PENICILLINA
PENICILLINA
. È il più conosciuto e studiato antifiotico (v. in questa App.) ed è anche quello più largamente usato in terapia umana. La scoperta della penicillina fu comunicata dal batteriologo inglese A. Fleming nel 1929, sulla base di alcune sue osservazioni che datavano dal 1928 e alla cui origine stava un fortuito inquinamento di una piastra di agar, seminata con stafilococchi, da parte di una muffa che risultò poi essere il Penicillium notatum.
Nel laboratorio di A. Fleming, infatti, una spora del Penicillium cadde sopra una piastra di agar insemenzata con stafilococchi. Una volta sviluppatasi da quella spora la colonia fungina, si poté osservare che tutt'intorno ad essa le colonie di stafilococchi erano scomparse, lisate o molto ridotte di volume. Solo ad una certa distanza dalla colonia di Penicillium si avevano colonie normali di stafilococchi. Il Fleming pensò subito che si trattasse di una sostanza antibiotica prodotta dalla muffa e capace di ostacolare o impedire (a seconda della concentrazione) lo sviluppo dello stafilococco. Infatti, questa sostanza, che egli chiamò penicillina, fu trovata nei liquidi di coltura del Penicillium. Il Fleming provò inoltre che la penicillina, oltre ad essere un potentissimo antibiotico su diverse specie microbiche (agiva anche a diluizioni molto elevate), comprese le patogene per l'uomo, non possedeva alcun potere tossico per l'organismo animale, né ostacolava di questo le difese organiche (fagocitosi, ecc.). La sostanza si presentava quindi con tutti i requisiti per essere un antibiotico con larghe possibilità di pratiche applicazioni. Tuttavia questa scoperta rimase senza conseguenze fino al 1940, epoca in cui altri ricercatori inglesi, H. W. Florey, E. Chain, N. G. Heatley ed altri ripresero, nei laboratorî di Oxford, lo studio della penicillina nel quadro di una ricerca più generale che essi avevano intrapreso su tutte le sostanze antibiotiche conosciute. Rilevate le straordinarie proprietà della penicillina e saggiate, con esito brillante, le prime possibilità terapeutiche verso alcune malattie infettive, quei ricercatori si proposero e realizzarono l'estrazione e la purificazione della penicillina dai liquidi colturali. Intanto era scoppiata la seconda Guerra mondiale; la preparazione su larga scala della penicillina si imponeva come mezzo formidabile per ridurre la morbilità e la mortalità da infezioni di guerra. Florey e Heatley partirono per l'America, ove ottennero l'interessamento degli scienziati e del governo per la produzione e lo studio della penicillina, che ben presto venne fabbricata in forma quasi pura e poi purissima in grandi quantità, mentre si accendeva un fervore inusitato di studî per la determinazione della sua formula chimica. I meravigliosi risultati raggiunti in questo campo nel breve volger di pochi anni, sia dal punto di vista teorico, sia da quello delle applicazioni pratiche sono il frutto di un grande sforzo collettivo della scienza e dell'industria, organizzate nel modo più razionale possibile.
Natura della penicillina. - La penicillina può esser prodotta da diverse specie di Penicillium, oltre al P. notatum, e anche da altri generi, come actinomiceti (P. chrysogenum, P. rubrum, A. flavus, A. giganteus, ecc.). Essa non è una sostanza unica, ma piuttosto un gruppo di sostanze aventi tutte un nucleo strutturale in comune e proprietà antibiotiche molto vicine. Il nucleo strutturale comune è stato identificato da E. Chain e collaboratori con la formula:
Le varie penicilline differiscono a seconda della natura del radicale R, come dimostra la seguente tabella che riporta anche le varie denominazioni degli autori americani e inglesi.
La peculiarità più saliente della struttura del nucleo essenziale della molecola della penicillina è il legame
o legame β-lattamico, scoperto dal Chain nonostante costituisca una vera novità biochimica. Il chimico americano V. Du Vigneaud ha annunciato la raggiunta sintesi della penicillina G (II).
Le diverse penicilline si trovano in genere variamente mescolate nelle comuni preparazioni del commercio anche notevolmente pure. Esse hanno differente stabilità. Oggi tuttavia, come si dirà, si è riusciti a isolare e a produrre in forma assolutamente pura la penicillina G (II) (sale sodico), incolora, notevolmente stabile al calore e alla conservazione, priva di effetti secondarî alla somministrazione.
L'efficacia antibiotica delle diverse penicilline non è la stessa, né è ugualmente distribuita secondo le varie specie microbiche (spettro dell'antibiotico); le differenze tuttavia non sono molto grandi. In genere si considera la penicillina G (II) come più efficace ed è infatti oggi universalmente usata, anche per la sua maggiore stabilità. Sembra che anche la penicillina X (III) sia notevolmente stabile e molto efficace in infezioni gonococciche.
Fabbricazione della penicillina. - Prima del riconoscimento e dell'isolamento della penicillina G (II) la fabbricazione della penicillina costituiva un problema molto arduo per la instabilità della sostanza, la sua deteriorabilità in presenza di metalli pesanti o di sostanze ossidanti, la necessità di concentrare senza elevazione della temperatura ingentissime quantità di liquido, la necessità di mantenere sterile il prodotto in tutte le varie fasi della fabbricazione. La maggiore stabilità della penicillina G (II), la selezione di ceppi di Penicillium (e di terreni idonei), grandi produttori di questo tipo di penicillina, il perfezionarsi della tecnica hanno reso la produzione industriale della penicillina molto più agile. Comunque le fasi essenziali della preparazione sono le stesse, e cioè: 1) preparazione del terreno di coltura per il Penicillium; 2) sterilizzazione del terreno stesso; 3) preparazione delle sospensioni di spore del Penicillium e loro insemenzamento; 4) incubazione; 5) raccolta del liquido di coltura, 6) sua purificazione e concentrazione; 7) essiccamento o cristallizzazione; 8) confezione.
Il terreno di coltura si prepara sinteticamente secondo la formula di Czapek-Dox, che è in sostanza quella di un terreno zuccherino; vi si aggiunge però un prodotto secondario dell'industria del mais (chiamato dagli Americani corn steep liquor) che aumenta circa dieci volte la produzione di penicillina. Naturalmente tale terreno deve essere sterilizzato, e sterile deve mantenersi il prodotto in tutte le successive manipolazioni. Come sarà detto più avanti alcuni germi di inquinamento producono una sostanza enzimatica, la penicillinasi, che distrugge la penicillina. I ceppi di Penicillium adatti alla produzione di penicillina, e soprattutto alla produzione di penicillina G (II), sono continuamente studiati e selezionati. Il P. chrysogenum è una delle specie migliori. Si impiega oggi il metodo delle "colture sommerse", anziché quello delle colture in superficie, perché di maggior rendimento; il metodo richiede particolari accorgimenti, tra cui una costante agitazione ed aereazione per gorgogliamento attraverso il liquido dei grandi recipienti (da 9000 a 45.000 litri) dove si coltiva la muffa che è un organismo aerobio obbligato. Durante l'incubazione in coltura sommersa della muffa si ha un certo sviluppo di calore dovuto ai processi fermentativi, calore che è utilizzato per avviare la fermentazione di successivi lotti di colture. Dopo l'incubazione il liquido di coltura che si è arricchito di penicillina viene raccolto, filtrato e concentrato. La purificazione si fa mediante adsorbimento su mezzi varî con i quali si realizza inoltre un'ulteriore concentrazione. Il sale sodico puro della penicillina viene infine cristallizzato ed essiccato col metodo dell'essiccamento in congelazione, che consiste nel congelare il materiale in strati sottili e sottoporli contemporaneamente ad alto vuoto in modo che l'acqua sublimi dallo stato solido (ghiaccio), cioè senza che la penicillina sia sottoposta ad una temperatura superiore a 0 °C. Il prodotto secco viene pesato e titolato (v. più oltre) e distribuito in flaconcini sterili.
Proprietà biologiche e farmacologiche della penicillina. - La penicillina è un potente batteriostatico e battericidico verso numerosi germi patogeni e non patogeni; altri germi, invece, non vengono influenzati da essa. I Gram-positivi sono in genere più sensibili dei Gram-negativi (v. batterio, in questa App.).
Nella seguente tabella sono raggruppati i principali microrganismi sensibili e quelli insensibili all'antibiotico, secondo le più recenti esperienze, con l'indicazione delle principali malattie da essi prodotte.
Per saggiare l'attività della penicillina sui diversi germi o sui diversi ceppi di una stessa specie (per es., quelli che si isolano da ammalati di malattie infettive) si può usare il sistema delle piastre di agar nel quale sia scavata una doccia dove si pone una soluzione di penicillina o altro agar contenente penicillina. Perpendicolarmente alla doccia si insemenzano in strisce parallele i diversi ceppi di germi; una di queste strisce deve esser fatta con lo stafilococco standard, già usato dal Fleming nelle sue ricerche (Staph. aureus Oxford N. T. C. 6571 A e N. T. C. 6718) o, comunque, con un ceppo noto riguardo alla sua sensibilità alla penicillina. A seconda del diverso grado di batteriostasi determinato dalla penicillina nelle varie specie o ceppi, si vedranno arrestarsi le colonie lungo le strisce a distanze diverse dalla doccia da cui diffonde la penicillina, in modo che la diversa lunghezza delle strisce stesse, dopo incubazione, dà una chiara idea della distribuzione dell'effetto batteriostatico (e battericidico) nei diversi ceppi, cioè una buona dimostrazione di ciò che viene chiamato lo spettro batteriostatico della penicillina.
Alcuni germi sono insensibili alla penicillina perché intrinsecamente refrattarî all'azione batteriostatica dell'antibiotico, altri sono resistenti in quanto producono una sostanza enzimatica, la penicillinasi, che distrugge la penicillina. La Ps. aeruginosa (o pyocyanea) è, per es., un attivo produttore di penicillinasi ed è, quindi, di tutti i possibili inquinamenti secondarî di una soluzione di penicillina o di una superficie già infetta o in via di trattamento, uno dei più temibili perché annulla ogni effetto dell'antibiotico.
Molto discusso è ancor oggi se si può sviluppare una penicillino-resistenza, in germi già penicillino-sensibili, per adattamento (o selezione di ceppi già naturalmente resistenti presenti nella popolazione in esame) all'antibiotico. Tale fenomeno, accertato riguardo ai solfonamidici e ad altri antibiotici, come la streptomicina, non è ancora sicuramente dimostrato in vitro per la penicillina. Tuttavia i clinici osservano che sono costretti ad aumentare progressivamente le dosi dell'antibiotico per ottenere i noti portentosi effetti terapeutici della penicillina contro alcune malattie, particolarmente contro la blenorragia e la sifilide.
Alcuni germi dimostrano una notevole sensibilità alla penicillina in vitro ed una molto minore in vivo; in genere si tratta di germi che in vivo agiscono prevalentemente per mezzo di tossine, mentre si localizzano abbastanza a parte rispetto al circolo sanguigno (per es., bacilli del tetano e della difterite).
Il meccanismo d'azione della penicillina sui germi sensibili non è ancora sufficientemente chiarito. Appare accertato che essa agisce sui germi nella fase della loro moltiplicazione. Infatti, l'azione della penicillina su una sospensione di germi ha un periodo di latenza che corrisponde al tempo medio di generazione, dimostrandosi con ciò che occorre che i germi si moltiplichino tutti almeno uno per volta per aversi completa batteriostasi (E. Bonetti e G. Giunchi). Dal punto di vista biochimico si sono constatate relazioni tra penicillino-sensibilità e capacità metaboliche dei rispettivi germi. Sono constatazioni ancora frammentarie riguardanti il metabolismo dell'acido glutammico, dell'acido nucleico, della cisteina e di altri composti con gruppi sulfidrilici ed aminati. Su questi ultimi è oggi particolarmente rivolta l'attenzione.
Le penicilline sono composti relativamente instabili. Più stabili sono, come si è detto, la penicillina G (II) e la penicillina X (III). Il calore, azioni ossidanti, la presenza di metalli pesanti e di composti chimici contenenti gruppi-SH inattivano la penicillina; anche il soggiorno alla temperatura ambiente delle soluzioni di penicillina le inattiva lentamente. Allo stato cristallino è molto più stabile.
Somministrata per via parenterale la penicillina non provoca alcun danno di rilievo ai tessuti e all'intero organismo, salvo rari e lievi fenomeni di ipersensibilità dovuti principalmente alle impurità che permanevano nelle prime preparazioni farmacologiche. La penicillina viene però rapidamente eliminata per via renale e la sua concentrazione nel sangue e quindi nei tessuti si abbassa rapidamente dopo la somministrazione.
Per determinare il titolo della penicillina in una data soluzione o nel sangue o in altri liquidi organici si possono usare varî metodi. Per quel che riguarda il titolo delle soluzioni di penicillina si usa a preferenza il sistema delle piastre di agar insemenzate con lo stafilococco standard e sulle quali sono applicati a varia distanza dei piccoli segmenti di tubo di vetro o di porcellana in modo da determinare dei pozzetti per contenere le soluzioni di penicillina in esame. Dei loculi a pozzetto possono anche essere determinati perforando direttamente lo spessore dell'agar con un tagliente cavo cilindrico sterile. Dopo incubazione si misura la potenza in antibiotico delle soluzioni in esame dal diametro dell'area circolare di batteriostasi che si manifesta tutt'intorno al centro di diffusione della penicillina (pozzetto). È facile il confronto con una soluzione standard di penicillina. Si definisce come unità internazionale di penicillina (Unità Oxford) la quantità di penicillina che, disciolta in 50 cc. di brodo, arriva ad inibire lo sviluppo dello stafilococco. Oggi che si hanno a disposizione penicilline pure cristallizzate si può misurare la potenza delle loro soluzioni sulla base del quantitativo in peso dell'antibiotico presente. Una Unità Oxford contiene 0,0006 mg. di sale sodico puro di penicillina G (II).
Per determinare la penicillina nel siero di sangue, negli essudati e in altri liquidi organici di ammalati sotto trattamento penicillinico, operazione importante per il controllo della terapia che deve assicurare un determinato livello di penicillina nel sangue e nei distretti infetti, si può egualmente seguire il metodo delle piastre e dei pozzetti ora descritti; tuttavia in questo caso sono di particolare utilità micrometodi atti a svelare il contenuto in penicillina di frazioni di cm3 (per es. 1/40 di cm3) di siero. A tale scopo si usano cellette piane costituite da due vetrini paralleli (o anche tubicini capillari) e lutati in cui si pongono soluzioni del siero con il germe indicatore estremamente disperso in modo da poterne in seguito agevolmente contare le colonie; dal numero di queste (che può essere anche zero) si deduce il titolo in penicillina del materiale usato. Per questi micrometodi, specie per quello dei tubicini capillari, si può anche usare come germe indicatore lo streptococco emolitico che appunto con l'emolisi denuncia il suo sviluppo. Spesso può esser conveniente saggiare il contenuto in penicillina dei liquidi organici confrontandoli direttamente col germe e il ceppo responsabile della malattia in questione. Comunque, altri accorgimenti tecnici sono stati usati e sono tuttavia in sviluppo a questo proposito.
Uso e preparazioni di penicillina a scopo terapeutico. - La penicillina si usa: a) per via parenterale (endovenosa, endomuscolare), sia con iniezioni intermittenti, sia per iniezione continua a gocce; b) per applicazione locale (irrigazioni, collirî, polveri, pomate) o iniezioni in cavità chiuse naturali o neoformate (rachide, articolazioni, ascessi, ecc.); c) per inalazione (aereosolî); d) per via orale (pochissimo efficace perché l'antibiotico è facilmente distrutto dai succhi gastrici). Data la facile e rapida eliminazione della penicillina per via renale il medico deve accertarsi di mantenere alto il livello di concentrazione del farmaco nel sangue o comunque nella zona infetta. Ciò si ottiene con le ripetute somministrazioni, con l'introduzione continua, con le alte dosi. Recentemente sono stati studiati mezzi per ritardare l'assorbimento della penicillina dal luogo della iniezione (sospensione in olio di arachidi e cera d'api) al fine di evitare le ripetute iniezioni o la somministrazione continua a gocce, e mezzi per diminuire la velocità di escrezione del farmaco.
Risultati nella profilassi e nella terapia delle malattie infettive. - In alcune malattie l'effetto terapeutico e profilattico della penicillina è portentoso; come profilattico contro l'infezione delle ferite la penicillina è stata largamente sperimentata durante la guerra ottenendo in certi distretti completa profilassi o solo lieve infezione in oltre il 90% dei casi. Anche le ferite già infette beneficiano moltissimo, per il loro decorso, della terapia penicillinica, dimostrando un netto vantaggio rispetto ai solfonamidici, che, tuttavia, spesso vengono associati all'antibiotico. Buoni risultati si sono ottenuti anche nelle ferite infette dal germe della gangrena gassosa, prima quasi sempre mortali.
Tra le infezioni generali curabili con la penicillina vanno in primo luogo ricordate le sepsi streptococciche e stafilococciche, specie se non coesistono localizzazioni endocardiche; le infezioni puerperali, la spirochetosi itteroemorragica o morbo di Weil, il carbonchio. Non beneficiano, invece, della terapia penicillinica il tifo, la melitense, la malaria, quasi tutte le malattie da virus e da rickettsie. L'endocardite batterica subacuta può essere efficacemente curata, ma occorrono quantità notevoli dell'antibiotico e somministrate a lungo; il caso è poi pressoché disperato se presenta una setticemia concomitante; in ogni modo appare oltremodo utile, in questi casi di endocardite batterica subacuta, di stabilire la sensibilità del ceppo batterico in questione, isolandolo direttamente dal malato.
La terapia penicillinica risulta particolarmente importante per le infezioni polmonitiche e broncopolmonitiche (curabili bene, del resto, anche con i solfonamidici) e per le infezioni con suppurazione; queste ultime possono essere curate per via generale e per applicazioni locali. In generale, vale la regola che la penicillina in tanto agisce in quanto riesce a penetrare nei tessuti infetti. Questa penetrazione è difficile attraverso le membrane piogene e i tessuti necrotici non sanguificati. In questi casi, pertanto, occorre introdurre direttamente la penicillina nelle cavità purulente (ascessi, articolazioni, empiemi) previa aspirazione del pus.
La penicillina si usa come profilattico antinfettivo negli interventi chirurgici o per coadiuvare l'opera del chirurgo nelle affezioni chirurgiche settiche (otite, mastoidite, empiemi, ecc.). La meningite purulenta e gli ascessi cerebrali beneficiano moltissimo del trattamento penicillinico. Nelle malattie infettive oculari da germi penicillino-sensibili la penicillina si adopera sotto forma di collirio o per iniezioni sottocongiuntivali.
Vanno infine ricordate le malattie veneree, blenorragia e sifilide, ambedue curabili con grande successo con la penicillina per via generale. Nella blenorragia si ottiene rapida guarigione delle forme acute con una dose totale di 200.000-400.000 unità, somministrata in 12-24 ore. Per la sifilide (le conclusioni comparative rispetto ad altri tipi di terapia aspettano ancora di essere formulate) si adottano cicli curativi di diversa durata a seconda dello stadio (in genere è bene curabile la sifilide recente), nei quali cicli si associa la terapia arsenobenzolica e bismutica.
Anche in veterinaria la penicillina ha avuto ottimo impiego, per es., nella mastite dei bovini.
Bibl.: A. Fleming, Penicillin, its practical application, Londra 1946 (traduzione italiana di M. Aloisi e P. Buffa, Roma 1948); W. E. Herrell, Penicillin and other antibiotic agents, Filadelfia e Londra 1945; F. Sanga, Penicillina, streptomicina ed altri antibiotici, Firenze 1948.