ペニシリンの発見

ペニシリンの発見は、医学史における最も重要な科学的発見の一つである。古代社会では感染症の治療にカビが用いられており、その後数世紀にわたり、多くの人々がカビによる細菌の増殖抑制を観察してきた。 1928年、ロンドンのセント・メアリー病院で勤務していたスコットランド人医師アレクサンダー・フレミングは、ペニシリウム属のカビが抗菌物質を分泌することを実験的に初めて実証し、それを「ペニシリン」と名付けた。このカビは、彼の研究室の細菌培養液に混入していたペニシリウム・ノタツム（現在はペニシリウム・ルベンスと呼ばれる）の変異種であることが判明した。セント・メアリー病院でのペニシリンの研究は1929年に終了した。

1939年、オックスフォード大学ウィリアム・ダン病理学研究所のハワード・フローリー率いる科学者チーム（エドワード・エイブラハム、エルンスト・チェーン、ジーン・オー・ユーイング、アーサー・ガードナー、ノーマン・ヒートリー、マーガレット・ジェニングスらが参加）は、ペニシリンの研究を開始した。彼らは、カビの培養方法、そしてそこからペニシリンを抽出、精製、保存する方法を考案した。また、ペニシリンの純度を測定するためのアッセイ法も開発した。臨床試験や野外試験を実施する前に、動物実験を行い、ペニシリンの安全性と有効性を確認した。さらに、ペニシリンの化学式を解明し、その作用機序を明らかにした。民間企業と米国農務省は、新たな菌株の発見と生産、そして大量生産技術の開発に尽力した。ペニシリンは第二次世界大戦における連合国の戦争遂行において重要な役割を果たし、数千人の兵士の命を救った。フレミング、フローリー、チェインは、その発見と開発の功績により、1945年のノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。

オーストラリア、中国、エジプト^{[ 1 ]} 、ギリシャ、インドなどの多くの古代文化は、感染症の治療において菌類や植物の有用な特性を独自に発見しました。これらの治療法は、多くのカビ種を含む多くの生物が自然に抗生物質物質を生成するため、しばしば効果がありました。しかし、古代の医療従事者は、これらの生物の活性成分を正確に特定したり分離したりすることはできませんでした。^{[ 2 ] [ 3 ]}

1928年、ロンドンのセント・メアリー病院で勤務していたスコットランド人医師のアレクサンダー・フレミングは、黄色ブドウ球菌（S.  aureus）の変異パターンを調査していた。^{[ 4 ]}彼は、 1927年にダブリンのトリニティ・カレッジでアイルランド人医師のジョセフ・ワーウィック・ビガーと彼の2人の学生、CR・ボーランドとRAQ・オメアラが発見したことに触発された。ビガーと彼の学生は、 1年前に患者の腋窩膿瘍の膿から分離し、「Y」と名付けた特定の黄色ブドウ球菌株を培養すると、細菌がさまざまな株に増殖することを発見した。彼らはその発見を「黄色ブドウ球菌の変異コロニー」として『病理学および細菌学ジャーナル』に発表し、次のように結論付けた。

我々は、いくつかのプレート上に、典型的な黄色ブドウ球菌コロニーとは全く異なる様々な種類のコロニーを発見し、驚きと動揺を覚えた。これらのコロニーの中には、完全に白いものもあれば、白色または通常の色で表面が粗く、縁がギザギザしているものもあった。^{[ 5 ]： 261}

フレミングと研究員のダニエル・マーリン・プライスはこの実験を進めたが、プライスは1928年初頭に別の研究所に異動となった。数ヶ月間一人で研究した後、新しい研究者のスチュアート・クラドックがフレミングに加わった。彼らの実験は成功し、フレミングは1928年末までに医学研究評議会（MRC）から出版される『細菌学体系』に報告書を書くことを計画し、同意した。 ^{[ 4 ]} 8月、フレミングはサフォーク州バートン・ミルズにある田舎の家、ドゥーンで家族と夏休みを過ごした。研究所を出る前に、彼は黄色ブドウ球菌を数枚の培養プレートに接種した。彼はプレートをテーブルの隅に置いて直射日光を避け、自分の不在中にクラドックが作業できるスペースを確保した。休暇中に、彼は1928年9月1日にセント・メアリー病院医学部の細菌学教授に任命された。彼は9月3日に研究所に到着し、そこでプライスが彼を出迎えるために待っていた。^{[ 6 ]}彼とプライスが培養プレートを調べていると、蓋が開いていて青緑色のカビで汚染されたプレートが1枚見つかった。汚染されたプレートでは、カビの周りの細菌は増殖しなかったが、遠くの細菌は正常に増殖した。つまり、カビが細菌を殺したということだ。^{[ 7 ]}プレートを見ながらフレミングは「面白い」とコメントした。^{[ 6 ] [ 7 ]}プライスはフレミングに「リゾチームを発見したのも、そういうことだったんだね」と言った。 ^{[ 8 ]}フレミングは培養物を撮影し、同定のためにカビのサンプルを採取してから、ホルムアルデヒドで培養物を保存した。^{[ 9 ]} 

フレミングは休暇を再開し、9月に帰国した。^{[ 4 ]} 10月30日のメモによると、^{[ 9 ]}彼は元のカビを採取し、培養皿で培養した。4日後、培養皿にカビの大きなコロニーができていることに気づいた。彼は同じ殺菌効果で実験を繰り返した。後に彼はその経験を次のように語っている。

1928年9月28日の夜明け直後に目が覚めたとき、世界初の抗生物質、つまり細菌を殺す薬を発見して医学に革命を起こそうなどとは全く考えていませんでした。しかし、結果的にまさにそれを成し遂げたのだと思います。^{[ 10 ]}

彼は、カビが細菌の増殖を阻害する物質を放出していると結論付け、カビの培養液を製造し、その後抗菌成分を濃縮した。^{[ 11 ]}さまざまな細菌に対して試験を行った結果、カビは特定のグラム陽性菌のみを殺せることがわかった。^{[ 12 ]}例えば、ブドウ球菌、連鎖球菌、ジフテリア菌（Corynebacterium diphtheriae ）は容易に殺されたが、チフス菌（ Salmonella typhimurium）や、かつてインフルエンザの原因菌と考えられていた細菌（Haemophilus influenzae ）には効果がなかった。彼は、カビ液を大量に得ることができる大規模培養法を開発した。彼はこの液を「ペニシリン」と名付け、その理由を「やや面倒な『カビ培養液濾液』という表現の繰り返しを避けるため」と説明した。^{[ 13 ]}彼は1929年3月7日にその名前を考案した。^{[ 6 ]}ノーベル賞受賞講演で彼はさらに説明を加え、次のように述べた。

私はよく「ペニシリン」という名前を考案した理由を尋ねられます。私はごく正統的な方法に従い、ペニシリンという物質がペニシリウム属の植物から抽出されたことを説明する言葉を造語しただけです。ちょうど何年も前にジギタリスという植物から抽出された物質に対して「ジギタリン」という言葉が考案されたのと同じです。^{[ 14 ]}

フレミングが観察したブドウ球菌培養への影響については、ペニシリンは細菌が増殖しているときにのみ効果があるため、細菌が増殖し始める前にカビが増殖していなければならなかった。幸運なことに、その8月の実験室の温度は、最初はカビの増殖に最適な20 ℃（68 °F）以下であり、その後、25 ℃（77 °F）に達したときには細菌の増殖に最適な温度となった。フレミングが培養物を実験台に置いたままインキュベーターに入れなければ、この現象は起こらなかっただろう。^{[ 15 ]}    

フレミングは化学の訓練を受けておらず、化学的な作業はすべてクラドックに任せており、「私は細菌学者であって化学者ではない」と述べている。^{[ 4 ]} 1929年1月、彼は生化学を研究していた元研究員のフレデリック・リドリーを、カビの化学的性質を研究するために雇った。^{[ 7 ]}しかし、彼らはペニシリンを単離することができず、実験が終わる前に、クラドックとリドリーは二人ともフレミングのもとを離れ、別の仕事に就いた。化合物の単離に失敗したことが、フレミングがペニシリンの化学的側面に関するさらなる研究を事実上放棄した理由である。^{[ 6 ]}

様々なペニシリウム属菌との構造比較の後、フレミングは当初、自分の標本が1910年にアメリカの微生物学者チャールズ・トムによって記載されたペニシリウム・クリソゲナムであると考えていた。幸運なことに、アイルランドの植物学者チャールズ・ジョン・パトリック・ラ・トゥーシュが、喘息の原因として真菌を研究するために菌類学者としてセント・メアリーズ大学に加わったばかりだった。ラ・トゥーシュは標本をペニシリウム・ルブルムと同定し、フレミングはそれを論文で使用した。^{[ 16 ] [ 17 ]}

1931年、トムはフレミングの標本を含む様々なペニシリウムを再調査した。彼は混乱を招く結論に達し、「Ad. 35 [フレミングの標本]はP. notatum WESTLINGである。これはP.  chrysogenumシリーズの一員であり、P . chrysogenum自体よりも分生子が小さい。」と述べた。 ^{[ 18 ]}それ以降、フレミングのカビはP. notatumとP. chrysogenumの同義語として言及された。しかし、トムはP. chrysogenumの使用を採用し、普及させた。^{[ 19 ]} P. notatumに加えて、 1977年にはP. meleagrinumやP. cyaneofulvumなどの新しく発見された種がP. chrysogenumのメンバーとして認識された。^{[ 20 ]}混乱を解消するため、2005年にオーストリアのウィーンで開催された第17回国際植物学会議で、 P. chrysogenumという名前が正式に保存名 ( nomen conservandum ) として採用されました。^{[ 21 ]} 2011年の全ゲノム配列と系統解析により、フレミングのカビは、 1923年にベルギーの微生物学者フィリベール・ビウルジュによって記載された種であるP. rubensに属することが明らかになりました。 ^{[ 22 ] [ 23 ]}         

フレミングの実験における真菌汚染源は、数十年にわたり憶測の域を出なかった。フレミングは1945年に、真菌胞子はプレード通りに面した窓から侵入したと示唆した。この話は事実とみなされ、ジョージ・ラッケンの1945年の著書『ペニシリン物語』^{[ 6]を皮切りに、文献で広く知られるようになった[24 ] 。しかし、}後にプライスを含む同僚たちがこれに異議を唱え、フレミングの研究室の窓は常に閉められていたと証言した^{[ 25 ]} 。ロナルド・ヘアも1970年に、窓の前に装置が置かれた大きなテーブルがあるため、窓に手が届きにくく、ほとんどの場合施錠されていたことに同意した。1966年、ラ・トゥーシュはヘアに、フレミングに13個の真菌標本（うち10個は自分の研究室のもの）を渡したが、ペニシリンのような抗菌活性を示したのは自分の研究室のもの1個だけだったと語った。^{[ 24 ]}その後、フレミングのカビはフレミングの階下のラ・トゥーシュの研究室から、開いたドアから漂ってきた胞子として来たという見解が定着した。^{[ 26 ]}

クラドックは重度の副鼻腔炎を発症し、手術を受けた。フレミングは鼻腔の外科的開口部を利用して1929年1月9日にペニシリンの注射を開始したが、効果はなかった。おそらく、感染の原因菌がペニシリンに感受性のない細菌であるインフルエンザ菌であったためであろう。  [ 24 ^{]フレミングは}1928年に、自身のペニシリンの原薬サンプルの一部を同僚の外科医アーサー・ディクソン・ライトに臨床試験のために提供した。^{[ 27 ] [ 28 ]}ライトは「満足のいく効果があったようだ」と述べたと伝えられているが、その使用記録はない。^{[ 29 ]} 1930年と1931年には、シェフィールドの王立病院の病理学者セシル・ジョージ・ペインが、医療治療にペニシリンを初めて成功裏に使用した。^{[ 30 ]}彼はペニシリンで毛包炎（あごひげの毛包にできる発疹）を治療しようと試みたが、薬が皮膚の奥深くまで浸透しなかったためか、うまくいかなかった。彼は新生児眼炎（眼の感染症）の赤ちゃん3人と、事故後に目に感染症を起こした地元の炭鉱夫を治したが、その研究成果は発表しなかった。^{[ 31 ] [ 32 ]}

フレミングの発見は当初重要視されなかった。培養プレートを同僚に見せても、無関心な反応しか得られなかった。彼は1929年2月13日に医学研究クラブでその発見について発表した。彼の発表は「ファイファー桿菌の分離培地」と題されていたが、特に注目を集めることはなかった。^{[ 4 ]}

1929年5月10日、フレミングは自身の研究結果をBritish Journal of Experimental Pathologyに報告し、翌月の号に掲載した。^{[ 33 ]}しかし、彼の論文は大きな注目を集めることはなかった。フレミング自身も自身の研究の医学的応用について確信が持てず、むしろ細菌分離への応用に関心があったようで、次のように結論づけている。

細菌感染症の治療に利用できる可能性に加えて、ペニシリンは細菌培養中の不要な微生物の増殖を抑制する力があるため、細菌学者にとって確かに有用であり、ペニシリンに感受性のない細菌を容易に分離することができる。その顕著な例として、ペニシリンを使用すると、インフルエンザのファイファー桿菌が非常に容易に分離されることが挙げられる。ペニシリン感受性微生物に感染した部位に塗布または注射するための効果的な消毒剤となる可能性が示唆されている。^{[ 33 ]}

チェルシー・アーツ・クラブの仲間であるGEブリーンは、かつてフレミングにペニシリンを実用化できると思うかと尋ねた。フレミングはしばらくぼんやりと見つめた後、「わからない。不安定すぎる。精製する必要があるが、私一人ではできない」と答えた。^{[ 4 ]} 1941年、ブリティッシュ・メディカル・ジャーナルは次のように報じた。

このカビの原種コロニーは、ペニシリウム・ノタツムであることが判明し、その近傍のブドウ球菌の増殖を阻害し、その液体培養物には、後に「ペニシリン」として知られるようになった物質が含まれており、これは主にグラム陽性菌の様々な増殖を強く阻害した。ペニシリンはセント・メアリー病院などで選択培地の成分として使用されるようになり、他の観点から有用である可能性は考えられていなかったようである。^{[ 34 ] [ 35 ]}

リドリーとクラドックは、ペニシリンがエーテル、アセトン、アルコール、そして水にも溶解することを実証しており、これはペニシリンの単離にとって極めて重要な情報であったが、フレミングは、ペニシリンはアルコールには溶解するが、エーテルとクロロホルムには溶解しないと誤って主張した。エーテルとクロロホルムについては試験されていなかった。^{[ 36 ]}実際には、ペニシリンはエタノール、エーテル、クロロホルムに溶解する。^{[ 37 ]}

1944年、マーガレット・ジェニングスはペニシリンの作用機序を解明し、ブドウ球菌を含む成熟した微生物には溶菌作用がないことを示した。溶菌は、ペニシリンが細菌の分裂と成長の初期段階に作用し、細胞壁を形成する代謝過程を阻害する場合にのみ起こる。このことから、フレミングの説明は疑問視されるようになった。なぜなら、カビはブドウ球菌よりも先に存在していたはずだからである。その後20年間、フレミングの結果を再現しようとする試みはすべて失敗に終わった。1964年、ロナルド・ヘアがこの課題に挑んだ。彼以前の研究者と同様に、彼はブドウ球菌のコロニーを含むプレート上でカビを適切に成長させることができないことに気づいた。彼はフレミングの論文と元のペトリ皿の画像を再検討した。彼はブドウ球菌の間に大きな空間があるように、元の皿の配置を再現しようと試みた。彼はカビを成長させることに成功したが、細菌には影響がなかった。^{[ 38 ] [ 15 ]}

ついに、1966 年 8 月 1 日、ヘアはフレミングの結果を再現することができた。しかし、2 週間後に再び試みたところ、実験は失敗した。ペニシリウムは低温でよく増殖するが、ブドウ球菌はそうではないため、天候が関係しているのではないかと考えた。彼は温度を注意深く制御した一連の実験を行い、ペニシリンは20 °C (68 °F)未満の温度では確実に「再発見」されるが、 32 °C (90 °F)を超える温度では決して再発見されないことを発見した。彼は 1928 年の気象記録を調べ、1966 年と同様に、8 月中旬に熱波があり、その後 8 月 28 日から 9 日間の寒波が続き、カビの増殖に非常に有利であったことを発見した。^{[ 38 ] [ 39 ] [ 15 ]}    

1939年、セント・メアリーズでの研究が終了してから10年後、オックスフォード大学のサー・ウィリアム・ダン病理学学校の科学者チーム（ハワード・フローリーが率い、エドワード・エイブラハム、エルンスト・チェーン、ノーマン・ヒートリー、マーガレット・ジェニングスらが参加）がペニシリンの研究を開始した。^{[ 40 ] [ 41 ]}彼らの出発点は、フレミングのほとんど忘れ去られた論文と、フレミングが1930年に彼らの研究室に提供したペニシリン菌のサンプルであった。 ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}彼らは菌を培養し、そこからペニシリンを抽出、精製、保存する方法を開発し、^{[ 45 ] [ 46 ]}純度を測定するアッセイも開発した。 ^{[ 47 ]}チェーンは凍結乾燥のアイデアを思いつき、これにより水分が除去され、乾燥した茶色の粉末が得られた。^{[ 45 ] [ 47 ]}臨床試験や野外試験を実施する前に、動物実験でペニシリンの安全性と有効性を確認した。^{[ 48 ] [ 49 ]}化学構造を解明し、作用機序を明らかにした。^{[ 38 ] [ 50 ] [ 51 ]}民間部門と米国農務省は、新しい菌株を発見・生産し、大量生産技術を開発した。^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}第二次世界大戦中、ペニシリンは連合国の戦争遂行において重要な役割を果たし、数千人の兵士の命を救ったとされている。^{[ 55 ]}

ペニシリンの治療効果のニュースが広まると、フレミングはその宣伝効果を大いに喜んだ。^{[ 56 ] [ 57 ]}ジャーナリストたちは、孤独なイギリス人科学者と偶然の発見というおなじみの物語を語った。イギリスの医学史家ビル・バイナムは次のように書いている。

ペニシリンの発見と開発は、近代の好例と言える。それは、鋭敏な個人（フレミング）が孤立した観察を行ったことと、チームワークと科学的分業（フローリーとそのグループ）を通じてその観察が活用されたこととの対比である。発見自体は古い科学であったが、薬そのものには新しい科学の方法が必要だった。^{[ 58 ]}

1943年、ノーベル委員会は、イギリスの生化学者ルドルフ・ピーターズからフレミングとフローリーに対するノーベル生理学・医学賞の推薦を1件受け取った。ノーベル委員会の事務局長ヨーラン・リリエストランドは同年、フレミングとフローリーの評価を行ったが、当時スウェーデンではペニシリンについてほとんど知られておらず、さらなる情報が必要だと結論付けた。翌年、フレミング単独の推薦が1件、フレミング、フローリー、チェーンの3人に対する推薦が1件あった。リリエストランドとナンナ・スヴァルツは彼らの研究を検討し、フレミングとフローリーはノーベル賞に等しくふさわしいと両者とも判断したが、ノーベル委員会は意見が分かれ、その年の賞はジョセフ・エルランガーとハーバート・S・ガッサーに授与することに決定した。^{[ 59 ] [ 60 ]}

1945年には、フローリーとフレミング、あるいはその両方に対する多数の推薦があり、3人全員を推薦したリリエストランドによるチェーンに対する推薦が1件あった。リリエストランドは、最初に届いた16件の推薦のうち13件がフレミングに言及していたが、彼だけを言及していたのはわずか3件だったと指摘した。今回は、リリエストランド、スヴェン・ヘラーストロム、アンダース・クリステンソンが評価を行い、3人全員を支持した。^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]}カロリンスカ研究所のノーベル委員会は、フレミングに半分、フローリーとチェーンにそれぞれ4分の1ずつ授与することを検討したが、最終的には3人で均等に分けることにした。^{[ 59 ]} 1945年10月25日、委員会は、フレミング、フローリー、チェーンが「ペニシリンの発見と、さまざまな感染症に対するその治療効果」に対して、1945年のノーベル生理学・医学賞を均等に分け合うことを発表した。^{[ 62 ] [ 63 ]}

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