Penicilline, een van de zeldzame zegeningen van de Tweede Wereldoorlog

Tegen D-day op 6 juni 1944 was voor het eerst in de geschiedenis penicilline op grote schaal beschikbaar. Veel gewonde geallieerde soldaten in Normandië en elders dankten hun leven aan het nieuwe "wondermedicijn". Dat was het resultaat van een groot geallieerd programma dat te vergelijken valt met dat voor de ontwikkeling van de atoombom. Een voorbeeld voor de overheden vandaag.

Dit is een bijdrage van Nico Callewaert, wetenschappelijk directeur van het Centrum voor Medische Biotechnologie van het VIB (Vlaams Instituut voor Biotechnologie) en hoogleraar biochemie-biotechnologie aan de UGent. Hij is gespecialiseerd in het genetisch aanpassen van micro-organismen voor de productie van biotechnologische geneesmiddelen. Eindredactie en illustraties Jan Ouvry.

 

Oorlog stimuleert technologische innovatie. Vaak met vreselijke gevolgen: het verhaal van de ontwikkeling van de atoombom tijdens de Tweede Wereldoorlog is bekend. Ook de gifgassen uit de Eerste Wereldoorlog zijn een tragisch voorbeeld, ontwikkeld en gebruikt door alle strijdende partijen.

Maar ook in de geneeskunde is oorlog aanleiding tot snelle innovatie: niets zo slecht voor het moreel van troepen en bevolking als massa’s creperende gewonde jonge soldaten. Zo ontwikkelden chirurgen nogal wat nieuwe technieken tijdens de Eerste Wereldoorlog. Minder bekend is dat het eerste effectieve antibioticum, penicilline, werd ontwikkeld tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Het ging om een zeer intensief onderzoeks-en ontwikkelingsprogramma, gestuurd door de Amerikaanse overheid, te vergelijken met de inspanningen om de atoombom te ontwikkelen.

Alexander Fleming in zijn laboratorium in het St Mary's Hospital van de universiteit van Londen.

Alexander Fleming had in 1928 ontdekt hoe een schimmel, die op een van zijn min of meer vergeten experimenten groeide, blijkbaar een stof produceerde die de groei van bacteriën in de buurt verhinderde. De schimmel werd geïdentificeerd als een stam uit het geslacht Penicillium en dus kreeg de stof de naam ‘penicilline’. 

Een fantastische ontdekking, maar  op dat moment zonder veel praktisch nut: noch Fleming noch anderen konden de stof isoleren, laat staan ze in de hoeveelheden produceren die nodig zijn om er zelfs maar een patiënt mee te behandelen. Fleming zou een onbekende zijn gebleven, ware het niet dat enkele onderzoekers in Oxford, vandaag zouden we ze biotechnologen noemen, beslisten om verder te gaan.

De eerste bladzijden van een stripverhaal, "Witte magie", over de ontdekking en ontwikkeling van penicilline, met het verhaal van Fleming, in Ace Science Comics, januari 1946 (bron: archive.org).

Howard Florey, een Australiër die in Oxford prof was geworden, was de initiatiefnemer en organiseerde alles. De biochemici Ernst Chain en Norman Heatley zorgden voor de eerste doorbraken. Chain was van Duits-Joods-Russische origine  en vluchtte voor de nazi’s in 1933; hij was  naar verluidt een opvliegend karakter maar wel een kei in zijn vak. Zijn collega Heatley was een wetenschapper van het ‘professor Gobelijn’-type, een krak in het uitvinden van praktische oplossingen en toestellen.

Van links naar rechts Norman Heatley, Howard Florey en Ernst Chain.

Hun eerste stap, waar Fleming niet was in geslaagd, was de zuivering van penicilline door extractie, vriesdroging en kristallisatie; vele liters schimmel-kweek leverden een piepkleine hoeveelheid werkzame stof op.

Een paar muizen kregen penicilline ingespoten, en ze hadden er geen last van: het product was dus veilig voor gebruik. Vervolgens werden muizen geïnfecteerd met streptokokken, een van de bacteriën die men wou bestrijden. Enkele  werden behandeld met penicilline, enkele  niet. De niet-behandelde muizen stierven, de penicilline-behandelde muizen overleefden. Fantastisch nieuws was dat; de resultaten werden kenbaar gemaakt in het toonaangevend tijdschrift The Lancet op 24 augustus 1940.

Om genoeg penicilline te produceren om er de eerste mensen mee te kunnen behandelen was het alle hens aan dek in het Oxfordse lab. Het Penicillium groeide als een laag schimmel drijvend op een groeimedium.

En dus werd  elke fles, bedpan en naar verluidt zelfs badkuip gebruikt  om een laag schimmel op te kweken. Een pottenbakkerij in de buurt leverde honderden speciaal gemaakte keramische flessen. Zes ‘penicilline-meisjes’ moesten  de boel doen draaien. 

Twee "penicilline-meisjes" aan het werk met de speciaal gemaakte keramische flessen, naar het model van een rechthoekige bedpan.

Een eerste test op een mens in januari 1941 liep slecht af, maar de Oxfordians konden aantonen dat niet penicilline de oorzaak daarvan was, maar onzuiverheden in het preparaat. Het team ging meteen aan het werk om dit probleem op te lossen.  

In februari 1941 werd de eerste patiënt met een infectieziekte behandeld: een politieman die zich geschramd had bij het rozen snoeien. De wonde raakte  geïnfecteerd en de infectie had zich in  het lichaam verspreid: een levensbedreigend fenomeen dat we sepsis noemen. De toestand van de patiënt verbeterde eerst spectaculair, maar het piepkleine penicilline-voorraadje was te snel op om de patiënt er helemaal doorheen te helpen. De patiënt overleed, maar er was wel aangetoond dat penicilline in de mens kon werken. 

Bekijk hieronder een filmpje (zonder commentaar en vrij traag) waarin de verschillende stappen van het productieproces in het laboratorium worden getoond. Wie dit maakte en in opdracht van wie is niet bekend; maar het is zeer waarschijnlijk dat dit in Oxford gefilmd werd (bron: archive.org):

Video player inladen ...

De oorlog had Europa tegen dan overrompeld, en het werd voor Florey, Chain en Heatley moeilijk om onder de Duitse luchtaanvallen alleen in Engeland het onderzoek voort te zetten . Florey nam het initiatief om het project naar de VS te brengen, waar hij snel de steun verwierf van de overheid. Nu was de uitdaging om penicilline in massa-hoeveelheden te maken. Dat lukte in slechts een jaar of drie door methodes te ontwikkelen die we ook vandaag nog gebruiken bij de ontwikkeling van biofarmaceutische producten. Daarbij worden typisch een aantal stappen doorlopen:

De staf van het onderzoekslaboratorium van  het Amerikaanse Department of Agriculture in Peoria dat het hele project  mee coördineerde, juni 1944.

Stap 1: Leer zoveel mogelijk van Moeder Natuur

In de natuur zorgt de competitie tussen organismen, ook die tussen schimmels en bacteriën,  om te overleven in dezelfde omgeving met schaarse voedingsstoffen, voor selectie. In sommige Penicillium-schimmels is de capaciteit ontstaan om een antibacteriële stof te maken.

Wel, dat soort schimmels komen op vele plaatsen voor. Misschien is het gevecht tussen bacteriën en schimmels op sommige plekken heviger geweest dan in andere, en is er dus een kans dat je Penicillium-schimmels kunt vinden die van nature al meer penicilline maken dan Flemings toevalstreffer.

Door het testen van een collectie Penicillium-schimmels vonden ze er één die gigantisch veel meer penicilline maakte dan die van Fleming. Die kwam van een meloen die ooit ergens op een markt beschimmeld was geraakt. Zo zie je maar.

Het verhaal van de meloen en van de industriële productie van penicilline in Ace Science Comics, januari 1946 (bron: archive.org).

Stap 2: help de natuur een handje

Stoffen als penicilline worden gemaakt via ingewikkelde chemische reacties in de Penicillium-schimmel. Die waren toentertijd helemaal niet gekend, maar toen  al wisten ze dat je met straling veranderingen kan bekomen in organismen, zogenaamde mutanten. En dat kan in zowat alle eigenschappen van een organisme, dus waarom niet in de capaciteit om penicilline te maken?

Eerst werd de meloen-schimmel blootgesteld aan een hoge dosis X-stralen, en bij  het testen van de  mutanten vonden ze er die nog veel  meer penicilline aanmaakten. Vervolgens werd de beste nog een keer zwaar bestraald met ultravioletstralen, en opnieuw was het resultaat een verdere verbetering van de penicilline-productie. 

Tegenwoordig weten we dat röntgenstralen de chromosomen kunnen doen breken in cellen, en dat ultravioletstralen kleinere maar daarom niet minder ingrijpende veranderingen in het DNA (waarvan de structuur pas werd bepaald in 1953) kunnen bewerkstelligen. 

Het nieuws over het nieuwe wondermiddel begon in het late voorjaar van 1943 door te sijpelen in de Amerikaanse pers. "Hier is medische magie!" kopt The Evening Star uit Washington op 16 mei 1943 (Library of Congress).

Stap 3: kweken in gigantische hoeveelheden

Eens je een goed producerend organisme hebt, moet je dat organisme wel nog kunnen kweken in gigantische hoeveelheden, om er dan de penicilline te kunnen uit zuiveren. Penicillium-schimmel groeit graag als een laag aan het raakoppervlak tussen lucht en de voedingsstoffen-bron (die meloen, weet je wel). Dat is niet ideaal als je tonnen van zo’n schimmel moet gaan kweken, dan heb je een enorm oppervlak nodig.

De oplossing is zogenaamde ‘diepe tank fermentatie’, ontwikkeld door het farmabedrijf Pfizer voor de productie van citroenzuur uit een andere schimmel. De schimmel wordt gekweekt in een groot vat met een roerder in het midden, vol met een vloeistof die voedingsstoffen voor de schimmel bevat, en een systeem om er (steriele) lucht doorheen te laten borrelen.

Veel meer is het niet, maar het was een stevige innovatie en het is nog steeds hoe we biotechnologische producten maken vandaag. De schimmel moet dus wel zo geselecteerd worden dat die wil groeien ‘onder water’ in zo’n tank, en dat was een klus die de bedrijfsingenieurs klaarden die ondertussen ook in het project betrokken waren.

Diepe fermentatie-tanks in een fabriek van Pfizer

Al het  onderzoeks-, ontwikkelings-, en productiewerk voor penicilline werd op het hoogtepunt uitgevoerd door ettelijke duizenden mensen verspreid over een 35-tal overheidslabs, academische instellingen en vele farmaceutische bedrijven. Het ‘Office of Scientific Research and Development’ (OSRD) coördineerde alles. Deze Amerikaanse overheidsdienst was in het leven geroepen om de wetenschappelijk-technologische kracht van de geallieerden te bundelen en te ontplooien om de oorlog te winnen en zat ook achter het Manhattanproject, de ontwikkeling van de atoombom. 

Posters van de Amerikaanse overheid die de medewerkers aan het penicilline-project oproept om zich ten volle te geven want "Penicilline redt levens" (NARA).

De in 1944 geplande geallieerde landing in West-Europa was de deadline die gehaald moest worden. Er was geen tijd te verliezen met kwesties van patentbescherming of heel omzichtig omgaan met bedrijfsgeheimen. Alle betrokken partijen wisselden voortdurend hun informatie uit. De nood van de oorlog brak de ‘wet’ van hoe geneesmiddelen normaliter ontwikkeld worden

Posters van de Britse en de Amerikaanse overheid: "Het werk dat we nu doen helpt de massa-productie van penicilline" en "Hoe sneller dit gebouw er staat, hoe sneller onze gewonden penicilline zullen krijgen".

De firma Pfizer startte eind 1942- begin 1943 met de bouw van de eerste fabriek voor de grootschalige productie van penicilline  in Brooklyn, New York, in een voormalige ijsfabriek. De nodige grootschalige vloeistof-koelinstallaties waren daar al aanwezig.  Pfizer had de meeste ervaring met ‘diepe tank fermentatie’ van schimmels. Maar toch was het nog een behoorlijke uitdaging en een commercieel risico, want Pfizer moest zijn  bestaande tanks ervoor gaan gebruiken, en dus de productie van andere stoffen opgeven. 

Advertentie van Pfizer waarin het bedrijf trots meedeelt dat het de grootste producent ter wereld is van penicilline

Op 4 maand tijd was de Pfizer-fabriek klaar,  een heksentoer! De arbeiders werkten 16 uur per dag, 7 dagen op 7, en sliepen zelfs in de fabriek. Ze werden gemotiveerd door de boodschap dat ze een essentiële bijdrage leverden aan het ondersteunen van de troepen. Op 1 maart 1943 startten 14 tanks op van elk 28.400 liter, en tegen eind 1943 had Pfizer 45 miljoen dosissen penicilline geproduceerd.

In Duitsland was er ook belangstelling voor Penicillium, maar de Duitse wetenschappers kregen de schimmel niet in handen. Nochtans lagen er stalen in het Pasteur-Instituut in Parijs en in Nederland, in  het Centraal Bureau voor Schimmelculturen (nog steeds een van ’s werelds belangrijkste onderzoekscollecties voor schimmels). Maar ‘stil wetenschappelijk verzet’ zorgde ervoor dat de Duitse bezetter dat nooit te weten kwam.

The Evening Star meldt op 23 juli 1944 dat penicilline nu massaal ge produceerd wordt (Library of Congress).

D-day kwam eraan, en elke geallieerde soldaat had een dosis penicilline bij. Vele gewonden bleven in leven dankzij het nieuwe wondermedicijn. In 1945 ontvingen Fleming, Florey en Chain de Nobelprijs voor de Geneeskunde. Heatley werd, onbegrijpelijkerwijs vergeten. Vanaf 1946 was penicilline volop beschikbaar ook voor het brede publiek. Sindsdien, schat men,  hebben penicilline en afgeleide antibiotica  meer dan 200 miljoen mensenlevens gered. 

Gewonde Britse militairen krijgen intraveneus penicilline toegediend in het Brusselse Sint-Pieters-ziekenhuis dat na de bevrijding tijdelijk een Brits militair ziekenhuis werd. © IWM (B 14297)

75 jaar later stelt zich de volgende enorme uitdaging: door verkeerd gebruik van antibiotica komen steeds meer resistente bacteriën de kop opsteken. De situatie dreigt uit de hand te lopen; in de laatste 30 jaar zijn er quasi geen nieuwe antibiotica meer ontdekt en ontwikkeld. Nog maar weinig onderzoekers raken aan geld voor  doorgedreven nieuw onderzoek; het is winstgevender om andere geneesmiddelen te ontwikkelen voor kanker, diabetes...  

Hoe lang nog tot een overheid inziet dat een massieve samenwerking tussen academische onderzoekers, ingenieurs en industrie opgelegd en gefinancierd moet worden om ervoor te zorgen dat we de gigantische vooruitgang in de geneeskunde sinds de Tweede Wereldoorlog niet uit handen laten glippen?

Het erg bescheiden monumentje voor Florey en zijn medewerkers in de plantentuin van Oxford. Florey heeft het deels aan zichzelf te danken dat zijn naam niet onmiddellijk verbonden wordt met penicilline. Hij weigerde contact met de media, uit angst dat het publiek zijn laboratorium zou bestormen als het nieuws bekend raakte. Omgekeerd deed de Londense universiteit er alles aan om in de pers het belang van Fleming in de verf te zetten.

Meest gelezen