חיידקים ונגיפים וגם שאר היצורונים המקיפים אותנו מכל עבר, משפיעים על חיינו מכל מיני כיוונים. בבלוג אספר על אלה המוזכרים מדי פעם בחדשות וגם לחדשות מדעיות הקשורות בהם. כמו כן אשתף אתכם גם בתמונות ודיווחים על יצורים גדולים יותר, שבהם אצפה בטבע. בלוג זה גם יהווה ארכיון לחומרים שכתבתי בעבר ורלוונטיים לנושא.

2.8.12

סֵר אלכסנדר פלמינג - מגלה הפניצילין



אלכסנדר פלמינג
ויקיפדיה

לפני 131 שנה, ב-6 באוגוסט 1881, נולד בלוכפילד (Lochfield) שבסקוטלנד הרופא, ומי שליָמים (1945) יוכתר כסֵר אלכסנדר פלמינג (Fleming). ב-1906 הוא סיים בהצטיינות את לימודיו בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת לונדון, בבית החולים סנט מארי. שם נשאר, ועסק בחקר מחלות זיהומיות, בהדרכתו של הרופא והבקטריולוג אלמרות רייט (Wright), מחלוצי מפתחי החיסונים.

עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה התגייס פלמינג לצבא הבריטי כקצין רפואה, שם נתקל מקרוב בחוסר האונים של הרופאים בנסיונם להציל את החיילים שפצעיהם הזדהמו. ב-1918 חזר למעבדה, וב-1921 גילה ובודד מהפרשות האף של אדם מנוזל (יש הטוענים שהיה זה אפו שלו...), חומר שקטל חיידקי Micrococcus lysodeikticus (חיידקים שקיבלו את שמם מפלמינג; בהמשך אוחדו חיידקים אלה עם חיידקי המין Micrococcus luteus), חומר שאותו כינה בשם ליזוזים (Lysozyme - אנזים ממס, מפרק).

ליזוזים:
שם מקוצר של קבוצת אנזימים חלבוניים, הנמצאים בהפרשות הנוזליות של גופנו - דמעות, רוק, ריר האף ועוד. הנחקר שבהם, ליזוזים המופק מחלבון ביצה של תרנגולת ומורכב מ-129 חומצות אמינו. שמו המלא - N-acetylmuramide glycanhydrolase.

הפעילות נוגדת החיידקים של הפרשות גופנו וגופי בעלי חיים אחרים ידועה כבר מראשית המאה העשרים. הראשון שגילה, ב-1909, את הפעילות נוגדת החיידקים של חלבון הביצה (שהוא המקור העיקרי להפקת ליזוזים עד היום) היה החוקר הרוסי לסטשנקו (P. Laschtschenko) מאוניברסיטת טומסק. פלמינג בודד ואפיין לראשונה את החלבון. דיוויד פיליפס (Phillips) פענח את המבנה שלו ב-1965. האנזים מבקע את השלד הסוכרי של הפֶּפּטידוֹגליקָן, המרכיב העיקרי בדופן התא החיידקי.

אך הפריצה הגדולה של פלמינג להיסטוריה של המיקרוביולוגיה הרפואית התרחשה בשנת 1928. באותה עת הוא חקר את חיידקי Staphylococcus auerus, המזהמים פצעים בעור ואף גורמים למחלות נוספות. פלמינג גידל את החיידקים בצלחות פטרי, הליך שמוכּר לכל המיקרוביולוגים גם היום. צלחות אלו נוטות להזדהם בנבגים של פטריות וזיהומים אחרים, כתוצאה מאי הקפדה על עבודה סטרילית.

פלמינג החזיק בידו צלחת ובה מושבות של חיידקים, שהיתה בדרכה לפח האשפה לאחר שזוהמה על ידי עובש. אבל למרבה השמחה עצר בו כשהבחין בתופעה "מוזרה": בעוד שהמושבות המרוחקות מהעובש היו "רגילות", כפי שמושבות חיידקים אמורות להראות, המושבות הקרובות לעובש היו "מומסות".

הצלחת המקורית של פלמינג בה גילה את פעילות הפניציליום
המקור: Alexander Fleming, "On the Antibacterial Action of Cultures of a Penicillium,
with Special Reference to Their Use in the Isolation of B. Influenzas"
The British Journal of Experimental Pathology, (1929) x: p.226.

אנו יודעים שהתופעה התרחשה גם קודם (ראו מסגרת), אך פלמינג הבחין בה, ובדק את משמעותה. הוא ביצע ניסוי חוזר, שבו זרע גם את הפטרייה המזהמת וגם חיידקים על צלחת, ולאחר שראה שהתוצאות חוזרות על עצמן, העלה את ההשערה שהפטרייה מפרישה חומר קטלני לחיידקים. פלמינג זיהה בעובש, שהיום שמו המדעי Penicillium Chrysogenum, (ואז היה P. Notatum) את החומר, הוכיח את יעילותו במעבדה, וקרא לו, על שם הפטרייה, פניצילין (Penicillin). היום מכונה החומר פניצילין G, או בֶּנזיל פניצילין (benzylpenicillin). פלמינג ניסה - וכשל - לבודד את הפניצילין ולנקותו. לכן כמעט נגנזה תגלית זו, כקוריוז מדעי מעניין, כמו קודמותיה.

התגליות שלפני התגלית הגדולה

בדיעבד, בסקירה הספרות המדעית, מסתבר שפלמינג לא היה הראשון שגילה את הפעילות המיוחדת של הפניציליום, אך לכל הדיווחים הקודמים המוזכרים כאן, בניגוד לתצפיותיו של פלמינג, לא היה המשך:

כבר בכתבים הודים ויוונים עתיקים, הוזכר שימוש בעובשים לריפוי פצעים. אך האזכור המדעי הראשון לפעילות האנטי חיידקית של פניציליום נעשתה על ידי הרופא (והמוסיקאי) האוסטרי תאודור בילרות (Billroth), שחקר בין השנים 1873-1868 את מעורבותם של סטרפטוקוקים בזיהומי פצעים. ברשימותיו הוא ציין שכאשר פניציליום זיהם את תרביותיו, החיידקים לא גדלו. בילרות הסיק שהעובש שינה את המצע כך שלא התאים עוד לגידול החיידקים. במקביל, ב-1871, דיווח הלורד ג'וזף ליסטר (Lister), הרופא האנגלי המפורסם, שבתרביות שתן שזוהמו בפניציליום לא גדלו חיידקים. בהמשך השתמש ליסטר בתמצית של הפטרייה לריפוי פצעים של חולָה, שלא החלימו בשיטות אחרות. גם הרופא האנגלי ויליאם רוברטס (Roberts) דיווח ב-1874 שחיידקים לא מזהמים תרביות של הפטרייה P. glaucum.

הפיזיקאי האנגלי ג'ון טינדל (Tyndall), שחקר את פיזור החיידקים באוויר, כתב ב-1876 שבמבחנות שבהם צמחה פניציליום לא צמחו חיידקים. ב-1877 דיווחו לואי פסטר (Pasteur) וג'ולס יוברט (Joubert) על עובש בלתי מזוהה שעיכב את חיידקי הגחלת (Bacillus anthracis) שגידלו.

הדיווח המפורט והמסודר ביותר על פעילות הפטרייה נכתב ב-1897 על ידי ארנסט דוצ'נס (Duchesne), אז סטודנט לרפואה. בתזה שלו הוא כתב כי כאשר מגדלים חיידקי Escherichia coli בנוכחות הפטרייה P. glaucum, החיידקים אינם גדלים. דוצ'נס הזריק לחיות מעבדה חיידקי Salmonella thyphi (הגורמים לטיפוס הבטן) עם הפטרייה ובלעדיה, ומצא שבנוכחות הפטרייה החיידקים אינם גורמים למחלה. לאחר סיום לימודיו, התגייס דוצ'נס לצבא, ותגליתו נגנזה. כך קרה גם לתצפית דומה לזו של פלמינג - על עיכוב חיידקי S. aureus על ידי פניציליום, שפורסמה על ידי אנדרה גרטייה (Gratia) ושרה דאת (Dath) ב-1920.


כעשר שנים מאוחר יותר, ב-1938, החלו הווארד פלורי (Florey) וארנסט חן (Chain), בתחילה באוניברסיטת אוקספורד, ולאחר פרוץ מלחמת העולם השנייה גם במעבדות משרד החקלאות באילינוי שבארצות הברית, לנסות לייצר פניצילין בכמויות מסחריות - בהסתמכם על הפרסום וזן הפניציליום של פלמינג.

 

ארנסט חן והאוורד פלורי
ייצרו פניצילין מסחרי בהסתמך על הפרסום וזן הפניציליום של פלמינג
ויקיפדיה

הזן המקורי שפלמינג בודד ייצר כמויות קטנות מאד (5-2 יחידות, ראו מסגרת) של פניצילין למ"ל תרבית. פלורי וחן הצליחו לשנותו במעבדה, אך התפוקה החדשה (200-150 יחידות למ"ל) היתה עדיין קטנה מדי. הם חזרו למקור, לאדמה, ובודדו זנים רבים של פניציליום. מאחד מהם (שייצר במקור 260 יחידות פניצילין למ"ל) הם הצליחו, לאחר טיפולים מוטגניים, להפיק 3,000 יחידות פניצילין למ"ל, שקטל חיידקים בתנאי המעבדה.

יחידה בינלאומית
כדי שייתאפשר להשוות יעילות של פניצילינים שונים, נקבעה יחידת פעילות בינלאומית (international unit), שהיא כמות הפניצילין הגורמת לעיכוב הגידול בצלחת אגר של "מרבד" סטפילוקוקים בקוטר של 2.5 ס"מ. היחידה שווה בכמותה ל-0.6 מיקרוגרם של מלח נתרני של פניצילין G.

להפתעתם, ניסיון לטפל באמצעות הפניצילין שהפיקו בזיהומים חיידקיים בחיות כשל לחלוטין. בדיקה של הפניצילין העלתה שלא מדובר בפניצילין המקורי, אלא בפניצילין אחר (n-heptylpenicillin), שסומן באות K, שבדיעבד הסתבר שהוא נוטרל בחיות הניסוי ואיבד את פעילותו האנטיביוטית. לאחר כמה שבועות נמצא הפתרון, כשנמצא שהוספה למצע הגידול של פניל-אצטט (phenyl-acetic  acid) גרמה לפטרייה ליצר פניצילין G. הפקת הפניצילין בכמויות מסחריות בעיצומה של המלחמה תרמה להצלת חיים של חיילים רבים של בעלות הברית.


כרזה שפורסמה בזמן המלחמה

לאחר המלחמה, ב-1945, הוענק פרס נובל לרפואה, לפלמינג, חן ופלורי, על הגילוי והפיתוח של הפניצילין. פלמינג עוטר באותה שנה גם בתואר האצולה.


פלמינג מקבל את פרס נובל מגוסטב החמישי, מלך שוודיה, 1945.
חן ופלורי מאחור.
ויקיפדיה

סר אלכסנדר פלמינג מת ב-11 במרץ 1955 ונקבר בקתדרלת סנט-פול בלונדון.

חיידקים, ליזוזים ופניצילין
למרבית החיידקים יש דופן חזקה, המורכבת מפולימר של שני סוכרים וחומצות אמינו, המכונה פפטידוגליקן. המונומרים המרכיבים את הפולימר בנויים מדו-סוכר - N-acetylmuramic acid, NAM, הקשור בקשר גליקוזידי ל-N-acetylglucoseamine, NAG כשל-NAM קשור פפטיד בן חמש חומצות אמינו. המונומרים מיוצרים בתוך התא, מופרשים החוצה - הסוכרים מצורפים לשרשרת הסוכרים על-ידי האנזים transglycosylase ולאחריו האנזים transpeptidase יוצר קשרי צילוב בין המונומרים. קשר הצילוב יכול להיות ישיר או דרך גשר של גליצינים. הליזוזים מפרק את השלד הסוכרי של הפפטידוגליקן למרכיביו, ולכן הליזוזים פוגע בחיידקים ללא קשר למצב הגידול שלהם. הפניצילינים מתקשרים לאנזים transpeptidase ומעכבים את פעילותו. לכן הפפטידוגליקן נבנה ללא קשרי הצילוב, אינו עומד בפני לחצים הידרוסטטיים, והתא החיידקי מתפוצץ. הפניצילינים פוגעים רק בחיידקים מתחלקים - שבהם מתרחשת סינתזת הדופן.


מפניצילין אחד, לקבוצה גדולה
לפניצילין G, שאותו גילה פלמינג, היו כמה חסרונות: החיסרון העיקרי - אובדן פעילותו במַעבר דרך הקיבה החומצית, זאת הסיבה שהפניצילין הוזרק ישירות לדם. פניצילין זה לא חדר את הממברנה החיצונית של החיידקים הפתוגנים בעלי ממברנה כזו, והיה יעיל רק נגד חיידקים חסרי ממברנה חיצונית, כסטפילוקוקים, סטרפטוקוקים, קלוסטרידיה ואחרים - כולם מקבוצת הפירמיקוטים (גראם חיוביים). נוסף על כך, התברר שפניצילין אלרגני באנשים מסוימים, מה שגורם להם לסכנת חיים. כבר בשנת 1941, עוד לפני שהאנטיביוט נכנס לשימוש מסחרי, אותרו זנים של חיידקים העמידים בפניו. העמידות הוקנתה לחיידקים העמידים כתוצאה מייצור אנזימים, פניצילינזים, המבקעים את הפניצילין.

מבנה כללי של פניצילינים


למולקולת הפניצילין שני חלקים. גרעין מבני (6-aminopenicllanic acid), הבנוי משתי טבעות - טבעת מחומשת (thiazolidine ring), שאליה קשורה טבעת המכונה טבעת בטא-לקטמית (β-lactam ring) - המשותף לכל הפניצילינים, וקבוצה משתנה, R, בפניצילינים השונים.

תוספת של פנוקסיאצטט למצע הגידול (phenoxyaceic acid) הביאה ליצורו של Phenoxymethylpenicillin (פניצילין V שם מסחרי - Rafapen). פניצילין זה אפשרי לבליעה בכמוסות או בסירופ, ללא אובדן פעילות מהחומציות של הקיבה. פניצילין נוסף שיוצר בצורה דומה היה האלמצילין (almecillin או פניצילין O). אלה הפניצילינים הטבעיים.

ב-1957 הצליחו לסנתז משתי חומצות אמינו, ציסטאין וולין, את הגרעין המבני של הפניצילין. במקביל, ייצרו את הגרעין מפניצילין G טבעי, בעזרת האנזים amidase (אנזים שמיוצר מזן פניציליום אחר). מכאן קצרה היתה הדרך (כשנתיים) לייצור פניצילין V כפניצילין סינתטי הראשון. בהמשך, השתמשו בגרעין המבני לייצור פניצילינים חצי סינתטיים, בהם הושתלה קבוצת R חדשה, שסונתזה במעבדה.

כאמור, בעקבות התפשטות הייצור של הפניצינילזים, בעיקר בטא-לקטמזים, בין החיידקים גורמי המחלות, ירד השימוש בפניצילינים. בשנים האחרונות מנסים להחזיר את הפניצילינים לשימוש - מול הזנים העמידים - בשילוב עם מעכבים של הבטא-לקטמזים. התרופה אוגמנטין (Augmentin), למשל, משלבת את הפניצילין אמוקסילין (amoxicillin - Moxipen) עם מעכב של בטא-לקטמז. השימוש המוגבר, לעתים קרובות ללא צורך, בתרופות המשולבות, גרם כבר גם להופעת חיידקים העמידים גם לאותם מעכבים.

סיכום
אלכסנדר פלמינג פתח את העידן המודרני של השימוש בפניצילינים, ובחומרים אנטיביוטיים נוספים. חלק מהחיידקים עדיין רגישים לפניצילינים, ואחרים עמידים כלפיהם. "מירוץ החימוש" נמשך, משני הכיוונים - חיידקים ואדם. ברקע נשמעים הקולות הקוראים לבחון שוב את השימוש באנטיביוטים השונים עקב פגיעתם גם בחיידקי הפלורה הטבעית. כנראה שהפניצילינים ילוו אותנו עוד כמה עשורים, עד שיימצאו תחליפים ייחודיים יותר.

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 168, עמ' 58-56, אוגוסט 2012.

תגובה 1:

  1. תענוג של חומר קריאה... ועוד בעברית! ואוו... כל כך הרבה השקעה ואהבת המדע והביולוגיה. מדהים.
    בתור ביולוג ומאסטרנט לביוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית, אני חייב לציין שאתה עושה פה קסמים! תודה רבה רבה רבה!

    השבמחק