第十六章微生物在医药领域的应用

第十六章微生物在医药领域的应用第1页，共31页，2023年，2月20日，星期二微生物种类多、数量大、个体小、面积大、新陈代谢能力强、吸收多、转化快、生长旺、繁殖速度快，广泛应用于制药工业中。如抗生素、维生素、氨基酸、酶及酶抑制剂以及微生态制剂都有是利用微生物发酵制成的。利用“工程菌”作为制药工业的发酵产生菌可生产出更多低成本、高质量的药物，使得微生物在制药工业中的应用前景更加广阔。第2页，共31页，2023年，2月20日，星期二抗生素：是生物在其生命活动过程中所产生的，能在低微浓度下有选择地抑制或影响他种生物功能的有机物质。概念第一节、抗生素很早以前，人们就发现某些微生物对另外一些微生物的生长繁殖有抑制作用，把这种现象称为抗生。随着科学的发展，人们终于揭示出抗生现象的本质，从某些微生物体内找到了具有抗生作用的物质，并把这种物质称为抗生素，如青霉菌产生的青霉素，灰色链丝菌产生的链霉素都有明显的抗菌作用。第3页，共31页，2023年，2月20日，星期二根据抗生素的生物来源分类：1.细菌产生的抗生素：多黏菌素和短杆菌肽等2.放线菌产生的抗生素：链霉素、四环素等3.真菌产生的抗生素：青霉素和头孢霉素等、4.植物和动物产生的抗生素：蒜素、鱼素等。一、抗生素的分类根据抗生素的化学结构分类1.B-内酰胺类抗生素：青霉素、头孢霉素2.氨基糖苷类抗生素：链霉素、卡那霉素3.大环内酯类抗生素：红霉素、麦迪霉素4.四环素类抗生素：金霉素、土霉素等5.多肽类抗生素：多黏菌素、杆菌肽。根据抗生素的作用机制分类1.抑制细胞壁合成的抗生素：青霉素、环丝氨酸2.影响细胞膜功能的抗生素：多黏菌素等3.抑制核酸合成的抗生素：丝裂霉素C等4.抑制蛋白质合成的抗生素：链霉素、四环素等5.抑制生物能作用的抗生素：抗霉素、短杆菌肽根据抗生素的作用对象分类1.抗革兰氏阳性细菌的抗生素：青霉素、红霉素等2.抗革兰氏阴性细菌的抗生素：链霉素、多黏菌素等3.抗真菌的抗生素：灰黄霉素、制霉菌素等4.抗病毒的抗生素：四环霉素5.抗癌的抗生素：丝裂霉素、阿霉素等第4页，共31页，2023年，2月20日，星期二抗生素种类产生菌化学结构作用对象作用机制青霉素真菌产生β－内酰胺类抗G+细菌的影响细胞壁合成链霉素放线菌产生氨基糖甙类抗G－细菌影响蛋白质合成红霉素放线菌产生大环内酯类抗G+细菌的影响蛋白质合成多粘菌素细菌产生多肽类抗G－细菌影响细胞膜通透性四环素放线菌产生四环素类抗病毒影响蛋白质合成灰黄霉素真菌产生多烯类抗真菌、病毒影响核酸合成第5页，共31页，2023年，2月20日，星期二1.差异毒力大差异毒力：即抗生素对微生物或肿瘤细胞等靶体的抑制或杀灭作用，与对机体损害程度的差异比较。由抗生素的作用机制决定，如青霉素类抗生素能抑制革兰阳性菌细胞壁生成，而人和动物的细胞没有细胞壁，所以说青霉素对人和动物没有作用，因此青霉素可以在临床上用于抗感染。可以说一种抗生素它的差异毒力越大，越有利于临床的应用。一般的化学消毒剂对微生物和机体的毒力无明显差异。二、医用抗生素的特点第6页，共31页，2023年，2月20日，星期二2.生物活性强生物活性即抗菌活性是指药物抑制或杀灭微生物的能力。一种抗生素它的抗菌活性强弱我们常常以最低抑菌浓度（MIC）来衡量。MIC是指抗生素能抑制微生物生长的最低浓度，以μg∕ml来表示。MIC值越小，表示抗生素的作用越强。第7页，共31页，2023年，2月20日，星期二3.有不同的抗菌谱由于各种抗生素对微生物的作用方式不同，因而每种抗生素都有特定的抗菌谱。抗菌谱是指抗生素所能抑制或杀灭微生物的范围和所需剂量。抗菌谱广的我们称之为广谱抗生素，对多种病原菌有抑制和杀灭作用。抗菌范围窄的称为窄谱抗生素，比如青霉素就是窄谱抗生素，主要抑制革兰氏阳性菌，而抗癌抗生素的抗瘤范围我们称之为抗瘤谱。第8页，共31页，2023年，2月20日，星期二4.不易使病原菌产生耐药性某些病原菌耐药现象日趋来重，它们引起的疾病常成为临床治疗的难题。因些一个优良的抗生素应不易使病原菌产生耐药性。其他：良好的抗生素副作用小、不易引起超敏感反应，吸收快，血浓度高，不易被血清蛋白结合而失活等特性。第9页，共31页，2023年，2月20日，星期二三、寻找新抗生素的基本程序从自然界分离并筛选新抗生素产生菌。改造现有的抗生素的产生菌，再经筛选获得新抗生素产生菌。对已知的抗生素进行结构改造，经筛选后获得新的半合成抗生素。新的筛选方法，应用定向生物合成和突变生物合成的原理等。现代分子生物学技术设计产生新抗生素。抗生素获得的几条途径：第10页，共31页，2023年，2月20日，星期二新抗生素产生菌的常规分离和筛选过程1.土壤微生物的分离2.筛选3.早期鉴别4.分离精制5.临床前试验研究和临床试用采土，以春秋两季采土为宜，取5~10cm深处的土壤，以无菌生理盐水适当稀释进行涂布法分离。抗菌抗生素：一般采用琼脂扩散法筛选法。抗肿瘤抗生素可以采用精原细胞核分裂抑制法、噬菌体法、实验动物模型体内筛选取法等。抗病毒抗生素可采用组织培养法、噬菌体模型法、体内筛选法等。抗生素产生菌的鉴别、抗生素的鉴别。将可能产生新抗生素的放线菌进行扩大培养，然后选择合适的方法将有效抗生素从培养液中提取出来，加以精制纯化。经临床前试验研究后，被审查合格的抗生素方可进入临床试验阶段。第11页，共31页，2023年，2月20日，星期二四、抗生素的制备获取菌种孢子制备种子制备发酵

发酵液预处理提取及精制成品检验

成品包装第12页，共31页，2023年，2月20日，星期二（1）菌种：菌种都是从自然界分离、纯化及选育后获得的。这些菌种通常采用砂土管或冷冻干燥管保存。要经常进行菌种选育工作，用人工方法加以纯化和育种，才能保持菌种的优良性状不变。菌种制备要保持严格的无菌状态。（2）孢子制备：将保藏的菌种进行培养，制备大量孢子供下一步植被种子使用。需氧发酵制备孢子一般是在摇瓶内进行，通过振荡，外界空气与培养液进行自然交换获得氧气。培养基要含有生长因子和微量元素，且碳源或氮源不宜过多，从而保证生产大量的孢子。还要严格控制培养基的pH、培养温度、培养时间等条件。（3）种子制备：使有限数量的孢子萌发、生长、繁殖产生足够量的菌丝体，供发酵培养所用。在种子罐内微生物菌丝大量生长、繁殖，因而缩短了下一步发酵罐内菌丝生长的时间。种子罐中的培养液要尽可能与发酵液一致。而且要有易吸收的碳源和氮源。第13页，共31页，2023年，2月20日，星期二微生物的发酵

目前应用微生物工业把发酵由微生物扩大到植物、动物，因此工业微生物学家将所有通过微生物或其他生物细胞（动、植物细胞）或经过生物工程改造了的“工程菌”的培养来制备工业产品或转化某些物质的过程，统称为发酵。第14页，共31页，2023年，2月20日，星期二微生物发酵的一般工艺微生物发酵的一般工艺也就是利用深层培养，进行微生物发酵生产所需要产品的过程。微生物发酵一般分发酵与提取2个阶段。其生产的一般工艺流程如下。第15页，共31页，2023年，2月20日，星期二微生物发酵的一般工艺（示意图）第16页，共31页，2023年，2月20日，星期二发酵注意因素无菌操作营养需要PH温度前体通气、搅拌及消泡发酵终点判断前体是抗生素分子的前身或其组成部队分，直接参与抗生素的生物合成而自身无显著变化。加入前体可控制抗生素的合成方向，并增加产量。发酵过程中通过定期取样分析，测定抗生素含量、发酵液PH、含糖量和含氮量、菌丝含量及形态观察等，据此判断合适的和罐时间。第17页，共31页，2023年，2月20日，星期二提取阶段

（1）发酵液预处理多数发酵产品如抗生素存在于发酵液内，有些存在于菌丝内。发酵液预处理包括除去发酵液内的杂质离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+等）以及蛋白质，并利用板框压滤机，使菌丝与滤液分开，便于进一步提取。（2）提取与精制提取方法是根据产品的理化性质决定的。目前常用的提取方法有吸附法、溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法。（3）成品检验经过发酵与提取得到的成品，应根据药典标准进行检测，检测的项目根据产品的性质而定。如抗生素一般要进行效价测定、毒性试验、无菌试验、热原质试验、水分测定等。（4）成品分装

第18页，共31页，2023年，2月20日，星期二第19页，共31页，2023年，2月20日，星期二1.

效价效价是指在同一条件下比较抗生素的被检品和标准品的抗菌活性，从而得出被检品的效价，我们用百分比来表示表示：效价＝被检品的抗菌活性∕标准品的抗菌活性标准品：是指与商品同质的、纯度较高的抗生素，每毫克含有一定量的单位，可用作效价测定的标准。五、抗生素的效价和单位第20页，共31页，2023年，2月20日，星期二2、单位抗生素的国际单位：指经国际协议，每毫克含一定单位的国际标准品，其单位即为国际单位（IU）质量单位，是指以抗生素的生物活性部分为重量作为单位1μg＝1U1mg＝1000U。对于不同盐类的同一抗生素而言，只要它们的单位相同，实际有效含量是一致的。抗生素单位的含义分类质量单位类似质量单位质量折算单位特定单位标量法类似质量单位，是以特定的抗生素盐类纯品的质量为单位，包括非活性部分的质量。质量折算单位，与原始的生物活性相当的纯抗生素实际质量为1U加以折算。1个青霉素单位系指在50ml肉汤培养基内完全抑制金黄色葡萄球菌生长的最小青霉素量为U。这个量相当于青霉素G钠盐0.5988μg，1mg=1670U。以特定的一批抗生素样品的某一质量作为一定单位，经有关的国家机构认可而定。指抗生素制剂标签上所标示的抗生素含量。原则上以质量表示，但少数成份不清的抗生素，或照顾用药习惯，仍沿用单位表示。第21页，共31页，2023年，2月20日，星期二六、抗生素的作用机制1、抑制细胞壁的合成磷霉素环丝氨酸：抑制五肽的形成万古霉素：阴断二糖五肽与胞壁受体结合杆菌肽：影响肽聚糖的形成β-内酰胺类抗生素如青霉素和头孢菌素，抑制肽聚糖合成交联中所需的转肽酶反应，使肽聚糖三维结构不能形成。第22页，共31页，2023年，2月20日，星期二2、影响细胞膜的功能多黏菌素、两性霉素3、干扰蛋白质合成氨基糖苷类、四环素类、大环内酯类以及其他一些抗生素4、抑制核酸的合成博莱霉素、利福平、利福霉素、氟哌酸、氧氟沙星、阿霉素等。5、干扰的能量代谢和电子传递体系素养性太强，限制了在临床上的应用。第23页，共31页，2023年，2月20日，星期二七、细菌的耐药性1、耐药性的概念耐药性是指在微生物或肿瘤细胞多次与药物接触发生敏感性降低的现象，是微生物对药物所具有的相对抗性。耐药性增强，则敏感性降低。第24页，共31页，2023年，2月20日，星期二2、耐药性产生机制细菌耐药性产生的遗传机制：耐药性可由染色体或质粒或两者兼有介导。细菌耐药性产生的生化机制：产生使抗生素结构改变的酶，即钝化酶。作用靶位的改变，不能与细菌结合或能结合形成复合体但靶位仍能保持其功能。细胞通透性的改变，使药物进入细胞内减少。第25页，共31页，2023年，2月20日，星期二3、细菌耐药性产生的防止对策合理使用抗生素，可不用抗生素时尽可能不用，并注意防止交叉耐药性，同时主张联合用药。寻找新药。努力寻找具有新的化学结构的新抗生素和改造现有的抗生素，以及新的酶抑制剂。加强抗药机制的研究，了解细菌耐药性的本质，以便有针对地解决耐药菌对人类的危害。第26页，共31页，2023年，2月20日，星期二第二节、其他发酵产品1.维生素（1）维生素C（2）维生素B2（3）维生素B122.氨基酸（1）谷氨酸（2）赖氨酸谷氨酸是制造味精的原料，味精就是谷氨酸钠盐。另外，谷氨酸在医疗上可以用于肝昏迷、神经衰弱、配制营养注射液等。谷氨酸产生菌主要是棒状杆菌属、短杆菌属和节杆菌属，谷氨酸产生菌的共同特点是革兰氏阳性短杆菌，无鞭毛，无芽胞，生长需要适量生物素，而且需要氧气，也就是说都是需氧菌。第27页，共31页，2023年，2月20日，星期二3酶制剂及酶抑制剂（1）酶制剂①透明质酸酶②天冬酰胺酶③胶原酶④消化酶⑤青霉素酰化酶⑥青霉素酶第28页，共31页，2023年，2月20日，星期二我们在医药方面常用的微生物酶制剂有：1.

促消化酶类：我们利用微生物生产的种进消化的酶类有蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等，能够治疗消化不良、急慢性肠胃炎、食欲不振等疾病。2.

消炎酶类：这类酶制剂中常用的比如溶菌酶，具有抗