Utilisation à l'échelle humaine et industrialisation

Les premiers essais sur les êtres humains commencent dès 1941 : les résultats sont spectaculaires, des infections auparavant potentiellement mortelles sont guéries en quelques semaines grâce à la pénicilline. La pénicilline acquiert le statut de « médicament miraculeux » mais les stocks sont presque inexistants en raison de difficultés d’obtention. En effet, le Penicillium Notatum ne produit qu’une petite dose de pénicilline, et uniquement dans un milieu riche en oxygène. D'autre part, la pénicilline est très instable, en particulier aux pH faibles et élevés, ce qui rend son extraction et sa purification extrêmement difficile. La pureté de la pénicilline utilisée dans les premiers essais in vivo a été rétrospectivement évaluée de l'ordre de 1%. Les médecins sont donc obligés d'extraire la pénicilline de l'urine des patients avant de leur ré-administré. L’élimination rapide de la pénicilline par voie urinaire restait un problème non résolu : 80% de la pénicilline était déjà éliminée en 3 ou 4 heures. Ainsi, pour soigner un malade infecté, il fallait lui injecter fréquemment des doses de pénicilline. Pendant la guerre, les médecins récupéraient les urines des patients pour réutiliser la pénicilline. C’est la raison pour laquelle les chercheurs cherchaient une substance qui ralentirait l’élimination de la pénicilline. Monroe J. Romansky, un chercheur de Pfizer, a découvert en 1945 que l’Uricosurique augmentait l’élimination d’acide urique dans l’urine (l’Uricosurique est éliminé par voie rénale à la place de la pénicilline ce qui prolonge le temps de présence de la pénicilline dans l’organisme). Il créa alors un produit composé de cire d’abeille et d’huile d’arachide (riche en Uricosurique) qui prolonge l’action de la pénicilline durant plus de 10 heures. Ainsi, une seule injection par jour était suffisante. On n'arrivait à extraire seulement 4 unités de pénicilline en 200 heures ; le traitement d'une angine en nécessite environ trois millions d'unités par jour pendant dix jours.

La production de pénicilline est complexe et se déroule en plusieurs étapes :

La première étape est la préparation de l’inoculum : un échantillon « pur » de micro-organismes, c’est-à-dire qu’ils sont tous issus de la même souche sélectionnée, qui est ensemencé dans un milieu de culture favorable à la multiplication de ce micro-organisme. Cette étape de production de micro-organismes est nécessaire pour ensemencer un fermenteur de production industriel de grande capacité 

La deuxième étape  se réalise dans un fermenteur (ou bio-réacteur).  Le fermenteur désigne le récipient industriel dans lequel se déroule la multiplication du micro-organisme à échelle industrielle. Il est important que toutes les substances introduites dans celui-ci ne soient pas contaminées par des organismes étrangers afin de ne pas polluer le milieu.

Pour obtenir le meilleur rendement, il faut connaître les conditions optimales de culture propre à chaque souche :

            √ la forme et les dimensions du fermenteur sont importants

            √ le mode d’agitation du milieu et la vitesse d’agitation des pales sont définis

            √  Les nutriments ajoutés correspondent aux sources de nutrition et d’énergie

                 pour que la multiplication des micro-organismes soit efficace. Pour les souches

                 de penicillium on utilise un sous produit de l’industrie du maïs riche en lactose.

            √  l’aération en oxygène

            √  la température

            √  le pH

            √  le temps de fermentation

On distingue deux types de fermenteurs :

—   Le fermenteur en surface pour des souches se développant en présence de fortes

concentrations d’oxygène. Utilisé à l’origine pour produire la pénicilline, il a été abandonné par la suite à cause de son faible rendement.

—   Le fermenteur en cuve (ou ‘en profondeur’)

A l’issu de cette étape, l’antibiotique est présent à des concentrations relativement faibles dans ce mélange complexe contenant les micro-organismes et le milieu nutritif. Le but est d’isoler la pénicilline de ce milieu.

La troisième étape est l’isolement et la purification de la pénicilline

La quatrième étape est la préparation du médicament terminé (en flacon par exemple)

En 1944 la composition chimique de la pénicilline n’était pas encore entièrement connue malgré la production en masse de ce médicament. C’est en 1946 que les chercheurs des Laboratoires Pfizer proposent de greffer un radical R à la pénicilline naturelle :

C₈H₁₁N₂O₃S ----

représente les différents radicaux que l’on peux greffer à la pénicilline naturelle. Un radical est une espèce chimique possédant un ou plusieurs éléctrons non appariés sur sa couche externe. La présence d'un électron célibataire confère à ces molécules une grande instabilité (elles ne respectent pas la règle de l'octet), ce qui signifie qu'elles ont la possibilité de réagir avec de nombreux composés dans des processus le plus souvent non spécifiques, et que leur durée de vie est très courte.     Les radicaux sont généralement obtenus par rupture de liaison chimique

C’est grâce à la découverte de cette possibilité de greffer un nouveau radical qu’ils font évoluer la pénicilline. La deuxième sorte de Pénicilline, la Pénicilline V  est moins active que la Pénicilline G mais soigne les infections odontologiques (infections dentaires) et peut s’administrer par voix orale.