Текст книги "Антибиотики и химиотерапевтические препараты"

Антибиотическое вещество, имеющее практическую значимость и являющееся новым препаратом, должно выпускаться в промышленных масштабах. Поэтому при изучении продуцента и образуемого им антибиотика в лабораторных условиях разрабатывается так называемый лабораторный регламент.

Лабораторный регламент – это технологический документ, которым завершаются научные исследования в лабораторных условиях по разработке метода получения антибиотика. Он служит основой для разработки промышленного регламента. Задача лабораторного регламента – разработка оптимального метода производства антибиотического вещества. Лабораторный регламент получения антибиотика должен включать следующие разделы:

1 Характеристика антибиотика. Отражает название антибиотика, основное назначение, краткое описание свойств препарата, описание организма, образующего антибиотик, методы определения биологической активности, условия хранения.

2 Технологическая схема производства. В схеме указывается последовательность работ по производству антибиотика с подразделением на стадии. Технологическая схема – основа будущей технологии промышленного получения препарата.

3 Сырье и материалы. Сообщаются требования, предъявляемые к качеству сырья и материалам, используемым при получении антибиотика с целью его максимального выхода и обеспечения повторяемости результатов. При этом необходимо ориентироваться на сырье и материалы, выпускаемые отечественной промышленностью.

4 Аппаратурная схема производства. Приводится схема процесса получения антибиотика с указанием аппаратов и приборов, их конструкции, размера и других характеристик, которые могут иметь значение при производстве антибиотика.

5 Изложение технологического процесса. Включая описание процесса получения антибиотика на основе завершенных научных и экспериментальных результатов, выполненных в лабораторных условиях. Процесс включается в регламент в том случае, если удается получить воспроизводимые результаты по качеству антибиотика и его выходу. Технологический процесс описывают по стадиям, подробно указываются объемы, концентрации веществ, входящих в среду, рН среды, степень аэрации, растворители, пеногасители, условия перемешивания, продолжительность процесса развития продуцента, температура и другие показатели.

6 Отходы производства, технологические и вентиляционные выбросы в атмосферу, их использование и обезвреживание. Приводится перечень возможных отходов и выбросов в атмосферу, наличие в отходах ценных веществ и рекомендации по их использованию, наличие веществ, вредных с точки зрения загрязнения окружающей среды, и способы их обезвреживания.

7 Контроль производства. Указываются особые требования к оборудованию (герметичность ферментера и всех коммуникаций, исправность и надежность работы мешалки и т.д.), анализ качества сырья, соответствующего определенным стандартам, режимы стерилизации сред и отдельных веществ, воздуха, методы анализа процесса биосинтеза антибиотика и готовой продукции.

8 Техника безопасности, пожарная безопасность и производственная санитария. Приводится перечень веществ, способных воспламеняться и взрываться. Все вещества, применяемые в процессе получения антибиотика, должны быть изучены с позиций техники безопасности, пожарной безопасности и производственной санитарии.

9 Перечень производственных инструкций. Приводятся все инструкции, которые должны быть разработаны на основе лабораторного регламента.

10 Технико-экономические нормативы. Указываются выходы конечного продукта и промежуточных продуктов; удельные нормы расхода сырья и материалов, удельные нормы расхода технологических энергозатрат (пара, воды, электроэнергии, сжатого воздуха).

11 «Информационные материалы». В разделе указываются биологические и физико-химические свойства вещества, степень их очистки, фармакологические свойства (преимущества и особенности), сравнение с показателями идентичных зарубежных препаратов, сведения о патентной чистоте антибиотика и методе его получения с перечислением охраняющих авторских свидетельств (патентов), сведения о вредности веществ, применяемых при получении препарата, и мерах предосторожности при работе с ними.

3.5 Пути повышения антибиотикообразующей способности микроорганизмов

Микроорганизмы-продуценты антибиотиков, выделенные из природных субстратов, обычно обладают низкой антибиотической активностью. Так, например, различные штаммы Penicillium, выделенные из почв, образуют пенициллин при глубинном их выращивании в количестве от 10 Ед/мл до 30 Ед/мл культуральной жидкости. Продуцент стрептомицина Str.griseus, впервые выделенный Ваксманом с сотрудниками в 1944 г. из сильно унавоженной почвы, образовывал до 100 мкг/мл стрептомицина.

Понятно, что потребности медицины, сельского хозяйства и некоторых отраслей промышленности не могут быть удовлетворены без получения наиболее продуктивных штаммов организмов, образующих антибиотические вещества.

Поэтому перед наукой поставлена задача разработки путей повышения биосинтеза практически ценных антибиотических веществ. При решении этой задачи необходимо применять два тесно связанных метода: селекцию наиболее активных форм продуцентов антибиотиков и изучение условий культивирования полученных вариантов с целью определения наиболее оптимальной биосинтетической активности.

В селекционной работе по получению активных продуцентов антибиотических веществ используют различные приемы, в основе которых лежат методы и законы генетики.

Прежде всего, при изучении вновь выделенных микроорганизмовпродуцентов антибиотиков стремятся отобрать наиболее активные варианты, имеющиеся в культуре.

Микроорганизмы обладают естественной изменчивостью, т.е. среди клеток или спор одного и того же штамма могут обнаружиться формы, отличающиеся по морфологическим или биохимическим, в том числе и по антибиотическим признакам. Остановимся на разборе метода отбора наиболее активных антибиотикообразующих вариантов микроба.

Продуцент антибиотика высевают на пластинку питательного агара в чашке Петри с таким расчетом, чтобы получить на ней развитие не более 40-50 изолированных колоний. После достаточно хорошего развития колоний проверяют их способность к образованию антибиотика (в основном двумя методами).

Первый метод . Выросшие колонии заливают расплавленным и охлажденным до 55 °C питательным агаром, содержащим тест-организм, чувствительный к изучаемому антибиотику. Затем чашки помещают на 20-24 ч в термостат при температуре, оптимальной для развития тест-культуры. За это время вокруг колоний образуются зоны отсутствия роста тест-организма. Размеры диаметра зон отсутствия роста вокруг колоний микроорганизма бывают различными. Чем больше колония образует антибиотика, тем большей будет зона отсутствия роста тест-организма. Такие наиболее активные колонии легко обнаружить (рисунок 3).

1 – питательный агар с тест-организмом; 2 – питательный агар для развития колоний продуцента антибиотика; 3 – колония; 4 – зона диффузии антибиотика.

Рисунок 3 – Схема опыта по определению антибиотической активности колоний микроорганизмов методом заливки их питательным агаром, содержащим тест организмы

Для выявления изменчивости, связанный с образованием антибиотиков у бактериальных организмов (споровых), на колонии перед заливкой расплавленного агара можно помещать стерильные диски фильтровальной бумаги, диаметр которых равен внутреннему диаметру чашки Петри. Таким диском фильтровальной бумаги прикрываются выросшие колонии бактерий, а расплавленный агар наливается на поверхность бумажного диска. Это облегчает последующее выделение наиболее активной колонии в чистом виде.

При селекции наиболее активных штаммов продуцентов ряда антибиотиков, выделенных из естественных мест их обитания, используют антибиотики. Например, для выделения из почвы наиболее активных штаммов продуцента стрептомицина в агаровую среду, используемую для их высева, добавляют определенную концентрацию стрептомицина. Штаммы Str.griseus, образующие большие количества антибиотика, способны выдерживать такую концентрацию стрептомицина и нормально развиваться в его присутствии. Менее активные штаммы не приспособлены к высоким концентрациям стрептомицина и в его присутствии не развиваются.

В питательную агаровую среду вносят стрептомицин в количестве 100 мкг/мл субстрата, а затем высевают выделенные штаммы актиномицетов, относящиеся к Sir.griseus. В результате культуры, чувствительные к этой концентрации стрептомицина, не давали развития примерно в 80 % случаев. Остальные 20 % штаммов, среди которых были и довольно активные, вырастали на этой среде. Приведенный метод оказывается полезным при первичном исследования почвенных культур актиномицетов.

Однако методы выделения наиболее активных форм, получающихся в результате естественной изменчивости, не дают значительного повышения образования антибиотиков.

Решающим приемом, обеспечивающим успех селекции многих продуцентов антибиотиков, является метод получения мутаций под влиянием сильнодействующих факторов – рентгеновских и ультрафиолетовых излучений, некоторых химических соединений (азотистой формы иприта др.). При действии таких факторов в течение определенного периода времени происходит полная гибель микроорганизмов. Однако можно подобрать экспозицию (концентрацию) и силу воздействия, при которых часть клеток или спор изучаемого вида может выжить.

У таких переживших микроорганизмов особенно под влиянием сильнодействующих факторов, могут появляться формы с измененным характером отдельных звеньев обмена веществ, а так же варианты с измененными свойствами. Наряду с формами, потерявшими способность образовывать антибиотик, а их обычно бывает большинство, появляются такие, у которых обнаруживается значительное повышение антибиотикообразования.

Выявление высокоактивных штаммов осуществляется теми же методами, которые используются и при отборе вариантов, возникающих в результате естественной изменчивости.

Довольно часто в селекционной работе применяют последовательное воздействие на организм различных факторов. В результате применения различных методов селекции удалось значительно (от 50 до 100 и более раз) увеличить образование таких важных антибиотиков, как пенициллин, стрептомицин, антибиотики тетрациклиновой группы и др. (таблица 3).

Таблица 3 – Результат селекции продуцентов некоторых антибиотиков (по Захарову и Квитко, 1967)

Существенное значение в селекционно-генетической работе имеет выход образующихся мутации, который зависит от применяемого мутагена, его концентрации, времени воздействия, а также от свойств самого организма. При селекции наиболее активных штаммов продуцентов антибиотиков необходимо иметь в виду, что частота морфологических мутации микроорганизмов не всегда совпадает с частотой биосинтетических мутаций.

Иногда при селекции продуцентов антибиотиков, относящихся к плесневым грибам, используют анастомозные культуры, т.е. культуры, полученные в результате соединения двух развивающихся конидий перемычками, анастомозами. Образовавшиеся таким образом гибридные формы продуцента пенициллина при действии на них ультрафиолетовых излучений или этиленимина дают большую частому изменчивости.

В результате использования анастомозных штаммов гриба Реnicillium и при обработке их ультрафиолетовым излучением или этиленимином был получен вариант «новый гибрид», образующий в соответствующих условиях культивирования до 5000 единиц пенициллина.

Селекцию актиномицетов-продуцентов антибиотиков проводят, преследуя разные цели. Так, при селекции продуцента стрептомицина необходимо было получить штамм с высокими биосинтетическими свойствами и как можно меньшей способностью к образованию маннозидострептомицина, значительно снижающего биологическую активность стрептомицина в пересчете на единицу биомассы (мг).

Для получения высокоактивных штаммов продуцентов стрептомицина были использованы различные воздействия на актиномицет. Вначале исходная культура, образующая до 200 мкг/мл стрептомицина, пересевалась на среды, содержащие постепенно увеличивающиеся дозы стрептомицина. Удалось получить штамм, адаптированный к 400 мкг/мл антибиотика. Затем взвесь спор актиномицета в дистиллированной воде подвергалась облучению ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями в экспозиции, при которой гибель спор составляла 99 %. Облученная суспензия с 1 % выживших спор высевалась на чашки, и каждая выросшая при этом колония изучалась на образование стрептомицина. В результате этого был выделен вариант актиномицета, образующий до 2000 мкг/мл стрептомицина (таблица 4).

Таблица – 4 Схема селекции высокопродуктивного штамма продуцента стрептомицина (по Dylaney, 1953)

Необходимо отметить, что селекция продуцента стрептомицина более сложна. Хорошие результаты получаются при многократном облучении актиномицета ультрафиолетовым излучением при высокой плотности облучения, доходящей до 10000-20000 эрг/мм² (летальные дозы). Для повышения выживаемости облученных спор применяется выдержка их на видимом свете. В итоге работ по селекции продуцента стрептомицина удалось получить штаммы, способные образовывать до 6000 мкг стрептомицина в 1 мл среды. В настоящее время получены штаммы продуцентов стрептомицина, пенициллина, тетрациклинов, эритромицина и других антибиотиков, в несколько раз более продуктивные (иногда на порядок выше), чем это было, например, 20 лет назад.

В последние годы при создании новых высокопродуктивных штаммов микроорганизмов используется ряд новых приемов, в их числе конъюгация плазмидами, слияние протопластов (даже межвидовых), трансформация хромосомных генов и др. Метод слияния протопластов позволяет получать гибриды промышленных штаммов стрептомицетов, а облучение клеток донора и реципиента дает в этом случае увеличение частоты рекомбинаций. Трансформация протопластов хромосомальной ДНК возможна лишь в том случае, если протопласты заключены в липосомы; при этом методе также возрастает частота рекомбинантов.

Таким образом, при использовании различных методов селекции имеется возможность значительно повысить биосинтез ценных антибиотических веществ, образуемых плесенями, актиномицетами и бактериями.

3.6 Изучение условий культивирования выделенных штаммов микроорганизмов-продуцентов антибиотиков

Не менее важную роль в увеличении выхода антибиотиков играют условия культивирования – состав среды, аэрация, температура и др. Так, подбор оптимальной среды для каждого полученного в процессе селекции варианта иногда дает возможность увеличить выход антибиотика в 3 и более раза.

Обычно с выделением нового варианта продуцента антибиотика довольно резко меняется его потребность к условиям культивирования: условия аэрации среды, температура культивирования, удлиняется период процесса антибиотикообразования, могут меняться и другие параметры.

При получении нового варианта продуцента антибиотика важно выявить экономический эффект от внедрения его в практику. Иногда увеличение выхода антибиотика от 10 % до 20 % может оказаться экономически невыгодным, если изменившиеся условия культивирования потребуют применения более дорогой среды или более жестких условий регулирования процесса. Следовательно, для увеличения выхода нужных антибиотиков существенную роль играют: селекция наиболее активных штаммов и изучение условий их культивирования.

Важное значение для промышленного получения антибиотиков, а также для лабораторных исследований продуцентов антибиотических веществ имеют методы поддержания жизнеспособности организмов, позволяющие сохранить их антибиотическую активность на постоянном уровне.

Известно, что микроорганизмы и в особенности актиномицеты легко изменяются при обычных методах их хранения. Причем довольно часто при этом наблюдается полная или частичная потеря антибиотических свойств.

Потеря антибиотических свойств зависит, по-видимому, от того, что мы не умеем в обычных условиях культивирования создать такие условия, которые бы способствовали сохранению организмом его основных физиологических особенностей. Нередко потеря активности наблюдается при культивировании микроорганизмов на богатых по составу средах и при частых пересевах.

Вместе с тем изменение физиологических или биохимических свойств продуцентов антибиотических веществ может определяться их генетическими закономерностями. Известно, например, что продуцент грамицидина С в процессе развития диссоциирует на ряд вариантов, некоторые из которых не образуют этот антибиотик. Причем процесс диссоциации культуры идет в направлении образования в большом количестве биологически неактивных вариантов, что в конечном итоге приводит к полной потере культурой способности образования грамицидина С.

В настоящее время используется ряд методов сохранения культур продуцентов антибиотиков, обеспечивающий их длительное пребывание в активном состоянии. В основу этих методов положен принцип задержки развития микроорганизмов (принцип консервации). Для каждого вида продуцента антибиотических веществ должен быть подобран свой, наиболее подходящий метод консервирования, позволяющий сохранить культуры в активном состоянии в течение относительно длительного времени.

Наиболее распространенными методами сохранения культур микроорганизмов-продуцентов антибиотиков в активном состоянии являются следующие:

1) лиофилизация культур;

2) хранение вегетативных клеток или спор организмов в стерильной почве, стерильном песке или на семенах некоторых растений (например, просе). По данным ряда авторов, культуры актиномицетов, находящихся в стерильной почве, сохраняют жизнеспособность в течение 30 лет и более;

3) хранение спор в виде водных суспензий в запаянных ампулах;

4) хранение спор в стерильном кварцевом песке;

5) хранение культур на агаровом косячке под минеральным маслом;

6) хранение культур при низких температурах (4, 5 °С);

7) в последнее время для сохранения различных микроорганизмов в активном состоянии используют жидкий азот, в который помещают отмытую от среды суспензию клеток. Иногда в газообразной фазе жидкого азота сохраняют культуры актиномицетов, находящиеся на агаровых блочках, вырезанных из агаровой пластинки в чашках Петри.

Наилучшей формой сохранения организмов, при которой не наблюдается потери антибиотической активности, является их лиофилизация, данный метод пригоден как для спорообразующих, так и для бесспоровых культур микроорганизмов. Сущность этого метода состоит в том, что суспензия клеток или спор микроорганизма, приготовленная на среде богатой белками (часто используется для этих целей кровяная сыворотка), быстро замораживается при температуре от минус 40 °С до минус 60 °C и высушивается под вакуумом до остаточной влажности (от 0,5 % до 0,7 %). После такой обработки ампулы со спорами или клетками лиофилизированного микроба запаивают. Лиофилизированные формы бактерий могут сохраняться в течение 16-18 лет, споры грибов не теряют основных свойств при хранении их в лиофилизированном виде в течение 10 лет.

3.7 Определение антибиотической активности микроорганизмов

После того как микроб-антагонист выделен из естественного субстрата, его антибиотическую активность по отношению к различным тест-объектам определяют одним из существующих методов. При этом важно учитывать те факторы, которые влияют на образование антибиотиков. Изучение антибиотических свойств микроорганизмов осуществляют при их культивировании на твердых (агаризированных) или в жидких средах.

Большинство методов определения антибиотической активности связано с культивированием изучаемого организма на агаризированных средах. Здесь мы остановимся лишь на наиболее распространенных методах выявления антибиотических свойств микробов.

Метод перпендикулярных штрихов . Испытуемый организм высевается штрихом (полоской) на поверхность агаровой пластинки чашки Петри. После того как микроорганизм разовьется, перпендикулярно его штриху подсеваются различные тест-организмы. Чашки помещаются в термостат на 20-24 ч. Если изучаемый организм оказывает антимикробное действие в отношении ряда тест-микробов, то последние будут расти вдали от штриха антагониста. Нечувствительные микробы будут развиваться в непосредственной близости от штриха изучаемого организма (рисунок 4).

Рисунок 4 – Метод перпендикулярных штрихов для определения антагонистических свойств микроорганизмов

Данный метод используется в практике поиска продуцентов антибиотических веществ, однако он имеет один существенный недостаток. При методе штриха используется одна и та же среда для культивирования изучаемого организма и для роста тест-микробов.

Например, если для образования антибиотика необходима среда с нитратным источником азота, то такая среда может быть совершенно непригодной для развития ряда тест-организмов. И наоборот, многие тест-организмы хорошо растут на среде, состоящей из бульона Хоттингера, но не все организмы могут продуцировать антибиотик на этой среде. В этом случае можно не определить антибиотическую активность организма, хотя он и обладает этой способностью.

Метод агаровых блочков. Изучаемый организм высевают сплошным «газоном» на поверхность агаровой пластинки в чашке Петри. Среда используется такая, которая благоприятна не только для роста организма, но, самое главное, для образования им антибиотика. Иногда целесообразно высевать организм на разные по составу среды.

После того как организм хорошо вырастет, пробочным сверлом (диаметр примерно 8 мм) вырезают агаровые блочки, которые переносят на поверхность другой агаровой пластинки, предварительно засеянной одним тест-организмом. На одну чашку Петри можно разместить 5-7 агаровых блочков (рисунок 5).

Рисунок 5 – Использование агаровых блочков с выросшей культурой микроба для определения ее антибиотических свойств

Чашки с агаровыми блочками помещают в термостат на 20-24 ч при температуре, благоприятной для развития тест-организма. Если выделяемый организмом антибиотик подавляет развитие тест-микроба, то вокруг агарового блочка образуется зона отсутствия роста. Чем больше выделяется антибиотика или чем активнее образуемое антибиотическое вещество, тем больше будет диаметр зоны отсутствия роста тест-микроба.

Метод высева антагониста на одной половине агаровой пластинки с последующим подсевом тест-микробов штрихами на другой половине агаровой пластинки . Чашка Петри разделяется стеклянной перегородкой пополам. В одну половину наливают питательный агар, благоприятный для развития изучаемого организма и образования антибиотика; другая половина чашки остается свободной. Иногда поступают иначе. В чашку Петри (без перегородки) наливают питательный агар, затем, когда агар застынет, стерильным скальпелем удаляют одну половину агаровой пластинки. На половину агаровой пластинки высевают сплошным «газоном» изучаемый организм, и засеянные чашки помещают в термостат для получения хорошего развития микроба (рисунок 6).

Рисунок 6 – Определение антибиотических свойств микроорганизмов, выросших на половине агаровой пластинки в чашке Петри

После этого на оставшуюся свободную часть пластинки в чашке наливают расплавленный питательный агар, пригодный для развития тест-организмов, которые высевают штрихами, перпендикулярными границе развития антагониста. Чашки вновь помещают в термостат на 20-24 ч при температуре, благоприятной для развития тест-организмов.

Чувствительные тест-микробы будут расти на определенном расстоянии от антагониста, устойчивые же формы развиваются на протяжении всего штриха.

Метод агарового блочка, находящегося в центре чашки Петри . Так же, как и в предыдущем методе, в чашке создаются благоприятные условия, как для развития антагониста, так и для развития тест-микроба (рисунок 7).

Рисунок 7 – Определение антибиотических свойств микроорганизмов методом агарового блочка, находящегося в центре чашки Петри (по Егорову, 1957)

В чашку Петри наливают питательный агар, пригодный для развития изучаемого организма с образованием антибиотического вещества, из расчета 2025 мл на стандартную чашку. В застывшем агаре стерильным пробочным сверлом (диаметр 20-22 мм) вырезают агаровые блочки, которые затем переносят в другие стерильные чашки Петри. В центр каждой чашки – помещают по одному такому блоку (рисунок 8 а), затем в эти же чашки на свободную их часть наливают питательный агар, пригодный для развития тест-микробов, с тем расчетом, чтобы уровень этого агара был на 1-1,5 мм ниже уровня блочка (рисунок 8 б). В случае изучения бактериальных организмов приготовленные таким способом чашки необходимо немного подсушить, с тем чтобы удалить конденсационную влагу.

а – помещение агарового блочка в центр стерильной чашки Петри; б – заливка чашки Петри стерильной агаризованной средой на 1,5 мм ниже уровня агарового блочка; 1 – агаровый блочек; 2 – агаровая среда, благоприятная для роста тест-организма.

Рисунок 8 – Схема приготовления чашек Петри для определения антибиотических свойств микроорганизмов, выросших на поверхности агарового блочка, находящегося в центре чашки (по Егорову, 1957)

После того как чашки подготовлены, изучаемый организм высевают микробиологической петлей на поверхность агарового блочка, и чашки помещают в термостат на срок, обеспечивающий нормальное развитие организма. Затем по радиусам агаровой пластинки высевают штрихами тест-организмы, и чашки вновь на 20-24 ч помещают в термостат.

Отсутствие роста штриха тест-микроба на том или ином расстоянии от блочка будет указывать на угнетение его антибиотическим веществом изучаемого организма. Если же штрих тест-микроба развивается в непосредственной близости от агарового блочка, то это означает, что данный организм устойчив к действию антибиотика изучаемого антагониста.

Для изучения актиномицетов рационально агаровые блочки того же диаметра вырезать из среды, на которой уже вырос актиномицет. Посев тестмикробов производят сразу же после внесения агаровой среды в чашку или же чашку предварительно помещают на 18-20 ч в термостат при 26-30 °C, с тем чтобы накопившийся в блочке антибиотик лучше продиффундировал в окружающий агар.