Alexander Fleming quan sát thấy nấm mốc Penicillium ức chế vi khuẩn tụ cầu trên một đĩa thạch ở bệnh viện St Mary's, London, vào tháng 9/1928, và công bố năm 1929. Nhưng penicillin chỉ trở thành thuốc khi nhóm của Howard Florey và Ernst Chain ở Oxford chiết xuất, thử trên chuột năm 1940 và trên người năm 1941. Sản xuất hàng loạt chỉ thành hiện thực nhờ các phòng thí nghiệm và công ty Mỹ trong giai đoạn 1942–1944.
Nói cách khác, penicillin có ba giai đoạn với ba nhóm người khác nhau: khám phá (Fleming), chứng minh giá trị điều trị (nhóm Oxford), và công nghiệp hoá (Peoria và các hãng dược Mỹ). Giai thoại “Fleming tình cờ phát minh ra kháng sinh” xoá mất hai giai đoạn sau, trong khi đó mới là phần khó nhất.
Bài viết đi qua từng giai đoạn với các mốc có tư liệu, giải thích ngắn penicillin tác động lên vi khuẩn thế nào, câu chuyện bằng sáng chế hay bị kể sai, và vì sao hiện tượng kháng thuốc đã được ghi nhận ngay từ trước khi penicillin được dùng rộng rãi. Bài mang tính lịch sử, không phải hướng dẫn dùng thuốc.
Năm 1928: Fleming thật sự đã thấy và làm được gì
Fleming là nhà vi khuẩn học có tiếng, trước đó đã khám phá lysozyme năm 1922. Khi trở về phòng thí nghiệm sau kỳ nghỉ hè năm 1928, ông nhận thấy trên một đĩa nuôi tụ cầu có một khuẩn lạc nấm mốc, và quanh nó các khuẩn lạc vi khuẩn bị tan. Ông nuôi riêng nấm, lọc lấy dịch nuôi cấy mà ông gọi là “penicillin”, và cho thấy dịch này ức chế nhiều vi khuẩn Gram dương nhưng ít độc với bạch cầu.
Bài báo năm 1929 trên British Journal of Experimental Pathology mô tả các kết quả này. Điều ít được nhắc là Fleming dùng penicillin chủ yếu như một công cụ phòng thí nghiệm: cho vào môi trường nuôi cấy để diệt bớt vi khuẩn tạp, giúp phân lập loại vi khuẩn kháng penicillin mà ông quan tâm. Ông có nhắc tới khả năng dùng làm chất sát khuẩn bôi tại chỗ, nhưng không theo đuổi thử nghiệm điều trị toàn thân một cách có hệ thống.
Vì sao đĩa thạch đó cho kết quả lại là câu hỏi được bàn khá lâu. Ronald Hare, một đồng nghiệp cũ, về sau tái dựng thí nghiệm và đưa ra giả thuyết rằng một đợt thời tiết mát ở London đã cho nấm mọc trước khi vi khuẩn kịp phát triển. Giả thuyết này hợp lý nhưng không thể kiểm chứng tuyệt đối. Chủng nấm của Fleming về sau được định danh là Penicillium notatum, nay được xếp vào loài Penicillium rubens.
Cũng cần biết rằng hiện tượng nấm mốc ức chế vi khuẩn đã được ghi nhận trước Fleming, ví dụ trong luận văn năm 1897 của bác sĩ quân y Pháp Ernest Duchesne. Cái mới của Fleming là mô tả rõ ràng, đặt tên chất, và giữ lại chủng nấm để người khác dùng tiếp.
Mười năm im lặng: vì sao penicillin suýt bị lãng quên
Từ 1929 tới 1939, penicillin gần như không tiến triển như một loại thuốc. Lý do đầu tiên là hoá học: penicillin rất kém bền, mất hoạt tính nhanh trong dung dịch, và nhóm của Fleming, vốn không có nhà hoá học chuyên sâu, không chiết xuất được chất tinh khiết với lượng đủ dùng. Một số nhà nghiên cứu khác thử nhưng cũng bỏ dở.
Lý do thứ hai là quan niệm khoa học thời đó. Nhiều nhà vi sinh nghi ngờ rằng một chất có thể diệt vi khuẩn bên trong cơ thể mà không hại tế bào người. Thí nghiệm của Fleming cho thấy penicillin mất tác dụng khá nhanh khi tiêm vào thỏ, càng củng cố hoài nghi rằng nó không đủ lâu để chữa bệnh.
Bối cảnh thay đổi giữa thập niên 1930 với nhóm sulfonamide. Gerhard Domagk ở hãng Bayer chứng minh năm 1935 rằng thuốc nhuộm Prontosil chữa được nhiễm liên cầu ở chuột, và về sau nhận Nobel Y học năm 1939. Đây là bằng chứng đầu tiên thuyết phục giới y học rằng thuốc kháng khuẩn toàn thân là khả thi. Không có tiền lệ sulfonamide, khó nói nhóm Oxford có đủ lý do để đầu tư vào một chất cũ đã bị bỏ quên hay không.
Nhóm Oxford 1939–1941: biến quan sát thành thuốc
Giai đoạn quyết định diễn ra ở Trường Bệnh học Sir William Dunn, Đại học Oxford, trong điều kiện thời chiến:
- 1938–1939: Ernst Chain, nhà hoá sinh người Đức di cư, đọc lại bài báo năm 1929 trong khi rà soát các chất kháng khuẩn tự nhiên. Howard Florey, trưởng khoa, chấp thuận dự án và xin tài trợ, trong đó có một khoản từ Quỹ Rockefeller.
- 1939–1940: Norman Heatley, nhà hoá sinh trong nhóm, phát triển phương pháp chiết ngược penicillin giữa dung môi hữu cơ và nước có điều chỉnh độ pH, đồng thời dựng một dây chuyền nuôi nấm tự chế bằng các khay, bình gốm và thiết bị tận dụng.
- 25/5/1940: thí nghiệm trên tám con chuột nhiễm liên cầu: nhóm được tiêm penicillin sống, nhóm đối chứng chết. Kết quả công bố trên The Lancet tháng 8/1940.
- 2/1941: bệnh nhân đầu tiên, viên cảnh sát Albert Alexander bị nhiễm trùng nặng, cải thiện rõ sau vài ngày điều trị. Nhưng lượng thuốc quá ít, nhóm phải thu hồi penicillin từ nước tiểu bệnh nhân để dùng lại; khi thuốc cạn, bệnh tái phát và ông qua đời. Vài ca tiếp theo, chủ yếu là trẻ em cần liều nhỏ hơn, cho kết quả tốt.
- 7/1941: Florey và Heatley sang Mỹ vì nước Anh thời chiến không đủ năng lực công nghiệp để sản xuất quy mô lớn.
Ca của Albert Alexander thường được kể như bi kịch, nhưng về khoa học nó cung cấp đúng bằng chứng nhóm cần: penicillin tác dụng trên người, và trở ngại duy nhất là số lượng.
Từ phòng thí nghiệm tới nhà máy: bài toán sản xuất
Môi trường nuôi cấy mới. Tại Phòng Nghiên cứu Vùng phía Bắc của Bộ Nông nghiệp Mỹ ở Peoria, bang Illinois, nhóm của Andrew Moyer phát hiện rằng thêm nước ngâm ngô (corn steep liquor), một phụ phẩm của công nghiệp tinh bột ngô vùng Trung Tây, và thay đường bằng lactose làm sản lượng penicillin tăng lên nhiều lần.
Chủng nấm tốt hơn. Các nhà nghiên cứu tìm khắp nơi những chủng Penicillium cho nhiều penicillin hơn. Chủng nổi tiếng nhất lấy từ một quả dưa vàng bị mốc mua ở chợ Peoria năm 1943, thuộc loài Penicillium chrysogenum. Chủng này tiếp tục được gây đột biến bằng tia X và tia cực tím ở các viện khác để chọn ra những dòng cho sản lượng cao hơn gấp nhiều lần.
Lên men chìm trong bể sâu. Nhóm Oxford nuôi nấm trên bề mặt các khay nông, cách này không thể mở rộng. Lời giải là nuôi nấm chìm trong bể lên men lớn có sục khí và khuấy trộn. Hãng Pfizer, vốn có kinh nghiệm lên men sản xuất axit citric, là một trong những đơn vị đi đầu, cải tạo một nhà máy ở Brooklyn cho mục đích này.
Điều phối của nhà nước. Chính phủ Mỹ điều phối chương trình qua Ủy ban Nghiên cứu Y khoa thời chiến, chia sẻ thông tin giữa các công ty vốn là đối thủ. Theo số liệu thường được dẫn, đến cuộc đổ bộ Normandy tháng 6/1944, đã có khoảng hai triệu liều sẵn sàng cho quân Đồng minh.
Bài học cho người làm công nghệ. Khoảng cách giữa một hợp chất có hoạt tính và một sản phẩm sản xuất được thường là bài toán kỹ thuật hoá học, vi sinh công nghiệp và tổ chức, không phải bài toán khám phá. Đây chính là vùng mà các nhà nghiên cứu đổi mới gọi là “thung lũng chết” giữa phòng thí nghiệm và thị trường.
Penicillin tác động lên vi khuẩn thế nào
Vi khuẩn có vách tế bào làm bằng peptidoglycan, một lưới polymer gồm chuỗi đường nối ngang bằng các cầu peptide, giúp tế bào chịu được áp suất thẩm thấu từ bên trong. Khi vi khuẩn lớn lên và phân chia, nó liên tục phá và xây lại lưới này nhờ các enzyme nối ngang, nay được gọi là các protein gắn penicillin.
Phân tử penicillin có một vòng bốn cạnh gọi là vòng beta-lactam, có hình dạng gần giống phần đầu cầu peptide mà enzyme nhận diện. Enzyme gắn nhầm vào penicillin và bị khoá lại, vách tế bào không được nối ngang đúng cách, và khi vi khuẩn phát triển, vách yếu bị vỡ. Tế bào người không có vách peptidoglycan, nên đây là ví dụ kinh điển về độc tính chọn lọc.
Cấu trúc này được Dorothy Crowfoot Hodgkin xác định bằng tinh thể học tia X vào năm 1945, khi nhiều nhà hoá học khác còn tranh cãi về sự tồn tại của vòng beta-lactam vì cho rằng nó quá căng để bền. Hodgkin nhận Nobel Hoá học năm 1964, chủ yếu cho các cấu trúc khác như vitamin B12. Đến cuối thập niên 1950, các nhà nghiên cứu ở hãng Beecham tách được nhân 6-APA, mở đường cho các penicillin bán tổng hợp như methicillin và ampicillin.
Bằng sáng chế và câu chuyện “nước Anh phải trả tiền bản quyền”
Ở Anh thời đó, nhiều người trong giới y khoa coi việc đăng ký sáng chế cho một phương thuốc là trái đạo đức nghề nghiệp. Chain muốn đăng ký bảo hộ phương pháp chiết xuất, nhưng không được ủng hộ, và theo nhiều tư liệu, đây là nguồn bất đồng giữa ông với Florey cùng các đồng nghiệp. Fleming cũng không đăng ký sáng chế cho khám phá năm 1928.
Phía Mỹ, Andrew Moyer đăng ký bảo hộ phương pháp sản xuất dùng nước ngâm ngô, bao gồm cả ở Anh. Từ đây xuất hiện câu chuyện phổ biến rằng sau chiến tranh nước Anh phải trả tiền bản quyền cho Mỹ để sản xuất chính loại thuốc mình khám phá. Câu chuyện có cơ sở, nhưng mức độ thực tế và quy mô khoản tiền đã được sử gia bàn lại và thường bị phóng đại trong các bản kể phổ thông.
Dù chi tiết thế nào, vụ việc đã thay đổi thái độ ở Anh: sau chiến tranh, nhà nước lập các cơ chế để bảo hộ và thương mại hoá kết quả nghiên cứu công. Đối với các viện, trường ở Việt Nam đang xây dựng bộ phận chuyển giao công nghệ, đây là bài học về việc xác định từ sớm ai sở hữu kết quả nghiên cứu và có nên đăng ký bảo hộ hay không. Khi làm thật, cần đối chiếu quy định hiện hành về sở hữu trí tuệ và chuyển giao công nghệ.
Kháng thuốc: lời cảnh báo có từ ngày đầu
Năm 1940, trước cả khi bệnh nhân đầu tiên được điều trị, Edward Abraham và Ernst Chain đã mô tả một enzyme của vi khuẩn có khả năng phá huỷ penicillin, sau này gọi là penicillinase, một dạng beta-lactamase. Tức là cơ chế kháng thuốc đã có trong tự nhiên, và việc dùng kháng sinh rộng rãi chỉ tạo áp lực chọn lọc cho những vi khuẩn mang nó.
Trong bài giảng nhận giải Nobel năm 1945 chia sẻ với Florey và Chain, Fleming cảnh báo rằng dùng liều không đủ có thể tạo ra vi khuẩn kháng thuốc. Chỉ trong vài năm sau chiến tranh, tỷ lệ tụ cầu kháng penicillin ở các bệnh viện tăng nhanh. Methicillin ra đời để đối phó, và tụ cầu vàng kháng methicillin (MRSA) được ghi nhận lần đầu ở Anh năm 1961, chỉ khoảng một năm sau khi thuốc được đưa vào sử dụng.
Ở Việt Nam, penicillin còn gắn với một trang sử riêng: trong kháng chiến chống Pháp, Giáo sư Đặng Văn Ngữ sau khi từ Nhật Bản về nước năm 1949 đã tổ chức sản xuất nước lọc penicillin ở chiến khu Việt Bắc để điều trị thương binh, trong điều kiện thiếu thốn gần như hoàn toàn. Ngày nay, Việt Nam được các tổ chức y tế quốc tế xếp vào nhóm có tỷ lệ kháng kháng sinh cao, nên lịch sử penicillin không chỉ là chuyện quá khứ mà là lời nhắc về cách dùng kháng sinh hợp lý theo chỉ định của thầy thuốc.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao Fleming được nhớ đến nhiều hơn Florey và Chain?
Một phần vì câu chuyện về đĩa thạch tình cờ rất dễ kể và được báo chí Anh lan truyền mạnh trong chiến tranh, trong khi Florey ngại xuất hiện trước công chúng. Bệnh viện St Mary's cũng tích cực quảng bá vai trò của Fleming. Giới sử học y khoa hiện nay thống nhất rằng đóng góp của nhóm Oxford là quyết định cho việc biến penicillin thành thuốc.
Norman Heatley có được ghi nhận không?
Heatley không có tên trong giải Nobel năm 1945, vốn chỉ trao tối đa cho ba người. Đóng góp của ông về phương pháp chiết xuất và sản xuất được ghi nhận muộn hơn; năm 1990, Đại học Oxford trao cho ông bằng Tiến sĩ Y khoa danh dự, được coi là trường hợp đầu tiên trong lịch sử trường trao bằng này cho người không học y.
Penicillin có phải là kháng sinh đầu tiên không?
Tuỳ định nghĩa. Nếu tính thuốc kháng khuẩn toàn thân có hiệu quả thì nhóm sulfonamide của Domagk đã được dùng lâm sàng từ giữa thập niên 1930, trước penicillin. Nếu tính chất kháng khuẩn do vi sinh vật sinh ra, tức nghĩa hẹp của từ kháng sinh, thì penicillin là chất đầu tiên được dùng thành công trên quy mô lớn.
Vì sao penicillin không diệt được mọi loại vi khuẩn?
Penicillin tác động lên quá trình nối ngang vách peptidoglycan. Vi khuẩn Gram âm có thêm màng ngoài cản penicillin đi vào, một số vi khuẩn không có vách tế bào điển hình, và nhiều vi khuẩn mang enzyme beta-lactamase phá vỡ vòng beta-lactam. Vì thế các thế hệ thuốc beta-lactam sau được thiết kế để mở rộng phổ hoặc chống lại enzyme này.
Chiến tranh có vai trò gì trong lịch sử penicillin?
Chiến tranh vừa cản trở vừa thúc đẩy. Nó làm nước Anh không đủ nguồn lực công nghiệp, buộc nhóm Oxford chuyển công nghệ sang Mỹ. Nhưng nhu cầu điều trị vết thương nhiễm trùng của quân đội tạo ra nguồn tài trợ, sự điều phối của nhà nước và sự hợp tác giữa các công ty mà thời bình khó có được, rút ngắn đáng kể thời gian công nghiệp hoá.
Câu chuyện penicillin có ý nghĩa gì với nghiên cứu kháng sinh mới hiện nay?
Hiện nay khó khăn chính lại nằm ở kinh tế: kháng sinh mới thường được dùng dè dặt để tránh kháng thuốc, nên doanh thu thấp và ít công ty đầu tư. Nhiều nước đang thử các mô hình tài trợ mới như trả phí theo hình thức thuê bao cho quyền tiếp cận thuốc. Bài học của penicillin là khám phá khoa học chưa đủ, cần cả cơ chế tổ chức và tài trợ phù hợp.