【分享】发酵工程在医药研究和生产中的应用

2　细胞组织培养与药物



2.1　细胞培养技术生产中药有效成份

　　中药的有效成份主要是细胞次生代谢产物，因此利用培养细胞代谢产物的研究是生物技术在中药生产中应用较早的一个方面.目前已经从400多种植物建立了组织和细胞培养物，从中分离出600多种代谢产物，其中40多种化合物在产量上超过或等于原植物，为利用细胞培养技术工业化生产医药奠定了基础.

　　人们通过筛选高产细胞系，改进培养条件和技术，设计适合植物培养细胞的发酵罐等手段，对烟草、紫草、长春花、丹参、红豆杉、三尖杉、洋地黄、人参、三七、西洋参、三分三、毛地黄、茜草、黄连和彩叶紫苏的多种植物细胞进行了大规模悬浮培养的试验，以生产烟碱、紫草宁、长春藤碱、丹参酮、紫杉醇、三尖杉酯碱、洋地黄碱、人参皂、三七、西洋参、三分三、毛地黄碱、茜草素、黄连素和紫苏素等药物.发酵罐规模已达到(10～75) l，其中紫草宁、茜草素和人参皂已商业化.近年来，紫杉醇含量已经比原植物提高了100多倍，达到153 mg．l-1，而且美国phyton catalytic公司已在德国diversa进行了75 t发酵罐实验.日本和我国的学者们正在对三尖杉细胞的悬浮培养条件进行优化，提高三尖杉酯碱的含量.华中理工大学开展了红豆杉细胞培养技术的系统研究，取得显著的进展.上海中医药大学筛选出具有高转化率的洋地黄细胞系，并进行了毛花洋地黄植物与培养细胞之间羟化能力关系的基础研究.中国药科大学对人参进行了10 l规模的细胞培养试验，生产出我国传统中药材生物技术的第一个商品化产物.邢建民等观察了水母雪莲悬浮培养细胞生长和黄酮类活性成份合成的关系［13～17］.

2.2　遗传转化器官的培养与药物生产

　　由农杆菌感染植物组织形成的“畸形芽”和“毛状根”是继细胞培养后又一重要培养系统.中药许多有效成分的形成与器官分化过程密切相关，而在培养细胞中有效成分不存在或含量极少.与细胞培养相比，毛状根培养有明显优点：生长速度快、分枝多，弱向地性；毛状根处于器官化水平，其生理生化、遗传特性稳定，具有稳定的次生代谢物合成能力，毛状根培养系统对根类中药材中有效成分的生产更为重要.目前已在长春花、青蒿、烟草、人参、丹参、紫草、黄芪、甘草、曼陀罗和颠茄等40多种植物建立了毛状根培养系统，同时还建立了烟草、薄荷、澳洲茄、颠茄和马铃薯等植物的畸形芽培养系统，其生长速度有的可以超过毛状根.

　　上海中医药大学对黄芪毛状根的大规模培养技术和化学成分与药理活性进行了深入研究，在3 l、5 l、10 l培养器中经21 d培养，有效成分产量可达10 g．l-1(干重)，而且黄芪毛状根中皂甙、黄酮、多糖、氨基酸等含量近似于药用黄芪，其作用效价也与药用黄芪基本一致.他们对丹参毛状根进行培养证实，7种丹参酮不仅存在毛状根中，而且约40%分泌到培养基中.我国从黄花蒿中分离鉴定出的青蒿素是抗疟有效单体，对脑型和抗氯喹性疟疾有特效，成为who推荐产品.刘春朝等利用ri1601质粒转化青蒿叶片筛选的高产系，进行了青蒿毛状根合成青蒿素的培养工艺条件研究，取得较好结果：在优化条件下，经25 d培养，青蒿素产量达223.3 mg．l-1.目前毛状根培养系统的中试装置已达500 l的规模，利用20 t发酵罐生产的人参毛状根已开发成商品投入市场［14，15，17］.

2.3　药用植物组织的离体培养

　　自1960年利用组织培养技术将兰花茎尖分生组织进行离体培养，建立无性繁殖系并诱导分化成植株以来，已发现能进行离体分化的植物有千余种，能进行快速繁殖的有数百种，能进行规模化和商品化生产的有近百种.其中有100多种药用植物经离体培养分化成植株，对稀有珍贵中药品种的保存、繁育和纯化具有重要意义.

　　利用大规模培养技术进行植物繁殖是继试管繁殖后又一个十分有用的培养技术，1981年矮牵牛发酵罐繁殖后，大规模培养技术取得了巨大进展.目前已进行了草莓、矮牵牛、大岩桐、百合、马铃薯、兰花、唐菖蒲等值物的茎、芽、微小块茎、球茎、体细胞胚、小植物和合成种子的大规模培养试验，培养规模(1～1000) l，培养时间随培养物的不同而不同.最近报道的甜菊茎500 l大规模培养结果表明，在25 ℃、2000 lux光照、15 l/min通气量的培养条件下，每批培养小植物数量可达20万株.为了使大规模培养的体细胞胚胎处于相同发育期，通过不断过筛、密度梯度离心以及培养的方法基本上解决了胡萝卜体细胞胚胎同步发育的难题，实现了从单细胞到完整植物发育的同步化，为胡萝卜素的生产开辟新途径.最近进行的从生物反应器中培养青蒿小植物生产萜类化合物的尝试，为传统中药的大规模培养提供了先例［14，15］.

2.4　生物转化系统与药物生产

　　植物培养细胞和微生物具有诸如酯化、氧化、乙酰化、还原化、甲基化、羟基化和羰基化等多种生物转化能力.生物转化实质上是一种酶催化反应.某些植物酶能够催化微生物和化学合成很难进行的立体专一和区域专一的反应，因此进行自由悬浮或固定化细胞的生物转化研究就成为植物生物技术的一个重要研究领域.但是多数微生物转化反应的转化率较低，能够达到工业化和商品化的还不多.德国科学家利用洋地黄培养细胞特定的羟基化能力，将β-洋地黄毒甙转化为临床上使用的强心甙β-甲基地谷新，使用200 l发酵罐可以获得(600～700) mg．l-1的转化率，德国boehinger mannhein公司已进行商业化生产的评估.熊果苷是人类皮肤中黑色素合成的抑制剂，是美容产品的重要添加剂.利用毛曼陀罗、长春花或蛇根木的培养细胞进行的生物转化取得了成功，其产量分别达到7.1 g．l-1、9.2 g．l-1和18 g．l-1，已经达到化学合成的产量，有希望进行商业化生产.最近将鬼臼毒转化成它的β-葡萄糖甙也获得成功［15］，转化率达到294 mg．l-1.



［责任编辑： 徐雄立］