Kháng sinh: Công nghệ và Ứng dụng 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHÁNG SINH 1.1. Giới thiệu lịch sử chất kháng sinh: Sự phát triển về vi sinh vật học nói chung, và vi sinh vật công nghiệp nói riêng, với bước ngoặc lịch sử là phát minh vĩ đại về chất kháng sinh của Alexander Fleming (1982) đã mở ra kỷ nguyên mới trong y học: khai sinh ra ngành công nghệ sản xuất chất kháng sinh và ứng dụng thuốc kháng sinh vào điều trị cho con người. Thuật ngữ" chất kháng sinh" lần đầu tiên được Pasteur và Joubert (1877) sử dụng để mô tả hiện tượng kìm hãm khả năng gây bệnh của vi khuẩn Bacillus anthracis trên động vật nhiễm bệnh nếu tiêm vào các động vật này một số loại vi khuẩn hiếu khí lành tính khác. Babes (1885) đã nêu ra định nghĩa hoạt tính kháng khuẩn của một chủng là đặc tính tổng hợp được các hợp chất hoá học có hoạt tính kìm hãm các chủng đối kháng. Nicolle (1907) là người đầu tiên phát hiện ra hoạt tính kháng khuẩn của Bacillus subtilis có liên quan đến quá trình hình thành bào tử của loại trực khuẩn này. Gratia và đồng nghiệp (1925) đã tách được từ nấm mốc một chế phẩm có thể sử dụng để điều trị hiệu quả các bệnh truyền nhiễm trên da do cầu khuẩn. Mặc dù vậy, trong thực tế mãi tới năm 1929 thuật ngữ " Chất kháng sinh" mới được Alexander Fleming mô tả một cách đầy đủ và chính thức trong báo cáo chi tiết về penicillin. Thập kỷ 40 và 50 của thế kỷ XX đã ghi nhận những bước tiến vượt bậc của ngành công nghệ sản xuất kháng sinh non trẻ, với hàng loạt sự kiện như : Khám phá ra hàng loạt Chất kháng sinh, thí dụ như Griseofulvin (1939), Gramicidin S (1942) , Streptomycin (1943), Bacitracin (1945), Chloramphenicol và Polymyxin (1947), Chlotetracycline và Cephalosporin (1948), Neomycin (1949), Oxytetracycline và Nystatin (1950), Erythromycin (1952), Cycloserin (1954), Amphotericin B và Vancomycin (1956), Metronidazol, Kanamycin và Rifamycin (1957)... Áp dụng phối hợp các kỹ thuật tuyển chọn và tạo giống tiên tiến (đặc biệt là các kỹ thuật gây đột biến, kỹ thuật dung hợp tế bào, kỹ thuật tái tổ hợp gen...) đã tạo ra những biến chủng công nghiệp có năng lực "siêu tổng hợp" các chất kháng sinh cao gấp hàng ngàn vạn lần các chủng ban đầu. Triển khai thành công công nghệ lên men chìm quy mô sản xuất công nghiệp để sản xuất Penicillin G (1942) và việc hoàn thiện công nghệ lên men này trên các sản phẩm khác. Việc phát hiện, tinh chế và sử dụng axit 6-aminopenicillanic (6-APA, 1959) làm nguyên liệu để sản xuất các chất kháng sinh penicilin bán tổng hợp đã cho phép tạo ra hàng loạt dẫn xuất penicilin và một số kháng sinh -lactam bán tổng hợp khác. 1.2. Định nghĩa kháng sinh: Chất kháng sinh được hiểu là các chất hoá học xác định, không có bản chất enzyme, có nguồn gốc sinh học (trong đó phổ biến nhất là từ vi sinh vật), với đặc tính là ngay ở nồng độ thấp (hoặc rất thấp) đã có khả năng ức chế mạnh mẽ hoặc tiêu diệt được các vi sinh vật gây bệnh mà vẫn đảm bảo an toàn cho người hay động vật được điều trị. 1.3. Đơn vị kháng sinh: Năng lực tích tụ kháng sinh của chủng hay nồng độ chất kháng sinh thường được biểu thị bằng một trong các đơn vị là: mg/ml, g/ml, hay đơn vị kháng sinh UI/ml (hay UI/g, International Unit). Đơn vị của mỗi kháng sinh được định nghĩa là lượng kháng sinh tối thiểu pha trong một thể tích quy ước dung dịch có khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển của chủng vi sinh vật kiểm định đã chọn, thí dụ, với penicillin là số miligam penicillin pha vào trong 50 ml môi trường canh thang và sử dụng Staphylococcus aureus 209P làm chủng kiểm định; với Streptomicin là số miligam pha trong 1 ml môi trường canh thang và kiểm định bằng vi khuẩn Escherichia coli.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Kháng sinh: Công nghệ và Ứng dụng
1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHÁNG SINH
1.1. Giới thiệu lịch sử chất kháng sinh:
Sự phát triển về vi sinh vật học nói chung, và vi sinh vật công nghiệp nói riêng, với bước
ngoặc lịch sử là phát minh vĩ đại về chất kháng sinh của Alexander Fleming (1982) đã mở ra
kỷ nguyên mới trong y học: khai sinh ra ngành công nghệ sản xuất chất kháng sinh và ứng
dụng thuốc kháng sinh vào điều trị cho con người.
Thuật ngữ" chất kháng sinh" lần đầu tiên được Pasteur và Joubert (1877) sử dụng để mô
tả hiện tượng kìm hãm khả năng gây bệnh của vi khuẩn Bacillus anthracis trên động vật
nhiễm bệnh nếu tiêm vào các động vật này một số loại vi khuẩn hiếu khí lành tính khác.
Babes (1885) đã nêu ra định nghĩa hoạt tính kháng khuẩn của một chủng là đặc tính tổng hợp
được các hợp chất hoá học có hoạt tính kìm hãm các chủng đối kháng.
Nicolle (1907) là người đầu tiên phát hiện ra hoạt tính kháng khuẩn của Bacillus subtilis
có liên quan đến quá trình hình thành bào tử của loại trực khuẩn này. Gratia và đồng nghiệp
(1925) đã tách được từ nấm mốc một chế phẩm có thể sử dụng để điều trị hiệu quả các bệnh
truyền nhiễm trên da do cầu khuẩn.
Mặc dù vậy, trong thực tế mãi tới năm 1929 thuật ngữ " Chất kháng sinh" mới được
Alexander Fleming mô tả một cách đầy đủ và chính thức trong báo cáo chi tiết về penicillin.
Thập kỷ 40 và 50 của thế kỷ XX đã ghi nhận những bước tiến vượt bậc của ngành công nghệ
sản xuất kháng sinh non trẻ, với hàng loạt sự kiện như :
Khám phá ra hàng loạt Chất kháng sinh, thí dụ như Griseofulvin (1939), Gramicidin S
(1942) , Streptomycin (1943), Bacitracin (1945), Chloramphenicol và Polymyxin (1947),
Chlotetracycline và Cephalosporin (1948), Neomycin (1949), Oxytetracycline và Nystatin
(1950), Erythromycin (1952), Cycloserin (1954), Amphotericin B và Vancomycin (1956),
Metronidazol, Kanamycin và Rifamycin (1957)...
Áp dụng phối hợp các kỹ thuật tuyển chọn và tạo giống tiên tiến (đặc biệt là các kỹ
thuật gây đột biến, kỹ thuật dung hợp tế bào, kỹ thuật tái tổ hợp gen...) đã tạo ra những biến
chủng công nghiệp có năng lực "siêu tổng hợp" các chất kháng sinh cao gấp hàng ngàn vạn
lần các chủng ban đầu.
Triển khai thành công công nghệ lên men chìm quy mô sản xuất công nghiệp để sản
xuất Penicillin G (1942) và việc hoàn thiện công nghệ lên men này trên các sản phẩm khác.
Việc phát hiện, tinh chế và sử dụng axit 6-aminopenicillanic (6-APA, 1959) làm nguyên
liệu để sản xuất các chất kháng sinh penicilin bán tổng hợp đã cho phép tạo ra hàng loạt dẫn
xuất penicilin và một số kháng sinh -lactam bán tổng hợp khác.
1.2. Định nghĩa kháng sinh:
Chất kháng sinh được hiểu là các chất hoá học xác định, không có bản chất enzyme, có
nguồn gốc sinh học (trong đó phổ biến nhất là từ vi sinh vật), với đặc tính là ngay ở nồng độ
thấp (hoặc rất thấp) đã có khả năng ức chế mạnh mẽ hoặc tiêu diệt được các vi sinh vật gây
bệnh mà vẫn đảm bảo an toàn cho người hay động vật được điều trị.
1.3. Đơn vị kháng sinh:
Năng lực tích tụ kháng sinh của chủng hay nồng độ chất kháng sinh thường được biểu thị
bằng một trong các đơn vị là: mg/ml, g/ml, hay đơn vị kháng sinh UI/ml (hay UI/g,
International Unit).
Đơn vị của mỗi kháng sinh được định nghĩa là lượng kháng sinh tối thiểu pha trong một
thể tích quy ước dung dịch có khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển của chủng vi sinh vật
kiểm định đã chọn, thí dụ, với penicillin là số miligam penicillin pha vào trong 50 ml môi
trường canh thang và sử dụng Staphylococcus aureus 209P làm chủng kiểm định; với
Streptomicin là số miligam pha trong 1 ml môi trường canh thang và kiểm định bằng vi
khuẩn Escherichia coli.
Kháng sinh: Công nghệ và Ứng dụng
2
1.4. Hoạt tính kháng sinh đặc hiệu:
Hoạt tính kháng sinh đặc hiệu là đặc tính cho thấy năng lực kìm hãm hay tiêu diệt một
cách chọn lọc các chủng vi sinh gây bệnh, trong khi không gây ra các hiệu ứng phụ quá
ngưỡng cho phép trên người bệnh được điều trị.
Đặc tính này được biểu thị qua hai giá trị là: Nồng độ kìm hãm tối thiểu (Minimun
Inhibitory Concentration - viết tắt là MIC) và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (Minimun
Bactericidal Concentration - viết tắt là MBC), xác định trên các đối tượng vi sinh vật gây
bệnh kiểm định lựa chọn tương ứng cho mỗi chất kháng sinh.
1.5. Phổ kháng khuẩn của kháng sinh:
Phổ kháng khuẩn của chất kháng sinh biểu thị số lượng các chủng gây bệnh bị tiêu diệt
bởi kháng sinh này. Theo đó, chất kháng sinh có thể tiêu diệt được nhiều loại mầm bệnh khác
nhau được gọi là chất kháng sinh phổ rộng, chất kháng sinh chỉ tiêu diệt được ít mầm bệnh là
chất kháng sinh phổ hẹp.
1.6. Cơ chế tác dụng:
Cơ chế tác dụng lên vi sinh vật gây bệnh (hay các đối tượng gây bệnh khác - gọi tắt là
mầm bệnh) của mỗi chất kháng sinh thường mang đặc điểm riêng, tùy thuộc vào bản chất của
kháng sinh đó, trong đó, những kiểu tác động thường gặp là:
- Làm rối loạn cấu trúc thành tế bào hay ức chế sự thành lập vách tế bào.
- Rối loạn chức năng điều tiết quá trình vận chuyển vật chất của màng tế bào chất hay ức
chế nhiệm vụ của màng tế bào.
- Làm rối loạn hay ức chế quá trình sinh tổng hợp protein.
- Rối loạn hay ức chế quá trình tổng hợp Acid Nucleic, hoặc tương tác đặc hiệu với
những giai đoạn nhất định trong các chuyển hóa trao đổi chất (hình 1.1).
Hình 1.1. Vị trí tác dụng chính của một số chất kháng sinh [1]
Kháng sinh: Công nghệ và Ứng dụng
3
1.6.1. Ức chế sự thành lập vách tế bào:
Gồm các kháng sinh như: Bacitracin, Cephalosprorins, Cycloserine, Penicillins,
Ristocetin, Vancomycin.
Khác với người và đông vật, tế bào vi khuẩn có vách. Vách tế bào vi khuẩn chiếm 20%
trọng lượng khô của vi khuẩn. Nhờ có vách mà vi khuẩn giữ được hình dạng và bảo vệ tế bào
trước tác động của áp suất. Áp suất của tế bào vi khuẩn Gram dương lớn hơn Gram âm từ 3
đến 5 lần.
Khi sự tổng hợp vách tế bào bị ức chế do tác dụng của kháng sinh, các vi khuẩn Gram
dương biến thành dạng hình cầu không có vách (protoplast), và các vi khuẩn Gram âm có
vách không hoàn chỉnh (spheroplast). Những hình thức này làm tế bào dễ bị vỡ ở môi trường
có trương lực bình thường.
Vách tế bào vi khuẩn là phức hợp polyme được gọ là “Mucopeptide”, “Mureine”,
“Peptidoglycan” gồm polysaccharide và một chuỗi polypeptide có đường nối chéo.
Polysaccharide là đường có amine, N – acetylglycosamine và acetyl muramic acid chỉ có ở tế
bào vi khuẩn. Những đường nối chéo bắt nối với chuỗi peptide (ví dụ cầu nối pentaglycine).
Ở đó cho đáp ứng chuyển vận peptide nhờ xúc tác với một số enzyme. Peptidoglycan ở vi
khuẩn Gram dương nhiều hơn vi khuẩn Gram âm.
Tất cả các loại thuốc Penicillins và Cephalosporins đều là những chất ức chế sự tổng hợp
vách tế bào của vi khuẩn.
Giai đoạn đầu tiên: thuốc gắn vào receptor của tế bào gọi là PBP – Penicillins gắn kết
proteine (PBP) từ số 3 – 6 (phân tử lượng từ 40.000 – 120.000), receptor này có nhiều ở tế
bào vi khuẩn. Receptor PBP có ái tính khác nhau đối với mỗi loại thuốc và kiểu tác động của
nó cũng khác nhau. Ví dụ khi penicillin gắn vào receptor PBP, đáp ứng chủ yếu là kéo dài tế
bào một cách không bình thường cùng với những tác động phụ thêm khác đưa đến tế bào vi
khuẩn bị tan vỡ. Receptor PBP đặt dưới sự kiểm sốt của nhiễm sắc thể, sử đột biến có thể làm
thay đổi số lượng receptor và ái tính của nó đối với thuốc thuộc nhóm β-lactamins.
Sau khi gắn vào một hay nhiều thụ thể thuốc sẽ phong bế transpeptidase, làm ngăn chặn
việc tổng hợp peptidoglycan, một thành phần quan trọng của vách tế bào. Cơ chế của việc
phong bế transpeptidase có lẽ do enzyme này gắn vào penicillins hoặc cephalosporins có cấu
trúc tương tự với acyl-D-alanyl-D-alanyl, một phân tử mà enzyme bình thường vẫn tác động,
nên tác động của enzyme bị phong bế.
Giai đoạn tiếp theo có liên quan đền việc hoạt hoá các enzyme tự tiêu (autolytic enzymes)
gây ra sự ly giải của tế bào ở môi trường đẳng trương (isotonic). Trong môi trường ưu trương,
những tế bào bị biến đổi thành protoplast hay spheroplast chỉ được bao bọc bởi một màng tế
bào mỏng manh nên rất dễ vỡ. Ở những tế bào vi khuẩn này sự tổng hợp protein và nucleic
acid có thể còn tiếp tục một thời gian.
Độc tính của các thuốc kháng sinh trong nhóm β-lactamins đối với tế bào động vật có vú
sẽ cũng giống như độc tính trên vi khuẩn trong trường hợp không còn vách và peptidoglycan.
Penicillins và Cephalosporins chế ngự khác nhau đối với vi khuẩn Gram dương và Gram
âm tuỳ vào sự khác biệt của cấu trúc vách tế bào, tổng số peptidoglycan, số receptor, lỗ,
(pore), lượng lipide, đường nối chéo tự nhiên và hoạt tính của enzyme tự tiêu... chính nó định
tính xuyên thấm, độ gắn kết và hoạt tính của thuốc. Tác động chế ngự vi khuẩn của kháng
sinh trong nhóm β-lactamins tuỳ thuộc vào sự khác biệt về cấu trúc và đặc tính về chức năng
của màng. Đối với vi khuẩn Gram âm do có màng phospholipide ở bên ngoài nên trở ngại
cho thuốc băng qua. Những thuốc có phân tử ưa nước hydrophilic (như Ampicilline,
Amoxicilline), những thuốc có phân tử qua được lỗ (pore) ở màng băng qua màng tế bào vi
khuẩn Gram âm nhanh hơn penicilline G. đối với vi khuẩn Gram dương thì màng
phospholipide rất khiếm khuyết và chức năng như hàng rào ngăn chặn lại không có.
Kháng sinh: Công nghệ và Ứng dụng
4
Amdinocillin là dẫn xuất của acid amidinopenicillanic chỉ gắn kết vào receptor PBP-2 tác
động rất mạnh trên tế bào vi khuẩn Gram âm hơn Gram dương. Amdinocillin có tác động
hiệp đồng với những thuốc khác nhau trong nhóm β-lactamins trên receptor PBP.
Điều quan trọng mà lâm sàng rất quan tâm là vi khuẩn không còn bị thuốc trong nhóm
β-lactamins chế ngự nữa là do vi khuẩn sản xuất được β-lactamase, enzyme này phá vỡ vòng
β-lactam làm tiêu tan hiệu ứng sinh học của thuốc. Đó là sự kháng thuốc mang tính di truyền
do plasmid kiểm soát. Ví dụ như sự kháng thuốc do plasmid của Staphylococcus và một số vi
khuẩn Gram âm ở đường ruột. Để cho penicillin đỡ bị enzyme này thuỷ phân phá vỡ vòng
β-lactam người ta cho phối hợp với clavulanic acid hoặc sulbactam, hoặc phối hợp
amoxicillin với clavulanic acid dùng trong những trường hợp viêm nhiễm Heamophilus sản
xuất được enzyme β-lactamase.
Có một số kháng sinh kháng lại enzyme β-lactamase là do vòng β-lactam được củng cố
bằng gốc methoxy, hoặc nhóm chức khác ví dụ như methicilline, cefoxitine không dễ bị
enzyme này phá vỡ.
Một số thuốc kháng sinh khác như Bacitracin, Vancomycin, Ristocetin và Novobiocin chỉ
ức chế giai đoạn đầu của việc tổng hợp peptidoglycan. Do việc tổng hợp ở giai đoạn đầu này
xảy ra ở bên trong màng tế bào chất, nên thuốc phải được ngấm vào bên trong màng mới có
tác dụng.
Cycloserine, một chất tương đồng với D-alanine trong chuỗi pentapeptide cho nên thuốc
cũng can thiệp vào sự tổng hợp peptidoglycan. Cycloserine phong bế tác động của enzyme
alanineracemase - một loại enzyme kết nối D-alanine vào chuỗi pentapeptide của
petidoglycan. Cycloserine cũng ức chế enzyme ở giai đoạn đầu trong tiến trình tổng hợp
peptidoglycan.
1.6.2. Ức chế nhiệm vụ của màng tế bào:
Gồm Amphotericin B, Colistin, Imidazoles, Polymyxins.
Tế bào chất của tất cả tế bào sống được bao bọc bởi màng tế bào chất, đó là hàng rào có
tính thấm chọn lọc rất quan trọng đảm nhiệm chức năng bắt cầu cho vận chuyển chủ động
qua màng. Nếu chức năng của màng tế bào chất bị tổn hại thì những phân tử lớn và ion bị
thoát ra ngoài, tế bào sẽ bị hủy hoại. Màng tế bào chất của tế bào vi khuẩn dễ bị huỷ hoại hơn
tế bào động vật, như vậy dùng hoá học trị liệu màng tế bào chất của tế bào vi khuẩn sẽ bị phá
huỷ mà tế bào động vật vẫn được che chở.
Đại diện cho cơ chế này là các polymyxins tác động lên vi khuẩn Gram âm và các
polyenes tác động lên vi nấm. Polymyxins không tác động lên vi nấm và ngược lại polyenes
không tác động lên vi khuẩn. Điều này là do màng tế bào vi nấm chứa sterols còn màng tế
bào vi khuẩn thì không. Polyenes phải tương tác với một sterol trong màng tế bào vi nấm mới
có hiệu quả tác dụng, trong khi màng tế bào vi khuẩn thì không có sterol nên polyenes không
tác dụng. Trái lại, polymyxins không có tác động lên tế bào vi nấm có sterol.
Các thuốc kháng nấm nhóm imidazoles (miconazol, clotrimazol, ketoconazol) làm tổn hại
đến tính nguyên vẹn của màng tế báo nấm do ức chế sinh tổng hợp lipid của màng.
1.6.3. Ức chế tổng hợp protein:
Có những kháng sinh như: Chloramphenicol, Erythromycins, Lincomycins,