Výroba antibiotik - Production of antibiotics - Wikipedia

Produkce antibiotika je přirozeně se vyskytující událost, kterou lze díky pokroku ve vědě nyní replikovat a vylepšovat v laboratorních podmínkách. Vzhledem k objevu penicilinu u Alexander Fleming a úsilí Florey a Řetěz v roce 1938, ve velkém, farmaceutický výroba antibiotik bylo umožněno. Stejně jako při počátečním objevu penicilinu byla většina antibiotik objevena v důsledku náhody. Produkce antibiotik lze rozdělit do tří metod: přírodní fermentace, polosyntetická a syntetická. Vzhledem k tomu, že si stále více bakterií vyvíjí rezistenci na aktuálně vyráběná antibiotika, je stále důležitý výzkum a vývoj nových antibiotik. Kromě výzkumu a vývoje výroby nových antibiotik je pro zlepšení účinnosti aktuálně vyráběných antibiotik důležité opětovné balení dodávacích systémů. Zdokonalení v této oblasti viděla schopnost přidávat antibiotika přímo do implantovaných zařízení, aerosolizaci antibiotik pro přímé podávání a kombinaci antibiotik s jinými než antibiotiky pro zlepšení výsledků. Nárůst kmenů patogenních bakterií rezistentních na antibiotika vedl ke zvýšené naléhavosti financování výzkumu a vývoje antibiotik ak potřebě výroby nových a lépe působících antibiotik.

Identifikace užitečných antibiotik

Další informace: Bioprozkoumávání
An agarový talíř pruhovaný s mikroorganismy

Navzdory široké škále známých antibiotik má méně než 1% antimikrobiálních látek lékařské nebo komerční účinky hodnota. Například vzhledem k tomu penicilin má vysokou terapeutický index protože to obecně neovlivňuje lidské buňky, není tomu tak u mnoha antibiotik. Jiná antibiotika prostě postrádají výhodu oproti těm, která se již používají, nebo nemají žádné jiné praktické aplikace.

Užitečná antibiotika jsou často objevována pomocí screeningového procesu. Chcete-li provést takovou obrazovku, izoláty mnoha různých mikroorganismy jsou kultivovaný a poté testovány na výrobu difuzní produkty, které inhibují růst testovaných organismů. Většina antibiotik identifikovaných v takovém screeningu je již známa, a proto je třeba je ignorovat. Zbytek musí být testován na jejich selektivní toxicitu a terapeutické aktivity a nejlepší kandidáti mohou být vyšetřeni a případně pozměněni.

Modernější verze tohoto přístupu je a racionální design program. To zahrnuje screening zaměřený na hledání nových přírodních produktů, které inhibovat konkrétní cíl, například enzym nachází se pouze v cílovém patogenu, spíše než testy k prokázání obecné inhibice kultury.

Výzkum identifikace antibiotik ukázal, že existuje příležitost odklonit se od metodiky špinění trávníků, což je metodika, která zvyšuje pravděpodobnost křížové kontaminace. Tato nová metodika zahrnuje použití Lactobacillus druh a vykazuje jasnou zónu inhibice a umožňuje stanovení minimální inhibiční koncentrace.[1]

Průmyslové výrobní techniky

Kvašení

Průmyslová mikrobiologie lze použít k výrobě antibiotik procesem kvašení, kde se zdrojový mikroorganismus pěstuje ve velkých nádobách (100 000–150 000 litrů nebo více) obsahujících kapalinu růstové médium. Koncentrace kyslíku, teplota, pH a živina jsou přísně kontrolovány. Jako jsou antibiotika sekundární metabolity, velikost populace musí být velmi pečlivě kontrolována, aby bylo zajištěno, že bude dosaženo maximálního výtěžku předtím, než buňky zemřou. Jakmile je proces dokončen, musí být antibiotikum extrahováno a purifikováno na a krystalický produkt. Toho je snazší dosáhnout, pokud je antibiotikum rozpustné v organické rozpouštědlo. Jinak musí být nejprve odstraněny iontová výměna, adsorpce nebo chemické srážení.

Polosyntetický

Běžná forma produkce antibiotik v moderní době je polosyntetická. Polosyntetická výroba antibiotik je kombinací přirozené fermentace a laboratorních prací k maximalizaci antibiotika. Maximalizace může nastat díky účinnosti samotného léku, množství produkovaných antibiotik a účinnosti produkovaného antibiotika. V závislosti na vyráběném léku a konečném použití uvedeného antibiotika závisí na tom, co se člověk snaží vyrobit.

Příklad polosyntetické výroby zahrnuje drogu ampicilin. A beta laktamové antibiotikum stejně jako penicilin byl i ampicilin vyvinut přidáním přídavku aminoskupina (NH2) do skupiny R penicilinu.[2] Tato další aminoskupina poskytuje ampicilinu širší spektrum použití než penicilin. Meticilin je další derivát penicilinu a byl objeven na konci 50. let[3] klíčovým rozdílem mezi penicilinem a methicilinem je přidání dvou methoxy skupin k fenylové skupině.[4] Tyto methoxyskupiny umožňují použití methicilinu proti bakteriím produkujícím penicilinázu, které by jinak byly rezistentní na penicilin.

Syntetický

Ne všechna antibiotika jsou produkována bakteriemi; některé jsou vyráběny zcela synteticky v laboratoři. Mezi ně patří chinolon třída, z toho kyselina nalidixová je často připisována jako první objevená.[5] Stejně jako jiná antibiotika před ním byl objev kyseliny nalidixové křídou až k nehodě, objevené, když se George Lesher pokoušel syntetizovat chlorochin. Nedávné vyšetřování původu chinolonů však zjistilo, že k popisu chinolonů došlo v roce 1949 a že patenty týkající se chinolonů byly podány přibližně 5 let před objevem Leshera.[6]

Kmeny použité pro výrobu

V prvních letech objevování antibiotik byla objevovaná antibiotika přirozeně produkovaná antibiotika a byla buď produkována houbami, jako je antibiotikum penicilin, nebo půdními bakteriemi, které mohou produkovat antibiotika včetně streptomycin a tetracyklin.[7]

Mikroorganismy používané při fermentaci jsou zřídka identické s mikroorganismy divoký typ. Je to proto, že druhy jsou často geneticky modifikovaný k získání maximálního množství antibiotik. Mutace je často používán a je podporován zavedením mutageny jako je ultrafialové záření, rentgenové záření nebo určité chemikálie. Výběr a další reprodukce kmenů s vyššími výnosy po mnoho generací může zvýšit výnosy 20krát nebo více. Další technikou používanou ke zvýšení výtěžku je gen amplifikace, kdy kopie genů kódujících enzymy podílející se na produkci antibiotika mohou být vloženy zpět do buňky pomocí vektorů jako plazmidy. Tento proces musí úzce souviset s opakovaným testováním produkce antibiotik.

Některá antibiotika jsou přirozeně produkována houbami. Mezi ně patří cefalosporin produkující Acremonium chrysogenum.[8]

Geldanamycin vyrábí Streptomyces hygroscopicus.[9]

Erytromycin je produkován tzv Streptomyces erythreus a je nyní známý jako Saccharopolyspora erythraea.[10]

Streptomycin je produkován Streptomyces griseus.[11]

Tetracyklin je produkován Streptomyces aureofaciens[12]

Vankomycin vyrábí Streptomyces orientalis, nyní známý jako Amycolatopsis orientalis. [13]

Pokroky

Penicilin byl prvním z objevených antibiotik. Po objevu se objevila otázka užívání surového přirozeně produkovaného penicilinu a vývoj metody, která by umožňovala rozsáhlou produkci klinicky významného antibiotika. V průběhu mnoha let byl tým vedený Florey a Chainem se sídlem v Oxfordu schopen úspěšně čistit, koncentrovat a vyrábět antibiotikum.

Pokrok ve vědecké technologii ne vždy vedl k lepším podmínkám pro výrobu antibiotik. Od roku 1987 nebyly objeveny žádné nové třídy antibiotik pro průmyslovou výrobu a široké použití. Nový vývoj genomového sekvenování a technologie však vedl ke zlepšení a objevům v oblasti produkce antibiotik. Genomické inženýrství antibiotik genové shluky již bylo prokázáno, že vede ke zvýšení produkce různých antibiotik.[14]

Produkce a způsob podávání antibiotik

Antibiotika se nestávají plně funkčními a dodávatelnými jednoduše tím, že jsou vyráběna. Antibiotika musí být často upravována tak, aby bylo dosaženo maximální účinnosti. Postprodukční úpravy zahrnují výrobu antibiotik ve formě aerosolu, aby se předešlo zbytečnému poškození bakterií umístěných v jiných částech těla a místo toho přímo do plic. Nozokomiální infekce mohou vést k vážným komplikacím během a po zotavení po operaci nebo obecně pobytu v nemocnici. Spojením chirurgických implantátů s antibiotiky mohou poskytovatelé zdravotní péče zasáhnout specificky vysoce rizikovou oblast infekce, aniž by museli používat dávku antibiotik v celém těle.

Meropenem je antibiotikum dodávané do těla injekcí. Pokud je meropenem vyráběn jako krystalické antibiotikum, musí být před injekcí smíchán s roztokem. Během tohoto procesu je meropenem smíchán s uhličitan sodný, poté zředěný ve vodě a poté jej lze injikovat.[15]

Aerosolizace antibiotik je nutné, protože infekce plic jsou obzvláště obtížné, a proto je nutné přímé zaměření infekce. Širokospektrální antibiotika mohou mít škodlivé vedlejší účinky, pokud jsou přijímána také opatření proti nezbytným nepatogenním bakteriím v lidském mikrobiomu. Aerosolizace je účinná při obcházení mikrobiom který existuje v gastrointestinálním traktu nasměrováním antibiotika přímo do plic. Tento proces se provádí po výrobě samotného antibiotika.

Nárůst bakterií rezistentních na antibiotika ovlivnil implantaci zdravotnických prostředků. V některých případech již nestačí, aby zařízení byla sterilní, když jsou implantována jednotlivci, nyní musí být aktivní v boji proti bakteriální infekci. Jako taková se nyní antibiotika přidávají na povrch implantovaných zařízení jako další vrstva obrany proti hrozbě infekce. Jedna taková infekce je Osteomyelitida který může nabídnout jedinečné výzvy v úsilí o léčbu, jedním z nových přístupů bylo vytvoření nehtů s antibiotickým cementem, které lze zavést do infikované kosti. Poprvé je popsali Paley a Herzenberg [16] antibiotické cementové nehty mají dvojí účel, a to stabilizaci ošetřované kosti a prevenci proti infekci po zákroku. Antibiotické cementové hřebíky se zavádějí během chirurgického zákroku a vyrábějí se v době zákroku s použitím materiálů dostupných v prostředí operačního sálu. Antibiotika se mísí s cementovou výplní a poté se formují kolem nosné kotvy, k zajištění správného formování se často používají hrudní trubice. Výhodou trubic na hrudi je, že jsou levné a všudypřítomné, a bylo prokázáno, že mají stejnoměrnost při výrobě antibiotických cementových hřebíků. Antibiotika vyplňují mezery v cementové matrici a po vysušení a tuhnutí mohou být zavedeny do kosti. Antibiotikum má přímý kontakt s oblastí infekce a zachovává své vlastnosti při působení na infekci. Kromě cementových nehtů se k léčbě a prevenci osteomyelitidy používají delší dobu antibiotické cementové rozpěrky. Při výrobě antibiotického cementového materiálu je nutné zvolit antibiotika, která budou účinná v této hybridní formě. Bylo zjištěno, že nejvhodnější jsou antibiotika v práškové formě, která mají široké spektrum. Existují doporučení ohledně množství antibiotika, které se používá při míchání s cementem, ale pokyny pro celé odvětví nebyly stanoveny.

Výzvy

Rozvoj antibiotik je obtížné, zatímco mnoho objevy drog byla výsledkem společného úsilí a intenzivního výzkumu a vývoje, antibiotika byla zdánlivě objevena náhodou. Od roku 1987 nedošlo k žádným objevům ani vývoji nové třídy antibiotik. To je částečně způsobeno jemnou povahou antibiotik. Protože většina se vyrábí biosynteticky, vyžaduje produkci organismu. Historicky to znamená, že se pěstují různé druhy a sleduje se jejich antimikrobiální aktivita. Nejenže to vyžaduje začátek kultivovatelného druhu, ale podmínky, ve kterých se druh pěstuje, musí být adekvátní pro produkci antibiotik a také to, aby počet produkovaných antibiotik dosáhl prahové hodnoty hustoty, aby bylo možné pozorovat jejich funkci.

Dalším důvodem nedostatku nové produkce antibiotik je klesající návratnost investic do antibiotik, a tedy nedostatek zdrojů vložených do výzkum a vývoj soukromými farmaceutickými společnostmi.[17] The Světová zdravotnická organizace uznal nebezpečí bakterií rezistentních na antibiotika a vytvořil seznam „prioritních patogenů“, které vzbuzují největší obavy.[18] Přitom je nadějí stimulovat výzkum a vývoj, který může vytvořit novou generaci antibiotik. Ve Spojených státech Úřad pro pokročilý biomedicínský výzkum a vývoj (BARDA) si klade za cíl podporovat práci tohoto odvětví na výrobě nových antibiotik.[19]

Nahromadění anorganický fosfát mohou omezit biosyntetickou produkci určitých antibiotik, vědci zjistili, že použitím činidla zachycujícího anorganické fosfáty by byl fosfát izolován a produkce antibiotik by se vrátila na normální úroveň,[20] což umožňuje pokračování výroby.

Meropenem se smíchá s post-produkcí uhličitanu sodného před injekcí do těla, následná analýza této směsi se provede Jaderná magnetická rezonance prokázal, že se vyrábí druhá forma meropenemu. Tato druhá forma obsahuje další oxid uhličitý a existuje vedle čisté formy.[21] Aby se zajistilo, že meropenem zůstane ve správné formě, byl vyvinut čtyřstupňový proces, při kterém je surová forma smíchána s bází ve vodě, je stanoveno správné pH, produkt je zpracován alkanoly a poté je získána čistá forma izolovaný.[22]

Reference

  1. ^ Dubourg, Gregory (11/01/2015[je zapotřebí objasnění ]). „Hodnocení in vitro antimikrobiální aktivity druhů Lactobacillus pro identifikaci nových potenciálních antibiotik“. International Journal of Antimicrobial Agents. 46 (5): 590–3. doi:10.1016 / j.ijantimicag.2015.05.011. PMID  26163158. Zkontrolujte hodnoty data v: | datum = (Pomoc)
  2. ^ Raynor, B. Denise (1997). „Penicilin a ampicilin“. Aktualizace primární péče pro OB / GYNS. 4 (4): 147–152. doi:10.1016 / s1068-607x (97) 00012-7.
  3. ^ Waness, Abdelkarim (01.01.2010). „Přehodnocení infekcí Staphylococcus aureus rezistentních na methicilin“. Journal of Global Infection Diseases. 2 (1): 49–56. doi:10.4103 / 0974-777x.59251. PMC  2840971. PMID  20300418.
  4. ^ STAPLETON, PAUL D .; TAYLOR, PETER W. (01.01.2002). "Methicilinová rezistence u Staphylococcus aureus". Vědecký pokrok. 85 (Pt 1): 57–72. doi:10.3184/003685002783238870. ISSN  0036-8504. PMC  2065735. PMID  11969119.
  5. ^ Emmerson, A. M .; Jones, A. M. (01.05.2003). „Chinolony: desetiletí vývoje a používání“. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 51 (doplněk_1): 13–20. doi:10.1093 / jac / dkg208. ISSN  0305-7453. PMID  12702699.
  6. ^ Bisacchi, Gregory S. (2015-06-25). „Původy chinolonové třídy antibakteriálních látek: rozšířený“ objevný příběh"". Journal of Medicinal Chemistry. 58 (12): 4874–4882. doi:10.1021 / jm501881c. ISSN  0022-2623. PMID  25738967.
  7. ^ Clardy, Jon; Fischbach, Michael; Currie, Cameron (09.06.2009). „Přirozená historie antibiotik“. Aktuální biologie. 19 (11): R437 – R441. doi:10.1016 / j.cub.2009.04.001. ISSN  0960-9822. PMC  2731226. PMID  19515346.
  8. ^ Muñiz, Carolina Campos. „Výroba penicilinu a cefalosporinu: historická perspektiva“ (PDF). Revista Latinoamericana de Microbiologia. 49. 3-4: 88–98.
  9. ^ "Geldanamycin a způsob jeho výroby". 1969-03-26. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  10. ^ Wu, Jiequn; Zhang, Qinglin; Deng, Wei; Qian, Jiangchao; Zhang, Siliang; Liu, Wen (2011-11-01). „Směrem ke zlepšení produkce erythromycinu A v průmyslovém kmeni Saccharopolyspora erythraea prostřednictvím usnadnění genetické manipulace s umělou stránkou attB pro specifickou rekombinaci“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 77 (21): 7508–7516. doi:10.1128 / AEM.06034-11. ISSN  0099-2240. PMC  3209160. PMID  21841022.
  11. ^ de Lima Procópio, Rudi Emerson; Silva, Ingrid Reis da; Martins, Mayra Kassawara; Azevedo, João Lúcio de; Araújo, Janete Magali de (2012). „Antibiotika produkovaná Streptomyces“. Brazilský žurnál infekčních nemocí. 16 (5): 466–471. doi:10.1016 / j.bjid.2012.08.014. PMID  22975171.
  12. ^ Zatemnit, Marjorie A .; Berenson, Herman; Shirk, Richard J .; Sjolander, Newell O. (01.01.1960). „Produkce tetracyklinu Streptomyces aureofaciens v syntetickém médiu“. Aplikovaná mikrobiologie. 8 (1): 46–51. doi:10.1128 / AEM.8.1.46-51.1960. ISSN  0003-6919. PMC  1057549. PMID  13814119.
  13. ^ Martin, Elizabeth (2015). Vancomycin - Oxfordská reference. doi:10.1093 / acref / 9780199687817.001.0001. ISBN  9780199687817.
  14. ^ Du, Deyao; Wang, Lu; Tian, ​​Yuqing; Liu, Hao; Tan, Huarong; Niu, Guoqing (04.03.2015). „Genomové inženýrství a přímé klonování klastrů antibiotických genů prostřednictvím místně specifické rekombinace zprostředkované fágem ϕBT1 ve Streptomyces“. Vědecké zprávy. 5: 8740. doi:10.1038 / srep08740. ISSN  2045-2322. PMC  4349145. PMID  25737113.
  15. ^ „Meropenem pro injekce, POUZE PRO INTRAVENÓZNÍ POUŽITÍ“. dailymed.nlm.nih.gov. Citováno 2017-04-10.
  16. ^ Paley, Dror; Herzenberg, John E. (01.11.2002). „Intramedulární infekce léčené antibiotickými cementovými tyčinkami: předběžné výsledky v devíti případech“. Journal of Orthopedic Trauma. 16 (10): 723–729. doi:10.1097/00005131-200211000-00007. ISSN  0890-5339. PMID  12439196. S2CID  46632207.
  17. ^ Nathan, Carl; Goldberg, Frederick M. (2005). „Výhled: Problém zisku v oblasti výzkumu a vývoje antibiotik“. Recenze přírody Objev drog. 4 (11): 887–891. doi:10.1038 / nrd1878. PMID  16247440. S2CID  37126421.
  18. ^ „WHO zveřejňuje seznam bakterií, pro které jsou naléhavě nutná nová antibiotika“. Světová zdravotnická organizace. Citováno 18. dubna 2017.
  19. ^ „Program BARDA Broad Spectrum Antimicrobials (BSA) - ASPR Blog“. www.phe.gov. Citováno 18. dubna 2017.
  20. ^ MASUMA, ROKURO; TANAKA, YOSHITAKE; TANAKA, HAJIME; OMURA, SATOSHI (1. ledna 1986). „Produkce nanaomycinu a dalších antibiotik pomocí fosfátem potlačené fermentace pomocí látek zachycujících fosfáty“. The Journal of Antibiotics. 39 (11): 1557–1564. doi:10,7164 / antibiotika. 39,1557. ISSN  0021-8820. PMID  3793625.
  21. ^ Almarsson, Örn; Kaufman, Michael J .; Stong, John D .; Wu, Yunhui; Mayr, Suzanne M .; Petrich, Mark A .; Williams, J. Michael (01.05.1998). „Meropenem existuje v rovnováze s aduktem oxidu uhličitého v roztoku hydrogenuhličitanu“. Journal of Pharmaceutical Sciences. 87 (5): 663–666. doi:10.1021 / js970370u. ISSN  0022-3549. PMID  9572920.
  22. ^ [1] George, Vinod; Bhupendra Vashishta a Mohan Prasad, „Složení aduktu oxidu uhličitého s ertapenemem a polymorfní formy monosodné soli s ertapenemem“ 

Zdroje