Chemie versus bacterie, # 20. Schaalvergroting

Het Oxford team moet geregeld dierproeven of klinische programma’s aanpassen of onderbreken vanwege een tekort aan penicilline. Ook penicilline teruggewonnen uit urine is niet altijd voldoende. Door de oorlogsomstandigheden moeten ze enorm improviseren. Veel transport gaat per fiets, vaak in het donker met minimale verlichting.

Project ‘100 jaar antibiotica’
Aflevering 18. De sulfa’s verslagen!
Aflevering 19. De slag om Engeland
Aflevering 20. Schaalvergroting
Aflevering 21. Nog steeds geen kilo
Aflevering 22. ‘America First’

fermentor voor penicilline
Fermentor in de vorm van een kruik voor de kweek van penicilline, ontwikkeld door Norman Heatley en gebruikt in Oxford 1941-43. Nu in de collectie van het Science Museum, catalogusnummer 1976-628. Science Museum/Science & Society Picture Library.

Heatley moet opnieuw flink aan de slag om zijn output te vergroten: van honderden liters kweekvloeistof per week voor 100 milligram bruin poeder, naar duizenden liters voor een hoeveelheid van grammen. Het lukt hem in vier maanden tijd. Eind 1940 heeft hij enkele honderden keramische ondersteken bij elkaar. Naar eigen ontwerp: stapelbaar, voorzien van handvat en schenktuit, aan de binnenkant geglazuurd en aan de buitenkant ruw om glijden te voorkomen. Het is een rechthoekige bak van 28 bij 22 cm en 6 cm diep. De prijs is 10  shilling. Heatley moet onder barre omstandigheden twee dagen reizen om de eerste 174 exemplaren van een pottenbakker in Stoke-on-Trent naar Oxford te brengen. Alle wegwijzers zijn verwijderd, om het de Duitsers in geval van een invasie niet gemakkelijk te maken de juiste weg te vinden.

Eindelijk, testen op mensen

Met Kerst 1940 worden de eerste 76 incubaties in de nieuwe pannen op gang gebracht. In ploegendienst, met uiteindelijk zes ‘penicillinemeisjes’, draait de productie 24/7. De omstandigheden zijn adequaat voor die tijd, maar het blijft behelpen door alle oorlogsbeperkingen. De uiterst brandbare en vluchtige ether is vervangen  door amylacetaat. Minder vluchtig, ook brandbaar maar wel met een lekkere perenlucht. De meisjes staan onder goede medische controle en krijgen regelmatig ijzersulfaat toegediend: om bloedarmoede door amylacetaat tegen te gaan. De sfeer op het werk is goed en ze zijn zich allen goed bewust van het grote belang van het project waar ze deel van uitmaken. Op oudejaarsdag 1940 schrijft Heatley in zijn dagboek dat in één jaar tijd zijn productieschaal duizend maal zo groot is geworden.

In januari 1941 kunnen dan eindelijk de eerste testen op mensen worden gedaan: vrijwilligers en/of terminaal zieke mensen. De eerste is een terminale kankerpatiënt. Behandeling met doses van 100 milligram penicilline blijkt bij haar geen nadelige effecten te veroorzaken. De eerste echte patiënt is politieagent Albert Alexander; bij het snoeien van zijn rozen heeft hij de nodige schrammen opgelopen. Ze zijn ernstig geïnfecteerd met strepto- en stafylokokken, die zich na verloop van tijd hebben verspreid naar zijn ogen, longen en gezicht. Hij is opgegeven. Hij krijgt een eerste dosis van 200 mg (de hoogste tot dan toe) gevolgd door een aantal van 100 mg. De resultaten zijn miraculeus. Na twee dagen behandeling lijkt hij helemaal te herstellen. Tien dagen lang blijft hij stabiel en in een redelijke conditie. Zijn urine wordt opgevangen. De penicilline daarvan en een paar restanten gebruikt het team om een jongen van 15 met bloedvergiftiging te behandelen. Die overleeft, met enig vallen en opstaan. Albert Alexander helaas niet. Na zijn tien goede dagen komt de infectie terug; maar nu is er geen penicilline meer voor verdere behandeling. Hij overlijdt een maand later. Leerpunten: penicilline werkt wel degelijk ook bij mensen; maar je moet de kuur goed plannen en afmaken. Verdere schaalvergroting in de productie is echt nodig. Florey begint te denken aan kilogrammen.

Drie onderzoeksvragen zijn in principe beantwoord

Van de vier grote onderzoekvragen hebben de onderzoekers er op dit moment, midden 1941, drie in eerste aanleg beantwoord.
1. Hoe kweken we zoveel mogelijk schimmel met een maximale productie aan penicilline?
2. Welke schadelijke bacteriën kunnen we met penicilline bestrijden?
3. Zijn er schadelijke effecten van penicilline voor het lichaam?
4. Wat is de chemische structuur van penicilline en hoe werkt het?
Er valt nog veel meer te doen, maar de resultaten zijn overweldigend positief en de vooruitzichten uitermate spannend. De oorlogsomstandigheden werken absoluut niet mee en daardoor is er geen jubelstemming. Maar er zullen nog belangrijke gebeurtenissen volgen.

De vierde en laatste vraag is nog maar nauwelijks beantwoord. Het team heeft wel een begin van een antwoord gekregen op de vraag naar de werking. De stof prikt de celwand van vele schadelijke bacteriën lek zodat ze dood gaan of zich niet kunnen vermenigvuldigen. In ons lichaam hebben alle cellen een ander soort celwand, en penicilline heeft daarop geen vat. Er zijn ook al eerste aanwijzingen dat resistentie wel eens een probleem kan worden. De hamvraag is echter wat toch de chemische structuur van penicilline is. Als de onderzoekers die kennen, weten ze misschien ook waarom het molecuul zo instabiel is. Dan kunnen ze ook gaan kijken naar manieren om de stof te maken zonder dat omslachtige gedoe met schimmels en ingewikkelde extractieprocessen. Deze zoektocht wordt opnieuw een uitermate enerverend avontuur; met felle ruzies tussen (latere) Nobelprijswinnaars. De geleerden zijn verdeeld in twee kampen, elk met een voorstel voor de chemische formule voor penicilline.

Kolomchromatografie
Scheiding en zuivering door middel van kolomchromatografie.

Penicilline moet nog wel worden gezuiverd

Om de chemische samenstelling en structuur van de stof te bepalen moet je een zuiver product in handen hebben. Het bruine poeder is bij lange na nog niet zuiver. Eigenlijk is het een klein wonder dat het geen vervelende bijproducten voor de patiënt bevat. Een eerste stap in de zuivering vinden de onderzoekers in de toepassing van chromatografie, een voor die tijd nieuwe techniek om een mengsel van stoffen van elkaar te scheiden. Chromatografie kun je in werking zien als je balpeninkt op een natte krant brengt en kijkt naar de kringen die dan ontstaan. De inkt bevat een aantal kleurstoffen die elk anders inwerken op het optrekkende water en de papiervezels van de krant. Naarmate het water verder trekt, trekt het ook de kleurstoffen verder uit elkaar; papierchromatografie.

Ernst Chain gebruikt geen papier, maar een glazen kolom gevuld met poeder van aluinaarde (hij had  ook zand of silicagel kunnen nemen) gedrenkt in water of een ander oplosmiddel (zoals alcohol, ether of aceton). Eerst brengt hij aan de top van de kolom een hoeveelheid van het bruine poeder, opgelost in zo weinig mogelijk water. De kraan onderaan de kolom gaat open en de kolom wordt van boven af gevoed met vers oplosmiddel. Gaandeweg zakt het oplosmiddel naar beneden, en neemt daarbij de bestanddelen van het bruine poeder in verschillende snelheden mee. Geheel volgens het principe van de balpeninkt op de natte krant. De kolom kan worden gevuld met allerlei vaste stoffen in plaats van aluinaarde; en ook de keuze aan oplosmiddelen is groot. Veel ruimte dus voor experimenten zodat uiteindelijke een perfecte scheiding wordt bereikt. Door de kolom voorzichtig uit de buis te schuiven komt een aantal schijven beschikbaar, elk met een andere opgeloste stof. Deze kunnen verder worden geanalyseerd of gebruikt. Het Oxford team slaagt er in eerste instantie niet in, op deze manier zuivere penicilline in handen te krijgen; maar ze gebruiken de techniek wel om hun bruine poeder te ontdoen van flink wat verontreinigingen, voordat het geneesmiddel aan de patiënt wordt toegediend.

Bronnen:
Wikipedia: alle genoemde eigennamen en producten
The  Mould in Dr Florey’s Coat. Eric Lax, Abacus 2004. ISBN 978-0349-11768-3

(Visited 1 times, 1 visits today)

Plaats een reactie