Le penicilline sono antibiotici beta-lattamici isolati da prodotti del metabolismo di alcune specie del genere Penicillium, in particolare del P. chrysogenum, che vengono utilizzati sia in medicina umana sia in medicina veterinaria.
Storia
Il medico italiano Vincenzo Tiberio già nel 1895 pubblicò all'Università di Napoli uno studio sugli effetti di questa muffa che egli notò in un pozzo vicino alla sua casa di Arzano; purtroppo le sue ricerche non vennero ritenute interessanti dall'ambiente scientifico italiano e caddero nell'oblio e vennero riscoperte solo quaranta anni dopo la sua morte.
Nel 1928, dopo essere tornato dalle vacanze, Alexander Fleming, un batteriologo che lavorava all'ospedale di Saint Mary di Londra, notò che una delle sue piastre Petri contenenti stafilococchi che aveva lasciato su un banco era contaminata.
Osservò che un contaminante fungino stava influenzando la crescita dei batteri vicini. Il fungo si rivelò essere P. notatum e la molecola antibatterica che produceva fu chiamata penicillina. Fleming registrò le sue osservazioni nell'articolo sul The British Journal of Experimental Pathology nel 1929, dove dimostrò che la penicillina è in grado di inibire la crescita batterica in vitro. Fleming pensava che la penicillina potesse essere utile come antisettico locale, ma non riuscì a purificarla o a caratterizzarne l'attività.
L'articolo di Fleming sulla penicillina servì da base agli scienziati di Oxford per iniziare la ricerca su nuovi antimicrobici nel 1939. A quel tempo, Howard Florey stava lavorando sul lisozima e sulla sua capacità di uccidere i batteri. Insieme a Ernst Chain, un chimico del laboratorio, Florey si interessò all'osservazione di Fleming sulla capacità antimicrobica del Penicillium.
Chain e Florey decisero di progettare un metodo per coltivare il fungo e mirarono a produrlo in quantità sufficienti per consentire ulteriori test sui suoi ruoli antimicrobici. Norman Heatley, un giovane chimico del laboratorio di Florey, svolse un ruolo chiave nel processo di purificazione della penicillina. Heatley e Chain idearono i primi metodi per l'estrazione della penicillina, necessari per ottenere materiale sufficiente per eseguire i primi test con il farmaco.
A metà degli anni '40, la Sir William Dunn School of Pathology di Oxford aveva a disposizione una quantità di penicillina sufficiente per avviare sperimentazioni sulla sua efficacia nei topi. Fu questo esperimento condotto da Heatley e colleghi a fornire dati chiave per dimostrare l'effetto della penicillina in vivo.Heatley N. Penicillin and Luck: Good Fortune in the Development of the 'miracle Drug. RCJT Books; 2004.Cranston D, Sidebottom E. Penicillin and the legacy of Norman Heatley. Wordsbydesign. 2016
A otto topi fu iniettata una dose fatale di S. pyogenes. Dopo un'ora, a due topi fu somministrata una singola dose di penicillina (10 mg) e ad altri due furono somministrati 5 mg di penicillina, più tre dosi aggiuntive di 5 mg a 3, 5, 7 e 11 ore dopo l'infezione. Quattro topi servirono da controllo e non ricevettero penicillina. Diciassette ore dopo l'infezione iniziale, tutti i topi del gruppo di controllo erano morti, mentre tutti i topi che avevano ricevuto una dose di penicillina sopravvissero. Questa straordinaria osservazione fornì la prova chiave che la penicillina aveva il potenziale come farmaco salvavita.
1941-1943 La sfida principale affrontata da Florey e dal suo team fu quella di produrre abbastanza penicillina per ulteriori sperimentazioni sui topi, mentre le sperimentazioni sull'uomo richiedevano dosi molto più elevate. La resa e la produzione dovettero essere aumentate, ma durante la guerra non ci fu alcun aiuto da parte delle aziende commerciali perché le risorse erano scarse. La produzione fu quindi avviata nel dipartimento di Florey. In origine, per coltivare il Penicillium venivano utilizzate vecchie padelle ospedaliere, ma non davano una resa sufficiente.
Con attrezzature limitate, Florey e colleghi progettarono il proprio recipiente di coltura in ceramica. Heatley e Florey fecero quindi in modo che il recipiente fosse prodotto in serie da un'azienda di ceramiche a circa 100 metri di distanza da Oxford, su suggerimento di un suo conoscente nel settore delle ceramiche. Alla fine del 1940, Florey e colleghi ricevettero i recipienti e Heatley li inoculò con il fungo il 25 dicembre. All'inizio di febbraio 1941, il team di Oxford aveva purificato materiale sufficiente per le sperimentazioni cliniche sugli esseri umani.
I primi studi clinici La prima paziente a ricevere la penicillina come parte del test di tossicità è stata una donna con un cancro terminale. Poco dopo averle somministrato la penicillina per iniezione, ha sviluppato febbre e rigidità, causati da impurità di origine pirogenica contenute nella miscela di penicillina. Il secondo paziente a ricevere una dose purificata di penicillina fu un poliziotto del Radcliffe Infirmary che aveva una grave infezione da stafilococco e streptococco.
Ripetute iniezioni endovenose di penicillina per 5 giorni ebbero un profondo effetto sulla sua guarigione. A causa delle scorte molto basse di penicillina, l'urina del paziente dovette essere raccolta e riciclata per riestrarre altra penicillina per ulteriori iniezioni. Alla fine, la carenza generale di penicillina costrinse all'interruzione del trattamento e il paziente ebbe una ricaduta e morì poco dopo. Una serie di ulteriori studi clinici tra il 1941 e il 1942, che coinvolsero 170 pazienti, dimostrarono un notevole effetto della penicillina nel combattere le infezioni batteriche senza alcun effetto collaterale tossico.
Il team di Florey riconobbe immediatamente il potenziale della penicillina per il trattamento dei soldati e dei civili feriti durante la guerra. Tuttavia, i finanziamenti e la capacità per una produzione di massa di penicillina non erano disponibili nel Regno Unito, così nel 1941 Florey e Heatley si recarono negli Stati Uniti per cercare supporto e, insieme ai colleghi americani, contribuirono a creare quello che in seguito divenne noto come "Progetto Penicillina".
Il progetto si sviluppò in tre filoni principali:
il primo era incentrato sul miglioramento della purificazione della penicillina il secondo mirava a trovare stipiti batterici più potenti di Penicillium e Heatley collaborò a stretto contatto con il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti per caratterizzarli l'ultimo filone, guidato da Florey e dai suoi partner americani, era incentrato sulla ricerca di aziende farmaceutiche che si assumessero la produzione di massa di penicillina.
Alla fine, 15 aziende farmaceutiche sia nel Regno Unito che negli Stati Uniti lavorarono alla produzione di penicillina e furono condotti studi clinici in tutti gli Stati Uniti per dimostrare ulteriormente l'efficacia del farmaco. I primi test sulla penicillina in ambito bellico furono condotti da Florey negli ospedali militari del Nord Africa nel 1942 e dimostrarono che la penicillina era efficace se utilizzata sia su ferite fresche che infette.
Presto, gli sforzi di collaborazione tra il governo, l'industria e gli scienziati britannici e americani portarono alla produzione di sufficienti scorte di penicillina entro il D-Day. Dopo la guerra, nel 1946, la penicillina era ampiamente disponibile per la prescrizione. Nel 1945, Fleming, Florey e Chain ricevettero il Premio Nobel per “la scoperta della penicillina e il suo effetto curativo in varie malattie infettive”. Chain e Abraham continuarono a lavorare sulla struttura della penicillina fino al 1943, quando Abraham propose per la prima volta la struttura beta-lattamica. Questa fu confermata da Dorothy Hodgkin e Barbara Low utilizzando la cristallografia a raggi X.
Resistenza e penicilline sintetiche Il primo segno di resistenza agli antibiotici divenne evidente subito dopo la scoperta della penicillina. Nel 1940, Abraham e Chain riportarono che un ceppo di E. coli era in grado di inattivare la penicillina producendo penicillinasi. La diffusione della resistenza alla penicillina era già documentata nel 1942, quando si scoprì che quattro ceppi di S. aureus resistevano all'azione della penicillina nei pazienti ospedalizzati. Negli anni successivi, la percentuale di infezioni causate da S. aureus resistente alla penicillina aumentò rapidamente, diffondendosi rapidamente dagli ospedali alle comunità.
La rapida diffusione della resistenza alla penicillina si arrestò temporaneamente dopo l'introduzione della meticillina semisintetica di seconda generazione negli anni '60. Tuttavia, emersero presto ceppi resistenti alla meticillina e solo nel 1981 questo meccanismo di resistenza fu svelato. In circa 20 anni, la resistenza alla meticillina divenne endemica negli Stati Uniti, raggiungendo il 29 percento dei pazienti ospedalizzati infetti da S. aureus.
Nel 1967, anche i ceppi di S. pneumoniae divennero resistenti alla penicillina e nel 1999, la percentuale di casi associati a pneumococco resistente agli antibiotici era triplicata rispetto al 1979, raggiungendo il 14,4% in Sud Africa. Nel 1976, gonococchi produttori di β-lattamasi furono isolati in Inghilterra e negli Stati Uniti. Seguì una rapida diffusione della resistenza al gonococco e nei 10 anni successivi all'introduzione della penicillina per trattare la gonorrea, la prevalenza di ceppi gonococcici resistenti alla penicillina raggiunse il suo picco, in particolare in Asia.
Inoltre, nel 1983, una grande epidemia di gonococco resistente non produttore di β-lattamasi colpì la città di Durham nella Carolina del Nord (Stati Uniti). La resistenza di questi ceppi era mediata cromosomicamente, a causa dell'emergere di mutazioni che modificavano il bersaglio della penicillina PBP2 e l'espressione dei sistemi di pompe di efflusso del farmaco. Tutto questo portò al divieto dell'uso della penicillina come farmaco di prima linea per il trattamento del gonococco nella maggior parte del mondo.Patel AL, Chaudhry U, Sachdev D. et al. An insight into the drug resistance profile & mechanism of drug resistance in Neisseria gonorrhoeae. Indian J Med Res. 2011;134:419–431.
Tra il 1950 e il 2001, circa due terzi degli E. coli che causano malattie umane erano resistenti all'ampicillina negli Stati Uniti, e il tasso di resistenza all'aminopenicillina è ancora in aumento. Dalla scoperta della penicillina sono stati scoperti più di 150 antibiotici e per la maggior parte degli antibiotici disponibili è emersa una resistenza. Inoltre, il recente aumento di ceppi multi/pan-farmaco resistenti è correlato a un aumento della morbilità e della mortalità. Nel complesso, l’inefficacia dei trattamenti antibiotici contro le infezioni da “superbatteri” ha portato alla persistenza e alla diffusione di specie multiresistenti in tutto il mondo.
Dagli anni '90 gli sforzi si sono concentrati sulla classe dei penemi, in vista del loro potenziale utilizzo clinico come potenti agenti antibatterici a largo spettro, dotati di livelli di tossicità molto bassi. Lo sviluppo delle cefalosporine e dei monobattami hanno ispirato le modifiche più recenti dei penami, in particolare l'introduzione di un sostituente aggiuntivo in C-6 (R3 = OMe, temocillina (1981); e R3 = NHCHO, foramidocillina (1984)), che ha seguito la scoperta della cefamicina (1971) e la sintesi della cefoxitina (1973) da un lato, e l'introduzione di un motivo ossimino nella catena aminoacilica (1989), che ha seguito la scoperta della nocardicina A (1976) e la sintesi del ceftriaxone (1981) e del cefepime (1984), dall'altro lato.