巧妙提高紫杉醇产量

图1.  InPro6880i光学氧系统在生产现场。

紫杉醇是从红豆杉属植物树皮中提取的化合物，也是目前惟一可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物，它的问世被誉为国际抗癌药物的三大成就之一。但其在树皮中含量仅有0.01%~0.06%，目前主要通过化学合成和植物细胞组织培养等途径获得，本文介绍了光学氧传感器InPro 6880i在植物细胞培养生产紫杉醇中的应用。

紫杉醇是近几年从天然产物中开发的一种新型药物，被当今世界公认为活性最强的广谱抗癌药物，尤其对子宫癌、卵巢癌、乳腺癌等具有特殊疗效。目前，全球紫杉醇类药物的销售额超过50亿美元。紫杉醇主要从红豆杉属植物的树皮中获得，但其在树皮中的含量仅为0.01%~0.06%，提取1?kg紫杉醇就需砍伐1000~2000棵树，会对生态环境和生物多样性造成极大的破坏。目前获得紫杉醇的途径主要有化学合成（半合成）法、植物细胞组织培养法和真菌发酵法等。

植物细胞培养生产紫杉醇

植物细胞培养是一种在离体条件下获得大量的细胞群体和初级或次级代谢产物的技术。将愈伤组织或者其它易分散的组织置于液体培养基中振荡培养，得到分散成游离的悬浮细胞，再通过继代培养使细胞增殖。

图2.  光学溶氧传感器InPro 6880i。

方法的优点

可连续生产，不受季节和病虫害等其他因素影响；

可大规模培养，并能通过控制培养条件来提高产量；

直接从细胞培养物中提取，成份简单，便于产物的分离提取；

细胞培养来源成本低，还可根据市场需求情况灵活调整产量。

植物细胞培养过程中，处于不同生长时期的细胞的溶氧需求水平不同，且溶氧情况会随着植物细胞生物量的变化而改变，因此，需要对培养过程中的溶氧进行准确的控制，以促进植物细胞生长和紫杉醇的合成。尤其在细胞合成紫杉醇阶段，不同浓度的溶解氧对紫杉醇的合成的影响存在明显差异，通过溶氧控制，使细胞向有利于紫杉醇积累的代谢方向转化，可以得到大量高含紫杉醇的植物细胞培养物。植物细胞生长缓慢，且生长和生产周期长，培养一个批次需耗时几个星期到几个月不等，因此对反应器中的传感器元件要求较高，这里选用了梅特勒-托利多公司的光学溶氧传感器InPro 6880i，用于全自控植物细胞反应器的在线检测系统。

图3.  多参数智能变送器M400。

精确的溶解氧在线监控

过去我们常选用传统的极谱法传感器进行植物细胞培养，但该类传感器检测前需要进行几小时的极化，且常有需要维护保养的膜部件，存在污染风险。根据植物细胞长时间培养的特点，2010年梅特勒-托利多工程师与广东科伦药业有限公司工程师多次沟通，建议采用先进的光学溶氧传感器InPro 6880i。共购置了4套InPro 6880i，配合使用M400多参数智能变送器，保证了培养过程中溶氧工艺参数的稳定，实现了培养过程中工艺参数的精确控制。因发酵罐培养时间长，对传感器的无菌要求高，通过光学氧传感器的在线监控，实现了对植物细胞培养过程中溶氧水平的精确控制，确保了植物细胞的生长正常，并积累了高含量的紫杉醇，更重要的是能够长时间培养植物细胞，提高生产成功率，且不会造成微生物污染。

图4.  植物细胞培养中精确的溶解氧在线监控原理图。

InPro 6880i光学氧系统的优点

安装和维护方便。传感器可以通过25mm标准接口直接插入反应器上，取下数字头部元件就可高温灭菌，且其数字化技术的使用及维护的次数和时间是可预知的；

检测方便。M400智能变送器开机30s即可测得真实溶氧值，省去了几小时的极化过程，且不测时可以关机，延长了电极和变送器的使用寿命，符合植物细胞超长期培养的要求；

污染和泄漏的风险几乎为零。传感器内只有光纤而无液体，避免了微生物残留污染。

小结

植物细胞培养的周期较长，因此我们选用传感器的原则是在保证操作方便的同时，不会造成微生物污染。使用光学溶氧传感器，再配合其他措施，反应器中基本无微生物污染。配合空气流量、转速和罐压调整，使我们在溶氧控制上得心应手，大大缩短了植物细胞培养生产紫杉醇的时间。数字化的光学氧传感器，适用于时间较长的无菌发酵培养中各种参数的在线检测。在未来植物细胞培养的扩大生产中，我们计划继续配套使用InPro 6880i，使植物细胞培养技术得到进一步的发展。