृंखला का इलाज किया जा सके। 6-एपीए (APA) के अलगाव, पेनिसिलिन के केंद्र ने बेन्ज़िलपेनिसिलिन में विभिन्न सुधारों (जैवउपलब्धता, स्पेक्ट्रम, स्थिरता, सहिष्णुता) के साथ सेमीसिंथेटिक पेनिसिलिनों को तैयार करने की अनुमति दी।
पहला बड़ा विकास था एम्पिसिलिन, जिसने सभी मूल पेनिसिलिनों की गतिविधियों से ज़्यादा विस्तृत श्रेणी उपलब्ध कराया. आगामी विकास ने फ्लुक्लोक्ज़ेसिलिन, डिक्लोक्सेसिलिन एवं मेथिसिलिन सहित बीटा-लैक्टामेज़-रेजिस्टैंट पेनिसिलिन उत्पन्न किया। ये सभी बीटा-लैक्टामेज़-बैक्टेरिया प्रजातियों के विरुद्ध उनकी गतिविधियों के लिए महत्वपूर्ण थी, लेकिन मेथिसिलिन-प्रतिरोधी स्टेफ़ीलोकोकस ऑरियस के प्रति अप्रभावी थी, जो बाद में पैदा हुई।
सही मायनों में पेनिसिलिनों की लाइन का एक और विकास एंटीस्युड़ोमोनल पेनिसिलिन था, यह दवा कार्बेनिसिलिन, टिकार्सिलिन, एवं पिपरासिलिन की ही तरह ग्राम-निगेटिव जीवाणुओं के खिलाफ अपनी गतिविधियों के लिए उपयोगी थी। बहरहाल, बीटा-लैक्टम रिंग कुछ ऐसा था कि मेसिलिनाम्स, कार्बापेनेम्स, एवं सबसे महत्वपूर्ण सेफालोसपोरिंस सहित संबंधित एंटीबायोटिक अपने ढांचे के केंद्र में अब भी उसे बनाए हुए हैं।

क्रिया-प्रणाली

β-लैक्टेम एंटीबायोटिक जीवाणुगत कोशिका दीवार में पेप्टीडॉग्लीकैन क्रॉस-लिंक के गठन को रोकते हुए काम करता है। पेनिसिलिन का β-लैक्टेम मोइटी (कार्यात्मक समूह) एंजाइम (डीडी (DD)-ट्रांसपेपटीडेज़) से बांध देता है, जो जीवाणुओं के पेप्टिडोग्लाइकन अणुओं से जुड़ता है, जिससे बैक्टेरियम की कोशिका दीवार कमज़ोर हो जाती है (दूसरे शब्दों में एंटीबायोटिक औस्मोटिक दबाव की वजह से काईटोलिसिस अथवा मृत्यु का कारण बनता है।) इसके अलावा पेप्टिडोग्लाइकन प्रीकर्सर जीवाणुगत कोशिका की दीवार के हाइड्रोलिसिस एवं औटोलिसिंस की सक्रियता को और बढाता है, जो आगे चल कर बैक्टेरिया के मौजूदा पेप्टिडोग्लाइकन को पचाता है।
ग्राम- पॉज़िटिव जीवाणु जब अपनी कोशिका दीवार खो बैठते हैं, तो उन्हें प्रोटोप्लास्ट कहा जाता है। ग्राम-निगेटिव जीवाणु अपनी कोशिका दीवार पूर्णतः नहीं खोते एवं पेनिसिलिन से इलाज के बाद उन्हें स्फेरोप्लास्ट कहा जाता है।
पेनिसिलिन एमिनोग्लीकोसाइड्स के साथ एक सहक्रियाशील प्रभाव दिखाती है, क्योंकि पेप्टीडोग्लायकन संश्लेषण के अवरोधन से एमिनोग्लीकोसाइड्स अधिक आसानी से बैक्टीरियल कोशिका की दीवार को भेद लेते हैं जिससे प्रकोष्ठ के अंदर ही जीवाणु की प्रोटीन के संश्लेषण का विघटन सुगम हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप अतिसंवेदनशील ऐन्द्रिक रचना के लिए एमबीसी (MBC) का स्तर कम हो जाता है।
अन्य β-लेक्टम एंटीबायोटिक्स की तरह, पेनिसिलिन न केवल सायनोबैक्टीरिया के भाग को अवरुद्ध करती है, वल्कि साइनेल के भाग, ग्लाउकोफाइट्स के प्रकाश-संश्लेषक कोशिकांग, तथा ब्रायोफाइट्स के क्लोरोप्लास्ट के भाग को भी अवरुद्ध कर देती है। इसके विपरीत, अति विकसित संवहनी पौधों पर उनका कोई प्रभाव नहीं होता है। यह जमीन के पौधों में प्लास्टाइड भाग के विकास के एंडोसिम्बायोटक सिद्धान्त का समर्थन करता है।

प्रतिकूल प्रभाव

पेनिसिलिन के प्रयोग से संबंधित दवा की आम प्रतिकूल प्रतिक्रिया (≥ 1% रोगी) में दस्त, अतिसंवेदनशीलता, मतली, ददोरे, न्यूरोटॉक्सिटी, पित्ती और अत्यधिक संक्रमण (केंडिडिआसिस सहित) शामिल हैं। असामान्य प्रतिकूल प्रभावों (0.1-1% रोगी) में बुखार, उलटी, त्वचा लाल होना, त्वचा शोथ, एंजिओडेमा, अचेत होना (विशेषकर मिरगी में) तथा कृत्रिम झिल्ली का बड़ा आंत्रशोथ शामिल हैं।