Предизвикателният и сложен процес по фабричното производство на пеницилина

От 1941г.

Акценти

> Подобряване на метода на извличане в САЩ

> Американските фармацевтични компании поемат производството

> Сложността на фабричното производство

> Пеницилин първо за военните, после за цивилните

Въвеждането на пеницилина през 40-те години на 20 век води до началото на ерата на антибиотиците. Това е едно от най-големите постижения в терапевтичната медицина. Откриването на лекарството и първоначалните наблюдения на неговия лечебен потенциал стават във Великобритания, но заради Втората световна война САЩ имат огромния принос за разработването на масово производство на пеницилина. Така Съединените щати превръщат едно животоспасяващо вещество с ограничено предлагане в широкодостъпно лекарство.

Подобряване на метода на извличане в САЩ

Британската фармацевтична индустрия се заема да осигури индустриални количества пеницилин, за да може лекарството да бъде използвано пълноценно в терапевтичната медицина. Редица компании приемат предизвикателството, сред които са Glaxo (сега GlaxoSmithKline) и Kemball Bishop (закупена от "Пфайзер"). Но скоро става ясно, че в условията на война, когато всички усилия на промишлеността са насочени за задоволяване на най-належащите нужди, няма как фирмите да разработват нов производителен процес под угрозата на бомбите.

Тогава Хауърд Флори и Норман Хийтли, едни от основните действащи лица в процеса по пречистване на лечебната плесен, заминават с помощта на Фондация "Рокфелер" за САЩ през лятото на 1941 г. Те искат да проверят дали американската фармацевтична индустрия ще се заинтересува от производство на пеницилин в голям мащаб. А това е необходимо заради клиничните изпитвания на лекарството и за осигуряване на достатъчно количества, когато то докаже своята терапевтична стойност.

Джон Фултън, физиолог от "Йейл", свързва двамата си колеги от Обединеното кралство с хора, които могат да им окажат съдействие. Той ги изпраща при Робърт Том, миколог от Министерството на земеделието, и към Северната регионална изследователска лаборатория (NRRL) на същото ведомство в Пеория, Илинойс. Особено последният контакт играе важна роля в успеха на проекта, защото лабораторията е основен участник в иновациите, които помагат за мащабното производство на пеницилин.

В NRRL е сформиран екип, който използва опита си във ферментацията и прилага нови техники като резервоари за дълбока ферментация. По този начин пречистването на пеницилина е най-ефективно. Учените решават да използват течност от накисната царевица, като я добавят към ферментационната среда. Това води до десетократно увеличение на добива на лекарството. Царевичният "ликьор" е остатъчен продукт от процеса на мокро смилане на растението и лабораторията го влага в почти всичките си ферментационни разработки. В Пеория увеличават още повече добива на пеницилин, след като добавят прекурсори като фенилоцетна киселина например към ферментационната среда.

Доказва се, че методът на учените от Оксфорд (екипа, в който участва Флори) за отглеждане на плесен върху повърхността на хранителна среда е неефективен и че в потопена култура се постигат по-добри резултати. При потопена ферментация на култура плесента се отглежда в големи резервоари, постоянно се разбърква и насища с кислород. Но културата Penicillium, добита от Флори, отглеждана в потопена култура, произвежда бегли следи от пеницилин. Затова от лабораторията проверяват различни щамове Penicillium, за да открият този, който се развива най-добре и дава по-големи количества пеницилин в потопена култура.

>>> Пеницилин

В цял свят започва търсене на най-продуктивните на пеницилин щамове, като в NRRL пристигат почвени проби отвсякъде. Оказва се, че плесента, съдържаща високи проценти от лекарството, се намира в самата Пеория - Мери Хънт, асистент в лабораторията, открива гниещ пъпеш на местния пазар и именно от него учените извличат шест пъти повече пеницилин от оригиналния щам на Александър Флеминг. В него се е развила плесента Penicillium chrysogenum, която по-късно е определена за най-добър производител на пеницилин.

Американски фармацевтични компании поемат производството

Норман Хийтли помага на служителите в NRRL за изчистване на процеса на добиване на пеницилин, а Хауърд Флори започва да обикаля фармацевтичните компании в САЩ, за да намери производител на лекарството. Тъй като за момента се извършват ограничени клинични изпитвания, фирмите не са заинтересовани от ангажимент за широкомащабно производство. Недоволен и разочарован от срещите си с компаниите, Флори отива при Алфред Ричардс, вицепрезидент по медицинските въпроси в университета в Пенсилвания и председател на Комитета по медицински изследвания към Службата за научни изследвания и развитие (OSRD). Институцията е сформирана през юни 1941 г., за да се работи по научни и медицински проблеми, свързани с националната отбрана. Флори и Ричардс са стари приятели, с уважение помежду си и затова Ричардс се доверява на преценката на Флори, че пеницилинът има и ще придобие голяма стойност. Председателят на OSRD се обръща към фармацевтичните компании Merck, Squibb, Lilly и Pfizer, които са имали положително отношение към представената им от Флори идея. Ричардс ги уведомява, че ако започнат да произвеждат пеницилин, те ще служат на националния интерес и могат да получат подкрепа от федералното правителство.

Организират се две срещи между ръководителите на фармацевтичните компании, представители на Националния съвет за научни изследвания и Министерството на земеделието. Първата е през октомври 1941 г. и не се забелязва голям ентусиазъм на нея. Но следващата е проведена през декември - 10 дни след нападението над Пърл Харбър и влизането на САЩ във Втората световна война. Променените обстоятелства налагат да се предприемат по-решаващи действия. Компаниите имат своите притеснения, че вложените финанси в процесите на ферментация могат да пропаднат, ако се разработи търговски жизнеспособен синтез на пеницилин, но въпреки това определено се забелязва интерес и от други фирми.

До март 1942 г. е произведено достатъчно количество от лекарството, за да бъде приложено за лечение на един пациент. До юни на същата година още десет човека са подложени на терапията, всички с пеницилин, доставен от Merck.

Сложността на фабричното производство

Химическите и фармацевтични компании имат голяма заслуга за разрешаването на много от проблемите, съпътстващи прехода от потопена ферментация при пилотна инсталация до мащабите на производствен процес. С разрастването на производството учените от Merck, Pfizer, Squibb и други фирми се сблъскват с нови инженерни предизвикателства. Джон Л. Смит от Pfizer много описателно представя ситуацията: "Плесента е темпераментна като оперен певец, добивите са ниски, изолирането е трудно, извличането е убийство, пречистването предизвиква катастрофа и анализът е незадоволителен".

Производителите се сблъскват с редица затруднения при направата на пеницилина. Плесента има нуждата от въздух, за да расте. Насищането с кислород на ферментационната смес в дълбоките резервоари е проблемно. След ферментацията не свършват "капаните". По време на пречистването има опасност до две трети от наличното лекарство да бъде загубено, тъй като пеницилинът е много нестабилен и чувствителен към светлина. Екстракцията става при ниски температури, а за да се постигне стабилна, използваема и стерилна форма на лекарството, то трябва да се суши чрез замразяване под вакуум.

Все пак инженери и химици успяват да се справят с възникващите проблеми и на 1 март 1944 г. Pfizer открива първия търговски завод за широкомащабно производство на пеницилин чрез потопена култура в Бруклин, Ню Йорк.

В същото време не спират клиничните проучвания на новообещаващото лекарство. Военни и цивилни изследователи потвърждават неговите терапевтични свойства. Те установяват, че пеницилинът е ефективен при лечение на голям брой инфекции, включително гонококови, стрептококови и стафилококови. Военните доказват, че лекарството има висока стойност при лечението на инфекции, възникващи при рани и след хирургична намеса. Изследванията показват, че пеницилинът е ефективен и при сифилис и години наред той е основният медикамент, с който лекуват заболяването във въоръжените сили на САЩ и Великобритания.

Пеницилин първо за военните, после за цивилните

Втората световна война е една от основните причини, заради която се налага увеличаване на обема на производство на пеницилин и на неговото търсене. Затова Съветът за военно производство в САЩ (WPB) поема отговорността през 1943 г. направата на лекарството да се умножи и забърза. WPB проучва 175 компании, от които избира 21, които са включени в пеницилиновата програма и така към Lederle, Merck, Pfizer и Squibb, Abbott Laboratories се присъединяват още с цел мащабно производство.
Обществеността все повече започва да говори за новото "лекарство чудо" и за неговите способности. Логично неговото търсене се увеличава, но първите доставки са ограничени, като армията е с приоритет.

Д-р Честър Кийфър, председател на Комитета по химиотерапия към Националния изследователски съвет, е човекът, който има за задача да разпределя доставките на пеницилин за употреба от гражданите. Кийфър трябва да ограничи употребата на лекарството до случаите, когато няма каква друга терапия да се приложи. Също така той трябва да събира подробна информация от болниците и лекарите кога го използват, за да се разкрие до какви ограничения и ползи води медикамента.
Производството на пеницилин нараства главоломно в началото на 1944 г. В САЩ от 21 млрд. единици през 1943 г. достига до 1663 млрд. през 1944 г., а на следващата година до над 6,8 трилиона единици. Правителството отменя всички ограничения върху наличността му и от 15 март 1945 г. лекарството е напълно достъпно за цивилното население и се разпространява по обичайните канали.

След Втората световна война в Обединеното кралство започват да произвеждат пеницилин по метода, утвърден в Съединените щати - чрез дълбока ферментация. На 1 юни 1946 г. лекарството може да се закупува за първи път свободно с рецепта.