Descoberta e Desenvolvimento da Penicilina: Tudo o que Você Precisa Saber

Marco Histórico Internacional da Química

Designado em 19 de novembro de 1999, no Museu do Laboratório de Alexander Fleming, em Londres, Reino Unido. Também reconhecido no Centro Nacional de Pesquisa em Utilização Agrícola do Departamento de Agricultura dos EUA, em Peoria, Illinois, e nas cinco empresas farmacêuticas americanas que contribuíram para a pesquisa de produção de penicilina durante a Segunda Guerra Mundial: Abbott Laboratories, Lederle Laboratories (atualmente Pfizer, Inc.), Merck & Co., Inc., Chas. Pfizer & Co. Inc. (hoje Pfizer, Inc.) e E.R. Squibb & Sons (atualmente Bristol-Myers Squibb Company).

A introdução da penicilina na década de 1940, que marcou o início da era dos antibióticos, é considerada um dos maiores avanços da medicina terapêutica. A descoberta da penicilina e a percepção inicial do seu potencial medicinal ocorreram no Reino Unido, mas, devido à Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos assumiram o papel principal no desenvolvimento da produção em larga escala do medicamento, transformando uma substância vital, antes escassa, em um remédio amplamente disponível.

Conteúdo

• A Descoberta da Penicilina por Alexander Fleming
• Pesquisas sobre Penicilina na Universidade de Oxford
• Produção de Penicilina nos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial
• Aumento da Produção de Penicilina
• Apoio das Indústrias Farmacêuticas dos EUA
• Ampliação da Produção
• Penicilina, Segunda Guerra Mundial e Produção Comercial
• Leituras Complementares
• Reconhecimento como Marco Histórico e Agradecimentos
• Como Citar Esta Página

A Descoberta da Penicilina por Alexander Fleming

A penicilina marcou o início da era dos antibióticos. Antes de sua introdução, não existiam tratamentos eficazes para infecções como pneumonia, gonorreia ou febre reumática. Hospitais estavam cheios de pacientes com infecções no sangue causadas por cortes ou arranhões, e os médicos pouco podiam fazer além de esperar por uma melhora.

Antibióticos são substâncias produzidas por bactérias e fungos capazes de eliminar ou impedir o crescimento de microrganismos concorrentes. Esse fenômeno é conhecido há muito tempo; pode até explicar por que os antigos egípcios aplicavam pão embolorado em feridas infeccionadas. No entanto, foi apenas em 1928 que a penicilina — o primeiro antibiótico verdadeiro — foi descoberta por Alexander Fleming, professor de Bacteriologia no Hospital St. Mary, em Londres.

Ao voltar de férias em 3 de setembro de 1928, Fleming começou a examinar placas de Petri com colônias de Staphylococcus, bactérias que causam furúnculos, dores de garganta e abscessos. Ele notou algo incomum em uma das placas. Ela estava coberta de colônias bacterianas, exceto em uma área onde crescia uma mancha de mofo. A região ao redor do mofo — mais tarde identificado como uma cepa rara de Penicillium notatum — estava limpa, como se o fungo tivesse liberado alguma substância que inibia o crescimento das bactérias.

Fleming descobriu que seu “suco de mofo” era capaz de eliminar uma grande variedade de bactérias nocivas, como o estreptococo, o meningococo e o bacilo da difteria. Ele então encarregou seus assistentes, Stuart Craddock e Frederick Ridley, da difícil missão de isolar a penicilina pura a partir do extrato de mofo. No entanto, a substância mostrou-se muito instável, e eles conseguiram apenas preparar soluções brutas para seus experimentos. Fleming publicou suas descobertas na revista British Journal of Experimental Pathology em junho de 1929, mencionando de forma breve o potencial terapêutico da penicilina. Naquele momento, parecia que sua principal utilidade seria separar bactérias sensíveis daquelas resistentes à penicilina em culturas mistas — algo já de valor prático para bacteriologistas e que ajudou a manter o interesse pelo composto. Outros pesquisadores, como Harold Raistrick, professor de Bioquímica na London School of Hygiene and Tropical Medicine, tentaram purificar a penicilina, mas sem sucesso.

Pesquisas sobre Penicilina na Universidade de Oxford

Foi graças a Howard Florey, Ernst Chain e sua equipe na Sir William Dunn School of Pathology da Universidade de Oxford que a penicilina deixou de ser uma curiosidade de laboratório e se transformou em um medicamento salvador de vidas. A pesquisa sobre purificação e composição química da penicilina começou de fato em 1939, justamente quando a guerra tornava as condições de pesquisa ainda mais desafiadoras. Para realizar testes em animais e ensaios clínicos, o grupo precisou processar até 500 litros por semana de filtrado do mofo. Eles começaram cultivando o fungo em recipientes improvisados, como banheiras, comadres, latas de leite e de alimentos. Posteriormente, foi desenvolvido um equipamento de fermentação sob medida, que facilitava a retirada e a renovação do caldo sob a camada de mofo. Um grupo de mulheres, apelidadas de “meninas da penicilina”, foi contratado por £2 por semana para cuidar da fermentação e inocular os cultivos. Na prática, o laboratório de Oxford passou a funcionar como uma pequena fábrica de penicilina.

Enquanto isso, o bioquímico Norman Heatley conseguiu extrair penicilina de grandes volumes de filtrado utilizando acetato de amila, depois reconduzindo o composto de volta à água por um sistema de contracorrente. Edward Abraham, outro bioquímico contratado para intensificar a produção, aplicou a recém-descoberta técnica de cromatografia em coluna de alumina para eliminar impurezas antes dos testes clínicos.

Em 1940, Florey realizou experimentos cruciais que demonstraram que a penicilina podia proteger camundongos contra infecções letais por estreptococos. Depois, em 12 de fevereiro de 1941, Albert Alexander, um policial de 43 anos, tornou-se o primeiro ser humano a receber penicilina da equipe de Oxford. Ele havia se cortado ao podar roseiras e desenvolveu uma infecção grave, com abscessos que afetaram olhos, rosto e pulmões. Após a aplicação da penicilina, apresentou uma melhora impressionante em poucos dias. No entanto, o estoque do medicamento acabou e ele faleceu pouco tempo depois. Em outros pacientes, os resultados foram mais duradouros, e logo surgiram planos para disponibilizar penicilina aos soldados britânicos no campo de batalha.

As condições de guerra tornaram a produção industrial da penicilina um desafio. Algumas empresas britânicas, como a Glaxo (hoje GlaxoSmithKline) e a Kemball Bishop, uma firma londrina depois adquirida pela Pfizer, aceitaram enfrentar essa tarefa.

Produção de Penicilina nos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial

Seria necessário obter grandes quantidades de penicilina para realizar os extensos testes clínicos que confirmariam os resultados iniciais promissores e, caso o medicamento se mostrasse eficaz, garantir um suprimento adequado para uso terapêutico. Florey sabia que a produção em larga escala seria praticamente inviável no Reino Unido, onde a indústria química estava totalmente dedicada ao esforço de guerra. Com apoio da Fundação Rockefeller, Florey e seu colega Norman Heatley viajaram aos Estados Unidos no verão de 1941 para tentar despertar o interesse da indústria farmacêutica americana na produção massiva da penicilina.

O fisiologista John Fulton, da Universidade Yale, ajudou os cientistas britânicos a entrarem em contato com pessoas que pudessem colaborar com o projeto. Eles foram indicados a Robert Thom, do Departamento de Agricultura dos EUA, um dos maiores especialistas em fungos do gênero Penicillium, e posteriormente encaminhados ao Laboratório Regional de Pesquisa do Norte (NRRL), em Peoria, Illinois, reconhecido pela competência de sua Divisão de Fermentação. Esse contato foi essencial para o sucesso do projeto, já que o NRRL teve papel decisivo no desenvolvimento de inovações que tornaram possível a produção de penicilina em escala industrial.

Aumento da Produção de Penicilina

Orville May, diretor do NRRL, concordou em iniciar um programa intensivo para aumentar os rendimentos de penicilina, sob a coordenação de Robert Coghill, chefe da Divisão de Fermentação. Ficou decidido que Norman Heatley permaneceria em Peoria para compartilhar seus conhecimentos com os colegas americanos. Em poucas semanas, Andrew Moyer descobriu que substituir a sacarose utilizada pela equipe de Oxford por lactose no meio de cultura aumentava consideravelmente a produção de penicilina. Pouco depois, Moyer fez uma descoberta ainda mais significativa: ao adicionar licor de milho ao meio de fermentação, o rendimento aumentava dez vezes. O licor de milho era um subproduto do processo de moagem úmida do milho, e o NRRL, tentando encontrar uma aplicação para ele, passou a usá-lo em praticamente todas as suas experiências com fermentação.

Percebeu-se também que o método do grupo de Oxford — que cultivava o mofo na superfície de um meio nutritivo — era ineficiente. A fermentação em cultura submersa, onde o fungo cresce em grandes tanques com mistura constantemente agitada e arejada, se mostrou muito mais eficaz. No entanto, a cepa usada por Florey produzia apenas vestígios de penicilina nesse tipo de cultivo. Sob a liderança de Kenneth Raper, os pesquisadores do NRRL analisaram várias cepas de Penicillium até encontrar uma que gerava níveis aceitáveis de penicilina em cultura submersa.

Logo teve início uma busca global por cepas mais produtivas, com amostras de solo sendo enviadas de diversos lugares do mundo ao NRRL. Ironicamente, a cepa mais eficiente veio de um melão embolorado comprado em um mercado de frutas de Peoria. Um mutante ainda mais produtivo dessa cepa — conhecida como “cepa do melão” — foi obtido com o uso de raios-X no Instituto Carnegie. Posteriormente, ao ser exposta à radiação ultravioleta na Universidade de Wisconsin, a produtividade da cepa aumentou ainda mais.

Apoio das Empresas Farmacêuticas Americanas à Produção

Enquanto Norman Heatley permanecia em Peoria auxiliando a equipe do NRRL a iniciar os trabalhos com penicilina, Howard Florey visitava diversas empresas farmacêuticas com o objetivo de despertar o interesse pelo medicamento. Embora tenha se decepcionado com os resultados imediatos de sua viagem, três empresas — Merck, Squibb e Lilly — já haviam iniciado algumas pesquisas sobre penicilina antes mesmo da chegada de Florey, e a Pfizer também parecia prestes a começar seus próprios estudos. Naquele momento, porém, o potencial da penicilina ainda se baseava em testes clínicos bastante limitados.

Em seguida, Florey procurou seu antigo amigo Alfred Newton Richards, então vice-presidente de assuntos médicos da Universidade da Pensilvânia. Mais importante ainda, Richards era presidente do Comitê de Pesquisa Médica (CMR) do Escritório de Pesquisa Científica e Desenvolvimento (OSRD), criado em junho de 1941 para garantir atenção adequada à pesquisa científica e médica voltada à defesa nacional. Richards tinha grande apreço por Florey e confiava em seu julgamento quanto ao valor da penicilina. Ele entrou em contato com as quatro empresas apontadas por Florey como interessadas no medicamento (Merck, Squibb, Lilly e Pfizer) e informou que, ao se engajarem na produção da penicilina, estariam contribuindo com o interesse nacional — e que haveria, possivelmente, apoio do governo federal.

Richards convocou uma reunião em Washington, D.C., em 8 de outubro de 1941, com o objetivo de trocar informações entre empresas e órgãos governamentais e planejar um programa de pesquisa colaborativa para acelerar a produção de penicilina. Participaram do encontro representantes do CMR, do Conselho Nacional de Pesquisa, do Departamento de Agricultura dos EUA, além de diretores de pesquisa como Randolph T. Major (Merck), George A. Harrop (Instituto de Pesquisa Médica da Squibb), Jasper Kane (Pfizer) e Y. SubbaRow (Lederle).

A reunião seguinte do CMR sobre penicilina ocorreu em Nova York, em dezembro, dez dias após o ataque a Pearl Harbor e a entrada dos EUA na Segunda Guerra Mundial. Esse encontro foi decisivo. Estiveram presentes os presidentes da Merck, Squibb, Pfizer e Lederle, bem como seus diretores de pesquisa. O relatório de Robert Coghill sobre o sucesso obtido no NRRL com o uso de licor de milho foi especialmente animador para os líderes da indústria presentes.

Como Coghill relembrou mais tarde, George W. Merck, que até então era cético quanto à possibilidade de produzir quantidades suficientes de penicilina devido às limitações das técnicas de fermentação disponíveis e ao baixo rendimento, “…imediatamente se manifestou, dizendo que, se aqueles resultados pudessem ser confirmados em seus laboratórios, seria possível produzir o quilo de material para Florey, e a indústria faria isso!”. Ficou acordado que, embora as empresas conduzissem suas pesquisas de forma independente, manteriam o Comitê de Pesquisa Médica (CMR) informado sobre os avanços. O Comitê, por sua vez, poderia compartilhar essas informações (com a autorização da empresa envolvida), caso considerasse que isso seria de interesse público.

Apesar de haver certa preocupação de que os investimentos nos processos de fermentação pudessem ser desperdiçados, caso uma síntese comercialmente viável da penicilina fosse desenvolvida, outras empresas também começaram a se interessar pelo medicamento. Algumas firmaram acordos de colaboração por conta própria — por exemplo, Merck e Squibb em fevereiro de 1942, com a Pfizer se juntando à parceria em setembro. A planta piloto da Merck continuava produzindo centenas de litros de cultura de penicilina por semana, utilizando frascos e bandejas. Em dezembro, Heatley integrou-se à equipe de pesquisa da Merck por alguns meses, introduzindo o método Oxford de medição de penicilina com placa de cultura, que logo se tornou um padrão em toda a indústria.

Em março de 1942, havia penicilina suficiente produzida sob os auspícios do OSRD para tratar a primeira paciente — a Sra. Ann Miller, em New Haven, Connecticut. Até junho de 1942, outros dez casos haviam sido tratados, todos com penicilina fornecida pela Merck & Co., Inc.

Expansão da Produção de Penicilina

As empresas farmacêuticas e químicas tiveram um papel fundamental na superação dos desafios envolvidos na ampliação da fermentação submersa — passando da escala piloto para a produção industrial. À medida que a produção aumentava, os cientistas da Merck, Pfizer, Squibb e outras empresas enfrentavam novos obstáculos de engenharia. John L. Smith, da Pfizer, resumiu bem a complexidade e a incerteza enfrentadas durante esse processo: “O mofo é temperamental como um cantor de ópera, o rendimento é baixo, o isolamento é difícil, a extração é um pesadelo, a purificação é um desastre à espera de acontecer, e o teste de potência é insatisfatório.”

Como a penicilina precisa de ar para crescer, aeração da mistura fermentada em tanques profundos era um problema. Quando se usava licor de milho como meio de cultura, a passagem de ar estéril por borbulhamento causava intensa formação de espuma. A Squibb solucionou isso com a introdução de monoricinoleato de glicerila como agente antiespumante. A fermentação submersa também exigiu o desenvolvimento de novos sistemas de resfriamento para os tanques e novas tecnologias de agitação para misturar a cultura de forma eficiente.

A Lilly teve sucesso notável ao induzir o mofo a sintetizar novos tipos de penicilina, alimentando-o com precursores de estruturas químicas variadas. Após a fermentação, a recuperação da penicilina também apresentava desafios — até dois terços do antibiótico podiam ser perdidos durante a purificação devido à sua instabilidade e sensibilidade ao calor. A extração era feita em temperaturas baixas. Métodos de liofilização a vácuo acabaram sendo os mais eficazes para purificar a penicilina, resultando em um produto final estável, estéril e utilizável.

As etapas de fermentação, recuperação, purificação e embalagem avançaram rapidamente graças ao esforço conjunto dos cientistas químicos e engenheiros envolvidos na produção piloto da penicilina. Em 1º de março de 1944, a Pfizer inaugurou a primeira fábrica comercial para produção em larga escala de penicilina por fermentação submersa, localizada no Brooklyn, em Nova York.

Paralelamente, estudos clínicos realizados tanto no meio militar quanto civil confirmavam a eficácia terapêutica da penicilina. O medicamento mostrou-se eficaz no tratamento de uma ampla gama de infecções, incluindo aquelas causadas por estreptococos, estafilococos e gonococos. O Exército dos Estados Unidos comprovou o valor da penicilina no tratamento de infecções cirúrgicas e de feridas. Estudos clínicos também demonstraram sua eficácia contra a sífilis e, em 1944, ela já era o principal tratamento para essa doença nas forças armadas do Reino Unido e dos Estados Unidos.

Penicilina, Segunda Guerra Mundial e Produção Comercial

Durante a Segunda Guerra Mundial, a importância crescente da penicilina para o esforço de guerra levou o War Production Board (WPB) dos Estados Unidos, em 1943, a assumir a responsabilidade por aumentar a produção do medicamento. Após avaliar mais de 175 empresas, o WPB selecionou 21 para integrar o programa de produção sob a direção de Albert Elder. Entre as escolhidas estavam Merck, Pfizer, Squibb, Lederle e Abbott Laboratories — esta última já atuava como produtora de penicilina em escala clínica desde meados de 1943. Essas empresas receberam prioridade máxima no acesso a materiais de construção e outros insumos necessários para alcançar as metas de produção. O WPB também passou a controlar a distribuição de toda a penicilina produzida.

Um dos principais objetivos era garantir um suprimento adequado do medicamento para a planejada invasão da Normandia, o Dia D. O sentimento patriótico intensificou ainda mais os esforços tanto no Reino Unido quanto nos Estados Unidos. Albert Elder, por exemplo, enviou cartas às empresas incentivando-as a mobilizar seus trabalhadores:
“Impressionem a cada operário da fábrica que a penicilina produzida hoje estará salvando vidas em poucos dias. Coloquem slogans na fábrica! Enviem avisos junto aos contracheques! Criem entusiasmo pela missão, até o mais humilde trabalhador deve entender sua importância.”

Com a divulgação da penicilina como uma “droga milagrosa”, a demanda do público explodiu, mas os estoques ainda eram limitados e o uso prioritário era militar. Coube ao Dr. Chester Keefer, de Boston, presidente do Comitê de Quimioterapia do National Research Council, a tarefa ingrata de racionar o uso civil do medicamento. Keefer só autorizava o uso em casos onde todos os outros tratamentos haviam falhado — e exigia um dossiê médico completo antes de tomar qualquer decisão. Segundo uma matéria do New York Herald Tribune, de 17 de outubro de 1943:
“Inúmeros leigos — esposos, esposas, pais, irmãos, amigos — imploram penicilina ao Dr. Keefer. Mas todos são informados de que a solicitação precisa vir acompanhada de documentação médica completa para análise técnica.”

Felizmente, a produção da penicilina aumentou vertiginosamente no início de 1944:

• 1943: 21 bilhões de unidades
• 1944: 1.663 bilhões
• 1945: mais de 6,8 trilhões de unidades

As técnicas de produção evoluíram dos frascos de 1 litro com rendimento inferior a 1%, para tanques de 10 mil galões com rendimentos de 80–90%. Com isso, o governo dos EUA suspendeu todas as restrições e, em 15 de março de 1945, a penicilina passou a ser distribuída pelas vias comerciais normais, disponível em qualquer farmácia de bairro.

Em 1949, a produção anual norte-americana havia alcançado 133.229 bilhões de unidades, e o preço caiu de 20 dólares (por 100.000 unidades, em 1943) para menos de 10 centavos. No Reino Unido, a penicilina passou a ser vendida ao público com receita médica em 1º de junho de 1946. Após a guerra, a maioria das empresas britânicas adotou o sistema de fermentação em tanque profundo, desenvolvido nos EUA, para atender à crescente demanda civil.

Enquanto isso, Chain e Abraham seguiram investigando a estrutura molecular da penicilina, com a ajuda da cristalógrafa Dorothy Hodgkin, também da Universidade de Oxford. Em 1945, o grupo finalmente elucidou a estrutura do antibiótico, destacando-se o anel beta-lactâmico de quatro membros — instável e crucial para a ação da substância.

Ainda em 1945, Alexander Fleming, Howard Florey e Ernst Chain foram laureados com o Prêmio Nobel de Medicina, em reconhecimento às suas contribuições pioneiras.

Em 1949, Florey sintetizou o esforço coletivo que tornou tudo isso possível:

“Não há elogio suficiente para a energia e dedicação com que as indústrias americanas encararam o desafio da produção em larga escala. Sem isso, certamente não haveria penicilina suficiente no Dia D para tratar todos os feridos graves, britânicos e americanos.”

Com conteúdo do ACS.