The Nobel – Alexander Fleming và Penicilline

Vào ngày này năm 1941, một cảnh sát 43 tuổi tên là Albert Alexander đã trở thành người đầu tiên được tiêm penicillin. Vào cuối những năm 1930, Howard Florey đã thành lập một nhóm nghiên cứu tại Oxford để sản xuất một loại penicillin ổn định. Trong số đó có Ernst Chain.

Sau các thí nghiệm trên chuột, nhóm đã tích lũy đủ penicillin ổn định để cho phép thử nghiệm trên những người đang phải chịu đựng các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn gây tử vong thông thường. Albert Alexander đã trở thành người đầu tiên được tiêm penicillin Oxford này.

Trong vòng 24 giờ, nhiệt độ của Alexander đã giảm và bệnh nhiễm trùng đã bắt đầu lành lại. Nhưng sau đó, penicillin đã hết. Nhóm nghiên cứu đã chiết xuất penicillin từ nước tiểu của bệnh nhân để tái sử dụng nhưng sau năm ngày thì không còn nữa.

Thật đáng buồn, Alexander lại trở nên tồi tệ hơn và qua đời vào tháng 3. Người ta kể rằng sau khi Alexander cào mặt vào một bụi hoa hồng, vết thương đã bị nhiễm trùng và nhiễm trùng đã lan rộng.

Trên thực tế, không có bằng chứng nào cho câu chuyện về gai hoa hồng theo Đại học Oxford. Thay vào đó, có bằng chứng cho thấy anh ta đã bị thương khi một quả bom tấn công một đồn cảnh sát và bị nhiễm trùng đe dọa tính mạng.

Bất kể chấn thương nào gây ra, ông đã có những đóng góp to lớn cho sự phát triển của penicillin, loại thuốc đã cứu sống hàng triệu người. Florey và Chain đã chia sẻ giải Nobel với Alexander Fleming, người đã phát hiện ra penicillin vào năm 1928. Trong bài giảng về giải Nobel năm 1945, Fleming đã đưa ra cảnh báo về các vi sinh vật kháng thuốc.

Ảnh: Penicillium trong đĩa petri và ba người đoạt giải Nobel Ernst Chain, Alexander Fleming và Howard Florey trong quá trình khám phá và sản xuất penicillin. Tất cả đều có được thông qua Wikimedia Commons.

 

AL E X A N D E R F L E M I N G

Penicillin

Nobel Lecture, December 11, 1945

Tôi sẽ kể cho bạn nghe về những ngày đầu của penicillin, vì đây là phần trong câu chuyện về penicillin đã mang về cho tôi Giải thưởng Nobel. Tôi thường được hỏi tại sao tôi lại phát minh ra cái tên “Penicillin”. Tôi chỉ đơn giản là tuân theo những nguyên tắc chính thống và đặt ra một từ giải thích rằng chất penicillin có nguồn gốc từ một loại cây thuộc chi Penicillium, cũng giống như nhiều năm trước, từ “Digitalin” được phát minh ra để chỉ một chất có nguồn gốc từ cây Digitalis. Đối với thế hệ các nhà vi khuẩn học của tôi, việc ức chế một loại vi khuẩn này bởi một loại vi khuẩn khác là chuyện thường tình. Tất cả chúng tôi đều được dạy về những sự ức chế này và thực sự hiếm khi một nhà vi khuẩn học lâm sàng có thể dành cả tuần mà không thấy trong quá trình làm việc thường ngày của mình những trường hợp rất rõ ràng về sự đối kháng của vi khuẩn.

Có vẻ như thực tế là sự đối kháng của vi khuẩn rất phổ biến và được biết đến rộng rãi đã cản trở thay vì giúp ích cho việc bắt đầu nghiên cứu kháng sinh như chúng ta biết ngày nay.

Chắc chắn là công trình nghiên cứu cũ hơn về sự đối kháng không ảnh hưởng gì đến sự khởi đầu của penicillin. Nó chỉ nảy sinh từ một sự kiện may mắn xảy ra khi tôi đang nghiên cứu một vấn đề vi khuẩn học thuần túy mang tính học thuật, không liên quan gì đến sự đối kháng, nấm mốc, thuốc sát trùng hay kháng sinh.

Trong ấn phẩm đầu tiên của mình, tôi có thể đã tuyên bố rằng tôi đã đi đến kết luận, sau khi nghiên cứu nghiêm túc các tài liệu và suy nghĩ sâu sắc, rằng các chất kháng khuẩn có giá trị được tạo ra từ nấm mốc và tôi đã bắt đầu nghiên cứu vấn đề này. Điều đó sẽ không đúng và tôi muốn nói sự thật rằng penicillin bắt đầu như một quan sát ngẫu nhiên. Công lao duy nhất của tôi là tôi đã không bỏ qua quan sát và tôi đã theo đuổi chủ đề này như một nhà vi khuẩn học. Ấn phẩm của tôi vào năm 1929 là điểm khởi đầu cho công trình của những người khác đã phát triển penicillin, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa học.

Penicillin không phải là loại kháng sinh đầu tiên tôi tình cờ khám phá ra. Năm 1922, tôi đã mô tả lysozyme – một loại men kháng khuẩn mạnh có tác dụng ly giải cực kỳ đặc biệt đối với một số loại vi khuẩn. Một hỗn dịch sữa đặc của vi khuẩn có thể được làm sạch hoàn toàn trong vài giây bằng một phần nhỏ giọt nước mắt của con người hoặc lòng trắng trứng. Hoặc nếu vật liệu chứa lysozyme được kết hợp trong chất làm đầy agar bằng một rãnh cắt trên đĩa agar, sau đó các vi khuẩn khác nhau được quét qua đĩa lên đến rãnh, người ta thấy rằng sự phát triển của một số vi khuẩn sẽ dừng lại ở một khoảng cách đáng kể so với rãnh.

Nhưng thật không may, các vi khuẩn bị lysozyme tác động mạnh nhất lại là những vi khuẩn không lây nhiễm cho con người. Công trình nghiên cứu của tôi về lysozyme đã được tiếp tục và sau đó bản chất hóa học và cơ chế hoạt động đã được tìm ra bởi những cộng sự của tôi trong Giải Nobel này – Ngài Howard Florey và Tiến sĩ Chain. Mặc dù lysozyme không xuất hiện nổi bật trong liệu pháp thực tế nhưng nó rất hữu ích đối với tôi vì kỹ thuật mà tôi đã phát triển cho lysozyme cũng có thể áp dụng khi penicillin xuất hiện vào năm 1928.

Nguồn gốc của penicillin là sự nhiễm bẩn của một đĩa nuôi cấy tụ cầu khuẩn bởi nấm mốc. Người ta nhận thấy rằng ở một khoảng cách nào đó xung quanh khuẩn lạc nấm mốc, các khuẩn lạc tụ cầu khuẩn đã trở nên trong suốt và rõ ràng là quá trình phân hủy đang diễn ra. Đây là một hiện tượng bất thường (Hình 1) và dường như đòi hỏi phải điều tra, vì vậy nấm mốc đã được phân lập trong môi trường nuôi cấy tinh khiết và một số đặc tính của nó đã được xác định.

Nấm mốc được phát hiện thuộc chi Penicillium và cuối cùng được xác định là Penicillium notatum, một thành viên của nhóm P. chrysogenum, ban đầu được Westling phân lập từ cây kinh giới đang phân hủy. Sau khi có được nấm mốc trong môi trường nuôi cấy thuần túy, tôi đã trồng nó trên một đĩa nuôi cấy khác và sau khi nó phát triển ở nhiệt độ phòng trong 4 hoặc 5 ngày, tôi đã vạch các vi khuẩn khác nhau theo hướng xuyên tâm trên đĩa. Một số trong số chúng phát triển ngay đến mốc – những loại khác bị ức chế trong khoảng cách vài cm. Điều này cho thấy rằng mốc tạo ra một chất kháng khuẩn ảnh hưởng đến một số vi khuẩn và không ảnh hưởng đến những vi khuẩn khác (Hình 2). Tương tự như vậy, tôi đã thử nghiệm một số loại mốc khác nhưng chúng không tạo ra chất kháng khuẩn này, điều này cho thấy rằng loại mốc mà tôi đã phân lập là một loại mốc rất đặc biệt.

Sau đó, mốc được nuôi trên môi trường lỏng để xem chất sát trùng có xuất hiện trong chất lỏng hay không. Sau một vài ngày, chất lỏng mà mốc phát triển được thử nghiệm theo cùng cách mà tôi đã hình dung lysozyme – bằng cách đặt nó vào máng trong đĩa nuôi cấy rồi quét các vi khuẩn khác nhau trên đĩa. Kết quả thể hiện trong Hình 3 rất giống với kết quả quan sát được với lysozyme với một điểm khác biệt rất quan trọng, cụ thể là các vi khuẩn bị ức chế mạnh nhất là một số vi khuẩn gây ra các bệnh nhiễm trùng phổ biến nhất của chúng ta.

Đây là điểm khác biệt quan trọng nhất.

Bằng phương pháp này và phương pháp pha loãng tuần tự, tôi đã thử nghiệm độ nhạy của nhiều loại vi khuẩn phổ biến lây nhiễm cho chúng ta và phát hiện ra chính xác những gì minh họa trong Hình 2 – nhiều loại mầm bệnh phổ biến ở người bị ức chế mạnh trong khi nhiều loại khác không bị ảnh hưởng.

Điều này dẫn chúng tôi đến lần đầu tiên sử dụng penicillin trong thực tế, cụ thể là trong việc chuẩn bị môi trường nuôi cấy khác biệt. Có sự phân biệt rõ ràng giữa các loại vi khuẩn nhạy cảm và không nhạy cảm đến mức khi thêm penicillin vào môi trường nuôi cấy, tất cả các loại vi khuẩn nhạy cảm đều bị ức chế trong khi tất cả các loại vi khuẩn không nhạy cảm đều phát triển mà không bị cản trở. Điều này giúp phân lập các vi khuẩn như trực khuẩn ho gà và trực khuẩn cúm Pfeiffer rất dễ dàng thường được tìm thấy trong đường hô hấp kết hợp với số lượng lớn cầu khuẩn nhạy cảm với penicillin.

Trong những ngày đầu đó, tôi cũng sử dụng penicillin để thể hiện sự đối kháng của vi khuẩn theo cách ấn tượng và tôi kết hợp điều này với việc sử dụng phương pháp mà tôi đã phát triển để nuôi cấy vi khuẩn sinh màu. Nếu một đĩa giấy được đặt trên thạch trong đĩa nuôi cấy, chất dinh dưỡng sẽ khuếch tán vào giấy và hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn được cấy trên bề mặt. Nếu những vi khuẩn này sinh màu như Staphylococcus aureus, B. prodigiosus hoặc B. violaceus, chúng sẽ phát triển màu sắc đẹp mắt trên giấy trắng.

Hình 4 cho thấy kết quả thu được khi hỗn hợp Staphylococcus aureus và B. violaceus được trồng trên một đĩa giấy như vậy mà Penicillium notaturn đã được trồng trong bốn ngày. Khuôn đã tạo ra penicillin khuếch tán ra xa đáng kể và ức chế tụ cầu. Tụ cầu ngoài tầm với của penicillin đã ức chế hoàn toàn B. violaceus, vốn không nhạy cảm với penicillin, phát triển mạnh mẽ ngay khi tụ cầu bị penicillin ức chế.

Phương pháp nuôi cấy giấy tương tự đã giúp tôi chuẩn bị các mẫu vật cố định tuyệt vời của Penicillium notatum và các nền văn hóa nấm mốc khác. Nấm mốc được nuôi cấy trên đĩa giấy trên bề mặt của môi trường nuôi cấy phù hợp. Khi khuẩn lạc đã phát triển, đĩa giấy được lấy ra, khử trùng bằng hơi formalin và sau đó gắn vào. Tôi muốn, thưa ông Hiệu trưởng, giới thiệu cho ông một nền văn hóa như vậy.

Nhưng quay lại với các đặc tính của penicillin. Chúng tôi đã xác định được tính đặc hiệu của nó. Chúng tôi thấy rằng nó có sức mạnh đến mức chất lỏng nuôi cấy có thể được pha loãng 1.000 lần và nó vẫn sẽ ức chế sự phát triển của tụ cầu khuẩn.

Về vấn đề này, cần nhớ rằng phenol mất khả năng ức chế khi pha loãng hơn 300 lần. Vì vậy, về mặt này, chất lỏng nuôi cấy thô mà nấm mốc phát triển mạnh gấp ba lần so với phenol.

Sau đó, về tác động của nó đối với vi khuẩn. Tất cả các thí nghiệm tôi đã trích dẫn đều cho thấy nó có tác dụng kìm khuẩn, tức là nó ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Nhưng tôi cũng cho thấy nó có tác dụng diệt khuẩn – tức là nó thực sự giết chết chúng. Sau đó, quan sát đầu tiên về penicillin cho thấy nó gây ra những thay đổi về khả năng phân giải ở vi khuẩn. Do đó, penicillin tinh khiết có các đặc tính kìm khuẩn, diệt khuẩn và phân giải vi khuẩn mà sau đó đã được chứng minh là có.

Những quan sát đầu tiên về penicillin mà tôi đã ám chỉ cho thấy penicillin có thể khuếch tán tự do trong thạch. Về điểm này, nó khác với các chất khử trùng cũ hơn. Điều này được thể hiện rõ ràng trong thí nghiệm sau.

Dùng máy khoan nút chai, cắt các đĩa ra khỏi đĩa nuôi cấy thạch. Đặt các đĩa giấy lọc ngâm trong chất khử trùng ở đáy các lỗ đã hình thành và sau đó đổ đầy thạch đã tan chảy vào các lỗ. Sau đó, bề mặt được trồng tụ cầu khuẩn. Khi ủ, tụ cầu khuẩn phát triển trên tất cả các chất khử trùng cũ hơn nhưng bị penicillin ức chế ở khoảng cách đáng kể, do đó cho thấy penicillin là chất duy nhất trong số những chất này có thể khuếch tán tự do (Hình 5). Tôi coi khả năng khuếch tán này là một đặc tính quan trọng trong bất kỳ chất nào được sử dụng làm tác nhân kháng khuẩn bên trong cơ thể. Tôi đã quan tâm đến chất khử trùng kể từ cuộc chiến tranh 1914-1918 và vào năm 1924. Tôi đã mô tả những gì tôi nghĩ có lẽ là thí nghiệm hay nhất mà tôi từng thực hiện. Điều này cho thấy một cách ấn tượng hoạt động tương đối của một chất hóa học trên vi khuẩn và trên bạch cầu của con người.

Máu người bình thường có sức mạnh diệt khuẩn mạnh đối với các cầu khuẩn thông thường, ví dụ như tụ cầu khuẩn và liên cầu khuẩn, nhưng sức mạnh này hoàn toàn mất đi nếu các bạch cầu bị loại bỏ khỏi máu. Nếu máu đã khử fibrin bị nhiễm một số lượng nhỏ tụ cầu (khoảng 4.000 trên một cc) và được ủ trong không gian mao quản – một tế bào trượt hoặc một ống mao quản – thì các cầu khuẩn sống sót sẽ phát triển thành các khuẩn lạc có thể dễ dàng được đếm. Nhưng chỉ có khoảng 5 phần trăm phát triển ra. Tuy nhiên, nếu thêm phenol vào nồng độ B là 1 trong 600 thì tất cả các cầu khuẩn đều phát triển tự do. Ở đây, phenol ở nồng độ không cản trở sự phát triển của vi khuẩn đã tiêu diệt các bạch cầu tạo nên một trong những hàng phòng thủ mạnh nhất của chúng ta chống lại nhiễm trùng (xem Hình 6).

Tôi đã thử nghiệm tất cả các hóa chất được sử dụng làm tác nhân kháng khuẩn và tất cả chúng đều hoạt động theo cùng một cách – ở một số nồng độ, chúng tiêu diệt các bạch cầu và cho phép vi khuẩn phát triển. Khi tôi thử nghiệm penicillin theo cùng một cách trên tụ cầu thì lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Penicillin thô sẽ ức chế hoàn toàn sự phát triển của tụ cầu khuẩn ở nồng độ pha loãng lên đến 1 trên 1.000 khi thử nghiệm trong máu người nhưng nó không có tác dụng độc hại hơn đối với bạch cầu so với môi trường nuôi cấy ban đầu mà nấm mốc đã được phát triển. Tôi cũng đã tiêm nó vào động vật và nó dường như không có độc tính. Đó là chất đầu tiên tôi từng thử nghiệm có tính kháng khuẩn nhiều hơn là chống bạch cầu và chính điều này đã thuyết phục tôi rằng một ngày nào đó khi nó có thể được cô đặc và ổn định hơn, nó sẽ được sử dụng để điều trị nhiễm trùng.Nếu tôi là một bác sĩ lâm sàng tích cực, tôi chắc chắn sẽ sử dụng nó rộng rãi hơn là tôi đã sử dụng nó để điều trị. Như vậy, khi tôi có một số penicillin hoạt động, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm một bệnh nhân phù hợp để thử nghiệm, và do tính không ổn định của nó nên thường không có nguồn cung cấp penicillin nếu một trường hợp phù hợp xuất hiện. Một vài thử nghiệm thăm dò đã cho kết quả khả quan nhưng không có gì kỳ diệu và tôi đã tin rằng trước khi có thể sử dụng rộng rãi, nó sẽ phải được cô đặc và loại bỏ một số dịch nuôi cấy thô.

Chúng tôi đã cố gắng cô đặc penicillin nhưng chúng tôi phát hiện ra như những người khác đã làm kể từ đó rằng penicillin dễ bị phá hủy, và về mọi mặt và mục đích, chúng tôi đã thất bại. Chúng tôi là nhà vi khuẩn học – không phải nhà hóa học – và tương đối đơn giản của chúng tôi các thủ thuâtn không có hiệu quả, điều này không có gì đáng ngạc nhiên khi xét đến rắc rối mà các nhà hóa học đã gặp phải với penicillin trong những năm gần đây. Tuy nhiên, tôi đã bảo quản mẫu nấm mốc và thường xuyên sử dụng penicillin để nuôi cấy phân biệt.

Năm 1929, tôi đã công bố kết quả mà tôi đã trình bày tóm tắt với các bạn và gợi ý rằng nó sẽ hữu ích cho việc điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn nhạy cảm. Tôi đã nhắc lại penicillin trong một hoặc hai ấn phẩm cho đến năm 1936 nhưng ít người chú ý. Chỉ đến khoảng 10 năm sau khi sulphonamide ra đời đã hoàn toàn thay đổi quan điểm y khoa về hóa trị liệu đối với các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn, và sau khi Dubos chỉ ra rằng một tác nhân kháng khuẩn mạnh, gramicidin, được sản xuất bởi một số loại vi khuẩn thì những người đồng tham gia Giải thưởng Nobel này của tôi, Tiến sĩ Chain và Ngài Howard Florey, đã bắt đầu cuộc điều tra. Họ đã lấy được chủng Penicillium notatum của tôi và thành công trong việc cô đặc penicillin với kết quả là hiện nay chúng ta đã cô đặc penicillin, hoạt động vượt xa những giấc mơ hoang đường nhất mà tôi có thể có trong những ngày đầu đó. Kết quả của họ lần đầu tiên được công bố vào năm 1940 trong bối cảnh của một cuộc chiến tranh lớn khi nền kinh tế thông thường đang bị đình trệ và khi sản xuất có thể tiếp tục bất kể chi phí. Mùa hè này, tôi đã có cơ hội chứng kiến ​​một số nhà máy penicillin lớn ở Mỹ được xây dựng với chi phí khổng lồ và nấm mốc phát triển trong các bể chứa lớn được sục khí và khuấy mạnh. Đối với tôi, điều đặc biệt thú vị là cách quan sát đơn giản được thực hiện trong phòng thí nghiệm vi khuẩn học của bệnh viện ở London cuối cùng đã phát triển thành một ngành công nghiệp lớn như thế nào và cách mà mọi người từng nghĩ chỉ là một trong những món đồ chơi của tôi đã trở thành phương pháp tiếp cận gần nhất với chất lý tưởng để chữa khỏi nhiều bệnh nhiễm trùng thông thường của chúng ta như thế nào.

Và chúng ta chưa ở cuối câu chuyện về penicillin. Có lẽ chúng ta chỉ mới ở giai đoạn đầu. Chúng ta đang ở thời đại hóa chất và penicillin có thể được các nhà hóa học thay đổi để loại bỏ mọi nhược điểm của nó và tạo ra một dẫn xuất mới hơn và tốt hơn.

Sau đó, thành công phi thường của penicillin đã dẫn đến một cuộc nghiên cứu chuyên sâu về các sản phẩm kháng khuẩn được tạo ra bởi nấm mốc và các thành viên thấp kém khác của vương quốc thực vật. Nhiều chất đã được tìm thấy nhưng thật không may, hầu hết chúng đều có độc. Tuy nhiên, có một chất là streptomycin, được Waksman tìm thấy ở Mỹ, chắc chắn sẽ xuất hiện trong liệu pháp thực tế và vẫn còn nhiều chất khác chưa được nghiên cứu.

 

🌸Nhưng tôi muốn đưa ra một lưu ý cảnh báo. Penicillin về mọi mặt và mục đích đều không độc nên không cần phải lo lắng về việc cho quá liều và gây ngộ độc cho bệnh nhân. Tuy nhiên, có thể có nguy cơ khi dùng liều thấp. Không khó để khiến vi khuẩn kháng penicillin trong phòng thí nghiệm bằng cách cho chúng tiếp xúc với nồng độ không đủ để tiêu diệt chúng, và điều tương tự đôi khi cũng xảy ra trong cơ thể.

Có thể đến lúc bất kỳ ai trong các cửa hàng cũng có thể mua penicillin. Sau đó, có nguy cơ là người thiếu hiểu biết có thể dễ dàng tự dùng liều thấp và bằng cách cho vi khuẩn tiếp xúc với lượng thuốc không gây chết người, khiến chúng kháng thuốc. Đây là một minh họa giả định. Ông X. bị đau họng. Ông mua một ít penicillin và tự tiêm cho mình, không đủ để tiêu diệt liên cầu khuẩn nhưng đủ để dạy chúng cách kháng penicillin. Sau đó, ông lây nhiễm cho vợ mình. Bà X bị viêm phổi và được điều trị bằng penicillin. Vì liên cầu khuẩn hiện đã kháng penicillin nên việc điều trị thất bại. Bà X tử vong. Ai là người chịu trách nhiệm chính cho cái chết của bà X? Tại sao ông X lại sử dụng penicillin một cách cẩu thả, làm thay đổi bản chất của vi khuẩn. Bài học rút ra: Nếu bạn sử dụng penicillin, hãy sử dụng đủ.

Tôi đã kể cho bạn nghe về khởi đầu của penicillin. Một loại nấm mốc không mong muốn đã làm ô nhiễm một trong những đĩa nuôi cấy của tôi như thế nào. Nó tạo ra một hiệu ứng đòi hỏi phải điều tra. Tôi đã điều tra các đặc tính của nó như thế nào và phát hiện ra rằng mặc dù nó có tác dụng mạnh mẽ đối với nhiều loại vi khuẩn phổ biến lây nhiễm cho chúng ta nhưng rõ ràng nó không độc đối với động vật hoặc tế bào máu của con người. Nó là một chất không ổn định như thế nào và chúng ta đã không cô đặc và ổn định nó như thế nào.

Bây giờ tôi sẽ để Sir Howard Florey tiếp tục câu chuyện về penicillin.

MLA style: Sir Alexander Fleming – Nobel Lecture. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach 2025. Wed. 12 Feb 2025. <https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1945/fleming/lecture/>