Οέλεγχος των μικροοργανισμών είναι ένας από τους μείζονες στόχους της

Transcript

1 Οέλεγχος των μικροοργανισμών είναι ένας από τους μείζονες στόχους της πειραματικής και κλινικής μικροβιολογίας, αλλά και μια καθημερινή μάχη στο σπίτι, στα νοσοκομεία, στα εστιατόρια και όπου αλλού απαιτούνται αυξημένα μέτρα υγιεινής. Υπάρχει μεγάλος αριθμός φυσικών και χημικών μέσων για τον έλεγχο των μικροβίων, όπως διάφοροι απολυμαντικοί και αντισηπτικοί παράγοντες χημικής φύσεως, ενώ για in vivo χρήση υπάρχουν ισχυρότατα αντιμικροβιακά φάρμακα. Αποτελεσματικότερο μέσο, πάντως, για την αντιμετώπιση της μικροβιακής ανάπτυξης είναι η αποστείρωση, για την οποία χρησιμοποιούνται κατά κανόνα φυσικές μέθοδοι, όπως είναι η διοχέτευση καυτού ατμού υπό πίεση σε μια ειδική συσκευή που λέγεται αυτόκαυστο (βλ. φωτογραφία στη σελίδα αυτή). 20 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗΣ ΑΥΞΗΣΗΣ Ι ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΩΝ ΜΕ ΦΥΣΙΚΑ ΜΕΣΑ Αποστείρωση με θέρμανση Αποστείρωση με ακτινοβολία Αποστείρωση με διήθηση 807 ΙΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΩΝ ΜΕ ΧΗΜΙΚΑ ΜΕΣΑ Έλεγχος της μικροβιακής αύξησης με χημικά μέσα Αντισηπτικά, απολυμαντικά και αποστειρωτικά 811 ΙΙΙ ΑΝΤΙΜΙΚΡΟΒΙΑΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΧΟΡΗΓΟΥΜΕΝΟΙ I VIV Συνθετικά αντιμικροβιακά φάρμακα Φυσικά αντιμικροβιακά φάρμακα: Αντιβιοτικά Αντιβιοτικά β-λακτάμης: Πενικιλλίνες και κεφαλοσπορίνες Αντιβιοτικά από προκαρυώτες 820 ΙV ΕΛΕΓΧΟΣ ΙΩΝ ΚΑΙ ΠΑΘΟΓΟΝΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΩΝ Αντιιικά φάρμακα Αντιμυκητικά φάρμακα 824 V ΑΝΤΟΧΗ ΣΤΑ ΑΝΤΙΜΙΚΡΟΒΙΑΚΑ ΦΑΡΜΑΚΑ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΝΕΩΝ ΦΑΡΜΑΚΩΝ Αντοχή στα αντιμικροβιακά φάρμακα Η έρευνα για νέα αντιμικροβιακά φάρμακα

2 800 Kεφάλαιο 20 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗΣ ΑΥΞΗΣΗσ Γλωσσάριο εργασίας αμινογλυκοζίτες (aminoglycosides) ομάδα αντιβιοτικών, στην οποία ανήκει και η στρεπτομυκίνη, που περιέχουν αμινοσάκχαρα συνδεδεμένα με γλυκοζιτικούς δεσμούς ανάλογο αυξητικού παράγοντα (growth factor analog) χημική ουσία που μοιάζει χημικά με κάποιον αυξητικό παράγοντα και παρεμποδίζει την πρόσληψη του παράγοντα αυτού αντιβιοτικά β-λακτάμης (β-lactam antibiotics) ομάδα αντιβιοτικών, στην οποία ανήκει η πενικιλλίνη, που περιέχουν τον τετραμερή ετεροκυκλικό δακτύλιο της β-λακτάμης αντιβιοτικό (antibiotic) χημική ουσία που παράγεται από έναν μικροοργανισμό και προκαλεί τον θάνατο ή την αναστολή της αύξησης κάποιου άλλου μικροοργανισμού αντιβιοτικό ευρέος φάσματος (broad-spectrum antibiotic) αντιβιοτικό που δρα τόσο έναντι θετικών όσο και έναντι αρνητικών κατά Gram βακτηρίων αντιμικροβιακός παράγοντας (antimicrobial agent) χημική ένωση που προκαλεί τον θάνατο ή την αναστολή της αύξησης ενός μικροοργανισμού αντισηπτικό (antiseptic) αντιμικροβιακός παράγοντας που δεν έχει τόσο υψηλή τοξικότητα ώστε να μην πρέπει να επαλειφθεί σε ζωντανούς ιστούς αντίσταση στα αντιμικροβιακά φάρμακα (antimicrobial drug resistance) επίκτητη ικανότητα ενός μικροοργανισμού να αναπτύσσεται παρουσία συγκεκριμένου αντιμικροβιακού φαρμάκου προς το οποίο ο μικροοργανισμός είναι συνήθως ευαίσθητος απολύμανση (disinfection) διαδικασία καταστροφής όλων σχεδόν των παθογόνων μικροβίων, αλλά όχι όλων ανεξαιρέτως των μικροοργανισμών, από άψυχα αντικείμενα ή επιφάνειες απολυμαντικό (disinfectant) αντιμικροβιακός παράγοντας που χρησιμοποιείται μόνο σε άψυχα αντικείμενα απορρύπανση (decontamination) διαδικασία που καθιστά ασφαλή (από μικροβιακή άποψη) τη χρήση ενός αντικειμένου ή μιας άψυχης επιφάνειας αποστείρωση (sterilization) θανάτωση ή απομάκρυνση όλων των ζωντανών οργανισμών, και των ιών τους, από κάποιο θρεπτικό μέσο αυτόκαυστο (autoclave) συσκευή αποστείρωσης, που καταστρέφει τους μικροοργανισμούς μέσω υψηλής θερμοκρασίας και ατμού υπό πίεση βακτηριοκτόνος παράγοντας (bacteriocidal agent) παράγοντας που επιφέρει τον θάνατο των βακτηρίων βακτηριοστατικός παράγοντας (bacteriostatic agent) παράγοντας που αναστέλλει τον πολλαπλασιασμό των μικροβίων ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωση (MIC) [minimum inhibitory concentration (MIC)] η ελάχιστη συγκέντρωση μιας ουσίας, που είναι απαραίτητη για να αποτραπεί η μικροβιακή αύξηση ημισυνθετική πενικιλλίνη (semisynthetic penicillin) φυσική πενικιλλίνη που έχει υποστεί κάποια χημική μετατροπή ιντερφερόνες (interferons) αντιιικές πρωτεΐνες, ειδικές για κάθε ξενιστή, οι οποίες παράγονται από κύτταρα μολυσμένα με τον ιό και προστατεύουν τα γειτονικά κύτταρα από ιική μόλυνση ιοκτόνος παράγοντας (viricidal agent) παράγοντας που σταματά την ιική αντιγραφή και δραστηριότητα ιοστατικός παράγοντας (viristatic agent) παράγοντας που αναστέλλει την ιική αντιγραφή κινολόνες (quinolones) αντιβακτηριακές ενώσεις συνθετικής προέλευσης, που αλληλεπιδρούν με τη γυράση του DA και αποτρέπουν την υπερελίκωση του βακτηριακού DA λύση (lysis) απώλεια της ακεραιότητας ενός κυττάρου, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση των περιεχομένων του κυτταροπλάσματος μυκητοκτόνος παράγοντας (fungicidal agent) παράγοντας που επιφέρει τον θάνατο των μυκήτων μυκητοστατικός παράγοντας (fungistatic agent) παράγοντας που αναστέλλει τον πολλαπλασιασμό των μυκήτων RTI [non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor (RTI)] αναστολέας της αντίστροφης μη νουκλεοζιτικής μεταγραφάσης RTI [nucleoside reverse transcriptase inhibitor(rti)] αναστολέας της αντίστροφης νουκλεοζιτικής μεταγραφάσης παρεμπόδιση, αναστολή (inhibition) περιστολή της μικροβιακής αύξησης, που οφείλεται είτε σε μείωση του αριθμού των παρόντων οργανισμών είτε σε αλλαγή του μικροβιακού περιβάλλοντος παστερίωση (pasteurization) καταστροφή όλων των νοσογόνων μικροοργανισμών ή μείωση του αριθμού των μικροοργανισμών που προκαλούν αλλοιώσεις τετρακυκλίνη (tetracycline) αντιβιοτικό στου οποίου το μόριο υπάρχει ένας τετραμερής δακτύλιος ναφθακενίου χημειοθεραπευτικός παράγοντας (chemotherapeutic agent) αντιμικροβιακός παράγοντας που ενδείκνυται για εσωτερική χρήση Από το κεφάλαιο αυτό, το κέντρο βάρους του βιβλίου θα αρχίσει σταδιακά να απομακρύνεται από τους ίδιους τους μικροοργανισμούς και να εστιάζεται στη σχέση των μικροοργανισμών με τον άνθρωπο. Στο Κεφάλαιο 20 θα εξετάσουμε τους παράγοντες και τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της μικροβιακής αύξησης. Κατά κανόνα, έλεγχος μπορεί να επιτευχθεί είτε με περιορισμό της μικροβιακής αύξησης, με τη διαδικασία της παρεμπόδισης (ή αναστολής), είτε με την καταστροφή των οργανισμών μέσω της αποστείρωσης, δηλαδή της θανάτωσης ή απομάκρυνσης όλων των βιώσιμων οργανισμών από ένα θρεπτικό μέσο. Οι παράγοντες που καταστρέφουν ή θανατώνουν βακτήρια λέγονται βακτηριοκτόνοι. Στην πράξη, η αποστείρωση δεν είναι πάντοτε εφικτή και γι αυτό επιδι- ώκεται αναστολή της ταχείας αύξησης των μικροβίων με άλλες μεθόδους, π.χ. με απολύμανση. Οι παράγοντες που αναστέλλουν τη βακτηριακή αύξηση ονομάζονται βακτηριοστατικοί. Τα μέτρα ελέγχου των μικροβίων περιλαμβάνουν την απορρύπανση, την απολύμανση και την αποστείρωση. Η απορρύπανση, δηλαδή ο απλός καθαρισμός, είναι η συχνότερη μέθοδος ελέγχου της μικροβιακής αύξησης. Επί παραδείγματι, το καθημερινό σκούπισμα του τραπεζιού μετά το φαγητό απομακρύνει μικρόβια δυνάμει μολυσματικά και θρεπτικές ουσίες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από αυτά, παρεμποδίζοντας έτσι τη μικροβιακή αύξηση. Πιο άμεσο αντιμικροβιακό μέτρο είναι η απολύμανση με ειδικούς χημικούς ή φυσικούς παράγοντες, που αποσκοπούν

3 20.1 αποστειρωση με θερμανση 801 στην αναστολή της μικροβιακής αύξησης ή στην καταστροφή των μικροοργανισμών. Ως παράδειγμα αναφέρουμε τη χρήση απολυμαντικών ουσιών, όπως η αλκοόλη, για να καθαρίσουμε ή να απολυμάνουμε μια πληγή. Τέλος, όταν είναι απαραίτητο, χρησιμοποιούμε μεθόδους ελεγχόμενης αποστείρωσης για να καταστρέψουμε όλους τους μικροοργανισμούς. Η αποστείρωση, αν και είναι δύσκολο εγχείρημα, προφυλάσσει πλήρως από τη μόλυνση και την ανάπτυξη μικροοργανισμών. Οι αποστειρωτικές μέθοδοι είναι απαραίτητες π.χ. κατά την παρασκευή μικροβιολογικών θρεπτικών μέσων ή κατά την προεγχειρητική προετοιμασία των χειρουργικών εργαλείων. Στόχος όλων αυτών των διαδικασιών είναι να μειώσουν το μικροβιακό φορτίο, δηλαδή τον αριθμό των ζωντανών μικροοργανισμών που είναι παρόντα. Ο in vivo έλεγχος των μικροβίων, πάντως, είναι κάτι πολύ διαφορετικό. Οι κλινικά χρήσιμοι βακτηριοκτόνοι ή βακτηριοστατικοί παράγοντες θα πρέπει να μειώνουν ή να σταματούν εντελώς τον πολλαπλασιασμό των μικροβίων χωρίς, ωστόσο, να προκαλούν βλάβη στα κύτταρα του ξενιστή. Για την επίτευξη αυτού του στόχου χρησιμοποιείται ένα ευρύ φάσμα φυσικών και συνθετικών χημειοθεραπευτικών παραγόντων. Στο κεφάλαιο αυτό, θα εξετάσουμε αρχικά τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται in vitro για τον αντιμικροβιακό έλεγχο και στη συνέχεια τα αντιμικροβιακά φάρμακα που χρησιμοποιούνται in vivo. Ι ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΩΝ ΜΕ ΦΥΣΙΚΑ ΜΕΣΑ Τόσο για την απορρύπανση (καθαρισμό) όσο και για την απολύμανση και την αποστείρωση χρησιμοποιούνται συνήθως φυσικές μέθοδοι. Η θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες, η ακτινοβολία και η διήθηση αποτελούν καθιερωμένες μεθόδους θανάτωσης ή απομάκρυνσης ανεπιθύμητων μικροοργανισμών. Στην παρούσα ενότητα εξετάζονται οι μηχανισμοί λειτουργίας των παραπάνω μεθόδων και δίνονται πρακτικά παραδείγματα χρήσης τους στην αναστολή της μικροβιακής αύξησης και στην απορρύπανση επιφανειών που φιλοξενούν μικρόβια Αποστείρωση με θέρμανση Η θέρμανση είναι ίσως η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τον έλεγχο της μικροβιακής αύξησης. Κινητική της θερμικής αποστείρωσης Για κάθε μικροοργανισμό υπάρχει ένα ανώτατο όριο θερμοκρασίας μέχρι το οποίο μπορεί αυτός να αναπτυχθεί, ενώ Ποσοστό επιβίωσης (λογαριθµική κλίµακα) ,1 70 C Χρόνος δεκαδικής µείωσης (D) 50 C 60 C Χρόνος (min) Εικόνα 20.1 Η επίδραση της θερμοκρασίας στη βιωσιμότητα ενός μεσόφιλου βακτηρίου. Ο χρόνος δεκαδικής μείωσης, D, υπολογίστηκε για τον ίδιο μεσόφιλο οργανισμό σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες. D είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται, σε δεδομένη θερμοκρασία, ώστε να μειωθεί ο πληθυσμός των οργανισμών στο 10% του αρχικού πληθυσμού. Στους 70 ο C, D = 3 min στους 60 ο C, D = 12 min στους 50 ο C, D = 42 min. η υπέρβαση αυτού του ορίου επιφέρει τον θάνατο. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, όλα σχεδόν τα μακρομόρια χάνουν τη δομή και τις λειτουργικές τους ιδιότητες, διαδικασία που ονομάζεται μετουσίωση ή αποδιάταξη. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 20.1, ο θάνατος λόγω θέρμανσης περιγράφεται με μια εκθετική συνάρτηση (πρώτης τάξεως). Επέρχεται δε ολοένα και ταχύτερα όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η σχέση πρώτης τάξεως που παρουσιάζεται στην Εικόνα 20.1 σημαίνει: α) ότι ο ρυθμός θανάτωσης σε οιαδήποτε χρονική στιγμή είναι ανάλογος της συγκέντρωσης των οργανισμών στη δεδομένη στιγμή και β) ότι ο χρόνος που απαιτείται για να θανατωθεί ένα συγκεκριμένο ποσοστό των κυττάρων (π.χ. 90%) είναι ανεξάρτητος από την αρχική συγκέντρωσή τους. Αυτά τα συμπεράσματα έχουν μεγάλη πρακτική σημασία. Αν θέλουμε να αποστειρώσουμε ένα αντικείμενο από τον μικροβιακό πληθυσμό του, τότε χρειαζόμαστε περισσότερο χρόνο αν χρησιμοποιήσουμε χαμηλότερη θερμοκρασία απ ό,τι αν χρησιμοποιήσουμε υψηλότερη. Επομένως, για να επιτύχουμε την αποστείρωση, πρέπει να ρυθμίσουμε κατάλληλα τον χρόνο και τη θερμοκρασία, ανάλογα με τις συνθήκες. Εξίσου σημαντική είναι και η φύση της θέρμανσης η υγρή θέρμανση είναι πιο διεισδυτική από την ξηρή και επιτυγχάνει ταχύτερη μείωση του αριθμού των ζώντων οργανισμών σε δεδομένη θερμοκρασία. Ο απαιτούμενος χρόνος για να μειωθεί στο 1/10 η πυκνότητα ενός πληθυσμού σε δεδομένη θερμοκρασία, ο αποκαλούμενος χρόνος δεκαδικής μείωσης, D, είναι το πιο εύχρηστο εργαλείο περιγραφής της θερμικής αποστείρωσης. Για το εύρος θερμοκρασιών που χρησιμοποιούνται συνήθως κατά την παρασκευή του φαγητού (π.χ. στο μαγείρεμα ή στην κονσερβοποίηση), η σχέση μεταξύ D και θερμοκρασίας είναι (στην πράξη) εκθετική. Έτσι, όταν αναπαρίσταται δι-

4 802 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ Σπόροι και θερμική αποστείρωση Χρόνος δεκαδικής µείωσης (min) (β) 1 0,1 (α) Θερµοκρασία ( C) Εικόνα 20.2 Η σχέση θερμοκρασίας και ρυθμού θανάτωσης δύο διαφορετικών μικροοργανισμών, με βάση τον χρόνο δεκαδικής μείωσης. Τα δεδομένα για τον χρόνο δεκαδικής μείωσης, D, ελήφθησαν με βάση τις θερμοκρασίες που χρησιμοποιήθηκαν στην Εικόνα Για έναν τυπικό μεσόφιλο μικροοργανισμό (όπως είναι ο α) και έκθεση στους 110 ο C, επιτυγχάνεται δεκαδική μείωση του αρχικού πληθυσμού σε λιγότερο από 20 sec, ενώ για τη δεκαδική μείωση ενός θερμόφιλου μικροοργανισμού (όπως είναι ο β) απαιτούνται 10 min. αγραμματικά ο λογάριθμος του D ως προς τη θερμοκρασία, προκύπτει μια ευθεία γραμμή (Εικόνα 20.2). Η κλίση της ευθείας αποτελεί μέτρο της ευαισθησίας του οργανισμού στη θέρμανση, στις δεδομένες συνθήκες, ενώ το διάγραμμα μπορεί να χρησιμεύσει στον υπολογισμό του χρόνου που απαιτείται για την αποστείρωση, π.χ. κατά την κονσερβοποίηση (f Τμήμα 29.2). Ο προσδιορισμός του χρόνου δεκαδικής μείωσης είναι χρονοβόρος και απαιτεί αρκετές μετρήσεις βιωσιμότητας (f Τμήμα 6.5). Ένας ευκολότερος τρόπος «μέτρησης» της θερμικής ευαισθησίας κάποιου οργανισμού είναι το να προσδιοριστεί ο χρόνος θερμικού θανάτου, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται ώστε να θανατωθούν όλα τα κύτταρα σε δεδομένη θερμοκρασία. Αυτός ο προσδιορισμός είναι απλός και απαιτεί τρεις φάσεις: αρχικά θερμαίνονται τα δείγματα του κυτταρικού εναιωρήματος για διαφορετικά χρονικά διαστήματα, ακολούθως προστίθεται σε αυτά θρεπτικό μέσο και, τέλος, τα εναιωρήματα επωάζονται. Αν έχουν πεθάνει όλα τα κύτταρα, τότε δεν πρόκειται να παρατηρηθεί καμία ανάπτυξη στα επωασθέντα δείγματα. Ο χρόνος θερμικού θανάτου εξαρτάται από το μέγεθος του υπό εξέταση πληθυσμού, καθώς απαιτείται μεγαλύτερος χρόνος για να θανατωθούν όλα τα κύτταρα ενός μεγάλου πληθυσμού, παρά ενός μικρού. Όταν είναι δεδομένος ο αριθμός των κυττάρων, τότε μπορούμε να συγκρίνουμε τη θερμική ευαισθησία διαφορετικών οργανισμών με βάση τη διαφορά τους στον χρόνο θερμικού θανάτου (βλ. τις γραφικές παραστάσεις της Εικόνας 20.1). Η αντοχή στη θέρμανση των βλαστικών κυττάρων και των ενδοσπορίων ενός οργανισμού μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Επί παραδείγματι, η θερμοκρασία που συνήθως αναπτύσσεται στο αυτόκαυστο (βλ. Εικόνα 20.3) είναι 121 ο C. Υπό αυτές τις συνθήκες, ο χρόνος δεκαδικής μείωσης για τα ενδοσπόρια μπορεί να ανέλθει στα 4-5 min, ενώ για τα βλαστικά κύτταρα είναι μόλις 0,1-0,5 min στους 65 ο C. Επομένως, για να είναι αποτελεσματική μια διαδικασία θερμικής αποστείρωσης πρέπει να εξασφαλίζεται η θανάτωση των ενδοσπορίων. Τα βακτηριακά ενδοσπόρια (f Τμήμα 4.15) είναι οι δομές με τη μεγαλύτερη γνωστή αντίσταση στη θέρμανση. Είναι ικανά να επιβιώνουν σε θερμοκρασίες που θα θανάτωναν ταχύτατα τα βλαστικά κύτταρα του ίδιου είδους. Κυριότερος παράγοντας ρύθμισης αυτής της θερμοανθεκτικότητας είναι η ποσότητα και η κατάσταση του νερού μέσα στο ενδοσπόριο. Κατά τη διάρκεια σχηματισμού του ενδοσπορίου, ο όγκος του πρωτοπλάσματος μειώνεται στον ελάχιστο δυνατό, γεγονός που οφείλεται στην αυξημένη συγκέντρωση Ca 2+, σε διάφορες μικρές οξεοδιαλυτές σποριοπρωτεΐνες (small acid-soluble spore proteins, SAPS) και στη βιοσύνθεση διπικολινικού οξέος. Αυτές οι συνθήκες ευνοούν τον σχηματισμό μιας ζελατινώδους δομής. Στη συγκεκριμένη φάση σχηματίζεται και ο παχύς φλοιός γύρω από τον πυρήνα του πρωτοπλάσματος. Η συστολή του φλοιού προκαλεί συρρίκνωση και αφυδάτωση του πρωτοπλάσματος, με αποτέλεσμα η ποσότητα του νερού που απομένει να αντιστοιχεί στο 10-30% εκείνης του βλαστικού κυττάρου. Το υδατικό περιεχόμενο του πρωτοπλάσματος, σε συνδυασμό με τη συγκέντρωση των SAPS, είναι οι δύο παράγοντες που καθορίζουν τη θερμική αντίσταση του σπορίου. Όσα ενδοσπόρια έχουν χαμηλή συγκέντρωση SAPS και υψηλή περιεκτικότητα σε νερό, εμφανίζουν χαμηλή θερμική αντίσταση όσα διαθέτουν υψηλή συγκέντρωση SAPS και χαμηλή περιεκτικότητα σε νερό, εμφανίζουν υψηλή θερμική αντίσταση. Το νερό κινείται ελεύθερα από και προς το εσωτερικό των σπορίων, επομένως δεν είναι το αδιαπέραστο του σποριακού φλοιού που εξωθεί το νερό εκτός σπορίων, αλλά το ζελατινώδες υλικό στο σποριακό πρωτόπλασμα. Η θανάτωση των βλαστικών κυττάρων και των σπορίων επηρεάζεται επίσης από τη φύση του μέσου στο οποίο λαμβάνει χώρα η θέρμανση. Ο θάνατος των μικροβίων επέρχεται ταχύτερα σε όξινο p. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα όξινα τρόφιμα, όπως οι ντομάτες, τα φρούτα και το τουρσί, αποστειρώνονται ευκολότερα απ ότι τα τρόφιμα με ουδέτερο p, όπως το καλαμπόκι και τα φασόλια. Η υψηλή συγκέντρωση σακχάρων, πρωτεϊνών και λιπών εμποδίζει τη διείσδυση της θερμότητας, ενώ η υψηλή συγκέντρωση αλάτων μπορεί είτε να αυξάνει είτε να μειώνει τη θερμική αντίσταση, ανάλογα με τον οργανισμό. Τα ξηρά κύτταρα (και σπόρια) είναι θερμικώς ανθεκτικότερα από τα ενυδατωμένα. Κατά συνέπεια, η θερμική αποστείρωση των ξηρών αντικειμένων απαιτεί πάντοτε υψηλότερες θερμοκρασίες και μεγαλύτερους χρόνους σε σύγκριση με τα υγρά.

5 20.1 αποστειρωση με θερμανση 803 Μανόµετρο θαλάµου Βαλβίδα εκτόνωσης ατµού Έξοδος ατµού Θύρα Επιθάλαµος Θερµόµετρο και βαλβίδα Βαλβίδα παροχής ατµού Είσοδος ατµού Έξοδος αέρα από τον σωλήνα διαφυγής J. Martinko (α) (γ) Χρόνος αυτόκαυσης 130 Παύση ατµού Θερµοκρασία ( C) Έναρξη άσκησης πίεσης Ροή ατµού Χρόνος αποστείρωσης Θερµοκρασία πίεσης προς αποστείρωση Θερµοκρασία αυτόκαυστου αντικειµένου (β) Συνολικός χρόνος ενός κύκλου (min) Εικόνα 20.3 Η χρήση του αυτόκαυστου στην αποστείρωση. (α) Η ροή του ατμού μέσα στο αυτόκαυστο. (β) Ένας συνήθης κύκλος αυτόκαυσης. Ο συγκεκριμένος κύκλος αφορά την αποστείρωση ενός σχετικά ογκώδους αντικειμένου. Η θερμοκρασία του αντικειμένου αυξάνεται βραδύτερα από εκείνη του αυτόκαυστου. (γ) Ένα σύγχρονο αυτόκαυστο για ερευνητική χρήση. Προσέξτε τη θύρα ασφαλείας και, δεξιά, τον πίνακα για την αυτόματη ρύθμιση των παραμέτρων της αυτόκαυσης. Στη δεξιά πλευρά του αυτόκαυστου διακρίνονται οι σωλήνες εισόδου και εξόδου του ατμού. Το αυτόκαυστο Το αυτόκαυστο είναι μια κλειστή συσκευή που επιτρέπει την είσοδο ατμού υπό πίεση (Εικόνα 20.3). Η θανάτωση των θερμοανθεκτικών ενδοσπορίων απαιτεί θέρμανση πάνω από το σημείο βρασμού του νερού και τη χρήση ατμού υπό πίεση (Εικόνα 20.3α). Η συνήθης διαδικασία περιλαμβάνει θέρμανση σε πίεση ατμού 1,1 χιλιόγραμμα/τετραγωνικό εκατοστόμετρο (Kg/cm 2 ), κάτι που ισοδυναμεί με θερμοκρασία 121 ο C. Κατά κανόνα, ο χρόνος που απαιτείται για να επιτευχθεί αποστείρωση στους 121 ο C είναι min (Εικόνα 20.3β). Όταν αποστειρώνονται ευμεγέθη αντικείμενα, η μεταφορά θερμότητας στο εσωτερικό τους είναι αργή και ως εκ τούτου θα πρέπει να είναι επαρκώς μεγαλύτερος και ο χρόνος αποστείρωσής τους, έτσι ώστε να παραμείνει στους 121 ο C για min ολόκληρο το αντικείμενο. Μεγαλύτεροι χρόνοι χρειάζονται, επίσης, όταν αποστειρώνονται στο αυτόκαυστο μεγάλοι όγκοι υγρών, δεδομένου ότι οι μεγάλοι όγκοι χρειάζονται και περισσότερο χρόνο για να φθάσουν στην εκάστοτε θερμοκρασία αποστείρωσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι δεν είναι η πίεση του αυτόκαυστου που θανατώνει τους μικροοργανισμούς αλλά η υψηλή θερμοκρασία που επιτυγχάνεται όταν ο ατμός βρίσκεται υπό πίεση.

6 804 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ Μαθαίνοντας από το παρελθόν Μαθαίνοντας από το παρελθόν Οι πρώτες παστεριώσεις Το όνομα του Pasteur έχει συνδεθεί οριστικά στο μυαλό των ανθρώπων με τη διαδικασία της παστερίωσης. Η τελειοποίηση της παστεριωτικής διαδικασίας περιγράφεται όμορφα από τον René Dubos στο βιβλίο του για τη ζωή του Pasteur 1, από το οποίο και αντιγράφουμε:... απόδειξη ότι τα μικρόβια δεν προκύπτουν αυθόρμητα οδήγησε στην ανάπτυξη τεχνικών για την καταπολέμησή τους, καθώς και για την πρόληψη και ελαχιστοποίηση των μικροβιακών μολύνσεων. Το άμεσο αποτέλεσμα αυτών των βημάτων προόδου ήταν ορισμένες θεμελιώδεις τεχνολογικές αλλαγές στην παρασκευή και συντήρηση των τροφίμων, αλλά και σε ποικίλες άλλες βιομηχανικές διεργασίες... Πολύ σύντομα διαπιστώθηκε ότι η προσβολή των βιολογικών προϊόντων από μικροοργανισμούς μπορεί να ελαχιστοποιηθεί, αλλά 1 René Dubos, Pasteur and Modern Science, 1988, Science Tech. Madison, WI όχι και να αποτραπεί εντελώς, αν ελέγχονται με ευφυείς και αυστηρά εφαρμοζόμενες μεθόδους οι διάφορες τεχνικές διαδικασίες. Το πρόβλημα επομένως ήταν να ανασταλεί η περαιτέρω ανάπτυξη των οργανισμών μετά την είσοδό τους στο εκάστοτε προϊόν. Έχοντας αυτό τον στόχο, ο Pasteur αρχικά δοκίμασε να προσθέσει στο προϊόν διάφορες αντισηπτικές ουσίες, με μέτρια αποτελέσματα. Έτσι, μετά από αρκετούς δισταγμούς, άρχισε να εξετάζει την πιθανότητα να χρησιμοποιήσει τη θέρμανση ως παράγοντα αποστείρωσης. Οι πρώτες μελέτες του Pasteur αναφορικά με τη θέρμανση ως παράγοντα αποστείρωσης έγιναν στο κρασί. Ο Pasteur είχε μεγαλώσει σε μια από τις καλύτερες οινοπαραγωγικές περιοχές της Γαλλίας και, όντας και ο ίδιος ειδήμων στα κρασιά, δεν συνμβιβαζόταν με την ιδέα ότι η θέρμανση πιθανόν να αλλοίωνε τη γεύση και το άρωμα του κρασιού. Προχώρησε, επομένως, με μεγάλη προσοχή και τελικά πείστηκε ότι η θέρμανση στους 55 ο C δεν άλλαζε σημαντικά το άρωμα του κρασιού.... Όλοι αυτοί οι προβληματισμοί οδήγησαν τελικά στη διαδικασία της μερικής αποστείρωσης, που σύντομα έγινε παγκοσμίως γνωστή με την ονομασία «παστερίωση». Όπως διαστώθηκε, η διαδικασία αυτή μπορεί να εφαρμοστεί όχι μόνο στο κρασί αλλά και στη μπίρα, στον μηλίτη οίνο, στο ξίδι, στο γάλα και σε πολλά άλλα ευαίσθητα ποτά, τρόφιμα και οργανικά προϊόντα. Κάτι που χαρακτηρίζει τον Pasteur είναι το γεγονός ότι ο ίδιος δεν έμεινε ικανοποιημένος με το να διατυπώσει απλώς τη θεωρητική βάση της θερμικής αποστείρωσης, αλλά ασχολήθηκε ενεργά και με τον σχεδιασμό ειδικού βιομηχανικού εξοπλισμού για την οικονομικά συμφέρουσα θέρμανση υγρών μεγάλου όγκου. Οι πραγματείες του για το ξίδι, το κρασί και τη μπίρα συνοδεύονται από σχέδια και φωτογραφίες των σχετικών συσκευών και περιγράφουν λεπτομερώς τις διαδικασίες που εμπλέκονται στην αποστειρωτική διαδικασία. Πράγματι, ο όρος «παστερίωση» συμπυκνώνει τη δράση του Pasteur ως επιστήμονα, δεδομένου ότι παραπέμπει τόσο στον ρόλο που αυτός διαδραμάτισε στη θεμελίωση της μικροβιακής θεωρίας όσο και στις ακαταπόνητες προσπάθειές του για να την καταστήσει πρακτικά χρήσιμη στους συνανθρώπους του. Ο όρος μας θυμίζει επίσης τον γνωστό αφορισμό του: «Δεν υπάρχει καθαρή επιστήμη και εφαρμοσμένη επιστήμη. Αυτό που υπάρχει είναι η επιστήμη και οι εφαρμογές της επιστήμης». Παστερίωση Παστερίωση είναι η διαδικασία μείωσης των μικροβιακών πληθυσμών στο γάλα και σε άλλα θερμοευαίσθητα τρόφιμα. Ονομάστηκε έτσι προς τιμή του Louis Pasteur, που πρώτος χρησιμοποίησε τη θέρμανση για να ελέγξει την αλλοίωση του κρασιού (βλ. ένθετο Οι πρώτες παστεριώσεις). Η παστερίωση δεν ταυτίζεται με την αποστείρωση, καθώς δεν θανατώνεται το σύνολο των ζωντανών μικροοργανισμών. Αρχικά, η παστερίωση του γάλακτος χρησιμοποιήθηκε για τη θανάτωση παθογόνων βακτηρίων, και μάλιστα εκείνων ειδικά που ευθύνονται για τη φυματίωση, τη βρουκέλλωση, τον πυρετό Q και τον τυφοειδή πυρετό στη συνέχεια, όμως, διαπιστώθηκε ότι η παστερίωση μπορούσε επίσης να επιμηκύνει τη ζωή του συσκευασμένου γάλακτος. Παρά το γεγονός ότι στις ανεπτυγμένες χώρες οι προαναφερθέντες παθογόνοι οργανισμοί δεν απαντούν πλέον συχνά στα τρόφιμα, η παστερίωση αποτρέπει την εξάπλωση και άλλων παθογόνων, όπως της Escherichia coli 157:7 και ορισμένων ειδών Salmonella, από διάφορα κοινά τρόφιμα (π.χ. γάλα, φρουτοχυμούς). Η παστερίωση εμποδίζει επίσης την ανάπτυξη μικροοργανισμών που προκαλούν αλλοιώσεις στα τρόφιμα, αυξάνοντας εντυπωσιακά τη διάρκεια ζωής διαφόρων ευάλωτων υγρών (f Τμήματα 29.1 και 29.2). Κατά κανόνα, η παστερίωση του γάλακτος γίνεται με τη διοχέτευση του γάλακτος διαμέσου ενός εναλλάκτη θερμότητας. Το γάλα εισάγεται σε έναν σωλήνα που βρίσκεται σε επαφή με κάποια πηγή θερμότητας. Ρυθμίζοντας προσεκτικά την ταχύτητα ροής του γάλακτος, καθώς και το μέγεθος και τη θερμοκρασία της θερμικής πηγής, επιτυγχάνεται αύξηση της θερμοκρασίας του γάλακτος στους 71 ο C, για 15 sec. Κατόπιν το γάλα ψύχεται απότομα. Η όλη διαδικασία ονομάζεται ταχεία παστερίωση. Το γάλα μπορεί επίσης να θερμανθεί σε μεγάλες δεξαμενές στους 63 ο -66 ο C επί 30 min. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος παστερίωσης σε μεγάλες ποσότητες δεν είναι εξίσου ικανοποιητική, διότι το γάλα θερμαίνεται και ψύχεται αργά και πρέπει να παραμείνει σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Η ταχεία παστερίωση αλλοιώνει λιγότερο τη γεύση, θανατώνει αποτελεσματικότερα τους θερμοανθεκτικούς οργανισμούς και, συνήθως, λαμβάνει χώρα υπό συνεχή ροή. Επιπλέον, η ταχεία παστερίωση προσαρμόζεται πιο εύκολα στη λειτουργία των μεγάλων γαλακτοκομικών μονάδων και είναι αυτή που εφαρμόζεται συνήθως στις σύγχρονες γαλακτοκομικές επιχειρήσεις, οι οποίες συχνά χρησιμοποιούν ακόμη μικρότερους χρόνους έκθεσης, αλλά υψηλότερες θερμοκρασίες Έλεγχος εννοιών Αποστείρωση είναι η θανάτωση όλων των οργανισμών. Η συχνότερη μέθοδος αποστείρωσης βασίζεται στη χρήση της θέρμανσης. Η θερμοκρασία που επιλέγεται για τη θερμική αποστείρωση ενός αντικειμένου αποσκοπεί στη θανάτωση των πιο θερμοανθεκτικών

7 20.2 Αποστειρωση με ακτινοβολια 805 οργανισμών, που συνήθως είναι τα ενδοσπόρια των βακτηρίων. Για τις συνήθεις περιπτώσεις αποστείρωσης χρησιμοποιείται το αυτόκαυστο. Η συσκευή αυτή επιτρέπει την παροχή ατμού υπό πίεση σε θερμοκρασίες πάνω από το σημείο βρασμού του νερού. Με την παστερίωση θανατώνονται οι περισσότεροι παθογόνοι μικροοργανισμοί, ελαττώνεται το γενικό μικροβιακό φορτίο και μειώνεται η ανάπτυξη αλλοιωτικών μικροοργανισμών στα τρόφιμα, επιμηκύνοντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους. Γιατί είναι αποτελεσματική η θέρμανση ως αποστειρωτικός παράγοντας; Ποια είναι τα αναγκαία βήματα για να αποστειρωθεί υλικό που ενδέχεται να περιέχει ενδοσπόρια βακτηρίων; 20.2 Αποστείρωση με ακτινοβολία Ένας αποτελεσματικός τρόπος αποστείρωσης ή μείωσης του μικροβιακού φορτίου οιασδήποτε σχεδόν ουσίας είναι η χρήση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (η θέρμανση αποτελεί ένα μόνο παράδειγμα). Μικροκύματα, υπεριώδης ακτινοβολία (UV), ακτίνες Χ, ακτίνες γ και δέσμες ηλεκτρονίων είναι όλα μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (f Τμήμα 10.3) που εν δυνάμει μπορούν να ελέγξουν την αύξηση των μικροβίων. Κάθε είδος ακτινοβολίας, όμως, επιδρά με κάποιον ιδιαίτερο μηχανισμό. Για παράδειγμα, η αντιμικροβιακή δράση των μικροκυμάτων οφείλεται, τουλάχιστον εν μέρει, στη θερμική τους επίπτωση. Η υπεριώδης ακτινοβολία (UV), που σε φυσιολογικές συνθήκες θεωρείται ότι έχει μήκος κύματος μεταξύ 220 και 300 nm, δρα μέσω ενός διαφορετικού μηχανισμού. Τα κύματα της υπεριώδους ακτινοβολίας διαθέτουν αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλέσουν θραύσεις στο DA, κάτι που επιφέρει τον θάνατο του ακτινοβολούμενου οργανισμού (f Τμήμα 10.3). Αυτό το «σχεδόν ορατό» φως είναι χρήσιμο για την απολύμανση του αέρα, διαφόρων επιφανειών και άλλων υλικών, όπως του νερού, που δεν απορροφούν τα υπεριώδη κύματα. Επί παραδείγματι, όλοι οι θάλαμοι ασφαλείας των βιολογικών εργαστηρίων είναι εξοπλισμένοι με λυχνίες «βακτηριοκτόνου» υπεριώδους φωτός για την απολύμανση της επιφάνειας εργασίας μετά τη χρήση της (Εικόνα 20.4). Η υπεριώδης ακτινοβολία δεν μπορεί να διεισδύσει στις στερεές, αδιαφανείς ή φωτοευαίσθητες επιφάνειες, συνεπώς η χρησιμότητά της περιορίζεται στην απολύμανση εκτεθειμένων επιφανειών. Ιοντίζουσα ακτινοβολία Η ιοντίζουσα ακτινοβολία είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία της οποίας τα σωμάτια έχουν τόση ενέργεια όταν συγκρούονται με διάφορα μόρια, ώστε να προκαλούν την παραγωγή ιόντων και άλλων δραστικών ειδών μορίων. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία παράγει ηλεκτρόνια (e - ), ρίζες υδροξυλίου ( ) και ρίζες υδρογόνου (Η ). Όλα αυτά τα δραστικά μόρια είναι ικανά να αποικοδομούν ή να αλλοιώνουν βιοπολυμερή όπως το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DA) και Εικόνα 20.4 Θάλαμος ασφαλείας βιολογικού εργαστηρίου, που διαθέτει πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας (λυχνία ατμών υδραργύρου) για την απολύμανση των επιφανειών στο εσωτερικό του θαλάμου. τις πρωτεΐνες. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία μπορεί επιπλέον να αλληλεπιδρά απευθείας με το DA, προκαλώντας ρήγματα στο νουκλεοτιδικό πολυμερές. Ο ιοντισμός και η επακόλουθη αποικοδόμηση των μορίων υψηλής βιολογικής σημασίας, όπως είναι το DA και τα ένζυμα, θανατώνει τα ακτινοβολημένα κύτταρα. Για τον λόγο αυτό, αρκετές πηγές ιοντίζουσας ακτινοβολίας μπορούν να χρησιμεύσουν στην αποστείρωση διαφόρων υλικών. Μονάδα ακτινοβολίας είναι το roentgen, που αποτελεί μέτρο της ακτινοβολούμενης ενέργειας από κάποια πηγή. Ως πρότυπο για βιολογικές εφαρμογές, όπως είναι η αποστείρωση, χρησιμοποιείται η δόση απορροφούμενης ακτινοβολίας. Μονάδα απορροφούμενης δόσης είναι το rad (100 erg/g) ή το gray (1 Gy = 100 rad). Μερικοί μικροοργανισμοί είναι πολύ ανθεκτικότεροι στην ακτινοβολία απ ό,τι άλλοι. Στον Πίνακα 20.1 δίνεται η δόση της ακτινοβολίας που απαιτείται για να μειωθεί στο ένα δέκατο (1/10) ο αριθμός ορισμένων αντιπροσωπευτικών μικροοργανισμών ή βιολογικών λειτουργιών. Κατά κανόνα, οι μικροοργανισμοί είναι πολύ πιο ανθεκτικοί στην ιοντίζουσα ακτινοβολία απ ό,τι οι πολυκύτταροι οργανισμοί. Για παράδειγμα, η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να μειωθεί το βακτηριακό φορτίο κατά δέκα φορές είναι τουλάχιστον 200 Gy. Σε αντιδιαστολή, η θανατηφόρος δόση ακτινοβολίας για τον άνθρωπο εκτιμάται ότι είναι 10 Gy ή και λιγότερο! Ας σημειωθεί ότι οι δοσολογίες του Πίνακα 20.1 αναφέρονται στον υποδεκαπλασιασμό, δηλ. στη μείωση κατά μία λογαριθμική μονάδα, της ανάπτυξης δεδομένου οργανισμού. Το D10 ή, αλλιώς, η τιμή δεκαδικής μείωσης έχει παραπλήσιο νόημα με τον χρόνο δεκαδικής μείωσης που γνωρίσαμε στη θερμική αποστείρωση (βλ. Τμήμα 20.1). Έτσι, αν παραστήσουμε τον λογάριθμο του ποσοστού επιβίωσης ως προς τη δοσολογία ακτινοβολίας σε gray, τότε η σχέση που θα προκύψει είναι πρακτικά ευθύγραμμη (Εικό- J. Martinko

8 806 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ πινακασ 20.1 Ευαισθησία μικροοργανισμών και βιολογικών λειτουργιών στην ακτινοβολία Είδος ή Τύπος λειτουργία μικροοργανισμού D10 α (Gy) Clostridium botulinum Θετικό κατά Gram αναερόβιο 3300 σποριωτικό βακτήριο Clostridium tetani Θετικό κατά Gram αναερόβιο 2400 σποριωτικό βακτήριο Bacillus subtilis Θετικό κατά Gram αερόβιο 600 σποριωτικό βακτήριο Salmonella typhimurium Αρνητικό κατά Gram βακτήριο 200 Lactobacillus brevis Θετικό κατά Gram βακτήριο 1200 Deinococcus radiodurans Αρνητικό κατά Gram 2200 ακτινοβολοανθεκτικό βακτήριο Aspergillus niger Μύκητας 500 Saccharomyces cerevisiae Ζυμομύκητας (μαγιά) 500 Αφθώδης πυρετός Ιός Coxsackie Ιός 4500 Απενεργοποίηση ενζύμων Απεντόμωση α D10 είναι η ποσότητα ακτινοβολίας που απαιτείται για να μειωθεί ο αρχικός πληθυσμός ή η δραστηριότητα κατά δέκα φορές (δηλ. κατά μία λογαριθμική μονάδα). Gy = gray 1 gray = 100 rad. να 20.5). Κατά κανόνα, η θανατηφόρος δόση που απαιτείται για να επιτευχθεί αποστείρωση με ακτινοβολία είναι το δωδεκαπλάσιο της D10. Επί παραδείγματι, για την καταστροφή των ακτινοανθεκτικών ενδοσπορίων του Clostridium botulinum απαιτούνται Gy (Πίνακας 20.1). Η χρήση της ακτινοβολίας στην πράξη Πηγές ιοντίζουσας ακτινοβολίας είναι, μεταξύ άλλων, οι μηχανές παραγωγής ακτίνων Χ, οι καθοδικοί σωλήνες και τα 1 ραδιενεργά νουκλίδια. Οι ακτίνες Χ ή οι ακτίνες γ που παράγονται από αυτές τις πηγές, έχουν αρκετή ενέργεια και διεισδυτική ισχύ ώστε να προκαλέσουν αναστολή της ανάπτυξης μικροβίων σε στερεά ή υγρά μέσα. Στην πράξη, κυριότερη πηγή ιοντίζουσας ακτινοβολίας είναι τα ραδιενεργά νουκλίδια που εκπέμπουν ακτίνες γ. Τα δύο ισότοπα που χρησιμοποιούνται συχνότερα είναι το 60 Co και το 137 Cs, που και τα δύο είναι σχετικά φθηνά παραπροϊόντα της πυρηνικής σχάσης. Η ακτινοβολία χρησιμοποιείται σήμερα ως μέσο αποστείρωσης και απορρύπανσης ιατρικών υλικών, αλλά και στη βιομηχανία τροφίμων. Στις ΗΠΑ, η Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων έχει εγκρίνει τη χρήση της ακτινοβολίας για την αποστείρωση πολύ διαφορετικών πραγμάτων, όπως είναι τα χειρουργικά υλικά, τα αναλώσιμα εργαστηρίων, τα φάρμακα, ακόμη και διάφορα μοσχεύματα (Πίνακας 20.2). Ωστόσο, λόγω του υψηλού κόστους και των εγγενών κινδύνων των συσκευών ακτινοβολίας, αυτός ο τύπος αποστείρωσης χρησιμοποιείται μόνο σε μεγάλες βιομηχανίες ή σε πολύ εξειδικευμένες εγκαταστάσεις. Ιδιαίτερα διαδεδομένη είναι επίσης η ακτινοβόληση τροφίμων και διατροφικών προϊόντων (f Τμήμα 29.2). Με κατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων εφαρμογής, η ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για αποστείρωση, αλλά και για παστερίωση, καθώς και για απεντόμωση. Η χρήση της ακτινοβολίας έχει εγκριθεί από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας ως μέσο απολύμανσης όσων τροφίμων είναι υπερβολικά ευαίσθητα στη μικροβιακή μόλυνση, ιδιαίτερα των καρυκευμάτων και των προϊόντων φρέσκου κρέατος, όπως τα χάμπουργκερ και τα κοτόπουλα, ενώ στις ΗΠΑ έχει επιτραπεί η χρήση της και στον κιμά (f Τμήμα 29.2). Η χρήση της ακτινοβολίας για όλους τους προαναφερθέντες σκοπούς αποτελεί καθιερωμένη και πλήρως αποδεκτή τεχνολογία σε πολλές χώρες, σε άλλες όμως δεν είναι εξίσου αποδεκτή, κυρίως εξαιτίας φόβων για πιθανή ραδιενεργό μόλυνση, αλλοίωση της διατροφικής αξίας, παραγωγή τοξικών ή καρκινογόνων προϊόντων και άμβλυνση της γευστικότητας των ακτινοβολημένων τροφίμων. Κλάσµα επιβίωσης επιβίωση του 10% 20.2 Έλεγχος εννοιών Υπό κατάλληλες συνθήκες, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να ελέγξει αποτελεσματικά την ανάπτυξη των μικροβίων. Η πινακασ 20.2 Ιατρικά και εργαστηριακά προϊόντα που αποστειρώνονται με ακτινοβολία Ιστικά Ιατρικά και μοσχεύματα Φάρμακα εργαστηριακά αναλώσιμα Ακτινοβολία (Gy) Εικόνα 20.5 Η σχέση του κλάσματος επιβίωσης με τη δόση της ακτινοβολίας. Το D10, δηλ. η δόση δεκαδικής μείωσης, μπορεί να υπολογιστεί από τα δεδομένα με τον τρόπο που φαίνεται εδώ. Η δόση σε gray διαφέρει σημαντικά από οργανισμό σε οργανισμό. Χόνδρος Χλωραμφαινικόλη Αναλώσιμα μίας χρήσης Τένοντας Αμπικιλλίνη Θρεπτικά μέσα Δέρμα Τετρακυκλίνη Σύριγγες Καρδιακές βαλβίδες Ατροπίνη Χειρουργικά εργαλεία Εμβόλια Ράμματα Αλοιφές

9 20.3 αποστειρωση με διηθηση 807 υπεριώδης ακτινοβολία είναι χρήσιμη για την απολύμανση επιφανειών και υλικών που δεν απορροφούν φως, όπως ο αέρας και το νερό. Στην περίπτωση στερεών ή φωτοαπορροφητικών υλικών είναι απαραίτητη η χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας, λόγω της διεισδυτικής της ικανότητας. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην αποστείρωση και την απορρύπανση. Τι είναι η δόση δεκαδικής μείωσης μιας ακτινοβολίας; Γιατί είναι η ιοντίζουσα ακτινοβολία αποτελεσματικότερη από την υπεριώδη όσον αφορά την αποστείρωση των τροφίμων; 20.3 Αποστείρωση με διήθηση Όπως προαναφέρθηκε στο Τμήμα 20.1, συνηθέστερος και αποτελεσματικότερος τρόπος αποστείρωσης υγρών είναι η θέρμανση. Ωστόσο, όταν το προς αποστείρωση υγρό ή αέριο είναι θερμοευαίσθητο, τότε χρησιμοποιείται η αποστείρωση με διήθηση (φιλτράρισμα). Ο ηθμός (δηλ. το φίλτρο) είναι μια συσκευή με πόρους τόσο μικρούς ώστε να εμποδίζουν τη διέλευση των μικροοργανισμών, αλλά αρκετά μεγάλους ώστε να επιτρέπουν τη διέλευση του υγρού ή του αερίου. Το εύρος μεγέθους των διηθούμενων σωματιδίων είναι σχετικά μεγάλο. Μερικά από τα πλέον ευμεγέθη μικροβιακά κύτταρα έχουν διάμετρο πάνω από 10 μm αλλά, στο αντίθετο άκρο της κλίμακας μεγέθους, η διάμετρος των μικροβίων μπορεί να είναι και μικρότερη από 0,3 μm. Επίσης, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι μέθοδοι επιλεκτικής διήθησης χρησιμοποιήθηκαν ήδη από τα πρώτα χρόνια της μικροβιολογίας για την απομόνωση και τον προσδιορισμό μολυσματικών σωματίων με μέγεθος μικρότερο από εκείνο των βακτηρίων. Αυτά τα μολυσματικά σωμάτια τώρα γνωρίζουμε ότι πρόκειται για ιούς έχουν πολύ μικρό μέγεθος, που κυμαίνεται μεταξύ 28 nm και 200 nm (f Τμήμα 29.2). Είδη φίλτρων (ηθμών) Στην Εικόνα 20.6 παρουσιάζονται τα τρία κύρια είδη φίλτρων (ηθμών). Το παλαιότερο είδος φίλτρου είναι το φίλτρο βάθους. Το φίλτρο βάθους είναι ένα πλέγμα ινών, αποτελούμενο από μια ακανόνιστη διάταξη αλληλεπικαλυπτόμενων ινών χαρτιού, αμιάντου ή γυαλιού (Εικόνα 20.6α), το οποίο παγιδεύει τα σωμάτια στις δαιδαλώδεις διαδρομές που δημιουργούνται καθ όλο το πάχος της δομής του. Επειδή τα φίλτρα βάθους είναι αρκετά πορώδη, χρησιμοποιούνται ως προφίλτρα για την απομάκρυνση μεγάλων σωματιδίων από τα διαλύματα, ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία συσσωματωμάτων κατά την τελική διαδικασία της διηθητικής αποστείρωσης. Χρησιμοποιούνται επίσης για τη διηθητική αποστείρωση του αέρα σε διάφορες βιομηχανικές διεργασίες (f Τμήμα 30.4). Συνηθέστερο είδος αποστειρωτικού φίλτρου στο πεδίο της μικροβιολογίας είναι το μεμβρανικό φίλτρο (membrane filter) (Εικόνα 20.6β). Τα μεμβρανικά φίλτρα αποτελούνται από πολυμερή με υψηλή αντοχή στον εφελκυσμό, όπως είναι η οξική κυτταρίνη, η νιτρική κυτταρίνη και η πολυσουλφόνη, και κατασκευάζονται με τέτοιον τρόπο ώστε να περιέχουν μεγάλο αριθμό μικροσκοπικών πόρων. Ρυθμίζοντας κατάλληλα τις συνθήκες πολυμερισμού κατά την παρασκευή του φίλτρου, είναι δυνατόν να προσδιορίσουμε με ακρίβεια το μέγεθος των μεμβρανικών πόρων (άρα και το μέγεθος των σωματιδίων που μπορούν να διέλθουν από αυτούς). Το μεμβρανικό φίλτρο διαφέρει από το φίλτρο βάθους, αφού λειτουργεί ως «σουρωτήρι», παγιδεύοντας πολλά σωμάτια στην επιφάνειά του. Το 80-85% περίπου του εμβαδού της επιφάνειας του μεμβρανικού φίλτρου αποτελείται από ανοιχτούς πόρους. Το γεγονός αυτό επιτρέπει σχετικά υψηλή ταχύτητα ροής των υγρών. Το τρίτο είδος φίλτρου που χρησιμοποιείται συχνά στα βιολογικά εργαστήρια είναι το φίλτρο uclepore [βλ. Πα- T.D. Brock T.D. Brock T.D. Brock Εικόνα 20.6 Η δομή ενός φίλτρου βάθους (α), ενός συμβατικού μεμβρανικού φίλτρου (β) και ενός φίλτρου uclepore (γ). Τα φίλτρα βάθους χρησιμοποιούνται για την πρώτη διήθηση (προφίλτρα), καθώς και για τη διήθηση υγρών στα οποία υπάρχει μεγάλος αριθμός αιωρούμενων σωματίων. Τα μεμβρανικά φίλτρα χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, τόσο στο εργαστήριο όσο και στη βιομηχανία, επειδή είναι άμεσα διαθέσιμα σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών, διαμέτρων, πυκνότητας πόρων και κόστους, ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σύνολο σχεδόν των περιπτώσεων στις οποίες απαιτείται διήθηση. Τα φίλτρα uclepore χρησιμεύουν στην απομόνωση παρασκευασμάτων που προορίζονται για μικροσκόπηση, διότι παγιδεύουν το διηθούμενο υλικό σε ένα μοναδιαίο στρώμα στην επιφάνεια του φίλτρου. (α) (β) (γ)

10 808 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ ράρτημα 3, Σ.τ.Ε.Ε. 1]. Αυτά τα φίλτρα δημιουργούνται από πολύ λεπτά πολυανθρακικά φιλμ (πάχους 10 μm), τα οποία ακτινοβολούνται με πυρήνες ατόμων και κατόπιν υφίστανται «χάραξη» με μια χημική ουσία. Η ακτινοβολία προκαλεί τοπικές αλλοιώσεις στο φιλμ, ενώ η χημική ουσία διευρύνει αυτές τις αλλοιωμένες περιοχές δημιουργώντας οπές. Το μέγεθος των οπών ρυθμίζεται με ακρίβεια από τη δραστικότητα και τον χρόνο δράσης της χημικής ουσίας. Ένα τυπικό φίλτρο uclepore έχει ιδιαίτερα ομοιόμορφες οπές, οι οποίες διατάσσονται σχεδόν κάθετα προς την επιφάνεια του φιλμ (Εικόνα 20.6γ). Τα φίλτρα uclepore χρησιμοποιούνται συνήθως στην ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης. Με τη διήθηση ενός διαλύματος που περιέχει τον οργανισμό από φίλτρο uclepore, επιτυγχάνεται η απομόνωση του οργανισμού από το διάλυμα και ταυτόχρονα η συγκέντρωσή του σε ένα μοναδιαίο στρώμα στην άνω πλευρά του φίλτρου, όπου κατόπιν μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί στο ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο (Εικόνα 20.7). Στην Εικόνα 20.8 απεικονίζονται μεμβρανικά φίλτρα που χρησιμοποιούνται στην αποστείρωση υγρών. Συνήθως η συσκευή διήθησης αποστειρώνεται χωριστά από τα φίλτρα και συναρμολογείται υπό ασηπτικές συνθήκες την ώρα της διήθησης. Η διάταξη της Εικόνα 20.8α χρησιμοποιείται για μικρούς όγκους υγρών. Για την αποστειρωτική διήθηση μεγάλων όγκων, το μεμβρανικό φίλτρο διατάσσεται κατά μήκος μιας «κασετίνας» η οποία τοποθετείται σε ένα κυτίο από ανοξείδωτο χάλυβα. Η μαζική διήθηση θερμοευαίσθητων υγρών είναι ιδιαίτερα συνήθης στη φαρμακευτική βιομηχανία. Στα μικρά εργαστήρια, η αποστείρωση υγρών μικρού και μέτριου όγκου γίνεται συνήθως με διατάξεις προαποστειρωμένων μεμβρανικών φίλτρων (Εικόνα 20.8β). Στη διήθηση χρησιμοποιείται σύριγγα, αντλία ή δημιουργείται κενό, προκειμένου να εξαναγκαστεί το υγρό να διέλθει μέσα από τη συσκευή διήθησης και να καταλήξει σε ένα αποστειρωμένο δοχείο συλλογής Έλεγχος εννοιών Εικόνα 20.7 Μικρογράφημα ηλεκτρονιακού μικροσκοπίου σάρωσης υδρόβιων βακτηρίων και φυκών που έχουν παγιδευτεί σε φίλτρο uclepore. Η διάμετρος των πόρων είναι 5 μm. Carlos Pedrós-Alió and T. D. Brock Η αποστείρωση με διήθηση αποσκοπεί στην απομάκρυνση των ζωντανών μικροοργανισμών από ένα υγρό μέσο. Τα μεμβρανικά φίλτρα χρησιμοποιούνται ευρέως στο εργαστήριο για την αποστείρωση θερμοευαίσθητων υγρών. Γιατί δεν χρησιμοποιούνται ευρέως για αποστείρωση τα φίλτρα βάθους; Ποια τα πλεονεκτήματα του μεμβρανικού φίλτρου έναντι του φίλτρου uclepore, στην αποστείρωση; Μη αποστειρωµένο µέσο (α) (β) Χωνί Μεµβρανικό φίλτρο Γυάλινη πλατφόρµα Βάση Λαστιχένιο πώµα Κενό Μάνδαλο σταθεροποίησης Αποστειρω- µένο µέσο Εικόνα 20.8 Μεμβρανικά φίλτρα. (α) Διάταξη συσκευής μεμβρανικού φίλτρου, επαναλαμβανόμενης χρήσης. (β) Προαποστειρωμένες, συναρμολογούμενες συσκευές διήθησης μίας χρήσης. Αριστερά: σύστημα διήθησης μικρών όγκων. Δεξιά: σύστημα διήθησης μεγαλύτερων όγκων. J. Martinko

11 20.4 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ με χημικα μεσα 809 ΙΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΩΝ ΜΕ ΧΗΜΙΚΑ ΜΕΣΑ Σε καθημερινή βάση χρησιμοποιούμε μεγάλη ποικιλία χημικών ουσιών στο σπίτι και στους χώρους εργασίας για να ελέγξουμε τη μικροβιακή ανάπτυξη. Τα απορρυπαντικά για τον καθαρισμό των ρούχων ή τα σαπούνια στο μπάνιο αποσκοπούν, τουλάχιστον εν μέρει, στη μείωση του μικροβιακού φορτίου ή στην εξάλειψη των μικροοργανισμών από τα ρούχα και την επιφάνεια του σώματος. Στην κουζίνα χρησιμοποιούμε ποικίλα χημικά προϊόντα για να εξοντώσουμε τους μικροοργανισμούς ή να αναστείλουμε την ανάπτυξή τους στα πιάτα, στα μαγειρικά σκεύη και στις επιφάνειες χρήσης. Στο εργαστήριο μικροβιολογίας και στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι καθιερωμένη η χρήση διαφόρων χημικών παραγόντων για τον έλεγχο της ανεπιθύμητης μικροβιακής ανάπτυξης. Στην ενότητα αυτή θα ταξινομήσουμε και θα εξετάσουμε τους μηχανισμούς δράσης ορισμένων χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των μικροοργανισμών στο περιβάλλον μας. ανάπτυξης μπορεί να έχει τρεις διακριτές επιδράσεις: βακτηριοστατική, βακτηριοκτόνο ή βακτηριολυτική (Εικόνα 20.9). Βακτηριοστατική ονομάζεται η επίδραση που επιφέρει αναστολή της αύξησης, αλλά όχι και τον θάνατο των βακτηρίων (Εικόνα 20.9α). Οι βακτηριοστατικοί παράγοντες είναι συνήθως αναστολείς της πρωτεϊνοσύνθεσης και δρουν δεσμευόμενοι στα ριβοσώματα. Ωστόσο, η δέσμευση αυτή δεν είναι πολύ σταθερή. Έτσι, αν μειωθεί η συγκέντρωση του παράγοντα, αυτός αποδεσμεύεται από το ριβόσωμα και η βακτηριακή αύξηση ανακάμπτει. Τον συγκεκριμένο μηχανισμό χρησιμοποιούν πολλά αντιβιοτικά, τα οποία θα εξετάσουμε στα Τμήματα Οι βακτηριοκτόνοι παράγοντες φο- Log αριθµού κυττάρων Βακτηριοστατικός Ολικός αριθµός κυττάρων Αριθµός βιώσιµων κυττάρων 20.4 Έλεγχος της μικροβιακής αύξησης με χημικά μέσα (α) Χρόνος Αντιμικροβιακοί παράγοντες ονομάζονται οι χημικές ουσίες φυσικής ή συνθετικής προέλευσης που θανατώνουν μικροοργανισμούς ή αναστέλλουν την ανάπτυξή τους. Οι παράγοντες που προκαλούν τον θάνατο κάποιων οργανισμών χαρακτηρίζονται με ένα επίθετο που έχει την κατάληξη κτόνος και θέμα ανάλογα με τον οργανισμό που εξοντώνεται. Έτσι υπάρχουν βακτηριοκτόνοι, μυκητοκτόνοι και ιοκτόνοι παράγοντες. Ένας βακτηριοκτόνος παράγοντας φονεύει βακτήρια, αλλά όχι απαραιτήτως και άλλα είδη μικροοργανισμών. Ένας παράγοντας που, αντί να φονεύει, απλώς αναστέλλει την αύξηση κάποιων οργανισμών χαρακτηρίζεται με έναν επιθετικό προσδιορισμό που καταλήγει σε στατικός, π.χ. βακτηριοστατικός, μυκητοστατικός ή ιοστατικός παράγοντας. Οι διάφοροι αντιμικροβιακοί παράγοντες μπορεί να έχουν διαφορετική επιλεκτική τοξικότητα. Ορισμένοι δρουν με μη επιλεκτικό τρόπο, προκαλώντας παραπλήσια αποτελέσματα σε όλα τα είδη κυττάρων. Άλλοι, πάλι, είναι πολύ πιο επιλεκτικοί και τοξικοί για τους μικροοργανισμούς παρά για τους ζωικούς ιστούς. Οι αντιμικροβιακοί παράγοντες με επιλεκτική τοξικότητα είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι στην αντιμετώπιση μολυσματικών νόσων, δεδομένου ότι μπορούν να θανατώσουν τους νοσογόνους μικροοργανισμούς in vivo, χωρίς να προκαλέσουν βλάβες στον ξενιστή. Οι παράγοντες αυτοί θα περιγραφούν στην επόμενη ενότητα. Επιδράσεις των αντιμικροβιακών παραγόντων στην αύξηση Η προσθήκη κάποιου αντιμικροβιακού παράγοντα σε μια καλλιέργεια βακτηρίων που βρίσκεται στην εκθετική φάση Log αριθµού κυττάρων (β) Log αριθµού κυττάρων (γ) Βακτηριοκτόνος Βακτηριολυτικός Χρόνος Χρόνος Εικόνα 20.9 Οι τρεις τρόποι δράσης των αντιμικροβιακών παραγόντων. Κάθε αντιμικροβιακός παράγοντας προστέθηκε κατά τη φάση εκθετικής ανάπτυξης της καλλιέργειας (τη χρονική στιγμή που υποδεικνύεται με το βέλος) και σε συγκέντρωση τέτοια που να προκαλεί αναστολή της μικροβιακής αύξησης. Παρατηρήστε τη διαφορά μεταξύ ολικού αριθμού κυττάρων και αριθμού βιώσιμων κυττάρων. Media TutorIal Antimicrobial Activity

12 810 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ νεύουν τα κύτταρα, χωρίς ωστόσο να προκαλούν λύση ή ρήξη τους (Εικόνα 20.9β). Οι βακτηριοκτόνοι παράγοντες είναι μια κατηγορία χημικών παραγόντων που συνήθως δεσμεύονται ισχυρά στον εκάστοτε κυτταρικό στόχο και δεν απομακρύνονται με ενδεχόμενη αραίωσή τους. Οι βακτηριολυτικοί παράγοντες επάγουν έμμεσα τον θάνατο, προκαλώντας λύση του κυττάρου. Έτσι, η προσθήκη του παράγοντα αυτού επιφέρει μείωση του συνολικού αριθμού ζώντων κυττάρων και αύξηση της θολερότητας του διαλύματος (Εικόνα 20.9γ). Στους βακτηριολυτικούς παράγοντες ανήκουν τα αντιβιοτικά που αναστέλλουν τη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος, όπως η πενικιλλίνη (f Τμήμα 4.8 βλ. επίσης Τμήμα 20.8), καθώς και οι χημικοί παράγοντες που προκαλούν βλάβες στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. MEDIA TUTRIAL Ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωση Μέτρηση αντιμικροβιακής δράσης Για να μετρηθεί η αντιμικροβιακή δράση ενός παράγοντα πρέπει να καθορίσουμε τη μικρότερη δυνατή ποσότητά του που αναστέλλει την ανάπτυξη συγκεκριμένου μικροοργανισμού. Η τιμή της ποσότητας αυτής ονομάζεται ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωση (minimum inhibitory concentration, MIC). Για τον προσδιορισμό της MIC προετοιμάζεται αρχικά μια σειρά δοκιμαστικών σωλήνων καλλιέργειας. Στο θρεπτικό υλικό καθενός από αυτούς προστίθεται διαφορετική συγκέντρωση του αντιμικροβιακού παράγοντα. Κατόπιν γίνεται ενοφθαλμισμός του μικροοργανισμού και επώαση. Μετά την επώαση, οι δοκιμαστικοί σωλήνες ελέγχονται για ενδεχόμενη ορατή ανάπτυξη του μικροοργανισμού (θολερότητα). Ο δοκιμαστικός σωλήνας με τη χαμηλότερη συγκέντρωση αντιμικροβιακού παράγοντα που αναστέλλει πλήρως την ανάπτυξη του υπό έλεγχο οργανισμού είναι εκείνος που προσδιορίζει την MIC (Εικόνα 20.10). Αυτή η απλή και αποτελεσματική μέθοδος ονομάζεται επίσης τεχνική των δοκιμαστικών σωλήνων αραίωσης. Η MIC δεν αποτελεί σταθερό χαρακτηριστικό ενός αντιμικροβιακού παράγοντα, διότι εξαρτάται από τον εξεταζόμενο οργανισμό, την ενοφθαλμιζόμενη ποσότητα, τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου, τον χρόνο επώασης και τις συνθήκες επώασης (π.χ. τη θερμοκρασία, το p και τον αερισμό). Αν έχουν τυποποιηθεί με αυστηρότητα όλες αυτές οι παράμετροι, τότε μπορεί κανείς να συγκρίνει μεταξύ τους διάφορους αντιμικροβιακούς παράγοντες και να καθορίσει ποιος είναι αποτελεσματικότερος για συγκεκριμένο μικροοργανισμό ή να εκτιμήσει τη δραστικότητα δεδομένου παράγοντα έναντι διαφορετικών μικροοργανισμών. Η μέθοδος δεν μπορεί να διακρίνει αν ο παράγοντας είναι κτόνος ή στατικός, δεδομένου ότι η παρουσία του στο καλλιεργητικό μέσο είναι συνεχής καθ όλη τη διάρκεια της περιόδου επώασης. Ένας άλλος συνήθης τρόπος μελέτης της αντιμικροβιακής δράσης είναι η μέθοδος διάχυσης στην αγαρόζη (Εικόνα 20.11). Αρχικά ετοιμάζεται ένα τρυβλίο Petri με θρεπτική αγαρόζη στην οποία έχει ενοφθαλμιστεί ομοιογενώς ο υπό έλεγχο μικροοργανισμός. Κατόπιν προστίθενται στην επιφάνεια της αγαρόζης μικροί χάρτινοι δίσκοι με γνωστή ποσότητα του αντιμικροβιακού παράγοντα. Κατά τη διάρκεια της επώασης, ο παράγοντας διαχέεται από το χαρτί στην περιβάλουσα αγαρόζη. Προφανώς, όσο μακρύτερα διαχέεται από τον χάρτινο δίσκο ο αντιμικροβιακός παράγοντας, τόσο μειώνεται η συγκέντρωσή του. Σε κάποια απόσταση από τον δίσκο, η συγκέντρωση του παράγοντα γίνεται ίση με την MIC. Πέραν της συγκεκριμένης ακτίνας παρατηρείται ανάπτυξη του μικροβίου, ενώ πριν από την απόσταση αυτή (δηλ. πλησιέστερα προς τον δίσκο) δεν παρατηρείται. Επομένως δημιουργείται μια ζώνη αναστολής γύρω από τον χάρτινο δίσκο, η διάμετρος της οποίας είναι ανάλογη προς την ποσότητα του προστεθειμένου αντιμικροβιακού παράγοντα, τη διαλυτότητά του, τον συντελεστή διάχυσης και τη συνολική αποτελεσματικότητα του παράγοντα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά για να ελεγχθεί η ευαισθησία των διαφόρων παθογόνων μικροοργανισμών στα αντιβιοτικά (f Τμήμα 24.3) Έλεγχος εννοιών Εικόνα Εξέταση αντιβιοτικού με τη μέθοδο των δοκιμαστικών σωλήνων αραίωσης, προκειμένου να προσδιοριστεί η ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωση (MIC). Μια σειρά αυξανόμενων συγκεντρώσεων του αντιβιοτικού προστίθεται στο καλλιεργητικό μέσο των σωλήνων. Κάθε σωλήνας ενοφθαλμίζεται με τον υπό έλεγχο μικροοργανισμό και επωάζεται. Ανάπτυξη (θολερότητα) εμφανίζεται σε εκείνους τους σωλήνες στους οποίους η συγκέντρωση του αντιβιοτικού είναι μικρότερη της MIC. T. D. Brock Για τον έλεγχο της μικροβιακής αύξησης χρησιμοποιούνται συχνά χημικές ουσίες. Οι χημικές ουσίες που θανατώνουν μικροοργανισμούς χαρακτηρίζονται με την κατάληξη -κτόνες, ενώ όσες αναστέλλουν την ανάπτυξή τους χαρακτηρίζονται με την κατάληξη - στατικές. Η αποτελεσματικότητα ενός αντιβακτηριακού χημικού παράγοντα εξαρτάται από την ελάχιστη συγκέντρωσή του που είναι απαραίτητη για να ανασταλεί πλήρως η βακτηριακή ανάπτυξη. Τι σημαίνει επιλεκτική τοξικότητα ενός αντιβακτηριακού παράγοντα; Περιγράψτε πώς προσδιορίζεται η ελάχιστη ανασταλτική συγκέντρωση ενός αντιβακτηριακού παράγοντα.

13 20.5 αντισηπτικα, απολυμαντικα και αποστειρωτικα Τρυβλίο µε θρεπτικό άγαρ Καλυπτήρια στρώση Καλλιέργεια ενοφθαλµισµού σε 5 ml καλυπτήριας αγαρόζης Στην επιφάνεια τοποθετούνται µικροί χάρτινοι δίσκοι εµποτισµένοι µε αντιβιοτικό Επώαση επί ώρες Ο υπό έλεγχο οργανισµός έχει ευαισθησία στο αντιβιοτικό, αν µετά την επώαση εµφανιστεί αναστολή της βακτηριακής αύξησης γύρω από τον αντίστοιχο δίσκο (ζώνη αναστολής) Εικόνα Η μέθοδος διάχυσης στην αγαρόζη για τον προσδιορισμό της αντιβιοτικής δράσης κάποιου αντιβιοτικού. Αντισηπτικά, απολυμαντικά και αποστειρωτικά Aντισηπτικά ονομάζονται οι χημικοί παράγοντες που θανατώνουν μικροοργανισμούς, ή αναστέλλουν την ανάπτυξή τους, και έχουν αρκετά χαμηλή τοξικότητα ώστε να μπορεί να γίνει επάλειψή τους σε ζωντανούς ιστούς. Οι περισσότερες από τις ενώσεις της κατηγορίας αυτής χρησιμοποιούνται για το πλύσιμο των χεριών ή σε επιφανειακές πληγές (Πίνακας 20.3). Υπό ορισμένες συνθήκες κάποια αντισηπτικά δρουν αποτελεσματικά και ως απολυμαντικά. Απολυμαντικά ονομάζονται όσες χημικές ουσίες θανατώνουν μικροοργανισμούς και εφαρμόζονται μόνο σε άψυχα αντικείμενα. Αποστειρωτικά είναι απολυμαντικές ουσίες που, υπό κατάλληλες συνθήκες, μπορούν να θανατώσουν κάθε μορφή μικροβιακής ζωής και οι οποίες χρησιμοποιούνται για την αποστείρωση άψυχων αντικειμένων και επιφανειών. Οι χημικοί απολυμαντικοί παράγοντες (πολλές φορές συλλογικά ονομάζονται μικροβιοκτόνα) χρησιμοποιούνται ευρέως για την απολύμανση ή αποστείρωση άψυχων αντικειμένων, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις εκείνες που δεν είναι δυνατή η χρήση θέρμανσης (βλ. Τμήμα 20.1) ή ακτινοβολίας (βλ. Τμήμα 20.2). Στα νοσοκομεία και στα εργαστήρια, επί παραδείγματι, χρησιμεύουν στην απολύμανση δαπέδων, τραπεζιών, πάγκων εργασίας, τοίχων κ.λπ. Στη βιομηχανία τροφίμων είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούνται συχνά μικροβιοκτόνα στα πατώματα, στους τοίχους και στις διάφορες επιφάνειες, για να μειωθεί το μικροβιακό φορτίο, καθώς και σε διάφορες συσκευές, ώστε να είναι ασφαλής η χρήση τους. Επίσης, τα νοσοκομεία και τα εργαστήρια πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να αποστειρώνουν διάφορα θερμοευαίσθητα υλικά, όπως τα θερμόμετρα, τα εργαλεία που φέρουν φακούς, τους σωλήνες πολυαιθυλενίου, τους καθετήρες και τις συσκευές πολλαπλών χρήσεων (π.χ. τα αναπνοόμετρα). Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται συνήθως ένα είδος ψυχρής αποστείρωσης. Η ψυχρή αποστείρωση διενεργείται σε κλειστές συσκευές που μοιάζουν με το αυτόκαυστο, αλλά περιέχουν μια μεγάλη ποικιλία χημικών ουσιών, π.χ. οξείδιο του αιθυλενίου, φορμαλδεΰδη, υπεροξικό οξύ και υπεροξείδιο του υδρογόνου. Το πόσιμο νερό απολυμαίνεται τακτικά με χλώριο ή ενώσεις του χλωρίου, ώστε να εξαλειφθούν οι δυνητικά επιβλαβείς οργανισμοί (Πίνακας 20.3). Η αποτελεσματικότητα των διαφόρων αντισηπτικών και απολυμαντικών επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Για παράδειγμα, πολλά μικροβιοκτόνα εξουδετερώνονται από την παρουσία οργανικών υλικών, με αποτέλεσμα να μειώνεται η δραστική συγκέντρωσή τους και, έτσι, να αναστέλλεται η ικανότητά τους να εξοντώνουν τους μικροοργανισμούς. Επιπλέον, διάφοροι παθογόνοι μικροοργανισμοί πολύ συχνά εγκλωβίζονται μέσα σε σωματίδια ή αναπτύσσονται σε μεγάλους αριθμούς υπό τη μορφή βιοφίλμ, καλύπτοντας την επιφάνεια ιστών με πολλές επάλληλες στρώσεις μικροβιακών κυττάρων (f Τμήμα 19.3). Κατά συνέπεια, η διείσδυση του χημικού παράγοντα στα ζωντανά μικροβιακά κύτταρα μπορεί να επιβραδύνεται ή και να παρεμποδίζεται παντελώς. Επίσης, σε πολλές περιπτώσεις τα βακτηριακά ενδοσπόρια αποδεικνύονται πολύ πιο ανθεκτικά στα βακτηριοκτόνα απ ό,τι τα βλαστικά κύτταρα, εξαιτίας της μικρής περιεκτικότητάς τους σε νερό και του μειωμένου μεταβολισμού τους (f Τμήμα 4.15 βλ. επίσης Τμήμα 20.1). Ορισμένα βλαστικά κύτταρα, όπως π.χ. εκείνα του Mycobacterium tuberculosis, αιτιακού παράγοντα της φυματίωσης, είναι ανθεκτικά στη δράση των μικροβιοκτόνων λόγω της περίπλοκης δομής του κυτταρικού τους τοιχώματος (f Τμήματα και 26.5). Για όλους αυτούς τους λόγους γίνεται κατανοητό ότι η χρήση ενός μικροβιοκτόνου παράγοντα μπορεί να μην επιφέρει πάντοτε ολική καταστροφή των παθογόνων (αποστείρωση). Στην πράξη, επομένως, η αποτελεσματικότητα δεδομένου μικροβιοκτόνου μπορεί να καθοριστεί μόνο στο πλαίσιο των πραγματικών συνθηκών χρήσης του. Μια συνοπτική εικόνα των συχνότερα χρησι-

14 812 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ πινακασ 20.3 Αντισηπτικοί, απολυμαντικοί και αποστειρωτικοί παράγοντες Παράγοντας Χρήση Τρόπος δράσεως Αντισηπτικά Αλκοόλη (60-85% αιθανόλη ή ισοπροπανόλη σε νερό) α Δέρμα Διάλυση λιπιδίων και μετουσίωση πρωτεϊνών Ενώσεις φαινόλης (εξαχλωροφέν, τρικλοζάν, Σαπούνια, λοσιόν, Διάρρηξη της κυτταρικής μεμβράνης χλωροξυλενόλη, χλωρεξιδίνη) καλλυντικά, αποσμητικά Κατιοντικά απορρυπαντικά, κυρίως ενώσεις του Σαπούνια, λοσιόν Αλληλεπιδρά με τα φωσφολιπίδια τεταρτοταγούς αμμωνίου (χλωριούχο βενζαλκόνιο) των μεμβρανών Υπεροξείδιο του υδρογόνου α (διάλυμα 3%) Δέρμα Οξειδωτικός παράγοντας Ιωδιοφόρες ενώσεις του ιωδίου σε διάλυμα Δέρμα Ιωδίωση των καταλοίπων τυροσίνης στις (Betadine ) πρωτεΐνες οξειδωτικός παράγοντας Νιτρικός άργυρος Οφθαλμοί νεογνών για την πρόληψη της Καθίζηση πρωτεϊνών τύφλωσης από μόλυνση με eisseria gonorrhoeae Απολυμαντικά και αποστειρωτικά Αλκοόλη (60-85% αιθανόλη ή ισοπροπανόλη σε νερό) α Απολυμαντικό και αποστειρωτικό ιατρικών Διάλυση λιπιδίων και οργάνων και εργαστηριακών επιφανειών μετουσίωση πρωτεϊνών Κατιοντικά απορρυπαντικά (ενώσεις του τεταρτοταγούς Απολυμαντικά ιατρικών οργάνων, τροφίμων Αλληλεπίδραση με φωσφολιπίδια αμμωνίου) και συσκευών γαλακτοκομίας Αέριο χλώριο Απολυμαντικό για τον καθαρισμό αποθεμάτων Οξειδωτικός παράγοντας νερού Ενώσεις χλωρίου (χλωραμίνες, υποχλωριώδες νάτριο, Απολυμαντικά συσκευών στη γαλακτοκομία Οξειδωτικός παράγοντας διοξείδιο του χλωρίου) και τη βιομηχανία τροφίμων, και στον καθαρισμό αποθεμάτων νερού Θειικός χαλκός Φυκοκτόνο για τις πισίνες και τις Καθίζηση πρωτεϊνών δεξαμενές νερού (απολυμαντικό) Οξείδιο του αιθυλενίου (αέριο) Αποστειρωτικό θερμοευαίσθητων Αλκυλιωτικός παράγοντας εργαστηριακών υλικών (πλαστικά) Φορμαλδεΰδη Απολυμαντικό επιφανειών (διάλυμα 3-8%) Αλκυλιωτικός παράγοντας και αποστειρωτικό [διάλυμα 37% (δηλ. φορμαλίνη) ή υπό τη μορφή ατμών] Γλουταραλδεΰδη Απολυμαντικό υψηλής ισχύος ή Αλκυλιωτικός παράγοντας αποστειρωτικό (διάλυμα 2%) Υπεροξείδιο του υδρογόνου α Αποστειρωτικό (υπό μορφή ατμών) Οξειδωτικός παράγοντας Ιωδιοφόρες ενώσεις που περιέχουν ιώδιο σε διάλυμα α Απολυμαντικό ιατρικών οργάνων Ιωδίωση καταλοίπων τυροσίνης (Wescodyne ) και εργαστηριακών επιφανειών Διχλωρίδιο του υδραργύρου β Απολυμαντικό για εργαστηριακές Αλληλεπίδραση με σουλφυδρυλομάδες επιφάνειες Όζον Απολυμαντικό του πόσιμου νερού Ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας Υπεροξικό οξύ Απολυμαντικό ή αποστειρωτικό Ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας υψηλής ισχύος (διάλυμα 0,2%) Φαινολικές ενώσεις β Απολυμαντικό για εργαστηριακές Μετουσίωση πρωτεϊνών επιφάνειες α Οι αλκοόλες, το υπεροξείδιο του υδρογόνου και οι ενώσεις που περιέχουν ιώδιο μπορούν να δράσουν τόσο ως αντισηπτικά όσο και ως απολυμαντικά ή αποστειρωτικά, ανάλογα με τη συγκέντρωσή τους, τη διάρκεια έκθεσης και τον τρόπο εφαρμογής. β Οι ενώσεις βαρέων μετάλλων (υδραργύρου) και οι φαινολικές ενώσεις δημιουργούν απόβλητα επικίνδυνα για το περιβάλλον. μοποιούμενων βακτηριοκτόνων και του τρόπου δράσης τους δίνεται στον Πίνακα Αντισηπτικές και απολυμαντικές χημικές ουσίες χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, κυρίως για την πρόληψη της μικροβιακής αποικοδόμησης διαφόρων οργανικών υλικών. Σε μερικούς βιομηχανικούς κλάδους, η χρήση αντιμικροβιακών παραγόντων αποτελεί διαδικασία ρουτίνας που εφαρμόζεται σε μεγάλη έκταση. Το γεγονός αυτό δημιουργεί συχνά προβλήματα εμφάνισης τοξικών αποβλήτων, ιδιαίτερα όταν μεγάλες ποσότητες αντιμικροβιακών παραγόντων, όπως είναι ο υδράργυρος και διάφορες ενώσεις βαρέων μετάλλων (η περίπτωση της χαρτοποιίας), ή φαινόλες (συντηρητικά ξύλου), απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Στον Πίνακα 20.4 παρατίθενται συνοπτικά ορισμένες βιομηχανικές εφαρμογές των απολυμαντικών ουσιών που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ανάπτυξης μικροβίων Έλεγχος εννοιών Τα αντισηπτικά χρησιμοποιούνται για την απολύμανση ζωντανών ιστών. Τα απολυμαντικά είναι χημικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται για την απολύμανση ή την αποστείρωση άβιων υλικών. Αυτές οι ενώσεις χρησιμοποιούνται σε πολλές εμπορικές, υγειονομικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Ποια η διαφορά μεταξύ ενός αντισηπτικού και ενός απολυμαντικού; Ποια απολυμαντικά χρησιμοποιούνται για την αποστείρωση του νερού;

15 20.6 συνθετικα αντιμικροβιακα φαρμακα 813 Τα σουλφοναμιδικά φάρμακα ήταν τα πρώτα ανάλογα αυξητικών παραγόντων που χρησιμοποιήθηκαν ευρέως για την εκλεκτική αναστολή της βακτηριακής αύξησης (βλ. ένθετο). Απλούστερο σουλφοναμιδικό φάρμακο είναι το σουλφανιλαμίδιο (Εικόνα 20.16α, σελ. 817), ανάλογο του π-αμινοβενζοϊκού οξέος (Εικόνα 20.16β), το οποίο δρα αναστέλλοντας τη σύνθεση του φολικού οξέος (Εικόνα 20.16γ), πρόδρομης ουσίας των νουκλεϊκών οξέων. Το σουλφανιλαμίδιο δρα στα Βακτήρια αλλά όχι και στα ανώτερα ζώα, αφού τα Βακτήρια συνθέτουν τα ίδια φολικό οξύ, ενώ τα ανώτερα ζώα το προσλαμβάνουν με τη διατροφή τους. Η εμφάνιση φαρμακευτικής αντίστασης στα κλινικώς χρήσιμα παράγωγα του σουλπινακασ 20.4 Βιομηχανικές χρήσεις των απολυμαντικών ουσιών Κλάδος Χημικοί παράγοντες Χρήση Χαρτοποιία Οργανικές υδραργυρικές ενώσεις, φαινόλες Πρόληψη ανάπτυξης μικροβίων κατά τη διάρκεια της παραγωγής Κατεργασία δέρματος Βαρέα μέταλλα, φαινόλες Παρουσία αντιμικροβιακών παραγόντων στο τελικό προϊόν Πλαστικά Κατιοντικά απορρυπαντικά Πρόληψη ανάπτυξης βακτηρίων στη φάση υδατικής διασποράς των πλαστικών Υφαντουργία Βαρέα μέταλλα, φαινόλες Πρόληψη αποικοδομητικής δράσης των βακτηρίων στα προϊόντα που εκτίθενται στο περιβάλλον (π.χ. καραβόπανα, τέντες) Κατεργασία ξυλείας Φαινόλες Πρόληψη αποικοδομητικής δράσης μικροοργανισμών στις ξυλοκατασκευές Μεταλλοτεχνία Κατιοντικά απορρυπαντικά Πρόληψη ανάπτυξης βακτηρίων στα υδατικά γαλακτώματα κοπής Πετρελαίου Υδραργυρικές ενώσεις, φαινόλες, Πρόληψη ανάπτυξης βακτηρίων κατά τη συλλογή και αποθήκευση του κατιοντικά απορρυπαντικά πετρελαίου και των προϊόντων του Κλιματιστικών Χλώριο, φαινόλες Πρόληψη ανάπτυξης βακτηρίων (π.χ. Legionella) στις μονάδες ψύξης Ηλεκτροπαραγωγή Χλώριο Πρόληψη ανάπτυξης βακτηρίων στους πυκνωτές και στις μονάδες ψύξης Πυρηνική ενέργεια Χλώριο Πρόληψη ανάπτυξης βακτηρίων ανθεκτικών στην ακτινοβολία στους πυρηνικούς αντιδραστήρες ΙΙΙ ΑΝΤΙΜΙΚΡΟΒΙΑΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΧΟΡΗΓΟΥΜΕΝΟΙ I VIV Για την in vivo αντιμετώπιση των μικροβιακών λοιμώξεων χρησιμοποιούνται ποικίλοι αντιμικροβιακοί παράγοντες, τόσο συνθετικής όσο και φυσικής προελεύσεως. Οι ενώσεις αυτές έφεραν επανάσταση στην αντιμετώπιση των μικροβιακών λοιμώξεων Συνθετικά αντιμικροβιακά φάρμακα Στην προηγούμενη ενότητα εξετάστηκαν οι χημικοί παράγοντες που χρησιμεύουν στην αναστολή της μικροβιακής αύξησης εκτός του ανθρώπινου σώματος. Οι περισσότερες από τις χημικές ουσίες που αναφέρθηκαν είναι ιδιαίτερα τοξικές και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ανθρώπινο σώμα, με εξαίρεση τα αντισηπτικά, που είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στο δέρμα. Για τον έλεγχο των μολυσματικών νόσων χρειάζονται απαραιτήτως χημικές ουσίες που να μπορούν να λαμβάνονται εσωτερικά. Τέτοιου είδους ενώσεις ονομάζονται χημειοθεραπευτικοί παράγοντες και παίζουν μείζονα ρόλο στην κλινική ιατρική και την κτηνιατρική, καθώς και στη γεωργία. Οι χημειοθεραπευτικοί παράγοντες ταξινομούνται βάσει της δομής τους (Εικόνα 20.12) και του τρόπου δράσης τους (Εικόνα 20.13). Κάθε χρόνο παρασκευάζονται και χρησιμοποιούνται τουλάχιστον 500 μετρικοί τόνοι χημειοθεραπευτικών παραγόντων διαφόρων τύπων (Εικόνα 20.14). Σημαντικότερο κριτήριο για να θεωρηθεί επιτυχημένος ένας χημειοθεραπευτικός παράγοντας είναι η επιλεκτική τοξικότητα, η ικανότητα δηλαδή να αναστέλλει τη δράση βακτηρίων ή άλλων παθογόνων μικροοργανισμών χωρίς να επηρεάζει δυσμενώς τον ξενιστή (βλ. ένθετο Μικροβιολογία και «μαγικές σφαίρες», σελ. 816). Κάθε παράγοντας έχει ένα χαρακτηριστικό φάσμα αντιμικροβιακής δράσης (Εικόνα 20.15, σελ. 817). Οι χημειοθεραπευτικοί παράγοντες ταξινομούνται σε δύο γενικές κατηγορίες, στους συνθετικούς παράγοντες και στα αντιβιοτικά. Εδώ θα ασχοληθούμε κυρίως με τους συνθετικούς παράγοντες. Τα αντιβιοτικά θα εξεταστούν στα τρία επόμενα τμήματα. Ανάλογα αυξητικών παραγόντων Στο Τμήμα 5.1 ορίσαμε τους αυξητικούς παράγοντες ως ειδικές χημικές ουσίες που είναι απαραίτητο να βρίσκονται στο θρεπτικό μέσο διότι οι οργανισμοί δεν μπορούν να τους συνθέσουν. Μια ουσία που μοιάζει ή σχετίζεται με έναν αυξητικό παράγοντα αλλά παρεμποδίζει τη χρήση του, λέγεται ανάλογο αυξητικού παράγοντα. Τα ανάλογα των αυξητικών παραγόντων είναι συνθετικές ενώσεις που έχουν δομή παραπλήσια με συγκεκριμένους αυξητικούς παράγοντες, όμως λόγω μικρών δομικών διαφοροποιήσεων είναι ανίκανες να μιμηθούν τη δράση των φυσικών αυξητικών παραγόντων στο κύτταρο. Εκτός από τους αυξητικούς παράγοντες των βακτηρίων, που εξετάζουμε εδώ, υπάρχουν και αρκετά ανάλογα αυξητικών παραγόντων που χρησιμοποιούνται στην θεραπεία ιικών και μυκητιακών λοιμώξεων, τα οποία θα εξεταστούν στα Τμήματα και Σουλφοναμιδικά φάρμακα

16 814 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ Κατηγορία αντιβιοτικού I. Ενώσεις που περιέχουν υδατάνθρακες II. Μακροκυκλικές λακτόνες III. Κινόνες και συναφείς ενώσεις IV. Ανάλογα αµινοξέων και πεπτιδίων V. Ετεροκυκλικές ενώσεις που περιέχουν άζωτο VI. Ετεροκυκλικές ενώσεις που περιέχουν οξυγόνο Υποκατηγορία Παράδειγµα Χαρακτηριστική δοµή Καθαρά σάκχαρα Αµινογλυκοζίτες Ορθοσοµυκίνες -Γλυκοζίτες C-Γλυκοζίτες Γλυκολιπίδια Μακρολιδικά αντιβιοτικά Αντιβιοτικά πολυενίου Ανσαµυκίνες Μακροτετρολίδια Τετρακυκλίνες Ανθρακυκλίνες Ναφθοκινόνες Βενζοκινόνες Παράγωγα αµινοξέων Αντιβιοτικά β-λακτάµης Πεπτιδικά αντιβιοτικά Χρωµοπεπτίδια εψιπεπτίδια Χηλικοποιητικά πεπτίδια Νουκλεοζιτικά αντιβιοτικά Αντιβιοτικά πολυαιθέρα Νοζιριµυκίνη Στρεπτοµυκίνη Εβερνινοµικίνη Στρεπτοθρικίνη Βανκοµυκίνη Μοενοµυκίνη Ερυθροµυκίνη Κανδισιδίνη Ριφαµπίνη Τετρανακτίνη Τετρακυκλίνη Αδριαµυκίνη Ακτινοροδίνη Μιτοµυκίνη Κυκλοσερίνη Πενικιλλίνη, κεφτριαξόνη Βακιτρακίνη Ακτινοµυκίνη Βαλινοµυκίνη Βλεοµυκίνη Πολυοξίνες Μονενσίνη C 2 2 C C 3 C 3 C 3 C 3 C C 3 C C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 2 C 3 C Ριφαµπίνη 3 2 S Στρεπτοµυκίνη C 2 3 C C 3 Μιτοµυκίνη C S 3 C C C 2 S C 3 C Κεφτριαξόνη C CC 2 C C C C 2 C 2 Πολυοξίνη B 2 CC 2 C 2 VII. Αλικυκλικά παράγωγα VIII. Αρωµατικές ενώσεις IX. Αλειφατικές ενώσεις Παράγωγα κυκλοαλκανίων Στεροειδή αντιβιοτικά Παράγωγα βενζολίου Συµπυκνωµένα αρωµατικά Αρωµατικός αιθέρας Ενώσεις που περιέχουν φωσφόρο Κυκλοεξιµίδιο Φουσιδικό οξύ Χλωραµφαινικόλη Γρισεοφουλβίνη Νοβοβιοσίνη Φωσφοµυκίνη C 3 3 C C 3 C(C 3 )C 3 C Κυκλοεξιµίδιο 3 C 3 C C 3 C 2 C 3 Μονενσίνη Γρισεοφουλβίνη C 3 C 3 C 3 Cl C 3 C3 C 2 C3 X. Ενώσεις της κινολόνης 4-Κινολόνη Φθορο-4-κινολόνη Ναλιδιξικό οξύ Σιπροφλοξακίνη C C 3 C P 3 2 Φωσφοµυκίνη 3 C C 2 5 C Ναλιδιξικό οξύ XI. Οξαζολιδινόνη Κυκλική λακτόνη 2-Οξαζολιδινόνη 2-Οξαζολιδινόνη Εικόνα Ταξινόμηση αντιβακτηριακών χημειοθεραπευτικών παραγόντων βάσει της χημικής δομής τους. Δίνεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα για κάθε κατηγορία.

17 20.6 συνθετικα αντιμικροβιακα φαρμακα 815 Σύνθεση κυτταρικού τοιχώµατος Επιµύκηνση RA Γυράση του DA Κυκλοσερίνη Βανκοµυκίνη Βακιτρακίνη Πενικιλλίνες Κεφαλοσπορίνες Μονοβακτάµες Καρβαπενέµες Ακτινοµυκίνη Ναλιδιξικό οξύ Σιπροφλοξακίνη Νοβοβιοσίνη (κινολόνες) Μεταβολισµός φολικού οξέος Τριµεθοπρίµ Σουλφοναµίδια TF DA mra RA πολυµεράση κατευθυνόµενη από DA Ριφαµπίνη Στρεπτοβαρικίνες DF Ριβοσώµατα Πρωτεϊνοσύνθεση (αναστολείς υποµονάδας 50S) Ερυθροµυκίνη (µακρολίδια) Χλωραµφαινικόλη Κλινδαµυκίνη Λιγκοµυκίνη Κυτταροπλασµατική µεµβράνη PABA οµή κυτταροπλασµατικής µεµβράνης* Πολυµυξίνες Κυτταρικό τοίχωµα Πρωτεϊνοσύνθεση (αναστολείς υποµονάδας 30S) Τετρακυκλίνες Σπεκτινοµυκίνη Στρεπτοµυκίνη Γενταµικίνη, τοβραµυκίνη Καναµυκίνη (αµινογλυκοζίτες) Αµικακίνη Νιτροφουράνια Εικόνα Τρόπος δράσης των σημαντικότερων αντιμικροβιακών χημειοθεραπευτικών παραγόντων. TF: τετραϋδροφολικό άλας DF: διυδροφολικό άλας mra: αγγελιοφόρο RA tra: μεταφορικό RA. * Βλ. Παράρτημα 3, Σ.τ.Ε.Ε. 2. Πρωτεϊνοσύνθεση (tra) Μουπιροκίνη Πουροµυκίνη φανιλαμιδίου είναι αρκετά συνήθης, διότι τα ανθεκτικά Βακτήρια αναπτύσσουν ικανότητες χρήσης εξωγενών πηγών προσχηματισμένου φολικού οξέος (Τμήμα 20.12). Άλλα ανάλογα αυξητικών παραγόντων Σήμερα έχουν βρεθεί ανάλογα αυξητικών παραγόντων για διάφορες βιταμίνες, αμινοξέα, πουρίνες, πυριμιδίνες και άλλες ενώσεις. Τα ανάλογα αυτά μοιάζουν με βιομόρια που απαντούν σε μεγάλη ποικιλία οργανισμών, μεταξύ των οποίων σε πολλούς ευκαρυώτες και ιούς. Μια αξιοσημείωτη τέτοια περίπτωση είναι το ισονιαζίδιο, ένα ανάλογο αυξητικού παράγοντα με ιδιαίτερη κλινική χρησιμότητα (f Τμήμα 26.5). Το ισονιαζίδιο έχει πολύ στενό φάσμα δράσης (Εικόνα 20.15), όντας αποτελεσματικό μόνο έναντι του Mycobacterium tuberculosis. Η δραστικότητά του οφείλεται στο γεγονός ότι παρεμβαίνει στη σύνθεση του μυκολικού οξέος, ενός ειδικού συστατικού του μυκοβακτηριακού κυτταρικού τοιχώματος. Αυτή η συνθετική ουσία είναι ανάλογο του νικοτιναμιδίου (μιας βιταμίνης) και είναι αναμφισβήτητα το αποτελεσματικότερο φάρμακο κατά της φυματίωσης (Εικόνα f Τμήμα 26.5). Στα παραδείγματα της Εικόνας 20.17, τα ανάλογα έχουν σχηματιστεί με την προσθήκη ενός ατόμου φθορίου ή βρωμίου. Το άτομο του φθορίου είναι σχετικά μικρό και, παρ ότι δεν αλλοιώνει το συνολικό σχήμα, μεταβάλει ριζικά τις χημικές ιδιότητες του αναλόγου στο οποίο συνδέεται, με τελικό αποτέλεσμα τη μη φυσιολο- 17% 14% 3% 3% 15% 11% 37% Κεφαλοσπορίνες Μακρολίδια Κινολόνες Πενικιλλίνες Αµινογλυκοζίτες Τετρακυκλίνες Άλλα Εικόνα Η παγκόσμια παραγωγή και χρήση αντιβιοτικών ανέρχεται σε τουλάχιστον 500 μετρικούς τόνους ετησίως.

18 816 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ Μαθαίνοντας από το παρελθόν Μαθαίνοντας από το παρελθόν Η μελέτη των αντιμικροβιακών χημειοθεραπευτικών παραγόντων ξεκίνησε με τον Γερμανό επιστήμονα Paul Ehrlich, ο οποίος ανέπτυξε στις αρχές του 20ού αιώνα την έννοια της επιλεκτικής τοξικότητας. Οι μελέτες του άρχισαν από τη χρώση των μικροοργανισμών, όταν παρατήρησε ότι ορισμένες χρωστικές μπορούσαν να χρωματίζουν μικροοργανισμούς, αλλά όχι και τους ζωικούς ιστούς. Υπέθεσε, λοιπόν, ότι αν μια χρωστική αδυνατεί να χρωματίζει έναν ιστό θα πρέπει τα μόριά της να μη μπορούν να συνδυαστούν με τα συστατικά των κυττάρων. Έτσι, κατέληξε στο συμπέρασμα πως αν μια τέτοια χρωστική είχε τοξικές ιδιότητες, τότε αυτή θα άφηνε ανεπηρέαστα τα ζωικά κύτταρα, επειδή δεν θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει μαζί τους, αλλά θα μπορούσε να επιτεθεί στα μικροβιακά κύτταρα. Τέτοιου είδους χημικά μόρια θα έπρεπε να συμπεριφέρονται στο εσωτερικό των μολυσμένων ζώων σαν «μαγικές σφαίρες», οι οποίες πλήττουν τους παθογόνους μικροοργανισμούς, αλλά αφήνουν άθικτο τον ξενιστή. Ο Ehrlich δοκίμασε μεγάλο αριθμό χημικών ουσιών ως προς την επιλεκτικότητά τους και ανακάλυψε τους πρώτους χημειοθεραπευτικούς παράγοντες, γνωστότερος από τους οποίους ήταν η σαλβαρσάνη, ένα αρσενικούχο φάρμακο που χρησιμοποιήθηκε στη θεραπεία της σύφιλης (βλ. Εικόνα 1). Ωστόσο, για τους περισσότερους παράγοντες μολύνσεων δεν είχε βρεθεί κανένας χημειοθεραπευτικός παράγοντας μέχρι τη δεκαετία του 1930, όταν ανακαλύφθηκαν τα σουλφοναμιδικά φάρμακα από τον Gerhard Domagk. Η ανακάλυψη των σουλφοναμιδίων υπήρξε αποτέλεσμα ελέγχου ενός τεράστιου αριθμού χημικών ουσιών, που η θεραπευτική δράση τους δοκιμαζόταν σε πειραματόζωα με μολυσματικές νόσους. Ο Domagk, ο οποίος εργαζόταν στη γερμανική χημική εταιρεία Bayer, έλεγξε μια μεγάλη ποικιλία συνθετικών οργανικών ουσιών, κυρίως χρωστικών, όσον αφορά την αποτελεσματικότητά τους στη θεραπεία των στρεπτοκοκκικών μολύνσεων των ποντικών. Πρώτη ενεργή ένωση που εντοπίστηκε ήταν το Prontosil, το οποίο ήταν μεν αποτελεσματικό στα ποντίκια που είχαν μολυνθεί με στρεπτόκοκκο, αλλά δεν είχε καμιά δραστικότητα έναντι του στρεπτόκοκκου στον δοκιμαστικό σωλήνα. Ο Domagk ανακάλυψε ότι το Prontosil μετατρεπόταν στο σώμα των ζώων σε σουλφανιλαμίδιο, που είναι και ο πραγματικός δραστικός παράγοντας. Έτσι, με βάση τη δομή του σουλφανιλαμιδίου ξεκίνησε μια σειρά συνθέσεων από τις οποίες δημιουργήθηκε μεγάλος αριθμός ενεργών φαρμάκων. Στη συνέχεια, ο D.D. Woods στην Αγγλία έδειξε ότι το π-αμινοβενζοϊκό οξύ μπορεί να αναιρέσει εξειδικευμένα την ανασταλτική δράση του σουλφανιλαμιδίου, αλλά και ότι οι στρεπτόκοκκοι χρειάζονται απαραιτήτως π-αμινοβενζοϊκό οξύ για την ανάπτυξή τους. Αυτό οδήγησε στην έννοια του αναλόγου των αυξητικών παραγόντων, γεγονός που με τη σειρά του έδωσε τη δυνατότητα στους χημικούς να συνθέσουν πλήθος χημικών αντιμικροβιακών παραγόντων. Αν και τα σουλφοναμιδικά φάρμακα μπόρεσαν να ελέγξουν τις στρεπτοκοκκικές μολύνσεις, οι περισσότερες λοιμώξεις που οφείλονταν σε άλλους παθογόνους μικροοργανισμούς εξακολουθούσαν να παραμένουν χωρίς θεραπεία. Ωστόσο, η ανακάλυψη της πενικιλλίνης από τον Alexander Fleming (Σκωτσέζο γιατρό που εργαζόταν ως ερευνητής στο νοσοκομείο St. Mary s του Λονδίνου) οδήγησε τους επιστήμονες στην ανακάλυψη μιας νέας πηγής αντιμικροβιακών ενώσεων. Τα αντιβιοτικά ήταν εντελώς νέες ενώσεις, που δεν είχαν ποτέ ανιχνευθεί στη φύση. Απ ό,τι φαίνεται, πολλοί μικροοργανισμοί, προκειμένου να διασφαλίσουν με αυξημένες πιθανότητες επιτυχίας τις περιορισμένες θρεπτικές και ενεργειακές πηγές, παράγουν και εκκρίνουν στο περιβάλλον μια ή περισσότερες ενώσεις τοξικές για τους μικροβιακούς ανταγωνιστές τους (f Τμήμα 12.24). Η πρώτη δημοσίευση του Fleming για την πενικιλλίνη, το 1929, ξεκινά ως εξής: Μικροβιολογία και «μαγικές σφαίρες» Κατά τη διάρκεια μελετών για διάφορα στελέχη του σταφυλοκόκκου, ορισμένα τρυβλία τοποθετήθηκαν χωριστά στον εργαστηριακό πάγκο και ελέγχονταν περιοδικά. Αυτά τα τρυβλία ήταν εκτεθειμένα στο περιβάλλον, με αποτέλεσμα να μολύνονται από διάφορους μικροοργανισμούς. Παρατηρήθηκε ότι, γύρω από μια μεγάλη 2 2 As Εικόνα 1 Σαλβαρσάνη As As 2 As 2 αποικία μυκήτων, οι αποικίες του σταφυλοκόκκου γίνονταν διαυγείς, γεγονός που σημαίνει ότι υφίσταντο λύση. Καλλιεργήθηκαν, λοιπόν, αποικίες του συγκεκριμένου μύκητα και διεξήχθησαν πειράματα με σκοπό να διερευνηθούν οι ιδιότητες της βακτηριολυτικής ουσίας που προφανώς σχηματιζόταν από το μύκητα και διαχεόταν στο περιβάλλον θρεπτικό μέσο. Fleming προσδιόρισε χημικά το προϊόν και, επειδή προερχόταν από μύκητα του γένους Penicillium, του έδωσε το όνομα πενικιλλίνη. Η εργασία του Fleming, πάντως, ούτε υποδείκνυε κάποιον τρόπο μαζικής παραγωγής της πενικιλλίνης ούτε τεκμηρίωνε ότι η συγκεκριμένη ουσία ήταν αποτελεσματική στη θεραπεία των λοιμώξεων. Αυτό έγινε το 1939 από μια ομάδα Βρετανών επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, με επικεφαλής τον oward Florey. Ένα από τα κίνητρά τους ήταν ο επικείμενος Β Παγκόσμιος Πόλεμος είναι γνωστό ότι τα λοιμώδη νοσήματα αποτελούν την κύρια αιτία θανάτου των στρατιωτών στο πεδίο της μάχης. Ο Florey και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μεθόδους για την ανάλυση και τον έλεγχο της πενικιλλίνης, καθώς και για την παραγωγή της σε μεγάλες ποσότητες. Κατόπιν δοκίμασαν τη δράση της πενικιλλίνης σε διάφορες βακτηριακές μολύνσεις στον άνθρωπο. Αποδείχτηκε ότι η πενικιλλίνη ήταν όχι μόνον άκρως αποτελεσματική στην θεραπεία μολύνσεων από σταφυλόκοκκο και πνευμονιόκοκκο, αλλά και αποτελεσματικότερη από τα σουλφοναμιδικά φάρμακα στην θεραπεία των μολύνσεων από στρεπτόκοκκο. Καθώς φούντωνε ο πόλεμος στην Ευρώπη, ο Florey πήρε μαζί του στις ΗΠΑ, το 1941, τον πενικιλλινοπαραγωγό μύκητα. Έπεισε την αμερικανική κυβέρνηση να δημιουργήσει ένα ερευνητικό πρόγραμμα μεγάλης κλίμακας, στο οποίο συμμετείχαν φαρμακευτικές εταιρείες, το εργαστήριο του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ στην Peoria του Illinois και διάφορα πανεπιστήμια. Στα τέλη του Β Παγκόσμιου Πολέμου, η πενικιλλίνη άρχισε να διατίθεται και για μη στρατιωτικές χρήσεις. Μόλις τελείωσε ο πόλεμος, οι φαρμακευτικές εταιρείες ξεκίνησαν την εμπορική παραγωγή της πενικιλλίνης, στο πλαίσιο μιας ανταγωνιστικής αγοράς, και άρχισαν τις έρευνες για νέα αντιβιοτικά. Οι προσπάθειες αυτές στέφθηκαν γρήγορα με τεράστια επιτυχία και οι επιπτώσεις στην ιατρική υπήρξαν πράγματι επαναστατικές. Σήμερα, η βρεφική και η παιδική θνησιμότητα έχουν περιοριστεί δραστικά στη Δύση, ενώ πολλές ασθένειες, άλλοτε συχνά θανατηφόρες, αντιμετωπίζονται πλέον ως ιατρικά αξιοπερίεργα ιστορικού ενδιαφέροντος.

19 20.6 συνθετικα αντιμικροβιακα φαρμακα 817 Ευκαρυώτες Βακτήρια Υποχρεωτικώς παρασιτικά βακτήρια Ιοί Μύκητες Μυκοβακτήρια Αρνητικά κατά Gram Βακτήρια Θετικά κατά Gram Βακτήρια Χλαµύδια Ρικέτσιες RAιοί DAιοί Αζόλες Αλλυλαµίνες Κυκλοεξιµίδιο Πολυένια Πολυοξίνες Ανάλογα νουκλεϊκών οξέων Τοβραµυκίνη Στρεπτοµυκίνη Πενικιλλίνες Σουλφοναµίδια Κεφαλοσπορίνες Κινολόνες Ισονιαζίδιο Πολυµυξίνες Βανκοµυκίνη Τετρακυκλίνη Αναστολείς της αντίστροφης µη νουκλεοζιτικής µεταγραφάσης Αναστολείς πρωτεάσης Ανάλογα νουκλεοζίτη Ιντερφερόνη Εικόνα Αντιμικροβιακό φάσμα δράσης επιλεγμένων χημειοθεραπευτικών παραγόντων. γική δράση της ουσίας στον κυτταρικό μεταβολισμό. Η φθοροουρακίλη μοιάζει με τη νουκλεϊκή βάση ουρακίλη, ενώ η βρωμοουρακίλη μοιάζει με μια άλλη βάση, τη θυμίνη. Τα ανάλογα αυξητικών παραγόντων που μοιάζουν με νουκλεϊκά οξέα χρησιμεύουν στη θεραπεία ιικών και μυκητιακών λοιμώξεων, καθώς και ως μεταλλαξιγόνα (βλ. Τμήματα και f Τμήμα 10.3). Τα φθοροκινολονικά παράγωγα του ναλιδιξικού οξέος, όπως π.χ. η νορφλοξακίνη και η σιπροφλοξακίνη (Εικόνα 20.18), χρησιμοποιούνται ευρύτατα για τη θεραπεία λοιμώξεων του ουροποιητικού συστήματος του ανθρώπου. Η σιπροφλοξακίνη είναι επίσης το συνηθέστερο φάρμακο επιλογής στη θεραπεία λοιμώξεων που προκαλούνται από τα ανθεκτικά στην πενικιλλίνη στελέχη του Bacillus anthracis, αιτιολογικού παράγοντα της ασθένειας του άνθρακα (f Τμήμα Κινολόνες Οι κινολόνες δεν είναι ανάλογα αυξητικών παραγόντων, αλλά συνιστούν μια κατηγορία συνθετικών αντιβιοτικών ενώσεων που αλληλεπιδρούν με τη βακτηριακή DA γυράση, παρεμποδίζοντας την υπερελίκωση του βακτηριακού DA, διαδικασία απαραίτητη για τη «συσκευασία» του DA στο βακτηριακό κύτταρο (f Τμήμα 7.3). Μητρική ένωση της κινολόνης είναι το ναλιδιξικό οξύ (Εικόνες και 20.13). 2 (α) Σουλφανιλαµίδιο S C (β) π-αµινοβενζοϊκό οξύ Αυξητικός παράγοντας 2 C 2 C C Φαινυλαλανίνη (αµινοξύ) Ανάλογο 2 C 2 C C F π-φθοροφαινυλαλανίνη F 2 (γ) Φολικό οξύ C 2 C C C C 2 C 2 C Εικόνα (α) Το απλούστερο σουλφοναμιδικό φάρμακο, το σουλφανιλαμίδιο. (β) Το σουλφανιλαμίδιο είναι ανάλογο του π-αμινοβενζοϊκού οξέος, το οποίο αποτελεί τμήμα του (γ), ενός αυξητικού παράγοντα που ονομάζεται φολικό οξύ (f Τμήμα 5.1, όπου εξετάζονται οι αυξητικοί παράγοντες). Ουρακίλη (βάση του RA) C 3 Θυµίνη (βάση του DA) 5-φθοροουρακίλη (ανάλογο της ουρακίλης) Br 5-βρωµοουρακίλη (ανάλογο της θυµίνης) Εικόνα Αυξητικοί παράγοντες και ανάλογα παραπλήσιας δομής.

20 818 Kεφάλαιο 20 ελεγχοσ τησ μικροβιακησ αυξησησ 25.11). Επειδή η γυράση του DA υπάρχει σε όλα τα Βακτήρια, οι φθοροκινολόνες είναι αποτελεσματικές στην αντιμετώπιση λοιμώξεων τόσο από θετικά όσο και από αρνητικά κατά Gram βακτήρια (Εικόνα 20.15). Επίσης, οι φθοροκινολόνες χρησιμοποιούνται ευρέως για την πρόληψη παθήσεων του αναπνευστικού σε μονάδες βοοτροφίας και σε ορνιθοτροφεία Έλεγχος εννοιών Οι συνθετικοί χημειοθεραπευτικοί παράγοντες εμφανίζουν επιλεκτική τοξικότητα για τα βακτήρια και είναι ασφαλείς για εσωτερική χρήση. Τα ανάλογα των αυξητικών παραγόντων, όπως το σουλφανιλαμίδιο, είναι ουσίες συνθετικής προέλευσης που αναστέλλουν τον βακτηριακό μεταβολισμό. Οι κινολόνες αναστέλλουν τη δράση της γυράσης του DA στα βακτήρια. Προσδιορίστε δύο τουλάχιστον ιδιότητες οι οποίες διακρίνουν τους συνθετικούς χημειοθεραπευτικούς παράγοντες από τα αντισηπτικά και τα απολυμαντικά. Τι είναι η επιλεκτική τοξικότητα; 20.7 F C Εικόνα Δομή της σιπροφλοξακίνης, μιας κινολόνης. Τα φθοριωμένα παράγωγα του ναλιδιξικού οξέος (Εικόνα 20.12) είναι πιο ευδιάλυτα από το ναλιδιξικό οξύ και μπορούν να φθάσουν ευκολότερα στα κλινικώς απαιτούμενα θεραπευτικά επίπεδα στο αίμα και τους ιστούς. Η σιπροφλοξακίνη χρησιμοποιείται στη θεραπεία ουρολοιμώξεων, αλλά και της ασθένειας του άνθρακα που οφείλεται στο ανθεκτικό στην πενικιλλίνη στέλεχος του Bacillus anthracis. Φυσικά αντιμικροβιακά φάρμακα: Αντιβιοτικά Τα αντιβιοτικά είναι χημικές ουσίες που παράγονται από μικροοργανισμούς και αναστέλλουν την αύξηση ή θανατώνουν άλλους μικροοργανισμούς. Τα αντιβιοτικά διαφέρουν από τα ανάλογα των αυξητικών παραγόντων, διότι έχουν φυσική προέλευση, δηλ. είναι προϊόντα του μεταβολισμού των μικροοργανισμών και όχι συνθετικές χημικές ουσίες. Τα αντιβιοτικά συνιστούν μια από τις σημαντικότερες κατηγορίες ουσιών που παράγονται από τους μικροοργανισμούς σε βιομηχανική βάση (βλ. Κεφάλαιο 30). Στόχοι των αντιβιοτικών Αν και έχει ανακαλυφθεί πολύ μεγάλος αριθμός αντιβιοτικών, λιγότερο από το 1% έχει πρακτική ιατρική αξία. Αυτό το 1% των χρήσιμων αντιβιοτικών, πάντως, έχει επιδράσει καταλυτικά στη θεραπεία των λοιμώξεων. Επιπλέον, πολλά αντιβιοτικά καθίστανται ακόμη αποτελεσματικότερα ύστερα από χημική τροποποίηση στο εργαστήριο. Οι ουσίες αυτές ονομάζονται ημισυνθετικά αντιβιοτικά. Η ευαισθησία των μικροοργανισμών στα αντιβιοτικά και τους διάφορους χημειοθεραπευτικούς παράγοντες ποικίλλει (Εικόνα 20.15). Τα θετικά κατά Gram Βακτήρια είναι συνήθως πιο ευαίσθητα στα αντιβιοτικά απ ότι τα αρνητικά κατά Gram. Αντιβιοτικά που δρουν τόσο έναντι θετικών όσο και έναντι αρνητικών κατά Gram Βακτηρίων λέγονται αντιβιοτικά ευρέος φάσματος. Τα αντιβιοτικά ευρέος φάσματος βρίσκουν περισσότερες ιατρικές χρήσεις απ ό,τι τα αντιβιοτικά περιορισμένου φάσματος, τα οποία δρουν έναντι μίας μόνον ομάδας μικροοργανισμών. Ωστόσο, ένα αντιβιοτικό με περιορισμένο φάσμα δράσης ενδέχεται να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τον έλεγχο μικροοργανισμών που δεν ανταποκρίνονται σε άλλα αντιβιοτικά. Σχετικό παράδειγμα αποτελεί η βανκομυκίνη, ένα γλυκοπεπτίδιο που δρα ως βακτηριοκτόνος παράγοντας έναντι όσων θετικών κατά Gram Βακτηρίων ανήκουν στα γένη Staphylococcus, Bacillus και Clostridium (Εικόνες 20.12, και 20.15). Τα αντιβιοτικά και οι διάφοροι άλλοι χημειοθεραπευτικοί παράγοντες ομαδοποιούνται με βάση τη χημική δομή (Εικόνα 20.12) ή τον τρόπο δράσης τους (Εικόνα 20.13). Στα βακτήρια, σημαντικότεροι στόχοι της αντιβιοτικής δράσης είναι το κυτταρικό τοίχωμα (π.χ. βανκομυκίνη), η κυτταροπλασματική μεμβράνη (πολυμυξίνες), οι βιοσυνθετικές διεργασίες της πρωτεϊνοσύνθεσης (μακρολίδια και τετρακυκλίνες) και η σύνθεση των νουκλεϊκών οξέων (ριφαμπίνη). Τώρα θα περιγράψουμε συνοπτικά τον μηχανισμό με τον οποίο τα διάφορα αντιβιοτικά αναστέλλουν τις διαδικασίες της πρωτεϊνοσύνθεσης και της μεταγραφής. Αντιβιοτικά που επηρεάζουν την πρωτεϊνοσύνθεση Πολλά αντιβιοτικά αναστέλλουν την πρωτεϊνοσύνθεση αλληλεπιδρώντας με τα ριβοσώματα (Εικόνα 20.13). Αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι αρκετά εξειδικευμένες και πολλές αφορούν το rra. Μερικά από αυτά τα αντιβιοτικά έχουν κλινική χρησιμότητα, ενώ άλλα συνιστούν χρήσιμα ερευνητικά εργαλεία, διότι παρεμβαίνουν μόνο σε συγκεκριμένα στάδια της πρωτεϊνοσύνθεσης (f Τμήμα 7.15). Επί παραδείγματι, η στρεπτομυκίνη αναστέλλει την εκκίνηση της πρωτεϊνικής αλυσίδας, ενώ η πουρομυκίνη, η χλωραμφαινικόλη, το κυκλοεξιμίδιο και οι τετρακυκλίνες αναστέλλουν την επιμήκυνσή της. Ακόμη κι όταν δύο αντιβιοτικά αναστέλλουν το ίδιο στάδιο της πρωτεϊνοσύνθεσης, μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ως προς τον τρόπο δράσης. Για παράδειγμα, η πουρομυκίνη δεσμεύεται στη θέση Α του ριβοσώματος, με αποτέλεσμα η επιμηκυνόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα να μεταφέρεται στην πουρομυκίνη αντί να μεταφέρεται στο σύμπλοκο αμινοξέος-tra. Στη συνέχεια, το σύμπλοκο πουρομυκίνης-πεπτιδίου απελευθερώνεται από το ριβόσωμα, τερματίζοντας πρόωρα την επιμήκυνση. Η χλωραμφαι-