巧妙提高紫杉醇產量

圖1.  InPro6880i光學氧系統在生產現場。

紫杉醇是從紅豆杉屬植物樹皮中提取的化合物，也是目前惟一可以促進微管聚合和穩定已聚合微管的藥物，它的問世被譽為國際抗癌藥物的三大成就之一。但其在樹皮中含量僅有0.01%~0.06%，目前主要通過化學合成和植物細胞組織培養等途徑獲得，本文介紹了光學氧傳感器InPro 6880i在植物細胞培養生產紫杉醇中的應用。

紫杉醇是近幾年從天然產物中開發的一種新型藥物，被當今世界公認為活性最強的廣譜抗癌藥物，尤其對子宮癌、卵巢癌、乳腺癌等具有特殊療效。目前，全球紫杉醇類藥物的銷售額超過50億美元。紫杉醇主要從紅豆杉屬植物的樹皮中獲得，但其在樹皮中的含量僅為0.01%~0.06%，提取1?kg紫杉醇就需砍伐1000~2000棵樹，會對生態環境和生物多樣性造成極大的破壞。目前獲得紫杉醇的途徑主要有化學合成（半合成）法、植物細胞組織培養法和真菌發酵法等。

植物細胞培養生產紫杉醇

植物細胞培養是一種在離體條件下獲得大量的細胞群體和初級或次級代謝產物的技術。將愈傷組織或者其它易分散的組織置于液體培養基中振蕩培養，得到分散成游離的懸浮細胞，再通過繼代培養使細胞增殖。

圖2.  光學溶氧傳感器InPro 6880i。

方法的優點

可連續生產，不受季節和病蟲害等其他因素影響；

可大規模培養，并能通過控制培養條件來提高產量；

直接從細胞培養物中提取，成份簡單，便于產物的分離提取；

細胞培養來源成本低，還可根據市場需求情況靈活調整產量。

植物細胞培養過程中，處于不同生長時期的細胞的溶氧需求水平不同，且溶氧情況會隨著植物細胞生物量的變化而改變，因此，需要對培養過程中的溶氧進行準確的控制，以促進植物細胞生長和紫杉醇的合成。尤其在細胞合成紫杉醇階段，不同濃度的溶解氧對紫杉醇的合成的影響存在明顯差異，通過溶氧控制，使細胞向有利于紫杉醇積累的代謝方向轉化，可以得到大量高含紫杉醇的植物細胞培養物。植物細胞生長緩慢，且生長和生產周期長，培養一個批次需耗時幾個星期到幾個月不等，因此對反應器中的傳感器元件要求較高，這里選用了梅特勒-托利多公司的光學溶氧傳感器InPro 6880i，用于全自控植物細胞反應器的在線檢測系統。

圖3.  多參數智能變送器M400。

精確的溶解氧在線監控

過去我們常選用傳統的極譜法傳感器進行植物細胞培養，但該類傳感器檢測前需要進行幾小時的極化，且常有需要維護保養的膜部件，存在污染風險。根據植物細胞長時間培養的特點，2010年梅特勒-托利多工程師與廣東科倫藥業有限公司工程師多次溝通，建議采用先進的光學溶氧傳感器InPro 6880i。共購置了4套InPro 6880i，配合使用M400多參數智能變送器，保證了培養過程中溶氧工藝參數的穩定，實現了培養過程中工藝參數的精確控制。因發酵罐培養時間長，對傳感器的無菌要求高，通過光學氧傳感器的在線監控，實現了對植物細胞培養過程中溶氧水平的精確控制，確保了植物細胞的生長正常，并積累了高含量的紫杉醇，更重要的是能夠長時間培養植物細胞，提高生產成功率，且不會造成微生物污染。

圖4.  植物細胞培養中精確的溶解氧在線監控原理圖。

InPro 6880i光學氧系統的優點

安裝和維護方便。傳感器可以通過25mm標準接口直接插入反應器上，取下數字頭部元件就可高溫滅菌，且其數字化技術的使用及維護的次數和時間是可預知的；

檢測方便。M400智能變送器開機30s即可測得真實溶氧值，省去了幾小時的極化過程，且不測時可以關機，延長了電極和變送器的使用壽命，符合植物細胞超長期培養的要求；

污染和泄漏的風險幾乎為零。傳感器內只有光纖而無液體，避免了微生物殘留污染。

小結

植物細胞培養的周期較長，因此我們選用傳感器的原則是在保證操作方便的同時，不會造成微生物污染。使用光學溶氧傳感器，再配合其他措施，反應器中基本無微生物污染。配合空氣流量、轉速和罐壓調整，使我們在溶氧控制上得心應手，大大縮短了植物細胞培養生產紫杉醇的時間。數字化的光學氧傳感器，適用于時間較長的無菌發酵培養中各種參數的在線檢測。在未來植物細胞培養的擴大生產中，我們計劃繼續配套使用InPro 6880i，使植物細胞培養技術得到進一步的發展。