Medicinske zanimljivosti

Pencilin  

Antibiotici -PENCILIN-

Penicilini su grupa beta-laktamskih antibiotika koji se koriste u lečenju infekcija izazvanih bakterijama. Na dejstvo penicilina osjetljivi su prevashodno Gram-pozitivni patogeni, dok je jedan broj polusintetskih penicilina efikasan i protiv Gram-negativnih bakterija. 

Prirodni penicilini su proizvod metabolizma gljivica iz roda Penicillium. 

Antibakterijsko dejstvo pencilina prepoznao je Aleksandar Fleming 1928. godine, ali su  u kliničku primjenu ušli tek tokom Drugog svjetskog rata. 

I danas se široko upotrebljavaju, ali njihov terapijski značaj opada usjled rastuće učestalosti pojave rezistentnih spojeva.

Ljekoviti učinak pojedinih gljivica bio je poznat i veoma starim kulturama gde su biljke i pojedine plijesni korišćene u empirijskoj terapiji, odnosno najčešće za previjanje rana u sprečavanju razvitka infekcije.
Sa razvojem mikrobiologije počela je da se učvršćuje i veza između pojedinih gljivica i njihovog antibakterijskog učinka. Niz britanskih istraživača objavilo je nalaze po kojima prisustvo plijesni u bakterijskim kulturama sprječava razvoj bakterija. Među prvima je bio Džon Skot Burdon- Senderson 1870.godine. Paster je u Francuskoj nekoliko godine kasnija objavio nalaze o antibakterijskom dejstvu gljivica iz roda Penicillium na bacile antraksa.1896 21-godišnji francuski student medicine Ernest Dušen je izučavao gljivu Penicillium chrysogenum. On je otkrio moguća pozitivna dejstva ove gljive i želio je da izučava njene mogućnosti. Međutim u to vreme nije bilo dovoljno novca za finansiranje, i pomoć koju je tražio od Pasterovog Instituta je ostala ignorisana. Međutim prolazile su godine, a nije dolazilo do konkretne primjene ovih otkrića,

Otkriće penicilina se pripisuje škotskom bakteriologu Aleksandru Flemingu i opisuje kao jedna od najvećih slučajnosti u istoriji nauke. O porijeklu plijesni koja je kontaminirala spomenutu kulturu postoji više teorija, mada se čini najvjerovatnijim da je spora vazduhom dospela iz mikološke laboratorije koja se nalazila u podrumu ispod Flemingove laboratorije do otvorene kulture stafilokoka.

U semptebru 1928. Fleming je tokom uobičajenog labaratorijskog rada uočio jednu šolju sa kulturom stafilokoka koja je postala kontaminirana plavičastozelenkastom plesni.  Tanjirić je bio ispunjen Stafilokokama koje su pokrile dno tanjirića. Na mjestima gde je dodao penicilin, pojavili su se čicti krugovi i dno tanjirića. Fleming je uočio i zabilježio pojavu zone inhibicije rasta bakterija u okolini plijesni. Fleming je zatim izolovao čistu kulturu gljivice koja je identifikovana kao Penicillium notatum, a ova kultura poslužila je za pravljenje sekundarnih kultura sve do 1945. godine, pri čemu su kasnija uporedna testiranja američkih naučnika pokazala da od svih do tada izolovanih plesni roda Penicillium, ova pokazuje treće po jačini antibakterijsko dejstvo.

Fleming je dalje pretpostavio da gljiva luči izvesnu supstancu koja deluje slično lizozimu  i za koju je skovao naziv penicilin. Fleming je pretpostavioda je ta supstanca ona odgovorna za antibakterijsku aktivnost gljivice. Međutim on je mislio da antibiotik nije u stanju da preživi dovoljno dugo u čovječijem tijelu i time je neefektivan i odbacio mogućnost penicilina kao antibiotika.

Mada se samo otkriće može okarakterisati kao slučajnost, Fleming se našao pred nizom naučnih problema. On je prepoznao potencijalne terapijske implikacije penicilina. Fleming je u prvo vrijeme vidi pencilin prevashodno kao antiseptik, a tek kasnije kao antibakterijsko sredstvo (antibakterijski agens).

Prvi pokušaji izolovanja penicilina nisu bili preterano uspješni. Nakon ispitivanja na miševima koja su se prvenstveno bavila procenom toksičnosti penicilina, Fleming 1931. prekida dalji rad.  1934. godine je smanjenim intenzitetom nastavio istraživanje.

Krajem 1938. i početkom 1939. godine na Univerzitetu u Oksfordu okupljen je tim naučnika čiju su okosnicu činili Hauard Flori i Ernst Boris Čejn, a koji je počeo intenzivno da radi na prečišćavanju penicilina i ispitivanju njegovog sistemskog dejstva. Količine penicilina koji su uspjeli da dobiju nisu bile dovoljne da proizvedu značajne rezultate kod ljudi. Ipak su pokazali da je penicilin, primenjen miševima inficiranim streptokokama, efikasan i netoksičan sistemski antibakterijski agens. Publikacija ovih rezultata u maju 1940. označila je omasovljenje i intenziviranje napora na izolovanju potpuno čistog penicilina. 

U sklopu ratnih napora članova oksfordskog tima, su 1941. godine otputovali u Ameriku gde su uspješno razvili prvi značajniji pogon za proizvodnju penicilina.Penicilin je odigrao značajnu ulogu u smanjenju smrtnosti među ranjenicima u Drugom svjetskom ratu. U to vrijeme pencilin je bio veoma ograničeno dostupan, pa su mu se pripisivala i gotovo čudotvorna dejstva.

Struktura i formula pencilina

Svi penicilini, bilo prirodnog ili polusintetskog porekla, diele zajedničku strukturu koja se često naziva penicilinskim jezgrom. 

Struktura penicilinskog jezgra

Kostur penicilinskog jezgra — penama — čini biciklični sistem koji se može posmatrati kao spregnut sistem dva heterociklusa: azetidinona i tiazolidina. 

Penicilini se često posmatraju i kao N-acil derivati 6-aminopenicilanske kiseline (6-APA). 

Struktura bočnog lanca u velikoj mjeri određuje stabilnost i osobine penicilina. 6-APA sadrži tri stereogena centra koji odgovaraju položajima 2, 5 i 6 i za koje je određena apsolutna konfiguracija. 

Svi penicilini hemijski se mogu označavati kao derivati (2S,5R,6R) -3,3 - dimetil -6 - amino -7 -okso -4-tia -1-azabiciklo heptan- 2- karboksilne kiseline. 

Dejstvo pencilina

Penicilini spadaju u grupu antibiotika koji remete sintezu ćelijskog zida bakterije. Ćelijski zid je odgovoran za postojanost bakterijske ćelije u različitim uslovima sredine, a naročito je značajan u sprečavanju prekomernog bubrenja bakterije u hipotoničnoj sredini. Remećenje intregiteta ćelijskog zida bakteriju čini podložnu prekomernom ulasku vode, a konačan efekat jeste, uz nagomilavanje prekursora peptidoglikana, baktericidan. Bakterija puca, ili podleže lizi, a na dejstvo penicilina najosetljivija je u fazi deobe.

Penicilini se vezuju za grupu bakterijskih proteina karakterističnih po svom afinitetu prema penicilinu koji se zbog toga nazivaju i penicilin-vezujući proteini — PVP (engl. Penicillin-binding protein — PBP). Penicilin-vezujući proteini locirani su sa spoljašnje strane plazma membrane bakterija i obavljaju različite enzimske uloge, najčešće ponašajući se kao transpeptidaze, karboksipeptidaze ili endopeptidaze. Identifikovan je niz PVP, pri čemu postoje značajne varijacije u njihovoj sktrukturi između pojedinih bakterijskih vrsta, čime se objašnjava i različita efikasnost penicilina protiv različitih bakterija.
Od fundamentalnog značaja za dejstvo penicilina je ireverzibilna inhibicija transpeptidaza. Transpeptidaze, tokom normalnog procesa biosinteze ćelijskog zida, katalizuju uklanjanje jednog ostatka D-alanina iz peptida vezanog za N-acetilmuraminsku kiselin. Na ovaj način se formiraju unakrsne peptidne veze neophodne za stabilnost ćelijskog zida.

Aktivno mjesto ovih transpeptidaza u potpunosti je prilagođeno acilovanom D-Ala-D-Ala dipeptidu. Serinska rezidua enzima reaguje kao nukleofil, raskida peptidnu vezu između dva alanina, pri čemu se jedan oslobađa a drugi ostaje u aktivnom mestu i reaguje sa pentaglicinskim ostatkom drugog peptida. 

Penicilini dijele strukturnu sa ovim dipeptidom, što im omogućava da interaguju sa aktivnim mestom. 

Serinska rezidua kao nukleofil reaguje sa beta-laktamom, pri čemu je on, kao posledica ciklične strukture, daleko reaktivniji od amidne veze peptidoglikanskih prekursora. Vezani penicilin, međutim, ne podleže dalje raskidanju svojih veza, čime nastala struktura ostaje intaktna. Ovime se penicilin trajno vezuje za enzim, jer je pristup pentaglicinskom lancu sterno sprečen, a voda, kao široko dostupan a sterno kompaktan molekul, nije dovoljno jak nukleofil da raskine formiranu estarsku vezu. 

Ireverzibilna inhibicija transpeptidaza ostvaruje dva efekta: rezultujući ćelijski zid je nestabilan zbog izostanka unakrsnih veza a povećana koncentracija peptidoglikanskih prekursora stimuliše sintezu bakterijskih autolizina. Kombinacija ova dva faktora dovodi do odumiranja bakterije.
Ovakvo objašnjenje mehanizma dejstva penicilina takođe objašnjava i njihovu selektivnu toksičnost. Naime, budući da je pretpostavka da konformacija penicilina odgovara aktivnim mestima transpeptidaza koje katalizuju reakcije D-aminokiselina, jasno je da penicilin neće reagovati sa transpeptidazama sisara, koje su prilagođene standardnim (L-) aminokiselinama.
Penicilini se vezuju za čitav spektar PVP koje jedna bakterija eksprimira. Međutim, vezivanje tek za neke od ovih proteina uzrokuje smrt bakterije, dok vezivanje za druge u manjoj ili većoj meri mijenja njenu funkcionalnost ili morfologiju.

Svaki penicilin ima sopstveni aranžman afiniteta prema različitim PVP kojim je i određena njegova efikasnost protiv date bakterije.

U nekim slučajevima se tek veoma mala frakcija lijeka vezuje za PVP čija inhibicija daje baktericidan rezultat.

Postoji i alternativna hipoteza o mehanizmu dejstva penicilina. Sintezom i određivanjem antibakterijske efikasnosti 6α-metilpenicilina došlo se do otkrića da ovo jedinjenje, mada strukturno sličnije D-Ala-D-Ala dipeptidu, pokazuje znatno slabije antibakterijsko dejstvo od samih prirodnih penicilina i njihovih derivata. Na osnovu ovih nalaza, formulisana je pretpostavka da penicilini ne konkurišu zapravo za aktivno mesto transpeptidaza, već da se vezuju, reagujući sa nukleofilom, za neki blizak domen na proteinu i da sterno (po „kišobran“ mehanizmu) sprečavaju pristup prirodnog supstrata enzimu.

Neželjeni efekti pencilina 

Ipak oprez, moguca je pojava nezeljenih efekata.

Penicilini su, uopšteno govoreći, supstance veoma niske toksičnosti, i smatraju se, osim kod preosetljivih pojedinaca, jednim od bezbednijih dostupnih antibiotika . 

Oralno primenjeni penicilini proširenog spektra mogu dovesti do blagih poremećaja u normalnoj flori crijeva, i posledične dijareje; mogu se javiti i mučnina ili povraćanje ali su sva ova stanja samoograničavajuća i nestaju ubrzo nakon prekida terapije. 

Zabelježena je i pojava kolitisa kao posledica antibiotske terapije oralnim penicilinima, ali je ovo izuzetno rijetka komplikacija.

Primjena aminopenicilina može dovesti i do poremećaja u flori ždrela ili vagine, što u nekim slučajevima pogoduje razvitku gljivične superinfekcije, pa se kod manjeg broja pacijenata na terapiji može javiti kandidijaza.
Kod primjene jako velikih doza penicilina, naročito kod pacijenata sa smanjenom bubrežnom funkcijom, postoji rizik od pojave encefalopatije. Ovakav toksičan efekat penicilina veoma je rjedak pri standardnim terapijskim dozama. Izoksazolpenicilini mogu ispoljavati izvesne hepatotoksične i nefrotoksične efekte.
Specifični penicilini mogu ispoljavati i dodatne neželjene efekte, ali je generalno, pored navedenog, opisana i pojava (sa malom učestalosti) intersticijalnog nefritisa i hematoloških poremećaja (leukopenije, posebno kod ampicilina i flukloksacilina, hemolitička anemija, trombocitopenija, poremećaji koagulacije.
Preosetljivost na peniciline javlja se kod 1-10% pacijenata.

Anafilaktički šok, kao najozbiljnija reakcija preosjetljivosti, javlja se  kod 1-5 pacijenata na 10.000 onih kojima je terapija propisana (0,05%).Anifalaksa je potencijalno letalna pa se visoke doze parenteralno primenjivanog penicilina moraju davati samo u ambulantnim ili kliničkim uslovima, jer se pacijentu hitno moraju primeniti adrenalin i osigurati prohodnost disajnih puteva u slučaju pojave anafilaktičke reakcije. 

Atopičari (pojedinci sa istorijom preosetljivosti na druge agense — polen, hranu...) imaju veći rizik za razvitka ovakvih reakcija. Predviđanje reakcija preosjetljivosti na peniciline je veoma teško, i istorija ranijih reakcija predstavlja najpouzdaniji parametar, mada postoje reagensi za izvođenje kožnih proba.Pojava osipa više od 72 časa nakon primjene penicilina može da ukazuje da osip nije posljedica preosetljivosti, pa istorija pojave ovakvih osipa nije nužno kontraindikacija za buduću primjenu penicilina, ali je dodatan obzir neophodan.