Antibiotiki

12

Представители каждой группы имеют не только свои особенности молекулярной структуры, но и спектр возбудителей, в отношении которых они проявляют наибольшую активность.

Все бета-лактамные антибиотики в свою очередь в соответствии с их структурой подразделяются на несколько групп (таблица 3).

Таблица 3 – Основные группы бета-лактамных антибиотиков

По спектру антимикробного действия антибиотики подразделяются на 2

группы:

-препараты с узким спектром действия;

-препараты со средним спектром действия;

-препараты с широким спектром действия.

Часто все препараты по спектру антимикробного действия подразделяют на 2 группы – препараты узкого спектра действия и препараты широкого спектра действия. В свою очередь, антибиотики узкого спектра действия разделяют на препараты с преимущественным действием на грамположительные бактерии (пенициллины, макролиды, линкозамиды) и препараты с преимущественным действием на грамотрицательные микроорганизмы (монобактамы, полипептиды).

Спектр действия антибиотиков - это число видов возбудителей, на которые антибиотик оказывает бактерицидное или бактериостатическое действие. Препараты узкого спектра действия активны в отношении только небольшого

13

количества грамположительных или грамотрицательных бактерий. Препараты широкого спектра действия активны против большого количества как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Так, противогрибковые антибиотики (нистатин, леворин) обладают узким антимикробным спектром действия (действуют только в отношении грибов). Антибиотики пенициллиновой и цефалоспориновой групп и аминогликозиды относятся к антибиотикам со средним антимикробным спектром действия (действуют на грамотрицательные и частично на грамположительные микроорганизмы). Тетрациклины, макролиды, хлорамфеникол относятся к антибиотикам с широким спектром действия (действуют на грамположительные и грамотрицательные виды бактерий, риккетсии). Противомикробный спектр действия антибиотиков имеет большое практическое значение, так как позволяет правильно назначать антибиотики при тех или иных инфекционных заболеваниях.

По способу получения антибиотики подразделяются на 3 группы:

1.Биосинтетические (природные) антибиотики являются продуктами метаболизма специально селекционированных штаммов микроорганизмов. Эти антибиотики получают биологическим синтезом с последующей очисткой от балластных примесей. Например, природными антибиотиками являются пенициллин, стрептомицин.

2.Полусинтетические антибиотики на первом этапе получают биосинтезом,

азатем подвергают химическим модификациям. При этом к природному антибиотику присоединяют различные химические радикалы для повышения активности препарата. Полусинтетическими антибиотиками являются, например, метициллин и оксациллин.

3.Синтетические антибиотики изначально получают химическим синтезом. Примером синтетических антибиотиков являются фторхинолоновые препараты; левомицетин – синтетичекский аналог хлорамфеникола.

В настоящее время широко применяются высокоэффективные антибиотики, полученные биосинтетическим путем. Однако некоторые особенности химического строения антибиотиков ограничивают их терапевтический эффект. Поэтому путем направленной модификации созданы полусинтетические препараты, которые сохраняют основные преимущества известных антибиотиков и приобретают новые дополнительные свойства (устойчивость к действию разрушающих ферментов, расширенный спектр действия).

Основными продуцентами природных антибиотиков являются бактерии,

актиномицеты, плесневые грибы. Некоторые авторы к природным антибиотикам относят антимикробные вещества, продуцируемые растительными и животными клетками.

По механизму действия все антибиотики распределяют на группы в зависимости от “мишени”, на которую они воздействуют (рисунок 10):

14

Рисунок 10 - Мишени воздействия антибиотиков в бактериальной клетке.

1.Препараты, ингибирующие синтез компонентов бактериальной стенки -

ингибиторы синтеза клеточной стенки (бета-лактамы – пенициллины,

цефалоспорины; гликопептиды). Они действуют на растущие клетки, тормозят образование некоторых аминокислот, входящих в состав пептидогликана (муреина).

Врезультате образуются сферические структуры (сферопласты), не способные к размножению и лишенные клеточной стенки. Образующиеся сферопласты затем лизируются ферментами макроорганизма. Антибиотики этой группы действуют на разных этапах образования клеточной стенки. Например, синтез предшественников пептидогликана начинается в цитоплазме бактерий. Затем эти предшественники транспортируются через цитоплазматическую мембрану и объединяются в гликопептидные цепи. Эту стадию формирования клеточной стенки ингибируют гликопептиды. На внешней поверхности цитоплазматической мембраны образование полноценного пептидогликана происходит при участии белковферментов. Эти ферменты являются мишенью для бета-лактамных антибиотиков. Гликопептиды и бета-лактамы приводят к накоплению в микробной клетке предшественников пептидогликана, которые вызывают синтез аутолитических ферментов и лизис бактерий.

2.Препараты, нарушающие функцию цитоплазматической мембраны -

ингибиторы функций цитоплазматической мембраны (полимиксины,

грамицидины, полиены, имидазолы). Полимиксины нарушают проницаемость цитоплазматической мембраны, блокируя фосфолипидные компоненты, что ведет к выходу в окружающую среду водорастворимых компонентов цитоплазмы. Грамицидины вызывают нарушение целостности цитоплазматической мембраны.

15

Механизм действия полиеновых антибиотиков (нистатина, леворина, амфотерицина В) основан на связывании эргостерола цитоплазматической мембраны с последующим выходом низкомолекулярных соединений из клетки. Механизм действия азолов (флуконазол, вориконазол, интраконазол, кетоконазол) заключается в ингибировании фермента, катализирующего превращение ланостерола в эргостерол - основной структурный компонент мембраны клетки грибов; при этом проявляется фунгистатический эффект.

3.Препараты, разрушающие рибосомальные субчастицы и сдерживающие синтез белка - ингибиторы синтеза белка:

- ингибиторы 30S-субъединиц рибосом (аминогликозиды, тетрациклины). Аминогликозиды препятствуют присоединению тРНК к рибосомам, а тетрациклины тормозят перемещение тРНК, то есть блокируют процесс до начала синтеза белка;

- ингибиторы 50S-субъединиц рибосом (макролиды, хлорамфеникол, линкомицин). Например, эритромицин действует на процесс транслокации, что препятствует удлинению пептидных цепей.

4.Препараты, избирательно подавляющие синтез нуклеиновых кислот -

ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот:

- ингибиторы синтеза предшественников пуриновых и пиримидиновых оснований (сульфаниламиды, триметоприм);

- ингибиторы РНК-полимеразы (рифампицин); - ингибиторы синтеза ДНК (фторхинолоны, нитрофураны, нитроимидазолы).

5.Антиметаболиты - ингибиторы метаболизма фолиевой кислоты (сульфонамиды, триметоприм). Действие сульфаниламидных препаратов связано с тем, что они нарушают образование микробными клетками фолиевой и дегидрофолиевой кислот, в молекулу которых входит пара-аминобензойная кислота (ПАБК). Сульфаниламиды по химическому строению схожи с ПАБК, поэтому они захватываются микробной клеткой вместо ПАБК. В результате этого в бактериальной клетке нарушаются процессы биосинтеза.

В обобщенном виде распределение антимикробных препаратов на группы по механизму действия представлено в таблице 4.

Таблица 4 – Классификация антимикробных химиопрепаратов по механизму действия

16

Таким образом, антибиотики, проникнув в микробную клетку, вызывают в ней нарушения метаболических процессов разного уровня и разной продолжительности. Каждая группа антибиотиков или даже отдельные антибиотики обладают специфичностью действия на отдельные звенья метаболических реакций. Сочетание нескольких антибиотиков, вызывающих нарушения разных метаболических процессов в микробной клетке, приводит к повышению эффективности схем лечения.

Основные механизмы противомикробного действия антибиотиков представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Механизмы противомикробного действия антибиотиков

Продуценты антибиотиков

Природные антибиотики обнаруживаются в основном среди метаболитов почвенных микроорганизмов, синтезирующих их в качестве средств выживания. Животные и растительные клетки также могут вырабатывать антибиотикоподобные вещества, обладающие антимикробной активностью, но широкого распространения в лечебной практике такие соединения не нашли. Таким образом, основными источниками получения природных и полусинтетических антибиотиков являются микробы: актиномицеты (особенно стрептомицеты), плесневые грибы и бактерии.

17

По происхождению (продуценту) антибиотики подразделяются на 5

групп:

1. Антибиотики, образуемые грибами и лишайниками. Грибы являются продуцентами наиболее активных антибиотиков. Так, из культуральной жидкости

Penicillium notatum выделен пенициллин, Cephalosporium acremonium - цефалоспорин, Aspergillus fumigatus - фумигаллин, Penicillium urticae -

гризеофульвин, Trichothecium roseum - трихотецин. Лишайники продуцируют усниновую кислоту, обладающую сильным антибиотическим действием. К натриевой соли усниновой кислоты особенно чувствительны дифтерийные палочки.

2.Антибиотики, образуемые актиномицетами, нашли наиболее широкое применение в медицинской практике. Актиномицеты продуцируют большое количество антибиотиков: Streptomyces greseus - стрептомицин, Str. fradiae - неомицин, Str. canamyceticus - канамицин, Micromonospora purpurea - гентамицин, Str. aureofaciens - хлортетрациклин, Str. venezuelae - хлорамфеникол, Str. erythreus - эритромицин, Str. fradiae - тилозин, Str. bevoris - леворин, Str. spheroides - новобиоцин, Str. mediterranei - рифамицин, Str. neursei -

нистатин. Многие из этих антибиотиков обладают широким спектром действия.

3.Антибиотики, выделенные из бактерий. Группа антибиотиков бактериального происхождения менее обширна и имеет меньшее практическое значение, так как их эффективность значительно ниже, чем у антибиотиков, синтезируемых грибами или актиномицетами. Бактерии-продуценты антибиотиков синтезируют грамицидин, колицин, пиоцианин, субтилин, полимиксин и другие антимикробные вещества. Некоторые из этих антибиотиков токсичны при парентеральном введении, поэтому их применяют местно.

Грамицидин выделен в 1939 г. Р.Ж. Дюбо из почвенного микроба В. brevis. В нашей стране грамицидин С получен в 1942 г. Г.Ф. Гаузе и М.Г. Бражниковой. По химическому строению он представляет собой циклический пептид, в который входит пять аминокислот. В 1956 г. осуществлен синтез этого антибиотика.

Колицин - антибактериальный белок, продуцируемый некоторыми штаммами кишечной палочки и подавляющий жизнеспособность других штаммов.

Пиоцианин – антибиотическое вещество, получаемое из бактерий вида Pseudomonas aeruginosa. Он активен против большинства грамположительных бактерий.

Субтилин - продукт В. subtilis. Всего из разных штаммов этого продуцента выделено более 70 антибиотиков. Малотоксичен. Хорошо сохраняется в водных растворах. Применяется в пищевой промышленности как консервант.

Полимиксины - это группа соединений, обладающих узким спектром активности против грамотрицательных микроорганизмов. По химической структуре они представляют собой полипептидные соединения. В обычных дозах обладают бактериостатическим действием, а в высоких концентрациях - бактерицидным действием.

Некоторые штаммы S. lactis синтезируют низин, подавляющий рост стафилококков, стрептококков, сарцин, бацилл. Этот препарат разрешен для применения в пищевой промышленности. Его добавляют к консервированным продуктам, что позволяет снижать температуру и продолжительность стерилизации

итем самым сохранять вкусовые и питательные свойства продукта.

18

4. Антимикробные препараты животного происхождения – это биологически активные вещества, образуемые животными тканями, обладают не только антибиотическим действием, но и активизируют защитные силы макроорганизма, что позволяет применять их для профилактики и лечения ряда заболеваний. К ним относятся экмолин, полученный из тканей рыб; лизоцим, выделенный из яичного белка. Клетки некоторых тканей продуцируют интерферон, активный в отношении многих возбудителей вирусных инфекций. Такие вещества правильнее называть не антибиотиками, а препаратами, обладающими противобактериальной активностью или антибиотикоподобными веществами.

Экмолин - препарат, полученный в 1950 г. из тканей рыб 3.В. Ермольевой и сотрудниками. Задерживает рост грамположительных и грамотрицательных микробов. Малотоксичен. Усиливает действие пенициллина и стрептомицина. Применяется как пролонгатор других антибиотиков. Антибиотик экмоновоциллин представляет собой смесь пенициллина с водным раствором экмолина. При использовании такого препарата пенициллин задерживается в организме до 1 суток, в то время как в обычный пенициллин вводится через каждые 4 часа.

Лизоцим. В 1909 г. П.Н. Лащенков заметил, что куриное яйцо, вылитое в чашку и оставленное открытым, не разлагается до полного высыхания. Этот факт натолкнул ученого на мысль, что белок куриного яйца содержит особое вещество, препятствующее развитию микробов. Им была опубликована работа “О свойстве куриного белка убивать и задерживать рост бактерий”. В 1922 г. А. Флеминг обнаружил, что таким же свойством обладает не только белок куриного яйца, но и многие выделения животных и растений. Обнаруженное вещество он назвал лизоцимом. В нашей стране изучением лизоцима занималась 3.В. Ермольева. Установлено, что наибольшее его количество содержится в яичном белке (титр 1:60000000), в слезах (1:40000), выделениях слизистой носа (1:13500), меньше - в слюне (1:300), сыворотке крови (1:270) и других тканях. Лизоцим (мурамидаза) вызывает лизис микробов. Наиболее чувствительны к нему грамположительные микроорганизмы, менее чувствительны грамотрицательные бактерии. Лизоцим нетоксичен, он активизирует защитные силы, являясь фактором естественного иммунитета.

Интерферон - универсальный фактор неспецифической резистентности. Открыт в 1957 г. английским вирусологом Алексом Айзексом и его стажером из Швейцарии Джоном Линденманном. Вырабатывается клетками позвоночных (клетки костного мозга, лимфоциты, макрофаги и др.) под влиянием природных и синтетических индукторов. Наиболее активными природными индукторами являются вирусы. В меньшей степени такой способностью обладают другие микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Интерферон устойчив к низким температурам, кислотам и щелочам, ультрафиолетовым излучениям, нечувствителен к некоторым, ферментам (нуклеазам, липазам). Известно три типа интерферонов, разных по происхождению и физико-химическим свойствам: α-интерферон образуют лейкоциты, β-интерферон - клетки соединительной ткани, γ-интерферон (иммунный) - Т-лимфоциты. В 1981 г. английский ученый М. Эдж методами генной инженерии получил интерферон, идентичный лейкоцитарному интерферону человека. В 1982 г. генно-инженерный интерферон был синтезирован и в нашей стране.

19

5. Антимикробные препараты растительного происхождения. Многие растения выделяют летучие и нелетучие биологически активные вещества - фитонциды, способные обеспечивать устойчивость растений к различным болезням. Фитонциды открыл Б.П. Токин в 1928 г. Наибольшими антибиотическими свойствами обладают фитонциды лука, чеснока, хрена, горчицы, алоэ, плодов можжевельника, почек березы, листьев черемухи, листьев эвкалипта и некоторых других растений. Они инактивируют ряд жизненно важных ферментов и подавляют жизнедеятельность сарцин, стафилококков, стрептококков, кишечной палочки, протея и других микроорганизмов.

Некоторые фитонциды выделены в чистом виде: аллицин - из чеснока, подавляет рост грамположительных и грамотрицательных бактерий; рафанин - из семян редиса, действует на грамположительные и грамотрицательные бактерии; иманин и новоиманин - из зверобоя, применяют при лечении инфицированных ран и тяжелых ожогов; сальвин – из шалфея, используют для лечения хронических воспалительных процессов слизистых оболочек.

Принципы получения антибиотиков

Существуют 3 основных способа получения антибиотиков:

-биологический синтез (культивирование продуцентов в оптимальных условиях в жидкой питательной среде с последующей очисткой);

-биосинтез с последующей химической модификацией (получение полусинтетических антибиотиков);

-химический синтез препаратов без участия микроба-продуцента. Биотехнология антибиотиков – это технологический процесс выращивания

микроба-продуцента при оптимальных температурных условиях в течение определенного времени в специальной жидкой питательной среде, выделение целевого продукта и его очистка от балластных примесей.

Этапы биотехнологии антибиотиков:

1.Выделение из внешней среды или селекция (мутагенез, конструирование суперпродуцентов методами генетической инженерии) микроорганизмов - активных продуцентов антибиотиков.

2.Приготовление питательной среды для глубинного выращивания конкретного продуцента антибиотика.

3.Культивирование продуцента глубинным способом с аэрацией или без аэрации с использованием специально разработанных питательных сред в аппаратах-культиваторах (ферментерах). При необходимости (особенно в случае образования микроорганизмом нескольких антибиотиков) обменные процессы направляют в сторону биосинтеза одного определенного антибиотика, изменяя условия культивирования (состав питательной среды, кислотность среды, аэрация и

другие параметры). Для глубинного культивирования используют аппараты периодического действия емкостью 50-200 м3. Температура ферментации составляет

всреднем 27-28ОС. Период ферментации длится от 3 до 10 суток.

4.Выделение и очистка антибиотиков из культуральной жидкости методами осаждения или кристаллизации из водной среды, экстракции, сорбции на ионно-

20

обменных материалах и поверхностно-активных веществах, перекристаллизации. После ферментации и выделения антибиотиков из культуральной жидкости они подвергаются очистке от балластных примесей.

5.Высушивание готового продукта методами лиофильного или сублимационного обезвоживания, распылительной сушки. Стандартизация готового препарата по содержанию антибиотика.

6.При производстве пероральных препаратов осуществляется таблетирование или дражжирование с последующей расфасовкой в емкостную тару или путем запрессовывания в упаковочный материал.

7.При производстве антибиотиков в жидком виде для парентерального применения производится фасовка препарата в асептических условиях в ампулы или флаконы.

8.Этикетирование готового продукта.

Перспективные биотехнологические разработки получения антибиотиков:

-методы иммобилизации антибиотиков;

-модификация молекул естественных антибиотиков химическими или биологическими методами;

-применение генно-модифицированных продуцентов антибиотиков (создание оперонов, кодирующих мультиферментный комплекс; увеличение числа копий генов биосинтеза антибиотика в клетке продуцента).

Причины поиска и разработки новых антибиотиков:

-малая чувствительность некоторых патогенных микроорганизмов к применяемым антибиотикам;

-формирование резистентных форм микроорганизмов при длительном применении антибиотиков;

-расширение сферы применения антибиотиков.

Требования, предъявляемые к антибиотикам

К антибиотикам предъявляются определенные требования:

1. Отсутствие токсического действия на организм человека или животных (безвредность препарата). Безвредность устанавливается с помощью химиотерапевтического индекса - отношения максимально переносимой дозы к минимальной терапевтической дозе или минимальной терапевтической дозы к максимально переносимой дозе. При индексе соответственно больше 3 или меньше 1 препарат может быть использован для лечения инфекционного заболевания, поскольку его терапевтическая доза будет меньше переносимой дозы. Величина химиотерапевтического индекса может быть определена по формуле:

Т = МИК/К,

где Т – терапевтический индекс; МИК – минимальная ингибирующая концентрация (мкг/мл); К - концентрация антибиотика (мкг/мл) в очаге инфекции (или в крови) при введении терапевтических доз препарата (таблица 6).