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一个改变市场格局的项目

作者:夏军   单位:医工总院   时间:2015-03-25

环孢菌素A一直是临床首选的抗免疫排斥药物,器官移植病人需终身用药。“环孢菌素A生产新工艺关键技术及其应用”项目属生物医药领域的微生物药物技术。该项目突破了发酵过程中菌体提前自溶和产生大量泡沫两个产业化关键问题,筛选获得了一种新的培养基,以及创新了一种发酵补料的方法。在此基础上,进一步优化了下游的分离纯化工艺。该成果获得2004年上海市科技进步一等奖和2005年国家科技进步二等奖。

 项目的成功让中国市场挣脱诺华的束缚

1970年,瑞士诺华公司分离到两种不完全真菌,即光泽柱孢菌和多孔木霉,以此生成具备抗真菌活性的环孢菌素A。1978年,首次用于临床肾移植试验。1980年,实现环孢菌素A全合成。1983年,美国FDA批准用于临床器官移植,是临床抗排斥反应的首选药物。

上世纪九十年代初,诺华产品输入中国市场。其时,杭州中美华东制药有限公司等四家公司开始生产,但生产工艺落后,发酵单位和有效组分含量低,总收率仅20%,且生产成本高、污染严重。国内企业曾从国外引进菌种和工艺,但由于发酵过程中必需使用异亮氨酸,该产品价格昂贵,造成成本难以下降。另外,发酵周期长达14天,大大增加操作成本。因此,国内市场一直被瑞士诺华公司垄断。

1997年,上海医药工业研究院与杭州中美华东制药有限公司联合攻关:突破发酵工艺关键技术,改进下游分离纯化工艺,开发了环孢菌素A生产新工艺。

 思路决定了攻关的突破口

为了降低环孢菌素A的制造成本和提高产品质量,科研人员需要解决环孢菌素A生产工艺落后的问题。经过对现有生产工艺的剖析,发现其发酵工艺的落后的主要原因,一是菌体提前自溶,导致生物合成产物的周期过短;二是发酵过程产生大量泡沫,导致不能进行中间补料而使生产能力下降。另外,这两个因素还导致生物合成过程中产生的副产物多、有效组分含量低。由此落后生产发酵工艺获得的环孢菌素A发酵液,给下游的分离纯化带来了很大的困难,致使其产品的收率低和质量差。

找到突破口等于确定了靶点,根据这条研究路径,课题组制定了整套技术方案,并经过反复试验和分析总结,取得了满意的成果。

一套环孢菌素A发酵新工艺在这个过程中日趋成熟。针对环孢菌素A发酵过程中存在的问题,课题组人员在生产车间经过跟班分析,发现孢菌素A生物合成量和有效组分含量等技术指标受到代谢调控的影响。影响代谢调控的主因可能有三个:一是菌体自溶;二是发酵过程中泡沫在发酵罐内大量产生,虽然能用消泡剂控制泡沫,但环孢菌素A的敏感性抑制了合成效果;三是无法采用中间补料工艺。

课题组人员在微生物药物生物合成代谢理论的指导下,为了有效推迟环孢菌素A产生菌菌体开始自溶的时间,延长生物合成周期,创新环孢菌素A发酵培养基中的碳源。在有效控制发酵过程中产生大量泡沫方面,创新环孢菌素A发酵培养基中的氮源及其加工方法。通过筛选出新的碳源和氮源,研究处一种新的发酵培养基配方,解决了菌体提前自溶和发酵过程中泡沫大量产生的难题。从而大大提高了环孢菌素A的生物合成量和有效组分的含量,提高了发酵技术指标。

另外,课题组又研究出一项补料配方,为环孢菌素A的合成建立了一种发酵中间补料新工艺。在合成中,他们增加放罐体积,有效控制发酵过程。

环孢菌素A发酵工艺的突破,为建立新的环孢菌素A分离纯化工艺创造了条件。发酵单位和有效组分含量得到大幅提升,每克菌体所含产物的量增加了5倍以上;从粗提工艺获得的粗品环孢菌素A,比原工艺的含量提高6倍以上。因此,有基础对粗提工艺、硅胶柱层析工艺、结晶工艺作出较大改进,使提取总收率从20%提高到50%以上,每公斤环孢菌素A的溶媒消耗量从502公斤下降到145公斤,成品的部分质量超过国际水平。

 值得圈点的产业化效益

在环孢菌素A生产新工艺项目取得成功之前,国外环孢菌素A的主要生产厂商为瑞士诺华公司。国内包括中美华东制药有限公司等几家环孢菌素A生产厂商曾从国外引进这种菌种和工艺。虽然使用国外引进的菌种和技术能够超过国内原有的生产工艺水平,但由于其发酵过程中必需使用异亮氨酸作为前体。该产品在国内缺少相应的生产技术,需要花费大量外汇进口,且价格十分昂贵。另外,使用该菌种和工艺的发酵周期长达14天,造成生产成本和操作难度难以降低。因此,尽管该菌种和技术的引进消化工作历时数年,花费了大量的外汇和精力,但终因综合成本过高,难以被国内厂家普遍接受。当中美华东制药有限公司和上海医工院共同开发的环孢菌素A发酵新工艺问世,国内的市场局面彻底改观。

新的生产工艺不仅使环孢菌素A的生产成本具有国际竞争力,而且产品质量达到和部分超过出口标准。中美华东制药有限公司采用新工艺成果,其技术和应用居国内领先水平,国际先进水平。有效组分含量平均达87%,分离纯化收率达50%以上,产品质量达到美国药典第25版和欧洲药典第4版标准要求。它在国内市场上的销售额逐年上升,生产量和销售量稳居国内第一,原料产品还出口包括欧美在内的多个国家,确立了在国际市场上的竞争优势。

新工艺的实施取得骄人的经济和社会效益:发酵指数从0.0055提高到0.0389。总收率从20%提高到50%以上。原料质量符合国际标准,部分指标优于进口产品。每公斤产品的粮食单耗从315公斤降到119公斤、溶媒从502公斤降到145公斤、动力费用从5077元降到1264元。                                     

新工艺为中国消费者带来最直接的福音。该成果于2003年在杭州中美华东制药有限公司实现产业化以来,产品质量和生产成本至今保持国内领先地位。这打破了中国的环孢菌素A市场被进口产品垄断的局面,使进口产品降价1/3以上;国内市场占有率从不到5%攀升到40%以上;年销售从原来0.24亿元提高到2014年的3.01亿元,累计新增销售29.8亿元。国内使用的医院至今达2300多家,累计治疗19.4万人,国家医保负担和患者的经济支出显著减轻。

该成果获得2004年上海市科技进步一等奖和2005年国家科技进步二等奖。

 值得我们记住的名字

环孢菌素A生产新工艺关键技术及其应用项目的成功离不开上海医工院和杭州中美华东制药有限公司的科研人员的勤奋工作和鼎力合作。

项目主持人是上海医工院的陈代杰。自1997年1月至2000年12月,他全面负责和指导环孢菌素A生产新工艺关键技术及其应用项目的科学研究。在他的带领下,课题组研究出造成环孢菌素A 发酵过程菌体提前自溶和发泡的原因,发明了一种完全不同于原来发酵配方的新配方。在新配方中,他们创新了一种主要氮源的加工工艺,使环孢菌素A 发酵过程中的菌体自溶延迟,大大地提高环孢菌素A的生物合成以及有效组分的含量。环孢菌素A发酵过程中进行补料的新工艺,有效地突破了环孢菌素A发酵关键技术。陈代杰带领他的团队有效地将实验室成果转化为产业化奇迹。

团队中来自上海医工院的还有李继安。他负责进行实验室的研究工作,特别是对环孢菌素A发酵调控的研究做了大量的工作。在发现菌体提前自溶和泡沫产生原因方面,具有创新性的实验室工作。同时,他下厂指导企业开展环孢菌素A发酵工艺的中试放大。

戈梅负责进行实验室的研究工作,特别是在环孢菌素A发酵调控方面做了大量的工作。在发现菌体提前自溶和泡沫产生原因方面,具有创新性成绩。她指导工厂技术人员进行具体的实施工作。刘垚参加了实验室分析检测的研究,跟踪实验室的试验情况,指导工厂中试放大过程中的分析检测工作。

中美华东制药有限公司也为该项目配备了强大的合作团队。吴晖全面负责消化吸收实验室的技术成果,以及工厂的中试放大。在发酵补料工艺控制、提取工艺改进等环节提出创新的工作建议,使该项成果取得巨大的规模效益。还有华东制药的吴萍和吴飞等技术人员做了大量实验室成果的吸收消化工作。

共同的努力换来丰硕的成果,也给科研人员带来了令人羡慕的荣誉和继续拼搏的动力。 

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