Норман Хитли – неопеаниот херој на пеницилинската револуција

Историјата често ја памети науката преку симболични моменти: јаболкото на Њутн, светилката на Едисон, мувлата на Флеминг. Но зад тие иконични сцени стојат луѓе што не ја откриле идејата, туку ја направиле изводлива. Таков човек е Норман Џорџ Хитли (1911–2004) – биохемичарот без кого пеницилинот можеби ќе останел лабораториски куриозитетност, а не лек што спасил стотици милиони животи.

Додека Александар Флеминг во 1928 година го забележал антибактериското дејство на мувлата Penicillium notatum, патот од тоа набљудување до клинички применлив антибиотик бил долг, тежок и – пред сè – хемиски проблематичен. Токму тука започнува вистинската приказна за Норман Хитли.

Флеминговото откритие било концептуално револуционерно, но практично бесполезно во моментот на неговото објавување. Пеницилинот: - постоел во екстремно мали количини, - бил хемиски нестабилен, - не можел да се прочисти со тогашните методи, - немал стандардизирана мерка за активност.

Со други зборови, науката знаела дека нешто постои, но не знаела како да го користи. Кога Хауард Флори и Ернст Чејн во доцните 1930-ти решиле повторно да го отворат прашањето за пеницилинот, тие се соочиле со серија проблеми кои биле повеќе инженерски и биохемиски отколку медицински. Решението за тие проблеми дошло со Норман Хитли.

(2S,5R,6R)−3,3−диметил−7−oксо−6−[(2−фенилацетил) амино]−4−тиа−1−азабицикло[3.2.0] хептан−2−карбоксилна киселина

• бицикло [3.2.0]: Ова го опишува споениот систем од два прстени (четиричлениот бета-лактамски и петчлениот тиазолидински прстен).
• 4−тиа−1−азабицикло: Кажува дека во прстенот на позиција 4 има сулфур (thia), а на позиција 1 има азот (aza).
• 3,3−диметил: Две метил групи на третиот јаглероден атом.
• (2S,5R,6R): Ова се хиралните центри кои ја одредуваат 3D формата на молекулата (стереохемијата). Ако оваа ориентација се промени, лекот повеќе нема да работи бидејќи нема да може да се „заклучи“ во ензимите на бактеријата.

Пеницилинот припаѓа на групата бета-лактамски антибиотици. Неговото срце е четиричлениот бета-лактамски прстен – структура со голем напон, исклучително подложна на хидролиза. Мали промени во pH, умерено загревање или груби методи на прочистување доведувале до распаѓање на молекулата и губење на антибактериската активност.

Пеницилинот делува така што го блокира создавањето на клеточниот ѕид на бактериите. Тој се врзува за ензимите што го градат пептидогликанот и го спречува неговото вкрстување, со што ѕидот станува слаб и нестабилен. Под дејство на внатрешниот притисок, бактеријата пука и умира, особено за време на делењето. Човечките клетки остануваат недопрени, бидејќи немаат клеточен ѕид од пептидогликан.

Што конкретно лекува:

• Стрептококни инфекции: ангина (грлоболка), шарлах, стрептококни инфекции на кожа
• Пневмонија (од чувствителни соеви)
• Сифилис -  и денес е лек од прв избор
• Инфекции на кожа и меки ткива, рани
• Инфекции на заби и усна шуплина (од чувствителни бактерии)
• Менингитис (во минатото, кај чувствителни соеви)
• Сепса (пред појавата на резистенција)
• Важно е: не делува на вируси.

Во 1930-тите, хроматографијата била во зачеток, а лиофилизацијата сè уште не била рутинска техника. Повеќето класични методи за изолирање на органски соединенија биле неприменливи. Хитли сфатил дека проблемот не е само во количината, туку во финото балансирање меѓу хемија и биологија.

Хитли тргнал од фундаментално хемиско сознание: пеницилинот е слаба органска киселина. Тоа значи дека неговата растворливост драматично зависи од pH вредноста на средината. Врз основа на ова, тој развил метод на контраструјна екстракција, кој претставувал вистински инженерски подвиг за тоа време.

Принципот на методот

1. Закиселување на ферментационата течност – т.н. „чајот од мувла“ се доведувал до кисела средина, при што пеницилинот преминувал во нејонизирана форма.
2. Екстракција со органски растворувач – во оваа состојба, пеницилинот станувал растворлив во органски фази како амил-ацетат или диетил-етер.
3. Бек-екстракција – органската фаза потоа се мешала со слабо алкална вода, при што пеницилинот повторно преминувал во водена фаза, но овојпат значително поконцентриран и почист.

Целиот процес морал да се одвива: - на температури блиску до 0 °C, - со минимално време на контакт,  со континуиран проток.

Хитли сам дизајнирал и изработил стаклена апаратура што овозможувала ваква континуирана екстракција – практично првиот специјализиран систем за биохемиско прочистување на антибиотик.

Керамички биореактори: индустрија од воена сиромаштија

Решението биле правоаголни керамички садови со: - мал волумен (~1 литар), - прецизно дефинирана длабочина на течноста (1,5–2 cm), - максимална површина изложена на воздух.

Производството на пеницилин не било само хемиски, туку и биолошки проблем. Penicillium notatum е аеробна мувла која расте на површината на течноста. За разлика од бактериските култури, длабоките ферментации биле неефикасни.

Хитли пресметал дека за третман на еден пациент се потребни илјадници литри културна течност. Во услови на Втората светска војна, кога стаклото и металот биле стратешки материјали, тој морал да импровизира.

Овие садови биле распоредувани на полици, илјадници на број, претворајќи цели простории во примитивни, но ефикасни биореактори. Ова бил директен претходник на индустриското производство на антибиотици.

Откритието било во вистинско време и спасило стотици илјади животи само за II светска војна

Мерење на невидливото: Оксфордската единица

Еден од најголемите практични проблеми бил: како да се измери јачината на лек што не може хемиски да се квантифицира?

Хитли го развил т.н. cup-plate assay – биолошки тест базиран на инхибиција на растот на бактерии.

Процедурата вклучувала: - агар плочи засеани со чувствителни бактерии, - мали цилиндри исполнети со раствор од пеницилин, - мерење на дијаметарот на зоната без бактериски раст.

На оваа основа, Хитли ја дефинирал Оксфордската единица за пеницилин, првата стандардизирана мерка за биолошка активност на антибиотик. Ова овозможило контролирано дозирање и безбедна клиничка примена.

Во 1941 година, пеницилинот бил толку редок што:  „Целото светско производство можело да се собере во едно шише парфем.“

Кај првите пациенти, лекот бил толку скапоцен што Хитли и неговиот тим го собирале пеницилинот од урината на пациентите, го прочистувале и повторно го користеле. Оваа сцена, денес речиси незамислива, ја покажува драматичната фаза во која науката и очајот оделе рака под рака.

Норман Хитли е роден во Вудбриџ, Англија, во 1911 година. Докторирал на Универзитетот Кембриџ во 1936 година, специјализирајќи микроаналитички биохемиски методи. Неговата способност за практична импровизација – она што Французите го нарекуваат bricolage – станала легендарна во Оксфорд.

Иако не ја добил Нобеловата награда во 1945 година (која им припаднала на Флеминг, Флори и Чејн), Хитли останал во академијата, продолжувајќи да работи на ензими и други антибиотици. Дури во доцните години добил пошироко признание, вклучувајќи почесен докторат од Оксфорд.

Приказната за Норман Хитли е потсетник дека научниот напредок ретко е дело на еден генијален момент. Тој е резултат на трпелива работа, техничка генијалност и луѓе кои знаат да ги решаваат проблемите што другите не ги гледаат.

Флеминг ја открил идејата. Флори и Чејн ја докажале науката. Хитли го овозможил животот.

Неговото наследство не се мери во медали и награди, туку во милијарди спасени човечки животи – тивко, без слава, но со трајно место во историјата на медицината и хемијата.

Во идеален и праведен свет, распределбата на заслугите би требало да биде ваква: Нобелова награда за откритието на пеницилинот на Флеминг и Нобелова награда за развојот на методите за негово масовно производство на Флори, Чејн и Хитли.