การสกัดยาปฏิชีวนะจากรา

โครงสร้างของเพนิซิลลิน ซึ่งถือเป็นยาปฏิชีวนะจากธรรมชาตชนิดแรก ถูกค้นโดยอเล็กซานเดอร์ เฟลมมิง เมื่อปี ค.ศ. 1928

สารที่มีคุณสมบัติเป็นยาปฏิชีวนะนั้นถูกนำมาใช้ด้วยวัตถุประสงค์ที่หลากหลายนับตั้งแต่สมัยโบราณ ในช่วงก่อนคริสต์ศตวรรษที่ 20 การรักษาโรคติดเชื้อนั้นจะใช้ยาแผนโบราณเป็นหลัก โดยปรากฏมีการนำยาน้ำมิกซ์เจอร์ (Mixtures) ที่มีคุณสมบัติในการต้านจุลชีพมาใช้ในการรักษาโรคติดเชื้อเป็นเวลามากกว่า 2000 ปีที่แล้ว[30] อารยธรรมโบราณหลายแห่ง รวมถึงอียิปต์โบราณ และกรีซโบราณ มีการนำส่วนผสมหรือสารสกัดจากราและพืชสายพันธุ์ที่จำเพาะมารักษาโรคติดเชื้อชนิดต่างๆ[31][32] ส่วนการทดลองศึกษาในยุคถัดมานั้นมักทำขึ้นในห้องปฏิบัติการเพื่อทดลองและเฝ้าสังเกตการสังเคราะห์สารเพื่อต่อต้านซึ่งกันและกันในจุลชีพที่ต่างสายพันธ์กัน จนนำไปสู่การค้นพบยาต้านแบคทีเรียจากธรรมชาติที่สร้างจากจุลชีพในที่สุด หลุยส์ ปาสเตอร์ ได้ให้ข้อคิดเห็นและตั้งข้อสังเกตไว้ว่า "หากเราสามารถเข้าใจการต้านกันและกันระหว่างเชื้อแบคทีเรียบางชนิดได้ นั่นก็จะเป็นความหวังที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสำหรับการรักษาโรคติดเชื้อ"[33]

ใน ค.ศ. 1874 นักฟิสิกส์ชาวเวลล์นามว่า เซอร์วิลเลียม โรเบิตส์ (Sir William Roberts) ได้เขียนบันทึกไว้ว่า ราสายพันธุ์Penicillium glaucum ที่ใช้ในการผลิตเนยแข็งสีน้ำเงินบางชนิดนั้นไม่มีการปนเปื้อนของแบคทีเรียเลย[34] ต่อมาในปี 1876 จอห์น ทินดอลล์ (John Tyndall) – นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษสันนิษฐานว่าราสกุลดังกล่าวนั้นอาจมีการผลิตสารบางชนิดที่ส่งผลยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียได้[35] ซึ่งต่อมาปาสเตอร์ได้ทำการศึกษาประเด็นดังกล่าวและพบว่า แบคทีเรียสายพันธุ์ Bacillus anthracis นั้นจะไม่เจริญเติบโตในสภาวะที่มีราสายพันธุ์ Penicillium notatum อยู่[17][19]

ใน ค.ศ. 1895 วินเซนโซ ติเบริโอ (Vincenzo Tiberio) – นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ได้ตีพิมพ์บทความทางวารสารที่มีเนื้อหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพในการต้านแบคทีเรียของสารสกัดจากราบางสายพันธุ์[36] ต่อมา ค.ศ. 1897 นักเรียนแพทย์ชาวฝรั่งเศส เออร์เนสต์ ดูเชส (Ernest Duchesne) ได้เสนอวิทยานิพนธ์เรื่อง "Contribution à l'étude de la concurrence vitale chez les micro-organismes: antagonisme entre les moisissures et les microbes" (การมีส่วนร่วมในการศึกษาเกี่ยวกับการแข่งขันที่เกี่ยวเนื่องกับชีวิตในจุลินทรีย์: การต้านกันของราและจุลชีพ)[37] ซึ่งถือเป็นนักวิชาการคนแรกที่พบว่าความสามารถในการรักษาโรคของรานั้นเป็นผลมาจากฤทธิ์ต้านแบคทีเรียของราเหล่านั้น ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ ดูเชสได้ให้เสนอไว้ว่าแบคทีเรียและรานั้นมีการต่อสู้เพื่อความอยู่รอดกันอยู่ตลอดเวลา โดยดูเชสพบว่า แบคทีเรีย E. coli นั้นสามารถถูกกำจัดได้โดยราสายพันธุ์ Penicillium glaucum เมื่อทำการเพาะเลี้ยงจุลชีพทั้งสองในจานเพาะเลี้ยงเดียวกัน นอกจากนี้เขายังพบว่า เมื่อทำการให้เชื้อแบคทีเรียสกุลบาซิลลัสที่เป็นสาเหตุของไข้ไทฟอยด์ พร้อมกับรา Penicillium glaucum แก่สัตว์ทดลองโดยการสูดพ่น พบว่าสัตว์ทดลองนั้นๆไม่ปรากฏอาการและอาการแสดงของไข้ไทฟอยด์ แต่ช่างเป็นที่น่าเสียดายที่ หน่วยบริการทางการทหารที่ดูเชสสังกัดไม่อนุญาตให้เขาทำการศึกษาต่อเนื่องเพิ่มเติมในประเด็นดังกล่าวหลังจากที่เขาจบการศึกษา[38] ภายหลังดูเชสได้เสียชีวิตจากวัณโรค ซึ่งต่อมาก็เป็นอีกโรคหนึ่งที่สามารถรักษาให้หายขาดได้โดยยาปฏิชีวนะ[38]

อเล็กซานเดอร์ เฟลมมิง ผู้ค้นพบเพนิซิลลิน และต่อมาเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ เมื่อปี ค.ศ. 1945 ร่วมกับทีมวิจัยของเขา สำหรับการค้นพบเพนนิซิลินและผลการรักษาโรคติดต่อหลายชนิดของยาดังกล่าว[39]

ต่อมาในปี ค.ศ. 1928, เซอร์ อเล็กซานเดอร์ เฟลมมิง ได้ค้นพบเพนิซิลลิน ซึ่งเป็นสารที่ถูกสร้างขึ้นมาโดยราเพื่อฆ่าหรือหยุดการเจริญเติบโตของแบคทีเรียบางชนิด เฟลมมิงทำงานเพื่อช่วยเหลือทหารที่บาดเจ็บจากสงครามและมีการติดเชื้อแบคทีเรียของแผล ในการเพาะเชื้อแบคทีเรียก่อโรคเขาได้ค้นพบโดยบังเอิญว่าถาดเพาะเชื้อแบคทีเรียก่อโรคในบริเวณที่มีการปนเปื้อนรานั้นไม่มีการเจริญของแบคทีเรียดังกล่าว ซึ่งต่อมาทราบภายหลังว่ารานั้นคือสายพันธุ์ Penicillium chrysogenum [40] เฟลมมิงได้ตั้งสมมติฐานว่าราดังกล่าวอาจหลั่งสารบางอย่างที่มีฤทธิ์ในการต้านแบคทีเรีย เขาได้นำถาดเพาะเชื้อชิ้นนั้นไปเพาะเลี้ยงต่อ แล้วพบว่าเชื้อรานั้นได้ฆ่าแบคทีเรียที่ก่อให้เกิดโรคหลายชนิด และเขาได้ตั้งชื่อสารนั้นว่า เพนิซิลลิน เมื่อวันที่ 7 มีนาคม ค.ศ. 1929 เฟลมมิงเชื่อว่าคุณสมบัติในการต้านแบคทีเรียของสารนี้นั้นอาจเป็นประโยชน์ต่อการรักษาโรคติดเชื้อต่างๆ เขาจึงได้เริ่มศึกษาถึงคุณสมบัติทางชีววิทยาของเพนิซิลลินและพยายามที่จะใช้สารสกัดอย่างหยาบ (crude preparation) ที่ได้จากการศึกษาเพื่อรักษาโรคที่เกิดจากการติดเชื้อแบคทีเรียบางชนิด แต่อย่างไรก็ตาม เขาไม่สามารถพัฒนาสารนี้เพิ่มเติมต่อไปได้เนื่องจากไม่มีความช่วยเหลือนักเคมีที่มีความรู้และประสบการณ์[41][42]

เอินซต์ เชน (Ernst Chain), ฮาเวิร์ด ฟลอเรย์ (Howard Florey) และเอ็ดเวิร์ด อับราฮัม (Edward Abraham) เป็นนักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรกที่ประสบความสำเร็จในการสกัดเพนิซิลลินบริสุทธิ์จากราได้ในปี ค.ศ. 1942 โดยยาที่สกัดได้นั้นคือ เบนซิลเพนิซิลลิน (G) แต่ยาดังกล่าวไม่ได้ถูกนำมาใช้ในการรักษาโรคในวงกว้าง โดยจำกัดการใช้อยู่เพียงแต่ภายในกองทัพเท่านั้น แต่หลังจาก ค.ศ. 1945 เป็นต้นมา นอร์มัน ฮีธลีย์ (Norman Heatley) ได้พัฒนาเทคนิคการสกัดแบบย้อนกลับ (back extraction technique) เพื่อให้สกัดเพนิซิลลินในปริมาณมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยผู้ที่สามารถถอดแบบโครงสร้างของเพนิซิลลินได้เป็นคนแรกนั้น คือ เอ็ดเวิร์ด อับราฮัม โดยสามารถระบุโครงสร้างที่แน่ชัดดังกล่าวได้ราวปี ค.ศ. 1942[43] ซึ่งสอดคล้องกับการอธิบายถึงโครงสร้างดังกล่าวในบทความตีพิมพ์ของโดโรธี ฮอดจ์กิน – นักชีวเคมีชาวบริติช เมื่อปี ค.ศ. 1945 โดยเพนิซิลลินสกัดบริสุทธิ์นี้สามารถออกฤทธิ์ต้านแบคทีเรียหลากหลายสายพันธุ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และก่อให้เกิดพิษต่อมนุษย์ต่ำ นอกจากนี้ ฤทธิ์ของยาดังกล่าวยังไม่ถูกรบกวนโดยส่วนประกอบทางชีวภาพต่างๆในร่างกาย เช่น หนอง เป็นต้น ซึ่งต่างจากยาสังเคราะห์อย่างซัลโฟนาไมด์ การค้นพบยาปฏิชีวนะที่มีประสิทธิภาพสูงนี้ได้กลายเป็นการเปิดประวัติศาสตร์หน้าใหม่แห่งการแพทย์ โดยการค้นพบและพัฒนาเพนิซิลลินขึ้นมาได้จุดกระแสความสนใจใหม่ให้แก่นักวิจัยในการค้นคว้าหาสารประกอบที่มีฤทธิ์ในการต้านแบคทีเรียใหม่ๆที่มีประสิทธิภาพและความปลอดภัยในระดับเดียวกันกับเพนิซิลลินอีกมากมาย[44] โดยความสำเร็จในการคิดค้นพัฒนาเพนิซิลลินในครั้งนี้ ถึงแม้เฟลมมิงจะค้นพบยาดังกล่าวโดยบังเอิญและไม่สามารถพัฒนายาดังกล่าวได้ด้วยตนเอง ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 1945 ร่วมกับเอินซต์ เชน และฮาเวิร์ด ฟลอเรย์ ในฐานะผู้ค้นพบ และพัฒนาเพนิซิลลินเพื่อใช้ในการรักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรียต่างๆได้สำเร็จ[39]

ฟลอเรย์ได้ยกความดีความชอบให้แก่เรเน ดูบูส์ (Rene Dubos) ที่ได้บุกเบิกคิดค้นวิธีการในการค้นหาสารประกอบที่มีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียไว้อย่างดีและเป็นระบบ จนทำให้ดูบูส์ค้นพบกรามิซิดิน และทำให้งานวิจัยเกี่ยวกับเพนิซิลลินของฟลอเรย์เกิดขึ้นมาได้[45] โดยในปี ค.ศ. 1939 ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ใกล้เกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 ดูบูส์ได้ค้นพบสารที่มีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียชนิดแรกที่ได้จากธรรมชาติ คือ ไทโรธริซิน ซึ่งเป็นสารที่เป็นส่วนผสมของกรามิซิดิน ร้อยละ 20 และไทโรซิดีน ร้อยละ 80 โดยสกัดสารดังกล่าวได้จากแบคทีเรีย Brevibacillus brevis โดยสารดังกล่าวถือเป็นยาปฏิชีวนะชนิดแรกที่ถูกผลิตออกมาในเชิงการค้า และมีประสิทธิดีเป็นอย่างมากในการรักษาแผลและแผลเปื่อย (ulcer) ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2[45] อย่างไรก็ตาม กรามิซิดินไม่สามารถบริหารยาโดยการให้ทางระบบได้ เนื่องจากยาดังกล่าวก่อให้เกิดพิษแก่ร่างกาย เช่นเดียวกันกับไทโรซิดีนที่มีความเป็นพิษเป็นอย่างมากเมื่อเทียบกับกรามิซิดิน ทั้งนี้ ผลการศึกษาวิจัยต่างๆที่เกิดขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 นี้ไม่ได้ถูกแบ่งกันระหว่างฝ่ายสัมพันธมิตรกับฝ่ายอักษะ และมีการเข้าถึงอย่างจำกัดในช่วงสงครามเย็น ทำให้การต่อยอดหรือพัฒนางานวิจัยต่างๆนั้นมีความก้าวหน้าช้ากว่าที่ควร[46]

การสังเคราะห์ยาปฏิชีวนะจากสีย้อม

ยาปฏิชีวนะสังเคราะห์เป็นวิทยาศาตร์ที่พัฒนาขึ้นแรกเริ่มในเยอรมนีในปีทศวรรษที่ 1880 โดยเพาล์ เอร์ลิช – แพทย์และนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน[16] เอร์ลิชพบว่าสีย้อมบางชนิดสามารถทำให้เซลล์สัตว์, มนุษย์ หรือแบคทีเรียติดสีได้ ขณะที่เซลล์สิงมีชีวิตอื่นไม่ติดสีดังกล่าว จากนั้นเขาจึงมีความคิดว่ามีความเป็นไปได้ที่จะใช้สารเคมีบางอย่างที่จำเพาะต่อเซลล์หนึ่งๆมาเป็นยาที่ใช้ฆ่าแบคทีเรียก่อโรคได้โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายแก่มนุษย์ หลังจากนั้นเขาได้ทำการศึกษาสีย้อมที่มีฤทธิ์ต้านจุลชีพหลายร้อยชนิด จนในที่สุด เขาก็ได้พบสารที่มีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียที่มีชื่อว่า ซาลวาซาน ในปี ค.ศ. 1907[16][47][48] ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ อาร์สเฟนามิน[49][50]

เพาล์ เอร์ลิช และซาฮาชิโร ฮาตะ – ผู้ค้นพบอาร์สเฟนามิน ซึ่งถูกนำมาใช้รักษาซิฟิลิสอย่างกว้างในช่วงครึ่งแรกของคริสต์ศตวรรษที่ 20

ยุคของการรักษาด้วยยาปฏิชีวนะนั้นเริ่มต้นขึ้นเมื่อมีการค้นพบยาปฏิชีวนะสังเคราะห์ที่เป็นอนุพันธ์ของสารหนูโดยอัลเฟรด เบอร์ธม (Alfred Bertheim) และเอร์ลิช เมื่อปี ค.ศ. 1907[51][52] เอร์ลิชและเบอร์ธมได้ศึกษาทดลองรักษาโรคทริปาโนโซมิเอซิสในหนูไมซ์ และการติดเชื้อแบคทีเรียสกุลสไปโรคีทในกระต่ายด้วยสารเคมีจากสีย้อมหลายชนิด การทดลองในช่วงแรกนั้นประสบความล้มเหลวเนื่องจากสีย้อมเหล่านั้นก่อให้เกิดพิษต่อสัตว์ทดลองมากเกินไป ต่อมาเพาล์ เอร์ลิชได้ทำการศึกษาเพื่อค้นหายาปฏิชีวนะในการรักษาซิฟิลิสตามคำร้องขอของกองทัพในขณะนั้น โดยทำการศึกษาร่วมกับซาฮาชิโร ฮาตะ–นักจุลชีววิทยาชาวญี่ปุ่น จนค้นพบสารที่มีคุณสมบัติตามต้องการจากบรรดาสารเคมีที่ทำการศึกษาทั้งหมด 606 ชนิด ใน ค.ศ. 1910 เอร์ลิช และฮาตะได้เผยแพร่การค้นพบที่สำคัญครั้งนี้สู่สาธารณะ ณ งานการประชุมอายุรศาสตร์ที่เมืองวีสบาเดิน โดยทั้งสองได้ตั้งชื่อยาดังกล่าวว่า 606[50] จากนั้นบริษัทฮุชต์ (Hoechst) ได้เริ่มทำการผลิตยาดังกล่าวออกสู่ตลาดยาในช่วงปลายทศวรรษที่ 1910 ภายใต้ชื่อการค้า Salvarsan ในปัจจุบันยานี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ อาร์สเฟนามิน[50] โดยถูกนำมาใช้เป็นยารักษาซิฟิลิสในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 จากการค้นพบอาร์สเฟนามินนี้ ทำให้เอร์ลิชได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ในปี ค.ศ. 1908 จากการศึกษาค้นคว้าด้านระบบภูมิคุ้มกัน[53] ส่วนซาฮาชิโร ฮาตะได้รับการเสนอชื่อให้เข้ารับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ. 1911 และสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี ค.ศ. 1912 และ 1913[54]

ยาซัลโฟนาไมด์ชนิดแรกของกลุ่มยานี้อย่าง พรอนโตซิล ถือเป็นยาปฏิชีวนะสังเคราะห์ชนิดแรกที่อยู่ในรูปแบบที่พร้อมออกฤทธิ์ได้ โดยยาดังกล่าวถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปี ค.ศ. 1932–1933 โดยทีมนักวิจัยที่นำทีมโดย แกร์ฮาร์ด โดมักค์ ณ ห้องปฏิบัติการของบริษัทไบเออร์ ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของกลุ่มบริษัทไอ.จี.ฟาร์เบินในประเทศเยอรมนี[52][55][48] การค้นพบนี้ทำให้โดมักค์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี ค.ศ. 1939[56] ส่วนซัลฟานิลาไมด์ซึ่งเป็นรูปแบบที่ออกฤทธิ์ของพรอนโตซิลนั้นไม่ได้รับอนุญาตให้จดสิทธิบัตร เนื่องจากสารดังกล่าวนั้นถูกใช้ในอุตสาหกรรมสีย้อมก่อนหน้ามาเป็นเวลาหลายปีแล้ว[55] พรอนโตซิลเป็นยาปฏิชีวนะที่มีขอบเขตการออกฤทธิ์ค่อนข้างกว้าง โดยมีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียแกรมบวกทรงกลม (cocci) ได้ดี แต่ไม่มีฤทธิ์ต่อวงศ์เอนเทอร์โรแบคทีเรียซีอี การค้นพบพรอนโตซิลนี้เป็นการเปิดศักราชใหม่ของการแพทย์ที่ส่งผลเกิดการตื่นตัวในการคิดค้นพัฒนายาปฏิชีวนะอื่นตามมาเป็นอย่างมาก[57][58]