CHƯƠNG 10 CÁC LOẠI THUỐC DIỆU KỲ
CÓ LẼ WILLIAM PERKIN sẽ không ngạc nhiên khi biết rằng phản ứng tổng hợp thuốc nhuộm màu tím hoa cà của mình đã trở thành nền tảng của ngành thương mại thuốc nhuộm. Xét cho cùng, ông đã tin chắc rằng việc sản xuất loại thuốc nhuộm này sẽ mang lại lợi nhuận, đã thuyết phục được cha hỗ trợ tài chính để thực hiện mơ ước của mình - và ông đã vô cùng thành công trong suốt cuộc đời. Nhưng ắt hẳn ông đã không hình dung được di sản ông để lại bao gồm cả sự ra đời và phát triển của một ngành mới xuất phát từ công nghiệp thuốc nhuộm: dược phẩm. Là một nhánh trong ngành tổng hợp hóa chất hữu cơ, lĩnh vực dược phẩm đã trở nên vượt trội so với lĩnh vực thuốc nhuộm, thay đổi hoàn toàn công việc chữa trị trong y khoa, và cứu sống hàng triệu mạng người.
Năm 1856, khi Perkin tổng hợp được phân tử thuốc nhuộm màu tím hoa cà, tuổi thọ trung bình của người dân tại Anh chỉ vào khoảng bốn mươi lăm. Con số này không thay đổi nhiều trong suốt thời gian còn lại của thế kỷ 19. Vào đầu thế kỷ 20, tuổi thọ trung bình của người dân tại Mỹ là khoảng bốn mươi sáu đối với đàn ông, và bốn mươi tám đối với phụ nữ. Một thế kỷ trôi qua, con số này đã tăng lên bảy mươi hai đối với đàn ông và bảy mươi chín đối với phụ nữ.
Để có được sự tăng tuổi thọ vô cùng mạnh mẽ này, đặc biệt là sau nhiều thế kỷ với tuổi thọ rất thấp, đã có một điều kỳ diệu nào đó xảy ra. Một trong những yếu tố chính của việc tăng tuổi thọ chính là sự ra đời của các phân tử hóa dược trong thế kỷ 20, đặc biệt là các hợp chất mầu nhiệm được gọi là thuốc kháng sinh. Hàng ngàn hợp chất dược khác nhau đã được tổng hợp trong thế kỷ vừa qua, trong đó hàng trăm hợp chất đã đóng vai trò thay đổi cuộc sống của rất nhiều người. Chúng ta sẽ chỉ xem xét khía cạnh hóa học và sự phát triển của hai loại dược phẩm: phân tử aspirin có tác dụng giảm đau, và hai ví dụ về thuốc kháng sinh. Lợi nhuận từ aspirin đã thuyết phục các công ty hóa chất về tương lai rực rỡ của các dược phẩm; các loại thuốc kháng sinh đầu tiên - thuốc sulfa và penicillin - vẫn còn được sử dụng đến tận ngày nay.
Trong hàng ngàn năm, các loại thảo dược đã được dùng để chữa trị các vết thương, điều trị bệnh tật và giảm đau. Mỗi nền văn minh đều sáng tạo ra những phương thuốc truyền thống độc đáo, rất nhiều trong số đó là những hợp chất vô cùng hữu ích, hoặc được biến đổi hóa học để tạo ra các dược phẩm hiện đại. Quinine, hợp chất thu được từ vỏ cây cinchona ở Nam Mỹ và được thổ dân da đỏ tại Peru sử dụng để điều trị các cơn sốt, hiện nay vẫn được dùng làm thuốc chống sốt rét. Phương thuốc chứa lá cây mao địa hoàng, vẫn được kê như một loại thuốc trợ tim đương đại, đã được sử dụng từ rất lâu ở các nước Tây Âu để điều trị các cơn đau tim. Tính năng giảm đau của chất nhựa từ vỏ hạt của cây anh túc đã được cả châu Âu và châu Á biết đến, và hợp chất morphine chiết tách từ loại vỏ hạt này vẫn đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật giảm đau.
Tuy vậy, hầu như không có phương thuốc hữu hiệu nào được biết đến trong suốt chiều dài lịch sử để điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn. Cho đến khá gần đây, ngay cả một vết thương hoặc vết cắt nhỏ cũng có thể đe dọa mạng sống của con người nếu nó bị nhiễm khuẩn. Khoảng một nửa số binh sĩ bị thương trong cuộc nội chiến Mỹ đã chết vì bị nhiễm khuẩn. Nhờ vào quy trình khử trùng và những phân tử như phenol, tỷ lệ này đã giảm đáng kể trong Thế Chiến I. Nhưng mặc dù các chất sát trùng đã ngăn chặn được vấn đề nhiễm khuẩn trong phẫu thuật, chúng lại vô dụng một khi sự nhiễm khuẩn đã xảy ra. Cơn đại dịch cúm khủng khiếp năm 1918-1919 đã giết chết hơn hai mươi triệu người trên toàn thế giới, một con số lớn hơn rất nhiều so với số ca tử vong trong Thế Chiến I. Bản thân bệnh cúm là do virus gây ra, nhưng nguyên nhân thật sự gây tử vong là chứng viêm phổi thứ cấp do nhiễm khuẩn. Nhiễm các bệnh như uốn ván, lao, tả, sốt thương hàn, bệnh phong, lậu, hoặc bất cứ bệnh do nhiễm khuẩn nào, thường là bản án tử treo trên đầu người bệnh. Năm 1789, một bác sĩ người Anh, Edward Jenner, đã chứng minh được là có thể tạo ra sự miễn dịch nhân tạo cho cơ thể đối với virus đậu mùa, dù ý tưởng tạo cho cơ thể khả năng miễn dịch đã từng được đề cập đến ở một số quốc gia khác. Bắt đầu từ những thập kỷ cuối của thế kỷ 19, các phương pháp tương tự để tạo ra sự miễn dịch đối với các loại vi khuẩn khác cũng đã được nghiên cứu, và việc tiêm ngừa đã dần dần được thực hiện cho một số bệnh do nhiễm khuẩn. Đến những năm 1940, hai chứng bệnh đã là nỗi kinh hãi đối với lứa tuổi sơ sinh và trẻ em, sốt phát ban và bạch hầu, đã bị đẩy lùi ở những quốc gia có thực hiện các chương trình tiêm chủng.
Aspirin
Vào đầu thế kỷ 20, ngành công nghiệp hóa chất ở Đức và Thụy Sĩ đã thu được những lợi nhuận khổng lồ từ việc đầu tư sản xuất thuốc nhuộm. Nhưng sự thành công này không chỉ dừng lại ở mặt tài chính. Ngoài lợi nhuận bán hàng, các kiến thức về hóa học, cũng như kinh nghiệm trong kỹ thuật phản ứng hóa học quy mô lớn, và các kỹ thuật phân tách và tinh chế đều đã được phát triển và tích lũy, và trở thành những yếu tố then chốt để mở rộng ngành sản xuất hóa dược phẩm. Bayer and Company, công ty hóa chất của Đức đã sản xuất thuốc nhuộm aniline trong thời kỳ hoạt động ban đầu, là một trong những công ty đầu tiên nhận ra tiềm năng thương mại to lớn trong việc sản xuất các loại thuốc bằng hóa chất - đặc biệt là aspirin, hiện tại vẫn là loại thuốc được nhiều người sử dụng nhất trên thế giới.
Vào năm 1893, Felix Hofmann, một nhà hóa học làm việc tại Bayer, đã quyết định nghiên cứu tính chất của các hợp chất có liên quan đến salicylic acid, được tạo thành từ salicin, một phân tử có tính năng giảm đau được chiết xuất từ vỏ một loại cây trong họ liễu (Salix) vào năm 1827. Từ nhiều thế kỷ trước đó, người ta đã biết về đặc tính chữa bệnh của cây liễu và một số loài tương tự như cây dương. Hippocrates, vị bác sĩ vĩ đại của Hy Lạp cổ, đã dùng những dịch trích từ vỏ cây liễu để làm thuốc hạ sốt và giảm đau. Mặc dù trong cấu trúc của phân tử salicin có chứa một vòng glucose, nhưng các thành phần còn lại của phân tử này đã lấn át hoàn toàn vị ngọt khiến nó có vị rất đắng.
Phân tử salicin
Cũng như phân tử indican chứa glucose tạo ra thuốc nhuộm màu chàm, salicin có thể tách thành hai phần: glucose và salicyl alcohol, chất sau khi bị oxy hóa sẽ tạo thành salicylic acid. Cả hai phân tử salicyl alcohol và salicylic acid được phân loại là phenol bởi chúng đều có một nhóm OH gắn trực tiếp lên vòng benzene.
Salicyl alcohol Salicylic acid
Cấu trúc của các phân tử này cũng có điểm tương đồng với các phân tử isoeugenol, eugenol, và zingerone có trong tử đinh hương, nhục đậu khấu và gừng. Có lẽ đó là lý do salicin có tính năng diệt côn trùng tự nhiên để bảo vệ cây liễu. Salicylic acid cũng có thể được điều chế từ hoa của cây râu dê hay Spiraea ulmaria, một loại cây sống trên vùng đất ngập nước ở châu Âu và Tây Á.
Salicylic acid, thành phần hoạt tính của phân tử salicin, không chỉ có thể làm giảm các cơn sốt và cơn đau mà nó còn có tính năng kháng viêm. Salicylic acid có hoạt tính mạnh hơn salicin thiên nhiên, nhưng nó cũng gây kích ứng rất mạnh niêm mạc dạ dày, điều này làm giảm giá trị dược học của salicylic acid. Sự quan tâm của Hofmann đối với những hợp chất liên quan đến salicylic acid bắt nguồn từ sự lo lắng cho cha của ông, người mắc chứng bệnh viêm khớp mãn tính và salicin có tác dụng rất ít với căn bệnh này. Với hy vọng khả năng kháng viêm của salicylic acid vẫn được bảo toàn trong khi tính năng ăn mòn sẽ suy giảm, Hofmann đã cho cha mình dùng thử một dẫn xuất của salicylic acid - acetyl salicylic acid (ASA), đã được điều chế trước đó khoảng bốn mươi năm bởi một nhà hóa học người Đức khác. Trong phân tử ASA, nhóm chức acetyl (CH3CO) thay thế nguyên tử H trong nhóm OH của salicylic acid. Các phân tử phenol đều có tính ăn mòn cao, do vậy Hofmann có lẽ đã suy luận rằng khi chuyển hóa nhóm OH gắn vào vòng thơm thành nhóm acetyl, có thể xóa nhòa đặc tính gây kích ứng của các phân tử này.
Salicylic acid Acetyl salicylic acidMũi tên chỉ vị trí nhóm acetyl thay thế H trong nhóm OH của phenol
Thí nghiệm của Hofmann đã có kết quả rất tốt - cho cả cha của ông và công ty Bayer. ASA có hiệu quả điều trị cao và không gây tác dụng phụ. Hoạt tính kháng viêm và giảm đau của nó đã thuyết phục được Bayer, và vào năm 1899, công ty này bắt đầu đưa vào thị trường các gói nhỏ chứa bột “aspirin”. Tên gọi aspirin là sự kết hợp của ký tự a từ acetyl và spir từ Spiraea ulmaria. Aspirin trở thành cột mốc đánh dấu sự khởi đầu của Bayer trong vương quốc hóa dược, và gắn liền với tên tuổi của công ty kể từ lúc đó.
Khi aspirin trở nên càng lúc càng phổ biến, nguồn cung thiên nhiên của nguyên liệu salicylic acid - cây liễu và cây râu dê - đã không đáp ứng đủ nhu cầu trên thế giới. Một phương pháp mới tổng hợp salicylic acid từ phân tử phenol đã được nghiên cứu phát triển. Lượng aspirin được tiêu thụ tăng chóng mặt; trong Thế Chiến I, chi nhánh của Bayer tại Mỹ đã thu mua lượng phenol nhiều nhất có thể từ các nguồn cung cấp nội địa và quốc tế nhằm đảm bảo nguồn cung nguyên liệu cho sản xuất aspirin. Vì vậy, có lẽ những quốc gia cung cấp phenol cho Bayer đã hạn chế khả năng sản xuất picric acid (trinitrophenol), hóa chất dùng làm thuốc nổ cũng được sản xuất từ cùng nguyên liệu phenol (xem thêm chương 5). Chúng ta chỉ có thể suy đoán rằng những điều này có thể đã ảnh hưởng đến diễn tiến của cuộc chiến, nhưng dường như việc sản xuất aspirin đã làm giảm đáng kể sự phụ thuộc vào picric acid dùng trong đạn dược và đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc nổ trên cơ sở TNT.
Phenol Salicylic acid Trinitrophenol (picric acid)Ngày nay, aspirin là loại thuốc được sử dụng phổ biến nhất để điều trị bệnh tật và chấn thương. Có hơn bốn trăm loại dược phẩm có chứa aspirin, và mỗi năm khoảng 18.000 tấn aspirin được sản xuất tại Mỹ. Ngoài tính năng giảm đau, hạ sốt và giảm viêm nhiễm, aspirin còn có tính chất làm loãng máu. Một liều lượng nhỏ aspirin được khuyến cáo sử dụng để ngăn ngừa đột quỵ và chứng nghẽn tĩnh mạch sâu, một hiện tượng được gọi là “hội chứng ghế ngồi hạng phổ thông” thường xảy ra cho hành khách của các chuyến bay dài.
Chiến công của sulfa
Cũng vào khoảng thời gian Hofmann thử nghiệm trực tiếp với căn bệnh của cha - một quy trình thử nghiệm không được khuyến cáo - vị bác sĩ người Đức Paul Ehrlich cũng đang có những thử nghiệm của riêng mình. Ehrlich được coi là một nhân vật vô cùng lập dị, ông hút 25 điếu cigar mỗi ngày, và dành hàng tiếng đồng hồ trong quán rượu để tranh luận về các vấn đề trong triết học. Nhưng cùng với sự kỳ quái của mình, ông cũng có sự quyết tâm và tầm nhìn vô cùng sâu sắc đã mang về cho ông giải thưởng Nobel y học vào năm 1908. Mặc dù không có chuyên môn về hóa học thực nghiệm cũng như về ngành vi khuẩn học ứng dụng, Ehrlich đã nhận thấy những loại thuốc nhuộm từ hắc ín khác nhau chỉ nhuộm màu một số mô tế bào hoặc vi sinh vật nhất định. Ông lý luận rằng nếu một loài vi sinh vật hấp thụ thuốc nhuộm trong khi các loài vi sinh vật khác lại không, thì sự khác biệt này sẽ cho phép thuốc nhuộm có độc tính tiêu diệt loài vi sinh hấp thụ nó mà không ảnh hưởng đến các loài vi sinh khác, ông hy vọng có thể loại bỏ loài vi sinh vật gây bệnh trong khi vẫn giữ được phần mô cơ thể bị nhiễm. Ehrlich gọi lý thuyết của mình là cách tiếp cận “viên đạn kỳ diệu”, trong đó viên đạn kỳ diệu chính là phân tử thuốc nhuộm có thể nhuộm màu mục tiêu của nó.
Thành công đầu tiên của Ehrlich là với thuốc nhuộm đỏ trypan I, loại thuốc nhuộm đã hoạt động đúng với hy vọng của ông chống lại trùng mũi khoan (trypanosome) - một loài động vật ký sinh đơn bào - khi sử dụng trên chuột thí nghiệm. Thật không may, thuốc nhuộm này không có hiệu quả với loài trùng mũi khoan gây ra bệnh ngủ châu Phi mà ông hy vọng có thể chữa được bằng phương pháp của mình.
Không hề nản chí, Ehrlich tiếp tục các thí nghiệm. Ông đã thấy rằng phương pháp của mình hoàn toàn khả thi, và ông biết là chỉ cần tìm được viên đạn kỳ diệu phù hợp cho từng loại bệnh. Ông bắt đầu nghiên cứu về bệnh giang mai gây ra bởi xoắn khuẩn spirochete. Có nhiều giả thuyết về cách thức mà bệnh giang mai đã xâm nhập châu Âu, trong đó giả thuyết được công nhận nhiều nhất là các thủy thủ của Columbus đã mang nó về từ Tân Thế Giới. Tuy nhiên, có một dạng lạ của “bệnh phong” đã được mô tả ở châu Âu từ trước thời Columbus, được biết là một loại bệnh truyền nhiễm và lây lan qua đường tình dục. Cũng như bệnh giang mai, điều trị bằng thủy ngân đôi khi cũng thành công đối với căn bệnh phong lạ lùng này. Không có biểu hiện nào của căn bệnh này phù hợp với những điều con người biết về bệnh phong, và có lẽ căn bệnh kỳ lạ được mô tả chính là bệnh giang mai.
Tính đến thời điểm Ehrlich bắt đầu tìm kiếm viên đạn kỳ diệu chống lại xoắn khuẩn gây bệnh giang mai, thủy ngân được xem là phương pháp điều trị hiệu quả nhất trong hơn bốn thế kỷ. Tuy vậy, thật khó để coi thủy ngân là viên đạn kỳ diệu đối với bệnh giang mai, bởi lẽ nó thường giết luôn cả bệnh nhân. Bệnh nhân thường tử vong do suy tim, mất nước, hoặc ngạt thở khi họ bị hun nóng trong một hộp dạng lò nung trong khi phải hít hơi thủy ngân vào người. Nếu may mắn vượt qua được quá trình điều trị này, người đó chắc chắn phải chịu các triệu chứng nhiễm độc thủy ngân như rụng tóc và răng, chảy nước dãi nước mũi, thiếu máu, suy nhược và suy chức năng gan và thận.
Vào năm 1909, sau khi thử nghiệm với 605 hóa chất, Ehrlich cuối cùng đã tìm được một hợp chất vừa hiệu quả vừa an toàn. “Hóa chất số 606”, một hợp chất hữu cơ vòng thơm có chứa arsen, tỏ ra có hiệu quả đối với xoắn khuẩn bệnh giang mai. Hoechst Dyeworks - công ty cộng tác cùng Ehrlich - đã đưa hợp chất này ra thị trường vào năm 1910 với tên gọi salvarsan. So với sự tra tấn của phương pháp điều trị bằng thủy ngân, cách điều trị mới này là một bước tiến vĩ đại. Dù có một vài tác dụng phụ và, trong một vài trường hợp, nó không thể chữa khỏi bệnh dù được điều trị nhiều lần, salvarsan đã khiến tỷ lệ người mắc bệnh giảm đáng kể ở những nơi nó được sử dụng. Đối với công ty Hoechst Dyeworks, salvarsan đã mang lại nguồn lợi nhuận khổng lồ, cung cấp vốn để công ty triển khai các dự án dược phẩm khác.
Sau thành công của salvarsan, các nhà hóa học đã tìm kiếm những viên đạn kỳ diệu khác bằng cách thử nghiệm tác động của hàng ngàn hợp chất lên các vi sinh vật, sau đó thay đổi một chút cấu trúc hóa học của các hợp chất và thử nghiệm lại. Họ đã thất bại. Dường như lời hứa hẹn mà Ehrlich gọi là “hóa trị” đã không tồn tại theo sự mong chờ của mọi người. Nhưng vào những năm đầu của thập kỷ 1930, Gerhard Dogmak, một bác sĩ làm việc trong một nhóm nghiên cứu tại tập đoàn IG Farben, đã quyết định dùng một loại thuốc nhuộm có tên gọi là prontosil đỏ để điều trị cho con gái bị nhiễm liên cầu khuẩn (streptococci) rất nặng chỉ bởi một vết kim châm đơn giản. Dogmak bắt đầu thử nghiệm thuốc nhuộm prontosil đỏ tại phòng thí nghiệm của IG Farben, và mặc dù nó không có tác dụng đối với các vi khuẩn được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, nhưng nó đã ngăn chặn được sự phát triển của liên cầu khuẩn trên chuột thử nghiệm. Chắc chắn rằng không còn gì để mất, Dogmak đã cho con gái mình uống một liều thuốc nhuộm vẫn còn đang trong quá trình thử nghiệm. Con gái của ông đã khỏi bệnh rất nhanh và hồi phục hoàn toàn.
Ban đầu các nhà nghiên cứu nhận định rằng động thái nhuộm - khi các tế bào bị nhuộm màu - là nguyên nhân chính của tính chất kháng khuẩn của thuốc nhuộm prontosil đỏ. Nhưng họ đã nhanh chóng nhận ra rằng hiệu quả kháng khuẩn không hề liên quan gì đến khả năng nhuộm màu. Trong cơ thể con người, phân tử prontosil đỏ đã bị chuyển hóa thành sulfanilamide, và chính hợp chất này mới có hiệu năng kháng khuẩn.
Prontosil đỏ Sulfanilamide
Đây cũng chính là lý do giải thích tại sao protonsil đỏ không hoạt động trong các ống nghiệm (in vitro), mà chỉ có tác dụng trong cơ thể động vật sống (in vivo). Hợp chất sulfanilamide đã chứng tỏ là có hiệu quả với nhiều loại bệnh khác ngoài nhiễm liên cầu khuẩn, như viêm phổi, sốt phát ban và bệnh lậu. Khi hiểu ra rằng sulfanilamide là một chất kháng khuẩn, các nhà hóa học nhanh chóng bắt đầu tổng hợp các hợp chất tương tự, với hy vọng rằng một sự thay đổi nhỏ trên cấu trúc phân tử có thể gia tăng hiệu lực đồng thời giảm được các tác dụng phụ có hại. Việc biết được rằng prontosil đỏ không phải là phân tử hoạt tính là một điều vô cùng quan trọng. Bởi về mặt cấu trúc, prontosil đỏ là một phân tử phức tạp hơn rất nhiều so với sulfanilamide và rất khó để tổng hợp và biến đổi.
Trong khoảng thời gian từ 1935 đến 1946, hơn năm ngàn biến thể của sulfanilamide đã được điều chế. Một số trong chúng có hiệu năng tốt hơn hẳn so với sulfanilamide bởi sulfanilamide có những tác dụng phụ như gây dị ứng, dưới dạng các vết mụn rộp và sốt, và gây tổn hại cho thận. Kết quả tốt nhất có được khi thay đổi cấu trúc của sulfanilamide là khi một trong các nguyên tử hydro của nhóm SO2NH2 được thay thế bởi một nhóm chức khác.
Các phân tử thu được từ việc biến đổi này được tập hợp thành một họ thuốc kháng sinh gọi là các sulfanilamide hoặc thuốc sulfa. Một vài ví dụ điển hình cho thuốc sulfa là:
Thuốc sulfa nhanh chóng được mô tả là các vị thuốc thần diệu và điều trị bằng phép thuật. Ngày nay, khi có rất nhiều phương pháp điều trị các bệnh nhiễm khuẩn, cách mô tả này có vẻ cường điệu quá mức, thế nhưng kết quả điều trị các hợp chất này mang lại trong những thập niên đầu thế kỷ 20 thật là phi thường. Ví dụ như sau khi đưa dược phẩm sulfanilamide vào sử dụng, số bệnh nhân tử vong do viêm phổi ở Mỹ đã giảm hơn 25.000 người một năm.
Trong Thế Chiến I, từ 1914 đến 1918, các trường hợp tử vong do nhiễm trùng vết thương cũng nhiều như tử vong do bị thương nặng trên chiến trường ở châu Âu. Vấn đề chính trong các hầm chiến đấu hay trong bất cứ quân y viện nào là một dạng của chứng hoại tử được gọi là hoại tử khí. Gây ra bởi loài vi khuẩn Clostridium vô cùng có hại, thuộc chủng vi khuẩn gây ra chứng ngộ độc thực phẩm chết người, hoại tử khí thường khởi phát tại những vết thương sâu, thông thường là bị thương bởi bom hoặc đạn pháo, khi các mô thịt bị đứt vụn hoặc nghiền nát. Trong điều kiện không có oxy, loài vi khuẩn này sinh trưởng rất nhanh. Một chất mủ màu nâu hôi thối sẽ rỉ ra từ vết thương, và các bọt khí từ chất độc của vi khuẩn sẽ nổi lên bề mặt da, tạo nên mùi hôi thối nồng nặc rất đặc trưng.
Trước khi có các loại thuốc kháng sinh, chỉ có một cách chữa trị hoại tử - cắt cụt phần chi bị nhiễm khuẩn ở phía trên vị trí nhiễm khuẩn, với hy vọng có thể loại bỏ toàn bộ phần mô bị hoại tử. Nếu không thể thực hiện thủ thuật cắt cụt, thì cái chết là không thể tránh khỏi đối với bệnh nhân. Trong Thế Chiến II, nhờ có các loại thuốc kháng sinh như sulfapyridine và sulfathiazole - cả hai đều có tác dụng đối với chứng hoại tử - hàng vạn thương binh đã tránh được thủ thuật cắt cụt, và tất nhiên là được cứu khỏi lưỡi hái tử thần.
Ngày nay chúng ta biết rằng hiệu lực của các hợp chất này đối với chứng nhiễm khuẩn là do hình dạng và kích thước đặc thù của phân tử sulfanilamide đã ngăn chặn các vi khuẩn tạo ra chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của chúng là folic acid. Folic acid, một loại vitamin B, rất cần thiết cho sự phát triển của tế bào con người. Nó được phân bổ rộng rãi trong thức ăn như các loại rau nhiều lá (từ folic có nguồn gốc từ từ foliage có nghĩa là tán lá), gan, súp lơ, men, bột mì và thịt bò. Cơ thể con người không sản xuất được folic acid, vì vậy chúng ta cần phải ăn các loại thực phẩm có chứa folic acid. Ngược lại, một số loài vi khuẩn không cần nguồn bổ trợ vì chúng có thể tự tạo ra folic acid.
Phân tử folic acid có kích thước khá lớn và cấu trúc khá phức tạp:
Phân tử folic acid, với phần ở giữa được làm nổi bật là phân tử p-aminobenzoic acid
Hãy xem xét phần cấu trúc được đóng khung trong hình vẽ phía trên. Trong các vi khuẩn tự tạo thành folic acid, phần cấu trúc được đóng khung ở vị trí giữa phân tử được tạo thành từ một phân tử nhỏ hơn là p-aminobenzoic acid. Do vậy, p-aminobenzoic acid là một chất dinh dưỡng rất quan trọng đối với các vi sinh vật này. Cấu trúc hóa học của p-aminobenzoic acid và sulfanilamide có kích thước và hình dạng vô cùng tương đồng, chính sự tương đồng này là lời giải thích cho hoạt tính kháng khuẩn của sulfanilamide. Độ dài của các phân tử này (thể hiện bởi dấu ngoặc vuông), được đo từ vị trí của nguyên tử hydro trong nhóm NH2 đến vị trí của nguyên tử oxy có nối đôi, chỉ chênh lệch khoảng 3%. Và bề rộng của hai phân tử này cũng gần như hoàn toàn tương đồng.
Các enzyme phụ trách tổng hợp folic acid trong vi khuẩn dường như không thể phân biệt sự khác nhau giữa phân tử p-aminobenzoic acid mà chúng cần và phân tử rất tương đồng sulfanilamide. Các con vi khuẩn cố gắng - một cách vô ích - sử dụng sulfanilamide thay vì p-aminobenzoic acid, và cuối cùng chúng chết vì không thể tạo ra đủ folic acid. Trong khi đó chúng ta, dựa vào nguồn cung folic acid từ thực phẩm, không bị ảnh hưởng gì từ hoạt động của phân tử sulfanilamide.
Về mặt kỹ thuật, các loại thuốc sulfa trên cơ sở sulfanilamide không phải là những thuốc kháng sinh thực sự. Thuốc kháng sinh được định nghĩa một cách chính xác là “các hợp chất có nguồn gốc từ vi sinh vật và có hoạt tính kháng khuẩn chỉ với một lượng rất nhỏ”. Sulfanilamide không được điều chế từ một tế bào sống. Nó là sản phẩm nhân tạo và có thể được phân loại một cách chính xác là chất chống chuyển hóa, một hóa chất ngăn cản sự phát triển của các vi khuẩn. Tuy vậy, thuật ngữ kháng sinh ngày nay thường được sử dụng để chỉ các hợp chất, cả thiên nhiên và nhân tạo, có khả năng tiêu diệt các loài vi khuẩn.
Mặc dù các thần dược sulfa không phải là thuốc kháng sinh đầu tiên được tổng hợp - niềm vinh dự này phải dành cho phân tử salvarsan của bác sĩ Ehrlich - chúng là nhóm hợp chất đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong cuộc chiến chống lại sự nhiễm khuẩn. Không chỉ cứu hàng trăm ngàn thương binh và các bệnh nhân viêm phổi, chúng còn là nguyên nhân làm giảm một cách đáng kinh ngạc số lượng phụ nữ tử vong khi sinh con, vì chủng liên cầu khuẩn gây ra căn bệnh sốt hậu sản rất dễ bị tiêu diệt bởi thuốc sulfa. Tuy vậy, trong thời gian gần đây, việc sử dụng thuốc sulfa đã giảm đi trên toàn thế giới bởi một số nguyên nhân: quan ngại về tác dụng phụ dài hạn của chúng, sự tiến hóa của các chủng vi khuẩn kháng sulfanilamide, và sự phát triển của các loại thuốc kháng sinh mới hơn và mạnh hơn.
Penicillin
Nhóm thuốc kháng sinh đúng nghĩa đầu tiên, thuộc họ thuốc penicillin, vẫn được sử dụng rộng rãi trong thời đại ngày nay. Vào năm 1877, Louis Pasteur lần đầu tiên đã chứng minh được rằng có thể sử dụng một chủng vi sinh để tiêu diệt một chủng khác. Ông đã chỉ ra rằng sự phát triển của khuẩn bệnh than trong nước tiểu có thể được ngăn chặn bởi một loại vi khuẩn phổ biến. Sau đó, bác sĩ Joseph Lister, người đã thuyết phục được toàn bộ giới y học về tính năng sát trùng của phân tử phenol, đã nghiên cứu về tính chất của các loài nấm mốc sau khi điều trị thành công chứng áp xe dai dẳng cho một bệnh nhân với những miếng gạc thấm đẫm dịch chiết thu được từ loài nấm mốc Penicillium.
Mặc dù có những kết quả ban đầu khá khả quan, các nghiên cứu sau đó về khả năng chữa trị của các loài nấm mốc được thực hiện khá rời rạc cho đến năm 1928, khi bác sĩ người Scotland Alexander Fleming, làm việc tại Trường Y St. Mary thuộc đại học London, tình cờ nhận thấy một mẻ cấy tụ cầu khuẩn ông đang nghiên cứu bị nhiễm bẩn bởi một chủng nấm mốc thuộc họ Penicillium. Ông nhận thấy một cụm tụ cầu khuẩn bị tiêu biến, nghĩa là trở nên trong suốt và bị phân rã. Khác với những nhà nghiên cứu khác trước đó, Fleming bị hiện tượng này hấp dẫn đủ để ông tiến hành các thí nghiệm tiếp theo, ông cho rằng chủng nấm mốc này đã sản sinh ra một hợp chất nào đó khiến loài tụ cầu khuẩn bị tiêu diệt, và các kết quả thực nghiệm của ông đã chứng thực điều này. Một dịch lỏng thu được từ mẫu cấy loài nấm mốc mà ngày nay chúng ta biết là Penicillium notatum, đã chứng tỏ hiệu quả tiêu diệt sự phát triển của tụ cầu khuẩn đáng kể trong những cuộc kiểm tra tại phòng thí nghiệm trên các đĩa thủy tinh. Ngay cả khi dịch lỏng này được làm loãng tám trăm lần, nó vẫn hoạt động chống lại các tế bào vi khuẩn. Hơn nữa, hợp chất được Fleming đặt tên là penicillin này không gây ra ảnh hưởng độc hại nào khi được tiêm vào chuột. Khác với phenol, penicillin không gây kích ứng và có thể được đưa trực tiếp vào các vùng mô bị nhiễm trùng. Đồng thời nó cũng là chất sát khuẩn mạnh hơn so với phenol. Penicillin chống lại nhiều giống vi khuẩn, bao gồm cả vi khuẩn gây bệnh viêm màng não, bệnh lậu và các bệnh nhiễm trùng do liên cầu khuẩn như viêm họng.
Mặc dù Fleming đã công bố kết quả của mình trong một tạp chí y khoa, chúng không gây được nhiều sự chú ý. Dịch lỏng penicillin của ông rất loãng và các cố gắng phân lập thành phần hoạt tính đều thất bại; bây giờ chúng ta biết rằng penicillin rất dễ bị khử hoạt tính bởi các hóa chất thông thường trong phòng thí nghiệm, bởi dung môi và nhiệt độ.
Trong hơn một thập kỷ, penicillin không được thử nghiệm lâm sàng, vào thời gian này, các loại thuốc sulfanilamide đã trở thành các vũ khí chính để chống lại bệnh nhiễm khuẩn. Năm 1939, sự thành công của thuốc sulfa đã khuyến khích một nhóm các nhà hóa học, vi sinh vật học và bác sĩ tại Đại học Oxford tiến hành nghiên cứu phương pháp sản xuất và phân lập penicillin. Thử nghiệm lâm sàng đầu tiên với penicillin được tiến hành vào năm 1941. Thật đáng tiếc, kết quả thử nghiệm mang dấu ấn xưa cũ, “Việc điều trị đã thành công, nhưng bệnh nhân đã tử vong”. Penicillin được tiêm vào tĩnh mạch của bệnh nhân, một cảnh sát mắc chứng nhiễm liên cầu khuẩn và tụ cầu khuẩn rất nặng. Sau hai mươi bốn tiếng đồng hồ, trình trạng bệnh nhân được cải thiện, năm ngày sau cơn sốt hoàn toàn chấm dứt và sự nhiễm trùng đang dần được đẩy lùi. Nhưng vào lúc đó, toàn bộ lượng penicillin phân lập được - khoảng một thìa cà phê chất chiết chưa tinh chế - đã dùng hết. Sự nhiễm khuẩn của bệnh nhân này vẫn còn ở mức độ nguy hiểm. Nó bùng phát không thể kiểm soát được và bệnh nhân tử vong không lâu sau đó. Bệnh nhân thứ hai cũng tử vong. Dù vậy, trong lần thử nghiệm thứ ba, một lượng penicillin đã được điều chế đủ để hoàn toàn trị dứt sự nhiễm liên cầu khuẩn ở một cậu bé mười lăm tuổi. Sau đó, một bệnh nhi khác mắc bệnh nhiễm trùng máu bởi tụ cầu khuẩn cũng được điều trị thành công với penicillin, và nhóm nghiên cứu ở Đại học Oxford biết rằng họ đã thành công. Penicillin chứng tỏ hiệu năng của nó đối với nhiều giống vi khuẩn, đồng thời không gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng nào, ví dụ khiến thận nhiễm độc như trong trường hợp thuốc sulfanilamide. Các nghiên cứu sau này đã cho thấy một số loại penicillin ngăn chặn được sự phát triển của liên cầu khuẩn khi chỉ sử dụng nồng độ nhỏ đáng kinh ngạc là một phần năm mươi triệu.
Vào thời điểm này, cấu trúc hóa học của penicillin vẫn chưa được xác định, do đó vẫn chưa thể tổng hợp được hợp chất này. Penicillin vẫn phải được chiết tách từ nấm mốc, và việc sản xuất một lượng lớn penicillin thực sự là một thử thách với các nhà vi sinh vật học và vi khuẩn học hơn là các nhà hóa học. Phòng thí nghiệm Nông nghiệp Hoa Kỳ đặt tại Peoria, Illinois, với sự thông thạo trong kỹ thuật phát triển vi sinh vật, đã trở thành lá cờ đầu của chương trình nghiên cứu. Đến tháng 7 năm 1943, các công ty dược phẩm tại Mỹ đã sản xuất được tám trăm triệu đơn vị kháng sinh penicillin. Một năm sau đó, sản lượng hàng tháng đã đạt đỉnh điểm ở mức 130 tỷ đơn vị.
Ước tính rằng trong suốt Thế Chiến II, khoảng một ngàn nhà hóa học làm việc tại ba mươi chín phòng thí nghiệm ở Mỹ và Anh đã nghiên cứu các vấn đề liên quan đến việc xác định cấu trúc hóa học và tìm ra cách thức tổng hợp penicillin. Cuối cùng, vào năm 1946, họ đã xác định được cấu trúc hóa học, nhưng phải đến tận năm 1957 phân tử này mới được tổng hợp thành công.
Cấu trúc của phân tử penicillin dường như không quá cồng kềnh hay phức tạp so với một số phân tử khác chúng ta đã đề cập đến, nhưng đối với các nhà hóa học, penicillin là một trong những phân tử khác lạ nhất, bởi vì nó chứa một cấu trúc vòng có bốn nguyên tử (vòng bốn cạnh), được gọi là vòng β-lactam.
Cấu trúc của phân tử penicillin G.
Mũi tên chỉ vị trí của cấu trúc vòng bốn cạnh β-lactam
Các phân tử chứa vòng bốn cạnh tồn tại trong tự nhiên, nhưng không phổ biến. Các nhà hóa học cũng có thể tạo ra các hợp chất này nhưng rất khó khăn. Lý do là các góc của vòng bốn cạnh - hay một hình vuông - là góc 90°, trong khi đó góc liên kết phù hợp cho các nguyên tử carbon và nitơ liên kết đơn là khoảng 109°. Với nguyên tử carbon nối đôi, góc liên kết thích hợp là khoảng 120°.
Các nguyên tử carbon và nitơ liên kết đơn sắp xếp theo ba chiều trong không gian, trong khi các nguyên tử carbon liên kết đôi với nguyên tử oxy nằm cùng trên một mặt phẳng.
Trong các hợp chất hữu cơ, một vòng bốn cạnh thường không tạo thành một mặt phẳng, nó hơi bị uốn cong, nhưng thậm chí cả điều đó cũng không thể giảm đi cái mà các nhà hóa học gọi là hiệu ứng căng vòng (ring strain), một sự bất ổn định xuất phát từ việc giá trị của các góc liên kết có sự chênh lệch quá lớn so với giá trị của góc liên kết phù hợp. Thế nhưng chính sự bất ổn định này của vòng bốn cạnh đã tạo ra hoạt tính kháng sinh của phân tử penicillin. Các vi khuẩn đều có thành tế bào, và chúng tạo ra một enzyme cần thiết cho quá trình tạo nên thành tế bào. Dưới tác động của enzyme này, vòng β-lactam của phân tử penicillin bị mở vòng, qua đó giải tỏa sức căng của vòng. Trong quá trình này, một nhóm OH gắn trên enzyme vi khuẩn bị acyl hóa (tương tự phản ứng chuyển hóa salicylic acid thành aspirin). Trong phản ứng acyl hóa, penicillin gắn với enzyme vi khuẩn ở vị trí vòng bốn cạnh đã bị mở. Lưu ý rằng vòng năm cạnh trong cấu trúc của penicillin vẫn được giữ nguyên, trong khi vòng bốn cạnh đã bị mở vòng.
Phân tử penicillin gắn vào phân tử enzyme vi khuẩn thông qua phản ứng acyl hóa
Phản ứng acyl hóa làm tê liệt hoạt động của enzyme tạo nên thành tế bào của vi khuẩn. Không có khả năng tạo ra thành tế bào, sự phát triển của vi khuẩn cũng hoàn toàn bị đình trệ. Các tế bào động vật có màng chứ không phải thành tế bào, vì vậy không cần có enzyme tạo ra thành tế bào như ở vi khuẩn. Vì vậy, con người không bị ảnh hưởng bởi phản ứng acyl hóa với phân tử penicillin.
Sự bất ổn định của vòng bốn cạnh β-lactam trong penicillin cũng chính là nguyên nhân giải thích tại sao phải bảo quản penicillin ở nhiệt độ thấp, không như trường hợp của thuốc sulfa. Sau khi vòng bốn cạnh bị mở - một quá trình được thúc đẩy bởi nhiệt - phân tử penicillin không còn hoạt tính kháng sinh. Các vi khuẩn dường như cũng phát hiện được bí mật của vòng bốn cạnh trong phân tử penicillin. Các nhóm vi khuẩn kháng penicillin đã tạo ra được một loại enzyme khác có khả năng phá vỡ vòng β-lactam của phân tử penicillin trước khi nó có thể biến đổi để làm tê liệt hoạt động của enzyme có nhiệm vụ xây dựng thành tế bào của vi khuẩn.
Cấu trúc của phân tử được biểu diễn dưới đây là penicillin G, được tổng hợp lần đầu vào năm 1940 và vẫn đang được sử dụng rộng rãi. Rất nhiều phân tử penicillin khác đã được phân lập từ các loài nấm mốc, và một số khác được tổng hợp bằng các phản ứng hóa học từ các phiên bản tồn tại trong tự nhiên của loại kháng sinh này. cấu trúc phân tử của các dẫn xuất penicillin chỉ có điểm khác biệt ở cấu phần được khoanh tròn trong hình vẽ bên dưới.
Penicillin G. Cấu phần có thể biến đổi được khoanh tròn
Ampicillin, một loại penicillin tổng hợp có tác dụng chống lại các loại vi khuẩn có khả năng kháng penicillin G, có cấu trúc khác biệt rất ít so với penicillin G. Nó có thêm một nhóm NH2.
Ampicillin
Nhóm biên trong amoxicillin, loại thuốc kháng sinh được kê đơn nhiều nhất ở Mỹ hiện nay, cũng rất giống với ampicillin nhưng có thêm một nhóm OH. Nhóm biên có thể rất đơn giản, như trong trường hợp của penicillin O, hoặc phức tạp hơn, như trong trường hợp cloxacillin.
Cấu trúc của các nhóm biên trong phân tử amoxicillin (trái), penicillin 0 (giữa), và cloxacillin (phải)
Chỉ còn bốn trong tổng cộng khoảng mười dẫn xuất của penicillin còn được sử dụng cho đến nay. (Các dẫn xuất khác đã không còn được sử dụng lâm sàng). Trong tất cả các phản ứng biến đổi cấu trúc, các nhóm biên có thể rất khác nhau, nhưng vòng bốn cạnh β-lactam luôn được giữ nguyên. Đây chính là phần cấu trúc phân tử có thể bảo vệ mạng sống cho bạn nếu lúc nào đó bạn cần đến hoạt tính kháng sinh của penicillin.
Mặc dù không thể có được số liệu thống kê chính xác về tỷ lệ tử vong trong các thế kỷ trước, nhưng những nhà dân số học đã ước lượng được tuổi thọ trung bình của một số dân tộc. Từ năm 3500 TCN đến khoảng năm 1750 SCN, trong khoảng thời gian hơn năm ngàn năm, tuổi thọ trung bình tại các quốc gia châu Âu dao động trong khoảng ba mươi đến bốn mươi tuổi; vào thời Hy Lạp cổ đại, khoảng những năm 680 TCN, tuổi thọ đạt mức bốn mươi mốt tuổi; ở Thổ Nhĩ Kỳ vào những năm 1400 SCN, tuổi thọ chỉ đạt khoảng ba mươi mốt tuổi. Những số liệu này tương đối giống với tuổi thọ người dân ở những nước kém phát triển ngày nay. Ba nguyên nhân khiến tỷ lệ tử vong cao - không đủ thực phẩm, điều kiện vệ sinh kém và những bệnh dịch - có sự liên hệ mật thiết với nhau. Chế độ dinh dưỡng kém dẫn đến khả năng nhiễm khuẩn cao; tình trạng vệ sinh kém tạo điều kiện cho dịch bệnh phát triển.
Tại những khu vực trên thế giới có ngành nông nghiệp và hệ thống giao thông phát triển, việc cung cấp thực phẩm sẽ dễ dàng hơn. Cùng lúc đó, những biện pháp cải thiện điều kiện vệ sinh cá nhân và sức khỏe cộng đồng - nguồn cung cấp nước sạch, hệ thống xử lý nước thải, thu gom rác thải và kiểm soát sâu bọ, tăng cường hệ miễn dịch và các chương trình tiêm chủng - có thể giảm thiểu các dịch bệnh và tạo nên một cộng đồng dân cư khỏe mạnh với khả năng miễn nhiễm cao hơn. Nhờ những cải thiện này, tỷ lệ tử vong tại các nước phát triển đã giảm mạnh từ những năm 1860. Nhưng cuộc tấn công cuối cùng nhằm vào vi khuẩn, từng gây ra biết bao khốn khổ và chết chóc cho nhiều thế hệ, đã được thực hiện bởi các loại thuốc kháng sinh.
Từ thập kỷ 1930, ảnh hưởng của các phân tử thuốc kháng sinh lên tỷ lệ tử vong do nhiễm khuẩn đã được ghi chép lại. Sau khi các loại thuốc sulfa điều trị được bệnh viêm phổi, một biến chứng thường gặp khởi phát từ bệnh sởi, tỷ lệ bệnh nhân tử vong do bệnh sởi đã giảm rất nhanh. Viêm phổi, bệnh lao, viêm dạ dày và bạch hầu, những nguyên nhân tử vong hàng đầu tại Mỹ vào những năm 1900, ngày nay đã bị loại khỏi danh sách này. Khi những chứng bệnh do nhiễm khuẩn xuất hiện - dịch hạch thể hạch, tả, sốt ban và bệnh than - chính các loại thuốc kháng sinh đã ngăn chặn sự bùng phát của chúng thành những đại dịch khủng khiếp. Những hoạt động khủng bố sinh học ngày nay tập trung vào sự quan ngại của cộng đồng đối với khả năng xảy ra những dịch bệnh truyền nhiễm nguy hại, nhưng lượng thuốc kháng sinh hiện nay hoàn toàn có thể đối phó với các đợt tấn công này.
Một dạng khủng bố sinh học khác, khởi phát bởi chính các vi khuẩn do chúng thích nghi với lượng kháng sinh chúng ta sử dụng ngày càng tăng thậm chí là lạm dụng, gây ra nhiều nỗi lo hơn. Một số chủng kháng thuốc kháng sinh của vi khuẩn thông thường nhưng có thể gây chết người đã trở nên phổ biến hơn. Thế nhưng khi các nhà sinh hóa hiểu nhiều hơn về các con đường chuyển hóa của vi khuẩn - và của cả con người - và hiểu rõ về cơ chế hoạt động của các loại thuốc kháng sinh cũ, họ có thể điều chế ra các loại thuốc kháng sinh mới nhằm vào các giống vi khuẩn cụ thể. Hiểu rõ cấu trúc hóa học của các phân tử thuốc kháng sinh và cách thức chúng tương tác với các tế bào sống chính là điều cốt yếu giúp loài người duy trì ưu thế trong một cuộc chiến không hồi kết với các vi khuẩn gây bệnh.