Cuộc chiến biến phát hiện của Alexander Fleming thành penicillin, mở ra kỉ nguyên kháng sinh
Alexander Fleming phát hiện penicillin năm 1928, nhưng phải hơn một thập niên sau, chất kháng khuẩn này mới được phát triển thành loại thuốc có thể điều trị hiệu quả các bệnh nhiễm trùng.
Năm 1928, Alexander Fleming nhìn thấy nấm Penicillium đang ức chế vi khuẩn trên một đĩa nuôi cấy. Ông đặt tên chất hoạt tính là penicillin và công bố phát hiện của mình. Nhưng trong hơn một thập niên tiếp theo, penicillin vẫn chưa trở thành loại thuốc có thể sản xuất hàng loạt. Tính không ổn định của chất này khiến việc tách chiết và tinh chế gặp rất nhiều trở ngại.
Đó là nghịch lí đầu tiên của penicillin. Một chất tiêu diệt vi khuẩn có thể tồn tại trong phòng thí nghiệm nhưng chưa chắc đã mang lại giá trị lâm sàng.
Muốn cứu bệnh nhân, bác sĩ cần nhiều hơn một hiện tượng trên đĩa thạch. Họ cần một lượng thuốc đủ lớn, đủ tinh khiết, đủ ổn định và có thể đưa vào cơ thể theo cách an toàn.
Tại Đại học Oxford (Anh), một nhóm nhà khoa học quyết định nghiên cứu công trình của Alexander Fleming.
Một bài báo cũ được mở lại
Năm 1939, Ernst Chain và Howard Florey bắt đầu nghiên cứu penicillin tại Trường Bệnh lý học Sir William Dunn ở Đại học Oxford.
Ernst Chain là nhà hóa sinh người Đức gốc Do Thái đã rời Đức sau khi Hitler lên nắm quyền, còn Howard Florey là nhà bệnh học người Úc đã xây dựng một nhóm nghiên cứu đa ngành tại Đại học Oxford.
Điều đáng chú ý là họ không bắt đầu từ con số 0, mà có một bài báo cũ của Alexander Fleming.
Ernst Chain và Howard Florey nhìn thấy một vấn đề mà Fleming chưa giải quyết được: Làm thế nào để thu được penicillin với lượng đủ lớn để nghiên cứu trên động vật và con người?
Norman Heatley, nhà sinh học xuất sắc về kĩ thuật thực nghiệm, trở thành nhân vật quan trọng trong câu chuyện này.
Nhóm nghiên cứu ở Đại học Oxford bắt đầu làm việc với nấm mốc, môi trường nuôi cấy và các phương pháp chiết xuất. Penicillin phải được thu hồi từ dịch nuôi cấy và làm sạch trong điều kiện mà mọi thứ đều thiếu thốn. Đây không còn là câu chuyện về một khoảnh khắc tình cờ.
Thí nghiệm trên chuột
Ngày 25/5/1940, nhóm ở Đại học Oxford thực hiện một thí nghiệm mang tính bước ngoặt trên chuột bị nhiễm vi khuẩn. Kết quả gây ấn tượng mạnh.
Những con chuột được điều trị bằng penicillin sống sót lâu hơn đáng kể so với nhóm đối chứng không được điều trị. Các nhà nghiên cứu ghi nhận một số con chuột được điều trị sống trong thời gian dài, trong khi toàn bộ nhóm đối chứng tử vong nhanh chóng.
Thí nghiệm ấy thay đổi vị thế của penicillin. Trước đó, người ta biết penicillin có thể ức chế vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy. Sau thí nghiệm, có bằng chứng cho thấy penicillin có thể hoạt động trong cơ thể sống.
Thế nhưng, niềm vui lập tức đi kèm một vấn đề. Nhóm ở Đại học Oxford cần rất nhiều penicillin mà họ không có đủ.
2.000 lít cho một ca bệnh
Một trong những con số gây ấn tượng nhất trong lịch sử penicillin xuất hiện ở giai đoạn này. Bảo tàng Lịch sử Khoa học Oxford cho biết vào thời kì đầu, cần khoảng 2.000 lít dịch nuôi cấy để thu được lượng penicillin đủ điều trị một trường hợp nhiễm trùng huyết.
Với một phòng thí nghiệm, đó là con số khổng lồ. Phát hiện ra penicillin và biến nó thành loại thuốc là hai câu chuyện hoàn toàn khác nhau.
Fleming chứng minh rằng nấm mốc Penicillium tiết ra một chất có khả năng ức chế hoặc tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn. Song để sản xuất chất đó với số lượng đủ lớn, đủ tinh khiết và đủ an toàn cho người bệnh lại là thách thức hoàn toàn khác.
Không những thế, nhóm ở Đại học Oxford phải nghiên cứu trong bối cảnh nước Anh đang chìm trong Thế chiến thứ hai, khi mọi thứ từ thiết bị, nguyên liệu đến nhân lực đều thiếu thốn. Thách thức lúc này không chỉ nằm trong phòng thí nghiệm mà còn là bài toán về sản xuất và thời gian.
Khi phòng thí nghiệm trở thành một nhà máy
Ernst Chain, Howard Florey và Norman Heatley phải tận dụng những gì có trong tay. Các vật dụng vốn không được thiết kế để sản xuất thuốc cũng được đưa vào quy trình. Bảo tàng Lịch sử Khoa học Oxford hiện vẫn lưu giữ những vật dụng từng được sử dụng trong quá trình sản xuất penicillin thời chiến, trong đó có can đựng dung dịch tắm cừu để diệt kí sinh trùng, chậu, hộp bánh quy.
Hình ảnh này gần như trái ngược với cách chúng ta tưởng tượng về một cuộc cách mạng dược phẩm. Không phải nhà máy khổng lồ với những dây chuyền tự động và các phòng sạch hiện đại, mà là nhóm nhà khoa học tìm cách tận dụng từng thiết bị có thể sử dụng được để tạo ra một loại thuốc cực kì quý giá.
Ngày 12/2/1941, tại Bệnh viện đa khoa Radcliffe Infirmary ở Đại học Oxford, bệnh nhân 43 tuổi tên Albert Alexander bắt đầu được điều trị bằng penicillin.
Albert Alexander là cảnh sát bị nhiễm trùng nặng. Sau vài ngày điều trị, tình trạng của ông được cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu nhanh chóng cạn nguồn penicillin. Họ cố gắng thu hồi một phần thuốc đã được thải qua nước tiểu của Albert Alexander để sử dụng lại, nhưng cuối cùng lượng thuốc vẫn không đủ và viên cảnh sát qua đời.
Đây là một trong những khoảnh khắc bi kịch nhất của lịch sử penicillin, vì thuốc đã chứng minh có thể cứu một bệnh nhân. Thế nhưng, nhóm tại Đại học Oxford chưa thể cung cấp đủ thuốc để cứu ông.
Khoảng cách giữa việc chứng minh một loại thuốc có thể chữa bệnh và sản xuất đủ thuốc để cứu hàng triệu người vẫn còn rất lớn.
Hành trình sang Mỹ
Dù đã chứng minh được hiệu quả của penicillin, nhóm nghiên cứu ở Đại học Oxford vẫn đối mặt với một trở ngại lớn: Nước Anh thời chiến không đủ điều kiện để sản xuất loại thuốc này với quy mô đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.
Năm 1941, Howard Florey và Norman Heatley bí mật sang Mỹ để tìm kiếm sự hỗ trợ từ các cơ quan nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm. Chuyến đi này trở thành bước ngoặt của lịch sử penicillin. Theo Đại học Oxford, chính sự hợp tác với Mỹ đã mang lại nguồn lực, công nghệ và các phương pháp sản xuất mới, giúp penicillin lần đầu tiên được sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Kể từ đó, penicillin không còn chỉ là phát hiện trong phòng thí nghiệm, mà bước vào giai đoạn phát triển hoàn toàn mới, khi nghiên cứu khoa học kết hợp với năng lực sản xuất của ngành công nghiệp dược phẩm để biến một phát hiện trong phòng thí nghiệm thành loại thuốc có thể cứu sống hàng triệu người.
Chiến tranh lại trở thành động lực thúc đẩy quá trình ấy diễn ra nhanh hơn bao giờ hết. Nhu cầu cứu chữa hàng loạt binh sĩ bị nhiễm trùng đã khiến việc sản xuất penicillin được đẩy lên quy mô chưa từng có, mở đầu cho kỉ nguyên kháng sinh hiện đại.
Không chỉ có Alexander Fleming
Đến đây, câu chuyện về Alexander Fleming cần được nhìn nhận đầy đủ hơn.
Fleming là người đầu tiên phát hiện nấm Penicillium tạo ra một chất có khả năng ức chế vi khuẩn và đặt tên chất đó là penicillin. Tuy nhiên, để biến phát hiện này thành loại thuốc cứu người là thành quả của cả một tập thể.
Howard Florey và Ernst Chain đã khởi xướng chương trình nghiên cứu penicillin tại Đại học Oxford, chứng minh hiệu quả điều trị của nó và mở đường cho việc ứng dụng trên lâm sàng. Norman Heatley giải quyết nhiều bài toán kĩ thuật trong quá trình nuôi cấy, chiết xuất và sản xuất penicillin. Edward Abraham tiếp tục nghiên cứu thành phần hóa học của penicillin và góp phần làm sáng tỏ cấu trúc của hợp chất này, trong khi Dorothy Crowfoot Hodgkin xác nhận cấu trúc phân tử bằng phương pháp tinh thể học tia X. Những đóng góp đó đặt nền móng cho sự phát triển của penicillin và nhiều thế hệ kháng sinh sau này.
Lịch sử penicillin vì thế không phải câu chuyện về một thiên tài đơn độc. Đó là hành trình của nhiều nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Fleming mở cánh cửa bằng một phát hiện tình cờ, còn Florey, Chain, Heatley và các cộng sự đã biến phát hiện ấy thành loại thuốc làm thay đổi lịch sử y học.
Giải Nobel năm 1945
Năm 1945, Alexander Fleming cùng Howard Florey và Ernst Chain được trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học vì những đóng góp với penicillin. Giải thưởng không chỉ tôn vinh phát hiện ban đầu của Fleming mà còn ghi nhận nỗ lực của Florey, Chain và các cộng sự trong việc biến phát hiện ấy thành một phương pháp điều trị cứu sống hàng triệu người.
Câu chuyện về penicillin cũng cho thấy bài học quan trọng của khoa học hiện đại: Phát hiện lớn hiếm khi là thành quả của một cá nhân. Từ ý tưởng trong phòng thí nghiệm đến loại thuốc được sử dụng rộng rãi là cả một quá trình đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực, từ sinh học, hóa học và kỹ thuật đến sản xuất công nghiệp. Trong trường hợp penicillin, quá trình ấy còn được thúc đẩy bởi nhu cầu cấp bách của Thế chiến thứ hai.
Thành công của penicillin đã mở đầu cho thời đại kháng sinh. Trong những năm tiếp theo, hàng loạt kháng sinh mới như streptomycin, tetracycline và erythromycin lần lượt được phát hiện, tạo nên giai đoạn được giới khoa học gọi là "kỉ nguyên vàng" của nghiên cứu kháng sinh.
Nhờ những loại thuốc này, nhiều bệnh nhiễm khuẩn từng là bản án tử đã có thể chữa khỏi. Các ca phẫu thuật trở nên an toàn hơn, trong khi việc điều trị cho những bệnh nhân có hệ miễn dịch suy yếu cũng đạt hiệu quả cao hơn. Y học hiện đại đã có bước tiến vượt bậc. Trong nhiều thập niên, penicillin được xem là "thuốc thần kì". Tuy nhiên, thành công ấy cũng kéo theo một thách thức mới. Vi khuẩn không ngừng tiến hóa để thích nghi với môi trường sống, trong đó có cả các loại thuốc dùng để tiêu diệt chúng.
* Mời bạn đón đọc bài Tìm kháng sinh thế hệ mới: AI có thể viết tiếp câu chuyện của Alexander Fleming