發現青黴素、以及青黴素對不同傳染病的療效

前言：

自古以來，傳染病就是人類的大敵。一代一代的科學家在傳染病的預防和治療方面做了不懈努力。後來研究發現細菌是傳染病的罪魁禍首，於是人們都千方百計尋找殺死傳染病細菌的新藥。直到青黴素被發現，傳染病幾乎無法治療的時代自此成為歷史，人類的平均壽命也得以延長。

發現青黴素的是英國細菌學家亞歷山大·弗萊明。1928年，弗萊明在檢查培養皿時發現，在培養皿中的葡萄球菌由於被污染而長了一大團黴，而且黴團周圍的葡萄球菌被殺死了，只有在離黴團較遠的地方才有葡萄球菌生長。通過鑒定，弗萊明知道了這種黴菌屬於青黴菌的一種，於是，他把經過過濾所得的含有這種黴菌分泌物的液體叫做“青黴素”。

1935年，英國病理學家弗洛裏和僑居英國的德國生物化學家錢恩合作，研究青黴素的性質、分離和化學結構，解決了青黴素的濃縮問題。當時正值二戰期間，青黴素的研製和生?轉移到了美國。青黴素的大量生?，拯救了千百萬傷病員，成?第二次世界大戰中與原子彈、雷達並列的三大發明之一。

這一造福人類的貢獻使弗萊明、錢恩和弗洛裏共同獲得了1945年諾貝爾生理學和醫學獎。青黴素的發現是人類發展抗菌素歷史上的一個里程碑。直到今天，它仍是流行最廣、應用最多的抗菌素。青黴素能殺滅各種病菌，還可以治療各種炎症。而且它對人體幾乎沒有毒性。因此除了極少數對青黴素過敏的人，大多數病人都能借助青黴素恢復健康。

正是青黴素的發現，引發了醫學界尋找抗菌新藥的高潮，人類進入了合成新藥的時代。

Fig. 1 圖由左至右為Sir Alexander Fleming；Ernst Boris Chain；Sir Howard Walter Florey

內容：

很多人問penicillin的命名由何而來，乃是因其由penicillium抽取出來，如同許多年前，digitalin這個字的發明也是因為其從植物digtalis中提煉而來。對一位微生物學者來看，微生物間的一物剋一物是相當司空見慣，而由其發展產生的抗生素也相當廣為人知。

1928 年Alexander Fleming在英國倫敦聖瑪麗醫院（St. Mary's Hospital）任職時，注意到實驗室培養皿中的葡萄球菌（Staphylococcus spp.）生長現象被一種青綠色的黴菌（Penicillium notatum）所抑制。Fleming因此推測 Penicillium notatum的分泌物具有抑制細菌生長的功效，並將觀察到所得的現象發表在1929年的英國實驗病理學期刊。

1922年，佛萊明形容lysosome為一對細菌有強大分解功效的一抗菌酵素，一層厚厚的細菌懸浮液會在加入人類眼淚或蛋白之後，僅僅幾秒就被分解乾淨。若在agar plate上以lysosome的內含物劃上一道，則其附近都不會有細菌生長。但是，會對lysosome有強烈反應的微生物大多不會感染人類，其應用在治療方面並沒太大用處，然而其技術卻對penicillin的研究有相當大的影響。

最初的penicillin是在培養葡萄球菌的dish中的黴菌裡頭發現的，在黴菌周圍有一圈澄清帶（Fig2），於是將此黴菌取下做pure culture並對其特性做研究。

Fig. 2 青黴菌菌落附近的葡萄球菌被溶解

此黴菌後來經證實為青黴菌，將其在室溫下培養在培養皿中4~5天，以劃線法在培養皿上接種不同的菌株，有的直直地依著劃線的方向生長不受影響，有的則在距離好幾公分處就被抑制住了，這證明了青黴菌釋放出來的抗細菌物質對不同菌有不同影響，有的甚至毫無影響。

Fig. 3 不同細菌朝青黴菌輻射狀劃線培養

1葡萄球菌、2鏈球菌、3-6桿菌

之後又做了一個實驗，利用相似的方法來比較 lysosome 和 penicillin，其結果如下：

Fig. 4 Lysoome 與 Penicillin 之間的比較

其中lysosome和penicillin的作用，其差異在許多對人類的傳染源都對青黴素敏感，於是又找了許多種的細菌來作測試，發現有很多常在人類氣管發現的球菌都對penicillin都有反應。

接著Alexander Fleming又以penicillin來測試微生物間的對立性。將一張白紙置於陪養皿上，營養物質會擴散到這白紙上，使得有色的菌株也能生長在這白紙上而觀察之。在Fig5中，penicillin會去抑制葡萄球菌，而葡萄球菌又會去抑制桿菌，故有了結果如下：

Fig. 5 細菌間的對立性

之後Alexander Fleming又作了許多相關的實驗，包括penicillin的擴散率等，他隨即遇到一個問題：penicillin的純煉。雖然說phenol對細菌的毒性並沒有像對leucocyte一樣強，但penicillin仍然是很容易被摧毀的，由於Fleming的專長為細菌學，故他沒有再就penicillin的提煉做進一步的嘗試。1935年，英國病理學家弗洛裏和僑居英國的德國生物化學家錢恩合作，重新研究青黴素的性質、分離和化學結構，終於解決了青黴素的濃縮問題。

Fig. 6 Phenol對於Leucocyte的毒性比起對細菌的還要打得多

實驗中，Florey 和 英國的Ernst Boris Chain 先將八隻老鼠注入致死劑量的細菌，其中四隻追加可能含有抗菌的物質，其中包括Fleming的粗培養液。結果發現，只有注射粗培養液的老鼠存活。另外，Florey和Chain成功地從粗培養液中純化出penicillin。之後，又進行實驗證實penicillin能保護動物體免於細菌感染的威脅；緊接著Florey和Chain將penicillin順利量產。最後Fleming、 Florey及Chain三人因為發現penicillin及其治療感染性疾病的功效，而在1945獲得諾貝爾生理醫學獎。

感言：

Fleming發現青黴菌生成之青黴菌的過程彷彿就是由一連串過程所構成的，說他運氣真得很好也是沒錯，但看到那一個過期培養皿的應該絕不只Fleming一個人，為何只有他注意到這一點點蛛絲馬跡呢？所以說上天並不會幫助沒有準備的人，如果自己沒有兩下子，成功也不會從天而降的。

有件事我也很在意，就是關於Fleming在演講稿中最後提到的，關於penicillin用量的多少問題，他在文中說若給予的劑量不夠殺死細菌，則有可能引發突變產生具抗藥性的亞種。在我所察到的資料有提到：在1942卻發現了許多對penicillin具有抗性的亞種，往後的16年當中陸續發許多抗藥性的菌株，　　1968年在德國有112,000感染志賀菌(Shigella)的病例造成之15,000人死亡，期間使用了chlroamphenical、tetracycline、streptomycin、sulfoamide，此菌逐一產生了抗性， 1972年在墨西哥因Salmonella thyphi造成傷寒大流行，有100,000感染病例，最造成14,000人死亡，期間投以多種抗生素均不具療效，Hamemophilus influenze會引起小兒肺炎、中耳炎及呼吸到感染種疾病，亦對多種抗生素具有抗性，後來研究發現這些菌株帶有R質體(R plamid)，因R質體上具有多種抗生素分解脢基因，產生抗生素分解脢分解抗生素，因此可抵抗多種抗生素。

而在1995年的小說「Ebola」和「The Hot Zone」、電影「Outbreak」，以人類對抗變種病毒的征戰為主題，敘述科學家必需在最短時間內消滅變種病毒，否則人類就有滅亡的危機。可怕的是，這些故事情節已成為人類活生生的惡夢。以造成出血熱的伊伯拉病毒為例，從1995年起伊伯拉病毒便陸續在非洲的Zaire、Gabon奪走數百條人命，成為轟動全球的新聞。更糟糕的是，從非洲進口的猴子，因帶有Ebola Virus因此到了美國德州實驗室造成工作人員感染而致死。

由於前人的研究貢獻，讓人類因為抗生素而受惠，讓人類有幸擺脫疾病的糾纏。但是人類濫用抗生素的後果，似乎又讓我們回到了原點。為了避免惡夢成真，我們必須深思，將來我們的醫療將從何發展？該如何使用我們現有的藥劑？

補充：

抗生素
Antibiotic

抗生素為微生物所產生的物質,使其能殺死或抑制微生物的生長或繁殖,它們的作用機轉為:

1. 抑制細胞壁的合成

2. 做用在細胞膜

3. 抑制蛋白質的合成

4. 葉酸的合成

5. 抑制DNA的合成

6. 抑制DNA-dependent RNA polymerase

7. 抑制核酸的合成

Penicillins：盤尼西林（青黴素）

1. 演進及分類：Penicillins 會抑制細菌細胞壁的合成，尤其是對於增殖分裂期的細菌效果最好。

盤尼西林類抗生素的演進及分類如下所示：

Penicillin G →Semisynthetic Penicillins → Aminopenicillins →Carboxypenicillins → Ureidopenicillins。◆ Penicillin G, Penicillin V.

◆ Aminopenicillins e.g. Ampicillin, Amoxicillin

◆ Semisynthetic penicillins e.g. methicillin, nafcillin, oxacillin

◆ Carboxypenicillins e.g. carbenicillin & ticarcillin

◆ Ureidopenicillins e.g. mezlocillin, azlocillin, piperacillin

2. 細菌對盤尼西林產生抗藥性的原因

在適當的濃度下使用Penicillins 具有良好的殺菌作用；但使用不當的濃度可能只會產生抑菌作用，其主要原因在於：

◆ Penicillins會抑制細菌細胞壁pentaglycine[(Gly)5]單元體的連結反應，因而抑制peptidoglycan layer的形成，破壞了細菌細胞壁的結構，而達到殺菌的功效。

◆ 某些細菌為了生存、便演化成能夠分泌bata-lactamase的菌種，以避免Penicillins的殺菌作用。

3. 作用：抑制細菌細胞壁mucopeptide的合成,而在適當的濃度下具有殺菌作用。臨床　 上可用於治療:骨髓炎、腹膜炎、肺炎、蜂窩組織炎、腦膜炎、心內膜炎、丹毒、猩紅熱、肋膜炎、梅毒、淋菌感染、放射菌病、白喉、破傷風及其他局部感染疾病。

4. 副作用：會有過敏性反應產生;輕微者皮膚起疹或出現蕁麻疹,嚴重者產生無防禦性休克甚至死亡。

藥動學

‧吸收：除 amoxicillin 外，口服 penicillins 的吸收皆受食物的影響。口服後 1-2 小時可達到最高血中濃度。

‧分佈：Penicillins 會與血中蛋白質結合，能廣泛分佈於組織及組織液中，包括腎、肝、肺、心、皮膚、滑液 (synovial fluid)、腸道、膽汁、腹膜液、氣管、傷口分泌物、骨骼、前列腺等。腦及眼部只在發炎時才能達到治療濃度。Penicillins 可通過胎盤。

‧排泄：Penicillins 大部份經由腎小球過濾及腎小管分泌，以原型藥由尿液排出，小部份經由肝臟代謝及排泄 (oxacillin 除外)。Probenecid 會抑制或延緩 penicillins 的腎小管分泌；嬰兒及初生兒的排泄通常較慢。大部份 penicillins 的血中半衰期皆很短 (< 1 小時)，ampicillin 稍長。腎功能不全的病人半衰期較長，oxacillin 與 dicloxacillin 因為肝臟代謝及膽道排泄比例較高而不太受影響。

Reference：

1. http://www.nobel.se/

2. http://www.health.nsysu.edu.tw/fdaglobe/acp_001.htm#11

3. http://science.scu.edu.tw/micro/1024/learn/02micro_bio/chao000/chao012.htm

4. http://home.kimo.com.tw/j.acky/Ab/antibiotic.htm

5. http://www.zhengwunet.org/zhengwunet/article/2001/10/23/319p.html

本網頁內容由 生科系 郭裕民同學提供