制药年产25吨氢化可的松的车间工艺设计文献综述2详解

北京化工大学北方学院毕业设计（论文）文献综述文献综述前 言本人毕业设计的论题为年产25吨氢化可的松的车间工艺设计，目前国内生产HC的菌种主要是蓝色犁头霉，但由于蓝色犁头霉氧化专一性低，HC的收率受到限制。国外大都是用新月弯孢霉进行工业化生产，国内对用新月弯孢霉进行生物转化生产HC也有相关研究，但工业化生产较少。因此本文的叙述对氢化可的松的生产规划具有一定得指导意义。本文根据目前国内外学者对氢化可的松生产及工艺流程的研究成果，借鉴他们的成功经验，大胆的尝试氢化可的松的车间设计。这些文献给与本文很大的参考价值。本文主要查阅进几年有氢化可的松的文献期刊。氢化可的松(hydrocortisone，HC)的化学名称为11，17，21-三羟基孕甾-4-烯-3，20-二酮，属肾上腺皮质激素类药，是激素类药物中产量最大的品种。1855年安得森（addison）描述了由于人体肾上腺破坏性病变而引起的症状之后，肾上腺的生理意义才为人们所了解，也引起了生理学家的兴趣，做了摘除肾上腺的创造性实验，从而得出肾上腺对生命是必需的结论。同时得出人体内存在着两种肾上腺皮质激素分别调节电解质（盐）和碳水化合物（糖）的代谢和恒定，因此分成盐和糖皮质激素，并沿用至今。本品为一糖皮质激素。1937年赖克斯坦（reichstern）自肾上腺分离得到。1950年文德勒（wendler）化学合成，1951年扎法隆（zaffaron）生物合成。我国1958年中国科学院有机化学研究所研制，上海通用药厂投产。主要产地是天津市以及辽宁、江苏、山东、湖北等省。中国、美国、英国、日本、法国、德国、匈牙利等国药典均有收载。氢化可的松结构蛋白在靶标细胞内实现类固醇激素的生理和药理效应;HC能影响糖代谢，具有抗炎、抗病毒、抗休克和抗过敏等作用。主要用于肾上腺皮质功能减退症的替代治疗及先天性肾上腺皮质功能增生症的治疗，也可用于类风湿性关节炎、风湿性发热、痛风、支气管哮喘、过敏性疾病，并可用于严重感染和抗休克治疗等14。HC也是制备其他几种重要甾体药物的原料药。1948年，美国风湿病专家Hench在风湿病关节炎的治疗中发现可的松在体内转化HC才具有疗效。因发现可的松和HC的药理作用，Hench、Reichstein和Kendal一起获得了1950年的诺贝尔奖，并从此掀起了开发皮质激素的高潮。Wendler等用化学法合成了HC，但由于步骤多、收率低，导致药品价格昂贵而难以工业化。此后，人们开始把目光转向生物转化方法。Fieser首先采用微生物转化方法使HC工业化生产成为可能5参考文献标注需上标。为提高转化率和收率，国内外研究人员做出了不懈努力，并取得较大进展。氢化可的松制作方法介绍 1 化学合成法制HC Woodward报道的HC全化学合成法近40步合成步骤6，以4-甲氧基-2-甲基苯醌作起始原料，经20步合成了第一个全合成的非芳香类固醇dl-9(11)，16-双脱氢-20-去甲孕酮，后转化成甲基dl-3-酮-4，9(11)，16-三烯胆酸，甾体骨架中A、C和D环具有对应的活性位，三重不饱和醚可全加氢和氧化成甲基三酮别胆烷，然后用三价的铬酸对11位氧化，经一系列转化得HC。但向C11-氧代氢化茚满的C-17位引入HC侧链是很困难的。烯基溴化镁可在C-11位具有高的立体选择性7。报道的18步合成可的松8，该方法由环己烯衍生物开始经11步反应合成17-异丙烯基茚满酮，再据Stork方法经7步反应合成可的松，Oliveto将HC醋酸酯转化成它的3，20-二肟，二腙和缩二氨基脲，再通过钾硼氢，硝酸作用脱去缩氨基脲得HC9。Minagawa等10向2，3-二氢茚中间体同时引进11-氧代基团和可的松侧链，可使合成步骤大大缩短，但化学合成法步骤多，总收率低。 2 半合成法制HC 2.1 HC半合成法简介 因全化学法合成HC价格昂贵，目前生产几乎都采用含甾体母核的生物质作原料的半合成法。甾体药物半合成法的起始原料都是甾醇的衍生物，如从薯芋科植物穿地龙、黄姜、黄独等植物根茎萃取的薯芋皂素；从丝竺属植物剑麻萃取的剑麻皂素等。比较薯芋皂素与HC的化学结构可知，必须去掉薯芋皂素中的E、F环。薯芋皂素经开环裂解去掉E、F环后，即能获得理想的HC关键中间体双烯醇酮醋酸酯。在此过程中，除将C3羟基转化为酮基，C5、C6双键位移至C4、C5位外，还需要引入三个特定的羟基。这些羟基的转化和引入，有的较易进行，如C3的羟基经氧化可直接得到酮基，与此同时还伴有5双键的转位。C21位上有活性氢原子，可通过卤代之后，再转化为羟基；利用双键的存在，可经过氧化反应转化为C17羟基，并且由于X环的立体效应使C17羟基恰好为-构型。在HC半合成路线中，关键一步是C-11羟基的引入。由于在C-11位周围没有活性功能基团的影响，常规化学法很难氧化非活泼碳氢键，而生物催化法却能对它立体选择性氧化。有效的菌种是黑根霉和犁头霉。前者可专一性的在C-11位引入-羟基，引入构型恰恰相反，故还需将其氧化为酮得醋酸可的松，再用钾硼氢对其进行不对称还原，得C-11位-羟基物，即HC；犁头霉却能在化合物S的C-11位上直接引入-羟基，后者就缩短了合成HC的工艺路线11。 生物转化法大大简化了HC的合成路径，成本也大幅度降低。为提高转化率和收率，研究人员做出了重大努力，取得了较大进展。 2.2 提高HC半合成收率及转化率的途径 国内利用微生物进行生物转化生产甾体药物，可将微生物胞内酶引入反应体系，利用微生物全细胞对底物进行生物转化。而在实际生产中，甾体化合物在水溶液中溶解度很低，一般溶解度范围在10-510-6mol/L，而微生物体内的11-羟化酶位于水相中，又是一种胞内酶，底物需要透过细胞膜进入细胞才能进行转化反应，甾体底物与生物酶的接触十分困难。而利用“变压生物转化技术”12，根据微生物本身特性，通过在生物反应的一定阶段施加温和压力，以破坏底物RSA晶体结构，显著改善其在水相中的溶解性，增加生产菌株的细胞膜通透性，可促进底物与胞内酶的结合，使蓝色犁头霉HC转化率提高15%。 杨顺楷等13采用超声法制备底物去氧氢化可的松(RS)-环糊精包合物，可提高甾体生物转化的底物投料浓度50%。若采用连续两批次生物转化生产HC，也可提高底物浓度和HC的转化率。以新月弯孢霉的级培养18h的活菌丝为C11位羟化催化剂14，结合液相提取及菌丝淘析处理的方法，该工艺底物转化率可维持在65%以上，HC的收率可达60%。此外可分离回收未转化的高价值的甾体底物RS。 对于微生物转化合成HC的方法，为了提高产率和转化率，国内、外都进行了不懈的努力。发展药物合成中一步分离的发酵工艺可使整个工艺简化。从RS开始合成去氢HC，需要连续两步微生物转化反应。若对每步反应的产物进行提取、分离，势必造成人力、物力和时间的浪费。若：采用两种微生物分别培养后转化，Mazumder15成功地采用两种不同的固定化微生物，连续转化RS得到了去氢HC；两种微生物分别培养后混合转化，Shull用培养好的草分枝杆菌(Mycobaccerium phlei)菌液稀释新月弯孢霉混合，经一步转化使RS变成去氢HC；两种微生物混合培养与转化也能使整个工艺简化16。另外药物合成需要与反应器设计、分离纯化、过程强化等化学工程技术更加紧密地合作才能取得更大的效果。 3 全生物合成HC 动物体内能合成三类重要的类固醇：糖皮质激素(如HC)、盐皮质激素和性激素。在动物肾上腺皮质内，由线粒体侧链分裂胆固醇，使之转化成孕烯醇酮，在内质网(sER)和线粒体中脱氢成黄体酮，再经过细胞色素P450酶的17羟化、皮质脱氧、11羟化三步酶促反应，最终在线粒体中转化为HC；也可用植物7还原酶修饰麦角固醇主体利用简单碳源转化成孕烯醇酮17。2003年，法国、德国学者和企业界合作18，首次全生物合成了HC。该重组人源化酵母工程设计制备13个工程基因并表达在单个酵母体中，其中9个基因由外源机体哺乳动物及植物提供。构建成功的这一酵母工程菌，它能表达1个植物酶基因，引入8个相关哺乳蛋白酶，需优化两个线粒体系统，敲除4个产生副反应基因，使得原本仅产生麦角甾醇的酵母菌能利用简单碳源乙醇，糖等制得HC。这项研究成功解决了CYP11A1底物的自生产；线粒体P450及相关载体的靶目标；人工生物合成的新陈代谢平衡；将中间产物转化为代谢终产物的副反应的识别和防止；对酵母有毒害作用的中间产物识别等难题。识别出两个主要的副反应是：由ATF2的基因产物催化的孕烯醇酮的酯化和由GCY1和YPR1基因产物共同催化的17-羟基孕酮的20-酮的减少。可通过使这两种酵母基因失活减少副反应的产生。研究结果可使HC占所有类固醇产物的70%，理想情况下副产物仅有11-脱氧皮质醇和皮质酮。该方法简洁，有望成为HC生产的新途径。结 语 综上所述，目前甾体微生物转化中受到人们关注的领域有：将微生物基因工程的概念应用于甾体微生物转化，发展整体生物催化；发展酶催化，通过修饰和固定化以提高选择性、稳定性、利于它们的协同催化及循环利用；提高水不溶性底物的溶解度或提高酶和细胞在有机相中的生物活性及稳定性；发展酶的在线再生和循环催化、有用物连续回收，更好地利用作为工业废料的甾醇化合物以生产有用的甾体化合物中间体；修饰培养基、产物连续采出以提高收率和产量。人们希望在控制微生物转化方面能进一步发展，以进一步降低成本。 我国是甾体激素药物的生产大国，其中HC又是产量很大的品种。但是HC的微生物转化收率与国外先进水平存在一定差距，故在对发酵工艺条件改进的同时，需要进一步加强对HC基因工程和代谢组学的研究、开发全生物合成新工艺，加速新菌种引进及菌种改良，以提高其选择性、耐受性和转化率；另一方面药物合成需要与反应器设计、分离纯化、过程强化等化学工程技术更加紧密合作，尽快建立起多药源、快速量产的柔性制药工程体系，使我国早日成为具有循环经济特点的甾体药物生产强国。【参考文献】 1 Neeck G. Fifty years of experience with cortisone therapy in the study and treatment of rheumatoid arthritis J. Ann N Y Acad Sci,2002,966:2838.无空行2 Sakuma E, Soji T, Herbert D C. Effects of HC on the formation of gap junctions and the abnormal growth of cilia within the rat anterior pituitary gland J. Anatomical Record,2001,262(2):169175.3 Florio S, Ciarcia R, Crispino L, et al. HC has a protective effect on cyclosporine A-induced cardiotoxicity J. J Cell Phys,2003,195(1):2126.4 Gloor B, UHL W, Tcholakov O. HC treatment of early SIRS in acute experimental pancreatitis J. Dig Dis