Кіріспе
Антибиотиктерді өндіру және өңдеу процестері. Антибиотиктерді өндіру – табиғи түрде жүретін процесс, бірақ ғылымның жетістіктерінің арқасында оны зертхана жағдайында қайта жасауға және жақсартуға болады. Александр Флемингтің пенициллин ашқандығы және 1938 жылы Флори мен Чейннің еңбегі антибиотиктерді ірі көлемде фармацевтикалық өндіріспен қамтамасыз етті. Пенициллиннің бастапқы ашылуы сияқты, көптеген антибиотиктер кездейсоқ жағдайда табылды. Антибиотиктерді өндірудің үш әдісі бар: табиғи ферментация, жартылай синтетикалық және толық синтетикалық. Бактериялардың қазіргі антибиотиктерге қарсы тұру қабілеті артып келе жатқандықтан, жаңа антибиотиктерді зерттеу және әзірлеу маңыздылығын сақтайды. Жаңа антибиотиктерді өндіруге қатысты зерттеулермен қатар, қазіргі антибиотиктердің тиімділігін арттыру үшін оларды жеткізу жүйесін жаңарту да маңызды. Осы саланың жетістіктері антибиотиктерді тікелей имплантацияланатын құрылғыларға енгізуге, тікелей жеткізу үшін антибиотиктерді аэрозольдеуге және нәтижелерді жақсарту үшін антибиотиктерді антибиотик емес заттармен үйлестіруге мүмкіндік берді. Патогенді бактериялардың антибиотиктерге төзімді штаммдарының көбеюі антибиотиктерді зерттеу және әзірлеуге қаржы жұмсау қажеттігін және жаңа, тиімдірек антибиотиктерді өндіруге деген сұранысты арттырды.
Production of antibiotics is a naturally occurring event, that thanks to advances in science can now be replicated and improved upon in laboratory settings. Due to the discovery of penicillin by Alexander Fleming, and the efforts of Florey and Chain in 1938, large scale, pharmaceutical production of antibiotics has been made possible. As with the initial discovery of penicillin, most antibiotics have been discovered as a result of happenstance. Antibiotic production can be grouped into three methods: natural fermentation, semi synthetic, and synthetic. As more and more bacteria continue to develop resistance to currently produced antibiotics, research and development of new antibiotics continues to be important. In addition to research and development into the production of new antibiotics, repackaging delivery systems is important to improving efficacy of the antibiotics that are currently produced. Improvements to this field have seen the ability to add antibiotics directly into implanted devices, aerosolization of antibiotics for direct delivery, and combination of antibiotics with non antibiotics to improve outcomes. The increase of antibiotic resistant strains of pathogenic bacteria has led to an increased urgency for the funding of research and development of antibiotics and a desire for production of new and better acting antibiotics.
Пайдалы антибиотиктерді анықтау
Антибиотиктердің кең ассортиментіне қарамастан, микробқа қарсы агенттердің 1%-дан азы ғана медициналық немесе коммерциялық құндылыққа ие. Мысалы, пенициллиннің жоғары терапиялық индексі бар, себебі ол әдетте адам жасушаларына әсер етпейді, бірақ көптеген антибиотиктерде мұндай қасиет жоқ. Басқа антибиотиктердің қазіргі қолданыстағыларға артықшылығы жоқ немесе басқа да практикалық қолданыстары табылмаған. Пайдалы антибиотиктер көбінесе скрининг процесі арқылы табылады. Мұндай скрининг жүргізу үшін көптеген әртүрлі микроорганизмдердің изоляттары өсіріліп, содан кейін сынама организмдердің өсуін тежейтін диффузиялық өнімдерді шығаруға тестіленеді. Мұндай скринингте анықталған антибиотиктердің көпшілігі бұрыннан белгілі болғандықтан, оларды қарастырудың қажеті жоқ. Қалғандары селективті уыттылығы мен терапиялық әсеріне тестіленіп, ең жақсы кандидаттар тексеріліп, мүмкіндігінше модификациялануы мүмкін. Бұл тәсілдің заманауи нұсқасы – рационалды жобалау бағдарламасы. Бұл бағдарлама мақсатты патогенде ғана кездесетін фермент сияқты нақты мақсатты тежеуге қабілетті жаңа табиғи өнімдерді табуға бағытталған скринингті қамтиды, жалпы мәдени өсуін тежеуді көрсетуге арналған тесттер емес. Антибиотиктерді анықтау саласындағы зерттеулер, өзара ластану қаупін арттыратын көгалдау әдісінен бас тарту мүмкіндігін көрсетті. Бұл жаңа әдіс Lactobacillus түрлерін пайдалануды қамтиды және тежелудің айқын аймағын көрсетеді, сонымен қатар ең төменгі тежегіш концентрацияны анықтауға мүмкіндік береді.
Ферментация
Өнеркәсіптік микробиология антибиотиктерді ферментация процесі арқылы өндіру үшін қолданылады, онда микроорганизмдер үлкен контейнерлерде (100 000–150 000 литр немесе одан да көп) сұйық өсім ортасында өсіріледі. Оттегі концентрациясы, температура, pH және қоректік заттар қатаң түрде бақыланады. Антибиотиктер екіншілік метаболиттер болғандықтан, жасушалар өлмей тұрып максималды өнім алу үшін популяция мөлшері өте мұқият бақылауда болуы керек. Процесс аяқталғаннан кейін антибиотиктерді бөліп алып, кристалл түрінде тазарту қажет. Бұл антибиотик органикалық еріткіште жақсы еріген жағдайда оңайырақ. Әйтпесе, оны алдымен ион алмастыру, адсорбция немесе химиялық тұндыру арқылы бөліп алу керек.
Жартылай синтетикалық
Қазіргі заманда антибиотиктерді өндірудің көп тараған түрі – жартылай синтетикалық. Антибиотиктерді жартылай синтетикалық жолмен өндіру – табиғи ашыту және антибиотиктің тиімділігін арттыру мақсатында зертханалық жұмыстың үйлесімі. Тиімділікті арттыру дәрінің өзінің тиімділігі, өндірілген антибиотик мөлшері және антибиотиктің қуаты арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Өндірілетін дәріге және осы антибиотиктің болашақ қолданылуына қарай, қандай препаратты өндіруге тырысылып жатыр дегені анықталады. Жартылай синтетикалық өндіріске мысал – ампициллин. Пенициллин сияқты бета-лактамалық антибиотик болып табылатын ампициллин, пенициллиннің R тобына қосымша аминотоп (NH2) қосу арқылы жасалған. Бұл қосымша аминотоп ампициллинге пенициллиннікіден кеңірек қолданылу мүмкіндігін береді. Метициллин – пенициллиннің тағы бір туындысы. Ол 1950 жылдардың соңында ашылған, пенициллин мен метициллиннің басты айырмашылығы – фенил тобына екі метокси тобының қосылуы. Бұл метокси топтар метициллиннің пенициллиназа өндіретін, әйтпесе пенициллинге төзімді бактерияларға қарсы қолданылуын қамтамасыз етеді.
Синтетикалық
Барлық антибиотиктер бактериялармен өндірілмейді, кейбіреулері толығымен зертханада синтезделген. Олардың ішінде квинолон класы бар, және налидиксик қышқылы осы кластың алғаш ашылғаны деп саналады. Бұрынғы антибиотиктер сияқты, налидиксик қышқылының да ашылуы кездейсоқ болған – Джордж Лешер хлорохин синтездеуге тырысқанда оны тапқан. Дегенмен, квинолондардың пайда болу тарихын зерттеу нәтижесінде 1949 жылы квинолондар туралы сипаттама болғандығы және Лешердің ашылуынан 5 жыл бұрын квинолондарға қатысты патенттер тіркелгені анықталды.
Жетістіктер
Пенициллин антибиотиктердің алғашқысы болды. Осы жаңалықтан кейін, табиғи түрде өндірілетін пенициллиннің шикізатын алу және клиникалық маңызы бар антибиотикті кең көлемде өндіру әдісін әзірлеу мәселесі туындады. Көп жылдар бойы Флори мен Чейн басқарып, Оксфордта орналасқан команда антибиотикті тазалауға, концентрациялауға және өндіруге қол жеткізді. Ғылыми технологияның жетістіктері әрдайым антибиотиктер өндірісі үшін жағдайды жақсартқан жоқ. 1987 жылдан бері өнеркәсіптік өндіріс және кең қолдану үшін антибиотиктердің жаңа топтары ашылмады. Дегенмен, геномдық секвенирлеу және технологиядағы жаңа жетістіктер антибиотик өндірісі саласында жаңа жаңалықтарға және жетістіктерге әкелді. Антибиотик гендер кластерлерінің геномдық инженериясы әртүрлі антибиотиктердің өндірісін арттыратыны көрсетілді.
Антибиотиктерді өндіру және жеткізу әдісі
Антибиотиктер өндірілгеннен кейін толыққанды жұмыс істеуге және қолжетімді болуға дайын болмайды. Көп жағдайда, максималды тиімділікке қол жеткізу үшін антибиотиктерге өзгерістер енгізу қажет. Өндірістен кейінгі өзгерістерге антибиотиктерді аэрозольдік түріне келтіру жатады, бұл денедегі басқа бактерияларға қажетсіз зиян келтірмей, тікелей өкпеге жеткізуге мүмкіндік береді. Ауруханалық инфекциялар хирургиялық араласулар немесе жалпы ауруханада жатқан кезде және одан кейін қайта жаңғыру кезеңінде күрделі асқынуларға әкелуі мүмкін. Хирургиялық имплантаттарды антибиотиктермен біріктіру арқылы денсаулық сақтау мамандары, бүкіл денеге қажетті үлкен доза қолданбай, инфекцияға бейім аймаққа тікелей соққы беруге қабілетті. Меропенем – инъекция арқылы денеге енгізілетін антибиотик. Өндірілген кезде меропенем кристалдық антибиотик түрінде болады, сондықтан инъекция жасамас бұрын оны ерітіндімен араластыру қажет. Бұл процесте меропенем натрий карбонатымен араластырылып, содан кейін сумен сұйылтылады, одан кейін инъекция жасауға болады. Өкпе инфекцияларының емделуі қиын болғандықтан, инфекцияны тікелей нысанаға алу қажеттігінен антибиотиктерді аэрозольдендіру қажет. Кен спектрлі антибиотиктердің зиянды қосымша әсерлері болуы мүмкін, егер олар адам микробиомындағы қажетті, патогенді емес бактерияларға да әсер етсе. Аэрозольдендіру асқазан-ішек жолының микробиомын айналып өтуге және антибиотикті тікелей өкпеге жеткізуге мүмкіндік береді. Бұл процесс антибиотиктің өндірісінен кейін жүзеге асырылады. Антибиотиктерге төзімді бактериялардың пайда болуы медициналық құрылғыларды имплантациялауға әсер етті. Кейбір жағдайларда, құрылғыларды адамға имплантациялағанда олардың тек стерильді болуы жеткіліксіз, қазір олар бактериялық инфекциямен күресте белсенді болуы керек. Сондықтан, инфекция қаупіне қарсы қосымша қорғаныс ретінде антибиотиктер имплантацияланған құрылғылардың бетіне қосылуда. Остеомиелит – емдеуде ерекше қиындықтар тудыратын мұндай инфекциялардың бірі. Палей және Герценберг алғаш сипаттаған антибиотикалық цементтік шегелер екі мақсатты атқарады: емделіп жатқан сүйекті бекіту және процедурадан кейінгі инфекцияның алдын алу. Антибиотикалық цементтік шегелер операция кезінде енгізіледі және операция залында қолда бар материалдарды пайдалана отырып, процедура кезінде жасалады. Антибиотиктер цементке араластырылып, содан кейін тірекке қалыпталады, көбінесе дұрыс қалыптау үшін кеуде дренаждары қолданылады. Кеуде дренаждарының арзандығы мен қолжетімділігі артықшылықты құрайды және антибиотикалық цементтік шегелерді өндіруде біркелкілігі дәлелденген. Антибиотиктер цемент матрицасындағы бос кеңістіктерді толтырады және кептіріліп, бекітілгеннен кейін сүйекке енгізілуі мүмкін. Антибиотик инфекция аймағымен тікелей байланыста болады және инфекцияға қарсы әрекет ету қасиеттерін сақтайды. Цементтік шегелерден басқа, остеомиелитті емдеу және алдын алу үшін антибиотикалық цементтік аралықтар да қолданылды, және олар ұзақ уақыт бойы қолданылып келеді. Антибиотикалық цементтік материалдарды өндіру кезінде гибридтік формада тиімді болатын антибиотиктерді таңдау қажет, ал кең спектрлі антибиотиктер ұнтақ түрінде ең жақсы нәтижелерді береді. Цементпен араластыру кезінде қолданылатын антибиотиктің мөлшері туралы ұсыныстар бар, бірақ салалық ережелер әзірге әзірленбеген.
Қиындықтар
Антибиотиктерді әзірлеу қиын, ал көптеген дәрі-дәрмектер бірлескен күш-жігердің және қарқынды зерттеулер мен әзірлемелердің нәтижесінде ашылған, антибиотиктер көбінесе кездейсоқ табылған сияқты. 1987 жылдан бері антибиотиктердің жаңа класы ашылмады және әзірленбеді. Бұл, ішінара, антибиотиктердің өте сезімталдығына байланысты. Олардың көпшілігі биосинтез жолымен өндіріледі, сондықтан оларды өндіру үшін тірі организм қажет. Тарихи тұрғыдан алғанда, бұл түрлі түрлерді өсіріп, олардың қандай да бір микробқа қарсы белсенділігін бақылауды білдіреді. Бұл үшін тек өсірілетін түр ғана емес, сонымен қатар түрлерді өсіру жағдайлары антибиотиктерді өндіруге қолайлы болуы керек, ал өндірілген антибиотиктердің саны олардың әрекетін байқау үшін белгілі бір деңгейге жетуі тиіс. Жаңа антибиотиктер өндірісінің азаюының тағы бір себебі – антибиотиктерге инвестицияның төмендеуі және жеке фармацевтикалық компаниялардың зерттеулер мен әзірлемелерге бөлген қаражатының азаюы. Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымы антибиотиктерге төзімді бактериялардың қаупін мойындап, ең маңызды "қауіпті патогендердің" тізімін жасады. Осылайша, жаңа буын антибиотиктерді жасауға бағытталған зерттеулер мен әзірлемелерді ынталандыруға үміт артады. АҚШ-та Биомедициналық ғылыми-зерттеу және дамыту басқармасы (BARDA) жаңа антибиотиктерді өндіру үшін индустрияның жұмысын қолдауға бағытталған. Органикалық емес фосфаттың жиналуы кейбір антибиотиктердің биосинтездік өндірісін шектеуі мүмкін. Зерттеушілер органикалық емес фосфатты байланыстыратын затты қолдану арқылы фосфатты бөліп алып, антибиотиктердің өндірісін қалыпқа келтіруге болатынын анықтады, бұл өндірісті жалғастыруға мүмкіндік береді. Меропенемді организмге енгізу алдында натрий карбонатымен араластырады, ал ядролық магниттік резонанс арқылы жасалған талдау нәтижесінде меропенемнің екінші түрі пайда болатыны анықталды. Бұл екінші түріне қосымша көмірқышқыл газы қосылған, және ол таза түрімен бірге болады. Меропенемнің дұрыс түрінде қалуын қамтамасыз ету үшін төрт қадамдық процесс әзірленді, онда шикі түрін судағы сілтеменің (негіздің) араластырады, тиісті pH деңгейін орнатады, өнімді алканолдармен өңдейді, содан кейін таза түрін бөліп алады.