Антибиотик

<час />

Антибиотики - это химические вещества, которые могут подавлять рост и даже уничтожать вредные микроорганизмы. Они происходят из особых микроорганизмов или других живых систем и производятся в промышленных масштабах с использованием процесса ферментации. Хотя принципы действия антибиотиков не были открыты до двадцатого века, первое известное использование антибиотиков было сделано китайцами более 2500 лет назад. На сегодняшний день зарегистрировано более 10 000 антибиотиков. В настоящее время антибиотики представляют собой многомиллиардную отрасль, которая продолжает расти с каждым годом.

Фон

Антибиотики используются во многих формах, каждая из которых предъявляет несколько разные производственные требования. При бактериальных инфекциях на поверхности кожи, в глазах или в ушах можно применять антибиотик в виде мази или крема. Если инфекция внутренняя, антибиотик можно проглотить или ввести непосредственно в организм. В этих случаях антибиотик распространяется по всему телу путем абсорбции в кровоток.

Антибиотики различаются по химическому составу, поэтому понятно, что они также различаются по типам инфекций, которые они лечат, и по способам их лечения. Некоторые антибиотики уничтожают бактерии, влияя на структуру их клеток. Это может произойти одним из двух способов. Во-первых, антибиотик может ослабить клеточные стенки инфекционных бактерий, что приведет к их взрыву. Во-вторых, антибиотики могут вызывать утечку содержимого бактериальных клеток, повреждая клеточные мембраны. Другой способ действия антибиотиков - вмешательство в метаболизм бактерий. Некоторые антибиотики, такие как тетрациклин и эритромицин, нарушают синтез белка. Антибиотики, такие как рифампин, подавляют биосинтез нуклеиновых кислот. Еще другие антибиотики, такие как сульфонамид или триметоприм, обладают общим блокирующим действием на метаболизм клеток.

Коммерческая разработка антибиотика - долгое и дорогостоящее предложение. Он начинается с фундаментальных исследований, направленных на выявление организмов, вырабатывающих соединения антибиотиков. На этом этапе тысячи видов животных проверяются на наличие каких-либо признаков антибактериального действия. Когда один обнаруживается, вид проверяется против множества известных инфекционных бактерий. Если результаты обнадеживают, организм выращивают в больших масштабах, чтобы можно было выделить соединение, отвечающее за эффект антибиотика. Это сложная процедура, потому что уже обнаружены тысячи материалов с антибиотиками. Часто ученые обнаруживают, что их новые антибиотики не уникальны. Если материал проходит этот этап, можно проводить дальнейшие испытания. Обычно это включает клинические испытания, чтобы доказать, что антибиотик работает на животных и людях и не является вредным. Если эти тесты пройдены, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) должно одобрить антибиотик как новый препарат. Весь этот процесс может занять много лет.

Крупномасштабное производство антибиотика зависит от процесса ферментации. Во время ферментации вырастает большое количество организмов, продуцирующих антибиотики. Во время ферментации организмы производят материал антибиотика, который затем может быть выделен для использования в качестве лекарства. Чтобы новый антибиотик был экономически целесообразным, производители должны иметь возможность получить высокий выход лекарства в процессе ферментации и уметь легко его изолировать. Прежде чем новый антибиотик сможет получить коммерческое распространение, обычно требуются обширные исследования.

История

Хотя наши научные знания об антибиотиках были развиты только недавно, практическое применение антибиотиков существует на протяжении веков. Первое известное использование было китайцами около 2500 лет назад. За это время они обнаружили, что применение плесневого творога из соевых бобов для лечения инфекций имело определенные терапевтические преимущества. Это было настолько эффективно, что стало стандартным лечением. Данные свидетельствуют о том, что другие культуры использовали вещества типа антибиотиков в качестве терапевтических средств. Судано-нубийская цивилизация использовала тип тетрациклинового антибиотика еще в 350 н.э. В средние века в Европе для борьбы с инфекцией также использовали сырые экстракты растений и творог. Хотя в этих культурах использовались антибиотики, общие принципы действия антибиотиков не были поняты до двадцатого века.

Разработка современных антибиотиков зависела от нескольких ключевых людей, которые продемонстрировали миру, что материалы, полученные из микроорганизмов, могут использоваться для лечения инфекционных заболеваний. Одним из первых пионеров в этой области был Луи Пастер. В 1877 году он и его коллеги обнаружили, что рост болезнетворных бактерий сибирской язвы может подавляться сапрофитными бактериями. Они показали, что большие количества бацилл сибирской язвы можно давать животным без каких-либо побочных эффектов, если также вводятся сапрофитные бациллы. В течение следующих нескольких лет другие наблюдения подтвердили тот факт, что некоторые материалы бактериального происхождения могут предотвращать рост болезнетворных бактерий.

В 1928 году Александр Флеминг внес один из самых важных вкладов в область антибиотиков. В ходе эксперимента он обнаружил, что штамм зеленого Penicillium плесень подавляла рост бактерий на чашке с агаром. Это привело к разработке первого антибиотика современной эпохи - пенициллина. Несколько лет спустя, в 1932 году, была опубликована статья, в которой был предложен метод лечения инфицированных ран с помощью препарата пенициллина. Хотя эти ранние образцы пенициллина были функциональными, они не были надежными, и требовались дальнейшие уточнения. Эти улучшения произошли в начале 1940-х годов, когда Ховард Флори и его сотрудники обнаружили новый штамм Penicillium, который произвел высокие урожаи пенициллина. Это позволило крупномасштабное производство пенициллина, что помогло запустить современную промышленность антибиотиков.

После открытия пенициллина стали искать другие антибиотики. В 1939 году началась работа по выделению потенциальных антибиотиков из почвенных бактерий streptomyces. Примерно в это же время был введен термин «антибиотик». Селман Ваксман и его сотрудники открыли стрептомицин в 1944 году. Последующие исследования привели к открытию множества новых, различных антибиотиков, включая актиномицин, стрептотрицин и неомицин, все они производятся Streptomyces. Другие антибиотики, которые были открыты с тех пор, включают бацитрацин, полимиксин, виомицин, хлорамфеникол и тетрациклины. С 1970-х годов большинство новых антибиотиков представляли собой синтетические модификации природных антибиотиков.

Сырье

Соединения, из которых состоит ферментационный бульон, являются основным сырьем, необходимым для производства антибиотиков. Этот бульон представляет собой водный раствор, состоящий из всех ингредиентов, необходимых для размножения микроорганизмов. Как правило, он содержит источник углерода, такой как патока или соевый шрот, оба из которых состоят из сахаров лактозы и глюкозы. Эти материалы необходимы в качестве источника пищи для организмов. Азот - еще одно необходимое соединение в метаболических циклах организмов. По этой причине обычно используется соль аммиака. Кроме того, сюда входят микроэлементы, необходимые для правильного роста организмов, продуцирующих антибиотики. Это такие компоненты, как фосфор, сера, магний, цинк, железо и медь, введенные через водорастворимые соли. Чтобы предотвратить пенообразование во время ферментации, используются антивспенивающие агенты, такие как жирное сало, октадеканол и силиконы.

Производственный
процесс

Хотя большинство антибиотиков встречается в природе, они обычно не доступны в количествах, необходимых для крупномасштабного производства. По этой причине был разработан процесс ферментации. Он включает в себя изоляцию желаемого микроорганизма, подпитку роста культуры, а также очистку и выделение конечного антибиотического продукта. Важно поддерживать стерильные условия на протяжении всего производственного процесса, потому что заражение чужеродными микробами нарушит ферментацию.

Начало культуры

• 1 Перед тем как начать ферментацию, необходимо изолировать желаемый организм, продуцирующий антибиотики, и многократно увеличить его количество. Для этого в лаборатории создается заквасочная культура из образца ранее выделенных, хранящихся в холодильнике организмов. Чтобы вырастить исходную культуру, образец организма переносят на чашку с агаром. Затем исходную культуру помещают во встряхиваемые колбы вместе с пищей и другими питательными веществами, необходимыми для роста. Это создает суспензию, которая может быть перенесена в семенной бак для дальнейшего роста.
• 2 Бункеры для семян представляют собой стальные резервуары, предназначенные для обеспечения идеальной среды для выращивания микроорганизмов. Они наполнены всем, что необходимо конкретному микроорганизму для выживания и процветания, включая теплую воду и углеводные продукты, такие как лактоза или глюкозный сахар. Кроме того, они содержат другие необходимые источники углерода, такие как уксусная кислота, спирты или углеводороды, и источники азота, такие как соли аммиака. Факторы роста, такие как витамины, аминокислоты и второстепенные питательные вещества, дополняют состав содержимого семенного резервуара. Бункеры для семян оснащены миксерами, которые поддерживают движение питательной среды, и насосом для подачи стерилизованного отфильтрованного воздуха. Примерно через 24-28 часов материал из семенных баков переносится в первичные бродильные чаны.

Ферментация

• 3 Бак для брожения по сути является увеличенной версией стального бака для семян, который вмещает около 30 000 галлонов. Он заполнен такой же питательной средой находится в семенном баке и также обеспечивает среду, благоприятную для роста. Здесь микроорганизмы могут расти и размножаться. Во время этого процесса они выделяют большое количество нужного антибиотика. Резервуары охлаждаются для поддержания температуры в пределах 73–81 ° F (23–27,2 ° C). Его постоянно перемешивают, и в него закачивают непрерывный поток стерилизованного воздуха. По этой причине периодически добавляют пеногасители. Поскольку контроль pH жизненно важен для оптимального роста, по мере необходимости в аквариум добавляют кислоты или основания.

Выделение и очистка

• 4 Через три-пять дней будет произведено максимальное количество антибиотика, и можно будет начать процесс выделения. В зависимости от конкретного производимого антибиотика ферментационный бульон обрабатывается различными методами очистки. Например, для соединений антибиотиков, которые являются водорастворимыми, для очистки можно использовать метод ионного обмена. В этом методе соединение сначала отделяется от отработанных органических материалов в бульоне, а затем проходит через оборудование, которое отделяет другие водорастворимые соединения от желаемого. Чтобы выделить маслорастворимый антибиотик, такой как пенициллин, используется метод экстракции растворителем. В этом методе бульон обрабатывают органическими растворителями, такими как бутилацетат или метилизобутилкетон, которые могут специфически растворять антибиотик. Растворенный антибиотик затем восстанавливается с помощью различных органических химических средств. В конце этого этапа производителю обычно остается очищенная порошкообразная форма антибиотика, которая может быть дополнительно переработана в различные типы продуктов.

Очистка

• 5 Антибиотики могут принимать самые разные формы. Они могут продаваться в виде растворов для внутривенных мешков или шприцев, в форме пилюль или гелевых капсул, или они могут продаваться в виде порошков, которые включают в мази для местного применения. В зависимости от окончательной формы антибиотика после первоначального выделения могут быть предприняты различные шаги по переработке. Для внутривенных пакетов кристаллический антибиотик может быть растворен в растворе, помещен в пакет, который затем герметично закрывается. В гелевых капсулах порошкообразный антибиотик физически вводится в нижнюю половину капсулы, затем верхняя половина механически устанавливается на место. При использовании в мазях для местного применения антибиотик подмешивается в мазь.
• 6 С этого момента антибиотик транспортируется на станции окончательной упаковки. Здесь продукты складываются и складываются в ящики. Их загружают на грузовики и перевозят к различным дистрибьюторам, больницам и аптекам. Весь процесс ферментации, восстановления и обработки может занять от пяти до восьми дней.

Контроль качества

Контроль качества имеет первостепенное значение при производстве антибиотиков. Поскольку он включает в себя процесс ферментации, необходимо принять меры, чтобы гарантировать отсутствие каких-либо загрязнений на любом этапе производства. Для этого среда и все технологическое оборудование тщательно стерилизуются паром. В процессе производства качество всех составов регулярно проверяется. Особое значение имеют частые проверки состояния культуры микроорганизмов во время ферментации. Для этого используются различные методы хроматографии. Кроме того, проверяются различные физические и химические свойства готового продукта, такие как pH, температура плавления и содержание влаги.

В Соединенных Штатах производство антибиотиков строго регулируется Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). В зависимости от применения и типа антибиотика необходимо пройти большее или меньшее количество анализов. Например, FDA требует, чтобы каждая партия определенных антибиотиков проверялась на эффективность и чистоту. Только после того, как они сертифицировали партию, она может быть продана для общего потребления.

Будущее

Поскольку разработка нового лекарства требует больших затрат, фармацевтические компании за последнее десятилетие провели очень мало исследований. Однако тревожное событие возродило интерес к разработке новых антибиотиков. Оказывается, некоторые болезнетворные бактерии мутировали и приобрели устойчивость ко многим стандартным антибиотикам. Это может иметь серьезные последствия для общественного здравоохранения в мире, если не будут открыты новые антибиотики или не будут усовершенствованы существующие. Эта сложная проблема будет в центре внимания исследований в течение многих лет.