7.1: Прелюдія до кислотно-лужних реакцій

Скляна колба, що сидить на лавці в лабораторії доктора Баррі Маршалла в Перті, Західна Австралія, містила близько тридцяти мілілітрів явно неапетитною мутною смердючою жовтуватою рідини.

Кілька днів до цього доктор Маршалл в консультації зі своїм наставником і партнером по дослідженню доктором Джей Робіном Уорреном налив поживний відвар в колбу, потім впустив невеликий шматочок зразка тканини, взятий зі шлунка пацієнта, який страждає хронічним гастритом. Гастрит - це запалення слизової оболонки шлунка, яке характеризується затяжним болем, нудотою та блювотою, і часто є попередником виразкової хвороби. Тепер, після декількох днів інкубації на теплій водяній бані, колба містила живу рідку культуру, що кишить мільярдами бактеріальних клітин. Згідно з медичними підручниками, що підкладають книжкові полиці доктора Маршалла, бактерії не повинні були там бути - нічого не повинно було рости в бульйоні, тому що висококисле середовище всередині шлунка повинно було бути стерильним. Також, згідно з підручниками, причиною хвороби шлунка його пацієнта був стрес, або, можливо, неправильне харчування - але, безумовно, не бактеріальна інфекція.

Доктор Маршалл взяв гарненько, довго, подивіться на вміст колби. Потім він дав йому остаточний вихор і випив його вниз.

Через п'ять днів у нього почав боліти живіт.

Це історія про те, як двоє лікарів наважилися думати про те, що ніхто інший не думав, і перевернули усталену медичну доктрину догори дном. Доктор Джей Робін Уоррен був патологоанатомом в лікарні Royal Perth в Перті, Західна Австралія. Одного разу, вивчаючи зображення, зроблене з біопсії шлунка у пацієнта з важким гастритом, він помітив, що виявилося спіралеподібними бактеріями в тканині, дивовижне спостереження, враховуючи медичний консенсус, що бактерії не можуть жити в шлунку.

Мікроб-подібні форми було дуже важко побачити, але коли він спробував обробити зразок срібною плямою, вони стали набагато більш очевидними. Він вирішив почати дивитися на сріблясті ділянки кожної досліджуваної біопсії шлунка, і незабаром він помітив закономірність: наявність спіральних бактерій співпало з гастритом у пацієнта, а тканини, які були сильніше запалені, здавалося, також мали більше бактерій. Чи може бути причинний зв'язок між бактеріями та хворобою?

Коли він обговорював свої спостереження з колегами, вони відхилили результати як випадкове забруднення — нічого важливого.

Уоррен не хотів просто відпустити його. Він зміг зацікавити Баррі Маршалла, молодого резидента внутрішньої медицини, який навчався в тій же лікарні, взяти на себе дослідницький проект, щоб спробувати розгадати таємницю бактерій, які не повинні були існувати. Маршалл почав з ретельного пошуку літератури, і виявив, що його наставник не першим повідомив, що бачив спіралеподібні бактерії в тканині шлунка - насправді в літературі було кілька таких спостережень, найдавніші з середини 19 століття. Всі вони були звільнені як неважливі артефакти.

Уоррен і Маршалл почали відправляти біопсію шлунка від хворих на гастрит до мікробіологічної лабораторії в лікарні, щоб перевірити, чи можна культивувати бактерії із зразків у чашці Петрі. За довгі місяці вони нічого не отримували. Потім одного ранку у вівторок, одразу після чотириденного свята Великодня, Маршаллу зателефонував схвильований технік мікробіології: він нехтував утилізувати останній раунд випробувальних культур перед тим, як відправитися додому на свято, і натомість залишив їх у інкубаторі весь час. Після вирощування протягом цілих п'яти днів в стравах з'явилися колонії бактерій, що ростуть в них. Весь цей час техніки викидали культури через два дні, коли не було очевидним зростання бактерій - стандартна процедура при роботі з іншими бактеріями - але, мабуть, ці бактерії були особливо повільно зростаючими.

Тепер, коли він міг культивувати бактерії в лабораторії, він зміг виділити і вивчити їх більш детально, і дав їм назву Helicobacter pylori. Маршалл підтвердив попереднє спостереження Уоррена щодо кореляції між бактеріями шлунка та гастритом: лише ті пацієнти, які страждають гастритом або виразкою, здавалося, мають бактерії в шлунку. Здавалося, були вагомі докази того, що інфекція H. pylori призвела до гастриту, який, в свою чергу, призводить до виразки шлунка.

Незважаючи на нові дані, колеги Уоррена та Маршалла в галузі гастроентерології все ще не переконалися у зв'язку між бактеріями та гастритом або виразкою. Вчені за своєю суттю скептично налаштовані люди, і важко було подолати давно укорінену теорію про те, що шлунок стерильний, і що виразки викликані стресом. Опитуваний набагато пізніше журналом Discovery, Маршалл нагадав: «Для гастроентерологів концепція зародка, що викликає виразки, була схожа на те, що Земля плоска».

Поривши ще раз над наявною літературою, Маршалл дізнався, що препарати, що знижують кислоту - надзвичайно прибутковий продукт - здатні полегшити симптоми виразки, але лише тимчасово. Один цікавий фрагмент інформації виділився йому, хоча: безрецептурний антацид, що містить елемент вісмуту (подібно до фірмового ліки Пепто-Бісмол) забезпечив набагато більш тривале полегшення в порівнянні з іншими препаратами - і в деяких випадках, здавалося, ефект постійного лікування. Маршалл замочив невелике коло фільтрувального паперу в ліках вісмуту, і помістив його на чашку Петрі, яку він щепив H. pylori. Через п'ять днів в інкубаторі навколо фільтрувального паперу було чітке коло незросту. Ліки вбили бактерії.

Здавалося, все поєднувалося: майже всі пацієнти з гастритом або виразкою мали інфекції H. pylori, а препарат, який зміг вбити бактерії, також був ефективний проти шлункової недуги. Але щоб переконати медичне співтовариство, що першопричиною виразки була інфекція H. pylori, Уоррену і Маршаллу потрібні були більш прямі докази: вони повинні були показати, що здоровий шлунок - вільний від гастриту і неінфікований H. pylori - розвине гастрит в результаті навмисного зараження, і це очищення до інфекції також вилікувати гастрит. Спочатку вони намагалися експериментувати зі свинями, потім щурами, а потім мишами, але безрезультатно - вони не змогли викликати інфекцію H. pylori у моделей тварин. Маршалл впадав у відчай: навколо нього він бачив, як пацієнти страшно страждають, отримуючи лише тимчасове полегшення від блокаторів кислоти і, врешті-решт, потребували видалення частин шлунка, і він був переконаний, що проста антибіотикотерапія вилікує їх, якби тільки їхні лікарі могли бути переконані спробувати. . Оскільки моделі тварин зазнали невдачі, він вирішив перейти до модельної системи, яка, як він знав, буде працювати: люди. Етичні та нормативні міркування заважали йому навмисно заражати добровольців людей - тому його єдиним варіантом було використовувати себе як морську свинку.

Ми зараз перебуваємо в точці історії, де Баррі Маршалл, в ім'я науки і медицини, прийняв свій огидний, але безперечно мужній ковток бульйону, навантаженого бактеріями. Він вже пройшов ендоскопію, щоб переконатися, що його шлунок вільний як від запалення, так і від H. pylori. Як ми вже знаємо, симптоми гастриту у нього почали розвиватися приблизно через п'ять днів після вживання бактерій — стільки ж часу, скільки знадобилося, щоб колонії H. pylori з'явилися в культурах чашок Петрі. Ще через кілька днів він переніс чергову ендоскопію, і йому було дуже приємно сказати, що його шлунок справді запалений і був заражений бактеріями спіралеподібної форми. Спочатку він хотів продовжити експеримент ще кілька днів подальших аналізів, але його дружина мала іншу думку з цього приводу і переконала його почати лікування антибіотиками, яке швидко прояснило як його інфекцію, так і запалення шлунка.

Маршалл і Уоррен тепер мали чіткі, прямі докази того, що запалення шлунка, яке призводить до виразки, було викликано бактеріями, і його можна вилікувати антибіотиками. Вони представили резюме своїх результатів для презентації на засіданні гастроентерологічного товариства Австралії, але були відхилені. Мабуть, 67 подань надійшло, і був лише час для 56 презентацій; на жаль, їх результати не вважалися достатньо важливими, щоб зробити скорочення. Вони наполегливо і врешті-решт опублікували свої висновки у червневому випуску 1984 британського медичного журналу The Lancet.

Робота отримала деяке повідомлення, особливо від мікробіологів, але не мала негайного впливу в клінічній практиці. У всьому світі гастроентерологи продовжували лікувати виразки кислотними блокаторами. Поза основною медичною спільнотою, однак, було відомо, що два австралійські лікарі мали ліки від виразки, і все більше людей почали приходити до них на лікування. Історії про Уоррена та Маршалла з'явилися в таких місцях, як Reader's Digest та The National Enquirer, і врешті-решт у Сполучених Штатах Національні інститути охорони здоров'я та Управління з харчових продуктів та медикаментів відповіли швидким відстеженням процесу клінічного тестування та затвердження та оприлюднення нового лікування варіант.

Виразки шлунка, які мучили людей з початку записаної історії, сьогодні вважаються легко виліковним станом, і думка про те, що вони викликані інфекцією H. pylori, повністю приймається медичним співтовариством. Доктор Джей Робін Уоррен і Баррі Маршалл розділили Нобелівську премію в галузі медицини 2005 року.

Зараз дискредитована ідея про те, що шлунок - це стерильне місце, зробила цілком хороший біохімічний сенс в той час: шлунок схожий на ванну, наповнену соляною кислотою, про яку ви, напевно, пам'ятаєте з попередніх занять хімією та лабораторіями, є дуже сильною, небезпечно їдкою кислотою. Дуже важко уявити, як мікроба міг вижити в такому середовищі. Тепер ми знаємо, що H. pylori може процвітати там частково, оскільки його спіральна форма дозволяє йому зариватися глибоко в захисний шар слизу, який покриває стінку шлунка. Крім того, клітини H. pylori виробляють велику кількість ферменту під назвою уреаза, який каталізує реакцію між сечовиною та водою з утворенням вуглекислого газу та аміаку.

Аміак - основний компонент рідини для миття вікон - є досить міцною основою, і швидко і повністю вступає в реакцію з соляною кислотою для її нейтралізації.

Хоча вчені все ще не впевнені у всіх деталах, цілком ймовірно, що ці дві захисні стратегії, що використовуються H. pylori, якимось чином відіграють певну роль у спричиненні запалення, яке може призвести до виразки шлунка, де оболонка шлунка піддається різкій дії соляної кислоти.

Ідея кислотності лежить в основі нашої розповіді про відкриття H. pylori, і є предметом цієї глави. Відтепер у нашому дослідженні органічної хімії ми дізнаємося про те, як органічні молекули реагують, і як їх структура визначає їх реакційну здатність. Реакція між кислотою та основою - де протон подається від першого і приймається останнім - це перший вид органічної реакції, яку ми дослідимо. Переглянувши деякі основні ідеї про кислотно-лужні рівноваги, з якими ви, мабуть, вже знайомі із загальної хімії, ми зануримося в деякі дуже складні нові води, намагаючись використати наше розуміння органічної структури, щоб передбачити, як різні органічні функціональні групи реагуватимуть в кислоти- базовий контекст. Багато ідей, які представлені в цій главі, хоча, можливо, важко зрозуміти спочатку, матимуть вирішальне значення для розуміння не тільки хімії кислотної основи, але і всіх інших типів органічних реакцій, які ми побачимо протягом решти книги.

Додаткове читання:

Доктор, який пив інфекційний бульйон, дав собі виразку і розгадав медичну таємницю