Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.3
advertisement
Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.1. Środki przeciwbólowe i przeciwzapalne Morfina Morfina, wyodrębniona po raz pierwszy z surowego opium, używana była od początku 1800 roku jako środek zmniejszający ból. W roku 1920 węgierski farmaceuta Janos Kabay zrewolucjonizował produkcję morfiny, wyodrębniając ją nie tylko z niedojrzałych główek maku, ale także z suchej słomy makowej. W roku 1923 przeprowadzono badania określające jej strukturę chemiczną, co z kolei wykorzystane zostało podczas syntezy tego silnego leku przeciwbólowego, wykluczając niepożądane właściwości, takie jak uzależnienie i depresja oddechowa. Poznanie wpływu naturalnego ekstraktu na funkcjonowanie organizmu człowieka pozwoliło na zaprojektowanie oraz późniejsze wytworzenie syntetycznych jej odpowiedników takich jak nalorfina i nalokson (1961 rok), bezpieczniejszych dla zdrowia niż morfina. Acetylsalicylic acid Grób Janosa Kabay’a w Budapeszcie na Węgrzech Aspiryna W 1890 roku, wyprodukowano kwas salicylowy, który stosowano jako, tani i skuteczny, lek przeciw reumatoidalnemu zapaleniu stawów bez względu na nieprzyjemne objawy skutków ubocznych (nudności, nieżyt żołądka). Kwas acetylosalicylowy (lub aspiryna) został zsyntetyzowany w 1897 roku przez niemieckiego chemika Felixa Hoffmanna w firmie Bayer oraz kolejno był przetestowany farmakologicznie przez Heinricha Dresera. W 1899 roku rozpoczęto jego produkcję, zaś pierwsze tabletki tego leku pojawiły się na rynku w 1900 roku. Aspiryna nie tylko szybko zyskała na popularności, gdyż miała znacznie mniej skutków ubocznych niż kwas salicylowy, ale także stała się pierwszym lekiem wytwarzanym na skalę przemysłową, co znajduję kontynuację w dzisiejszych czasach. Do połowy lat osiemdziesiątych aspiryna był stosowana głównie jako lek na b głowy, dopiero potem odkryto jej korzystne działanie w zapobieganiu atakom serca. Kortyzon W 1940 roku badania kory nadnerczy wykazały, że niekt e hormony naturalnie występujące w organizmie człowieka (r nież nazywane sterydami) posiadają właściwości przeciwzapalne. Kortyzon po raz pierwszy wyizolowany został z naturalnego źródla w 1936 roku, później syntetyzował go Amerykanin Lewis Hastings Sarett (1948). Cudowny wpływ tego leku na reumatoidalne zapalenie stawów sprawił, iż rok później rozpoczęto jego produkcję. Jednakże późniejsze badania kliniczne potwierdziły, iż nie leczy on zapalenie stawów i wywołuje poważne skutki uboczne. Mimo to nadal cieszył się pomocniczym zastosowaniem w leczeniu astmy, a także alergii. Dalsze badania doprowadziły do syntezy steroidów prednizonu, prednizolonu i deksametazonu - leków przeciwzapalnych o ograniczonej liczbie skutków ubocznych. Lewis Hastings Sarett Deformacje wywołane przez zapalenie stawów Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.2. Środki psychoterapeutyczne Chlorpromazyna Chlorpromazyna (Thorazyna) po raz pierwszy zastosowana była w leczeniu schizofrenii w 1954 roku, jako przeciwhistaminowy lek antyalergiczny. Ten innowacyjny lek okazał się skutecznym i zwiastował nadejście nowej ery w zakresie terapii antypsychotycznych. Monitoring chorób psychicznych za pomocą leków wkrótce zastąpił wcześniej stosowane metody leczenia, takie jak elektrowstrząsy, szok insulinowy, lobotomia przedczołowa (leczenie chirurgiczne polegające na przecięciu włókien nerwowych łączących czołowe płaty mózgowe ze strukturami międzymózgowia), oraz przyczyniła się do zmniejszenia stopnia instytucjonalizacji na całym świecie. Późniejsze badania doprowadziły do ustalenia farmakologicznego mechanizmu działania chloropromazyny, będącego punktem wyjścia rozwoju wielu innych leków antypsychotycznych, takich jak haloperidol i olanzapiny. Początek depresji poporodowej Zdjęcia z filmu: Lot nad kukułczym gniazdem (1975), ukazujące katastrofalne skutki choroby psychicznej Trójcykliczne antydepresanty Badania kliniczne imipraminy (przeprowadzone w 1958 r.), leku, który pierwotnie stosowany miał być jako środek przeciwpsychotyczny, wykazały jego właściwości antydepresyjne. Okazało się, iż działa on leczniczo poprzez wpływ na aktywność neuroprzekaźników (środkówprzekazujących bodźce) w mózgu. Wiele kolejnych leków, opracowanych w tej klasie medykamentów, znanych jest dziś pod nazwą trójcyklicznych/trójpierścieniowych leków przeciwdepresyjnych. Wkrótce stały się one standardem w leczeniu depresji. Benzodiazepiny W 1959 roku związek chlordiazepoksyd (Librium) został wprowadzony do lecznictwa jako środek przeciwlękowy, należący do grupy benzodiazepin. Ten lek oraz jego pochodne szybko zastąpiły barbiturany oraz Meprobamat (niezbyt trafny środek przeciwlękowy, odkryty w 1950 roku), co więcej uznano je za jedne z najbardziej sukcesywnych leków odkrytych w tamtej epoce. Wysoka tolerancja benzodiazepin oraz bezpieczeństwo w stosowaniu, sprawiły, iż okazały się one skutecznymi w leczeniu padaczki oraz jako środki hipnotyczne, a także leki zwiotczające mięśnie. Neuroprzekaźniki w mózgu Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.3. Hormony i regulatory hormonów Insulina Insulina, hormon białka produkowany przez specjalne komórki trzustki, reguluje poziom cukru (glukozy) we krwi w organizmie. Brak insuliny prowadzi do rozwoju cukrzycy typu 1, choroby, która uznawana była za śmiertelną aż do początku roku 1920. W 1921 roku dwóch młodych kanadyjskich lekarzy, Frederick Banting i Charles H. Best, wyizolowało i oczyściło owy nowy lek, będący wyciągiem z trzustki bydła. Ich pierwszym pacjentem był umierający 14-letni chłopiec, zwolniony ze szpitala po kilku tygodniach od momentu wstrzyknięcia leku. Produkcja insuliny została rozpoczęta w 1922 roku przez Eli Lilly and Company i opierała się ona na wyodrębnianiu insuliny z trzustki bydła. Frederick Banting i Charles H. Best, odkrywcy insuliny Testosteron Testosteron jest odpowiedzialny za rozwój męskich narządów płciowych i drugorzędowych cech płciowych. Jest to hormon steroidowy, o budowie podobnej do cholesterolu. Testosteron po raz pierwszy zsyntetyzowany został z cholesterolu w 1935 roku, w celu leczenia chorób wywołanych niedoborem tego hormonu w organizmie. Testosteron może być wytwarzany przez chemiczne i mikrobiologiczne modyfikacje łatwo dostępnych, naturalnie występujących materiałów Progestageny, estrogeny i doustne środki antykoncepcyjne W roku 1930, wyizolowano dwa żeńskie hormony oraz kolejno wyprodukowano je na bazie naturalnych źródeł: moczu ciężarnych klaczy i meksykańskich słodkich korzeni. Badania progestagenów (progesteron, hormon ciałka żółtego) zdeterminowane były dążeniem do odnalezienia ich leczniczego działania, mającego pomóc w utrzymaniu ciąży. Natomiast badania estrogenów (hormonów pęcherzykowatych) miały na celu określenie ich wpływu na cykl menstruacyjny. W latach 50-tych, wyprodukowane zostały syntetyczne odpowiedniki tych hormonów rozpoczęto badania ich wpływu na poczęcia życia ludzkiego i ciążę. Ich doskonałe właściwości antykoncepcyjne przyczyniły się do odkrycia doustnych środków antykoncepcyjnych (pigułek antykoncepcyjnych) dla kobiet. Enovid, sprzedawany w USA w latach ‘60, to pierwsze pigułki antykoncepcyjne zawierające mieszankę estrogenów i progestagenów o wysokiej skuteczności. III.4. Środki przeciw zaburzeniom żołądkowo-jelitowym Ewolucja terapii choroby wrzodowej W 1972 roku James Black, szkocki farmakolog, i jego współpracownicy Smith Kline & French, zainicjowali rozważania na temat nadwyżkowego wydzielania kwasu w żołądku. Ten rodzaj badań farmaceutycznych stanowi obecnie znaną metodę "racjonalnego projektowania leków". W 1976 roku opracowali oni syntezę leku Cymetydyny (Tagamet), hamującego wydzielanie kwasu żołądkowego, przy minimalnym występowaniu skutków ubocznych. Jego szerokie zastosowanie w leczeniu choroby wrzodowej żołądka znacznie zmniejszyło konieczność przeprowadzania operacji. Tagamet szybko stał się jednym z najczęściej przepisywanych leków. Wrzody żołądka Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.5. Analizy medyczne i diagnostyka chorób Technologie obrazowania medycznego Urządzenia takie jak tomograf komputerowy z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego i skanery obrazowania rezonansu magnetycznego (ang. MRI – magnetic resonance imaging), rewolucyjne w czasach ich odkrycia, obecnie są rutynową częścią diagnozy medycznej oraz leczenia. Wilhelm Konrad Roentgen, niemiecki fizyk, który odkrył promieniowanie rentgenowskie w 1895 roku po raz pierwszy uzyskał zdjęcie kości dłoni swojej żony. Do roku 1900 każdy większy szpital posiadał tomograf komputerowy z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego. W latach 70 technologia magnetycznego rezonansu jądrowego (ang. NMR - nuclear magnetic resonance) była używana do określania chemicznej struktury cząsteczek, a skanery obrazowania rezonansu magnetycznego zostały dopuszczone do stosowania na ludziach w 1985 roku. Chemiczne czynniki kontrastujące oraz specjalistyczne emulsje poprawiły wartość diagnostyczną promieniowania rentgenowskiego, tomografii komputerowej, obrazowania rezonansu magnetycznego oraz ultrasonograficznego. Prześwitująca dłoń Rentgena Izotopy medyczne Dzięki pionierskiej pracy George’a Hevesy, węgierskiego laureata Nagrody Nobla (1943), zastosowanie izotopów medycznych poprawiło obrazowanie medyczne określające funkcję organów wewnętrznych. W 1935 Hevesy ustalił mechanizm metabolizmu fosforu używając radioaktywnych nuklidów. Cząsteczki są znakowane radioaktywnymi izotopami (takimi jak technet 99 czy tal 201) lub nieprzenikliwymi dla promieniowania (związki baru i jodu). Znakowane izotopowo związki mogą być wtedy namierzane w ciele za pomocą gamma kamer, dostarczając tym samym zdjęć organów do których są transportowane. Zastosowanie izotopów medycznych w diagnostyce obejmuje: detekcję nowotworów diagnozę chorób wątroby oraz testy wysiłkowe w przypadku funkcji sercowych. Rozwój analiz chemicznych Dzisiaj określamy stany medyczne studiując markerów choroby czy pozostałości leków, które mogą być wykryte w krwi, moczu, kale, ślinie, pocie. Zarówno testy laboratoryjne, zaawansowane skomputeryzowane instrumenty analityczne jak i proste testy domowe są oparte o fundamentalne reakcje chemiczne. Na początku XIX wieku diagnozy bazowały na obserwacji klinicznych objawów jeżeli pacjent reagował pozytywnie na leczenie na daną chorobę – musiał ją mieć. Testy diagnostyczne rozpoczęły się 1882 roku, kiedy to Paul Ehrlich zaobserwował, że tylko obecność pałeczek Gramujemnych – bakterii z gatunku Salmonella typhi (identyfikowana przez określony barwnik) może potwierdzić diagnozę duru brzusznego. Wcześniej chorobę rozpoznawano na podstawie koloru skóry pacjenta. Ewolucja indywidualnego monitoringu stanu zdrowia Uproszczone zestawy do testów domowych ułatwiają osobiste monitorowanie ludzkiego zdrowia. Dla przykładu, osoby chore na cukrzycę kiedyś musiały odwiedzać laboratoria, aby określić obecność cukru w moczu. W roku 1941, Miles Laboratories wprowadziły pierwszy wygodny test na obecność cukru w moczu do przeprowadzenia w domu przez pacjenta. Pomimo że, trudne do opracowania testy moczu typu „dip-and-read” były w końcu wprowadzone do użytku w 1956 roku. W latach 60 pierwszy przenośny miernik glukozy we krwi zastosowano razem z jednorazowym wskaźnikiem chemicznym, znacząco poprawiając jakość życia os chorych na cukrzycę. Następnie w latach 70 i 80 wprowadzone zostały zestawy do diagnostyki domowej na obecność krwi utajonej w kale, owulacji, ciąży oraz plwocinie. Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.6. Leki antyzakaźne Salwarsan i Prontosil Paul Ehrlich, niemiecki bakteriolog badał związki arszeniku pod kątem ich właściwości antybakteryjnych i w 1909 roku wynalazł Salvarsan jako skuteczne lekarstwo na śmiertelną chorobę przenoszoną drogą płciową – kiłę. Strategia ta była kontynuowana przez kolejnych badaczy w celu wynalezienia aktywnych związków walczających choroby zakaźne. Pierwszy lek sulfoamidowy Prontosil, dawniej wykorzystywany jako barwnik we włókiennictwie, został odkryty w 1932 roku przez chemik poszukujących leku antybakteryjnego, który mógłby leczyć śmiertelne zakażenie paciorkowcem, powszechną przyczynę przewlekłego zapalenia płuc. To odkrycie było tak ważne, że niemiecki biochemik Gerhard Domagk został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny w 1939 roku. Później odkryto, że związkiem aktywnym Prontosilu jest sulfanilamid. Zostało opracowanych wiele innych antybiotyków opartych o ten właśnie związek, wliczając w to Sulfapirydynę (1938). Leki sulfoamidowe były niesamowicie skuteczne w obniżeniu poziomu umieralności spowodowanej płatowym zapaleniem płuc w latach 40 i uratowały życie milionom ludzi. Ich popularność spadła tylko wskutek nadejścia ery penicyliny. Alexander Fleming Gerhard Domagk Bakterie paciorkowca Prontosil Penicylina W roku 1928 szkocki bakteriolog Aleksander Fleming odkrył silną substancję zdolną zabijać bakterie, którą wiyzolował z naturalnie występującej pleśni (Penicillium notatum). Penicylina, lek oparty na tym naturalnym związku, stworzony był w czasie wojennym w 1943 roku; znacząco obniżył ilość infekcji oraz amputacji wśród rannych żołnierzy brytyjskich i amerykańskich armii podczas II Wojny Światowej. Naturalna penicylina była tak droga i rzadka, że musiała być odzyskiwana z moczu pacjentów. Chemicy próbowali nowej metody syntezy poprzez sztuczne uzyskanie naturalnej substancji, na której opiera się lek. Struktura chemiczna penicyliny została określona przez brytyjską badaczkę Dorotę Crowfoot Hodgkin w latach 40, umożliwiając jego syntezę. Do roku 1957 kilka firm farmaceutycznych produkowało ten lek na skalę przemysłową. Ich sukces zwiastował początek nowej ery terapii antybiotykowej. Penicillium notatum Azydotymidyna (AZT) Azydotymidyna (AZT) zaczęła być stosowana do leczenia wirusa HIV w Stanach Zjednoczonych w 1987 roku. Lek ten został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1964 roku, okazał się jednak nieskuteczny jako chemoterapeutyczny środek w leczeniu raka. Do roku 1986 był zakazany, kiedy to amerykańska grupa badaczy odkryła jego aktywność przeciwko retrowirusom. AZT oraz odpowiadające mu leki nukleozydowe hamują wirusową replikację specyficznych enzymów wirusowych. Z powodu gwałtownie wzrastającej odporności wirusa HIV przeciw lekom, początkowo wykazana z użyciem AZT, terapia z użyciem tylko jednego leku nie może być dłużej stosowana w przypadku zakażeń wirusem HIV. Zidovudine crystals Zidovudine Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.7. Leki Regulujące rytm serca Regulacja pracy serca Zdolność prokainy, miejscowego środka znieczulającego, do regulowania pracy serca (nazywana również działaniem antyarytmicznym) odkryta została w latach 30. Ten rodzaj leczenia jest skomplikowany i może być dość utrudniony, gdyż leki te blokujące arytmię mogą równie dobrze w pewnych określonych warunkach ją powodować. Prokaina była pierwszym z wielu leków, które zostały ostatecznie dopuszczone do użytku. Prokaina blokuje białka membranowe znane również jako kanały sodowe. Była ona prekursorem licznych leków, m.in. beta-blokerów oraz antagonist kanałów wapniowych czy potasowych. Leczenie niewydolności serca Glikozydy nasercowe, grupa związków występujących naturalnie w wielu roślinach (np. w naparstnicy), były wykorzystywane w leczeniu niewydolności serca od wieków. Po tym jak ustalono w jaki sposób substancje te zwiększają siłę kurczenia się serca, z liści naparstnicy wełnistej (Digitalis lanata) wyekstrahowano Digoxin, który w 1954 roku zaczęto stosować w leczeniu migotania przedsionków oraz zastoinowej niewydolności serca. Odkryto w końcu, że leki przeciwko nadciśnieniu mogą być również używane do leczenia niewydolności serca. Likwidowanie zakrzep krwi Heparyna, naturalny produkt izolowany ze zwierzęcej wątroby, była po raz pierwszy użyta do zapobiegania zakrzepicy podczas transfuzji krwi w 1935 roku i wkrótce stała się najbardziej popularnym antykoagulantem. Zapobiega również formowaniu się skrzepów krwi podczas sercowych i naczyniowych operacji. W 1955 roku została wprowadzona do użytku wafaryna, doustny antykoagulant, który zapobiega zawałowi oraz jest stosowany do leczenia ataków serca i zakrzepicy. W latach 70 odkryto, że nawet dawniej utworzone skrzepy mogą być leczone lekami trombolitycznymi. Wykorzystanie aktywności enzymow do rozpuszczania skrzepów krwi prowadzi do opracowania urokinazy (1977), streptokinazy (1978) oraz rekombinowanego tkankowego aktywatora plazminogenu, tPA (1987). Arterioschlerosis Kontrolowanie poziomu cholesterol we krwi Narastanie pokładów cholesterolu wewnątrz tętnic jest główną przyczyną chor wieńcowych serca oraz zawałów. W roku 1987 wprowadzono do użytku Lovastatin (Mevacor), który kontroluje poziom cholesterolu we krwi poprzez zapobieganie przekształcaniu określonych enzymów do kwasu mewalonowego będącym procesem limitującym szybkość biosyntezy cholesterolu. Kolejne, bardziej skuteczne leki, takie jak Simwastatyna i Atorwastatyna, dzięki byciu wysoce efektywnymi i dobrze tolerowanymi przez organizm zrewolucjonizowały leczenie wysokiego poziomy lipidów we krwi (hiperlipidemii). Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.8. Chemioterapia nowotworów Rozwój chemioterapii nowotworów Użycie związków chemicznych w leczeniu nowotworów rozpoczęło się w 1942 roku wraz z zastosowaniem iperytów azotowych przez Louis’a Goodmana i Alfreda Gilmana Rozwinęły się również leki blokujące kwas foliowy (zwane także antymetabolitami). Aminopteryna (1947) była efektywnym lekiem przeciwko białaczce, lecz z powodu jego ubocznego działania na białe krwinki krwi szybko szybko zastąpiono go metotreksatem. George Hitchings and Charles Heidelberger opracowali w latach 50 merkaptopurynę na białaczkę oraz fluorouracil na nowotwory przewodu pokarmowego i piersi. Leki cytotoksyczne Leki cytotoksyczne (lub leki trujące dla komórek) zostały wyizolowane z roślin i po raz pierwszy użyte w chemoterapii w 1963 roku. Działanie tych leków oparte jest na zasadzie, że szybko namnażające się komórki nowotworowe są bardziej podatne na zniszczenie przez leki cytotoksyczne. W roku 1971 z cisu pospolitego wyizolowano paklitaksel (lek cytotoksyczny) i zaczęto stosować go do leczenia zaawansowanych nowotworów piersi oraz płuc we wczesnych latach 90. Tamoksyfen Tamoksyfen, opracowany w 1971 roku związek syntetyczny, w roku 1977 wprowadzony do leczenia raka piersi poprzez spowolnienie wzrostu estrogenozależnych nowotworów. Wysoki poziom estrogenu promuje namnażanie się komórek w tkance piersiowej, tak więc ten tym chemioterapii blokuje naturalne hormony mogące stymulować wzrost komórek rakowych. Megestrol jest syntetyczną pochodną naturalnie występującego hormone steroidowego, progesteronu, którego działa na podobnej zasadzie i jest używany w leczeniu nawracających nowotworów piersi. Obrazowanie mammograficzn e nowotworu piersi Samobadanie piersi ułatwiające wczesną diagnozę Kamienie milowe technologii z punktu widzenia chemika III.9. Innowacyjne materiały wykorzystywane w służbie zdrowia Sztuczne kończyny oraz urządzenia medyczne Nowoczesne sztuczne kończyny i organy, zamienniki stawów, szkła kontaktowe, aparaty słuchowe oraz biomateriały, które są wykonane ze specjalnych tworzyw sztucznych czy innych zaawansowanych technologicznie materiałów były produkowane chemicznie. Poprzez manipulowanie strukturami cząsteczek i kreowaniu nowych związków, chemicy i inżynierowie opracowali nowe materiały medyczne, odznaczające się wytrzymałością, elastycznością oraz trwałością. Dla przykładu można podać sprzęty takie jak sztuczna nerka (1945), zastawka protetyczna serca (lata 50) oraz również wszczepienie sztucznego serca (1982). W 1956 zostały wprowadzone szkła kontaktowe wykonane z tworzywa sztucznego, a w roku 1985 udoskonalono miękkie dwuogniskowe szkła kontaktowe. Sztuczne serce Sztuczne zastawki serca Sprzęt medyczny Chemia jest używana do wytworzenia niemal wszystkich urządzeń wykonanych z tworzyw sztucznych stosowanych w dzisiejszych szpitalach i klinikach służby zdrowia. Dzisiejszy sprzęt medyczny musi być odpowiednio wytrzymały podczas codziennego stosowania, pomagając utworzyć jednocześnie czyste, sterylne, wolne od zarazków środowisko. Wiele rutynowych procesów medycznych wykorzystuje najnowszy sprzęt, stetoskopy, bandaże oraz inne nowoczesne włókna, strzykawki, przyrządy operacyjne oraz worki na krew, które są produkowane chemicznie. Nawet pieluszki zawierają higroskopijny polimer chroniący skórę dzieci przez stanami zapalnymi Środki dezynfekujące oraz wybielacze Chemia czyni możliwym dezynfekcję twojego domu, zniszczenie pleśni oraz usunięcie plam. Już na początku XX wieku chemicy skupiali się na kontrolowaniu bakterii, czyszczeniu ubrań oraz powierzchni domowych. W 1913 roku naukowcy opracowali wybielacz, który był łatwy w użyciu i w przystępnej cenie. Dzisiaj wybielacz jest towarem gospodarstwa domowego oraz efektywnym środkiem dezynfekującym, który eliminuje biliony zarazków i bakterii. Chlor jest również silną bronią przeciwko chorobom spowodowanym przez wirusy i bakterie w domach, szpitalach i innych budynkach. W 1847 roku Ignatius Semmelweis, węgierski ginekolog jako pierwszy wprowadził na swoim oddziale mycie rąk wodą chlorowaną.
