庆 大 霉 素 研 究 概 述
郭家瑞,王卫国,李 � 磊, 何泓良(河南工业大学生物工程学院 郑州 450001)
摘要:庆大霉素是由绛红色小单胞菌、棘孢小单胞菌产生的一种氨基糖苷类抗生素。由于其抗菌谱广、抗菌作用强,尤其对革兰氏阴性菌引起
的感染治疗效果较好,因此被广泛应用于临床。本文综述了近年来国内外关于庆大霉素发酵工艺、提纯方法的研究现状,并结合当前实际
了庆大霉素的应用与发展前景。
关键词:庆大霉素;发酵工艺;提纯;临床应用;发展前景
中图分类号: R978�1� 文献标识码: A � 文章编号: 1006�3765( 2009)�010�0005�04
作者简介: 郭家瑞, 女( 1984- )。在读硕士研究生, 研究方向为微生
物与生化药学, 联系电话: 13526551283
* 通讯作者: 王卫国(教授) , Email: w w gw ang@ yahoo�com� cn
基金项目: 河南工业大学引进人才专项( 2007BS023)
Research Progress on Gentamicin
GUO Jia�rui, WANG Wei�guo, LI Lei, HEHong�liang( Bioengineering Department, Henan University of Technolo�
gy, Zhengzhou 450001, China)
ABSTRACT: Gentam icin, an aminoglycoside ant ibiot ic, is generated by Micro�monospora purpur ea and
A eromonas smal l sp ikes�It has been w idely used clinically because of its ant imicrobial broad�spect rum and an�
t ibacterial act ivity, especially for it s higher therapeutic ef fect on g ram�negat ive bacteria�This paper out lined the re�
search situat ion on the gentamicin fermentat ion process and its isolat ion and purif icat ion methods both at home
and abroad in recent years�At the same t ime, the applicat ions and prospects of gentamicin were discussed w ith the
present actual situat ion�
KEY WORDS: Gentamicin; Fermentation techno logy; Isolation and purificat ion; Clinical applicat ions; Development prospects
前言
20 世纪 20 年代末青霉素的发现, 开辟了抗生素化疗的
新时代, 随后, 各种抗生素的研制、开发与利用迅速发展, 从
此,抗生素在许多疾病的治疗中占有举足轻重的地位。在众
多抗生素中,以庆大霉素为代
的氨基糖苷类抗生素由于其
抗菌谱广、抗菌活性强而被广泛用于临床。
庆大霉素是由绛红小单孢菌、棘孢小单孢菌等发酵产生
的一种杀菌力较强的广谱抗菌素, 目前被广泛用于临床, 因
此,庆大霉素的相关研究一直是国内外众多学者研究的热点。
本文就庆大霉素的结构与特性、发酵生产以及提纯的研究现
状进行了综述,同时还对庆大霉素的应用与发展前景进行了
展望。
1 � 庆大霉素的化学组成与抗菌特性
1�1 � 庆大霉素的化学组成 � 庆大霉素是由绛红小单孢菌、棘
孢小单孢菌等发酵产生的氨基糖苷类抗生素, 是由 2�脱氧链
霉胺、绛红糖胺、加拉糖胺组成的多组分混合物, 并以 C 族复
合物为主。2�脱氧链霉胺分别在 4、6 位上通过苷键连接绛红
糖胺和加拉糖胺,因绛红糖胺 C6�上的甲基化程度不同, 形成
了 C1、C2、C1a 3 个主要组分�1�,其结构�2�如图 1 所示。
图 1 � 庆大霉素的化学结构
C1: R1= NHMe, R 2= M e C2: R 1= NH2, R 2= Me
C1a: R 1= NH2, R2= H
这 3 个组分中, C1、C2、C1a 的疗效和毒性互不相同: C1
组分毒副作用最小且不易产生耐药性, 但疗效稍差; C2 和
C1a组分疗效高, 但毒性较大且容易产生耐药性。
1�2� 庆大霉素的抗菌特性 � 庆大霉素呈碱性、易溶于水、性
状稳定, 与硫酸结合成临床上使用的硫酸庆大霉素。它的抗
菌谱较广, 对绿脓杆菌、大肠杆菌、产气杆菌、克雷白杆菌、奇
异变形杆菌、某些吲哚变形杆菌、某些奈瑟菌、某些无色素雷
杆菌和志贺菌等革兰氏阴性菌有抗菌作用, 而且对革兰氏阳
性菌中的金黄色葡萄球菌也有很强的抗菌作用; 其抗菌作用
机理是直接与 30S 核糖体亚单位 16rRNA的解码区的A 部位
结合, 从而导致菌体死亡。但是, 随着庆大霉素的广泛使用,
一些细菌逐渐对其产生了耐药性, Jakobsen L 等�3�曾报道了
120 株对庆大霉素耐药的大肠埃希菌的最小抑菌浓度 ( M IC)
和耐药机制的关系。
2 � 庆大霉素的发酵
�5�
Strait Pharmaceut ical Journal Vol 21 No�10 2009
庆大霉素是采用深层液态发酵法生产的,国内使用的生
产菌种一般是绛红小单孢菌,而国外通常使用棘孢小单孢菌、
橄榄星小单孢菌。庆大霉素自生产以来,生产水平并不高,国
内一般在 1200~ 1500u�mL- 1 ,国外的生产水平也只在 1600
~ 1800u�mL - 1, 且发酵周期较长、产素率低、成本高。因此,
为了提高庆大霉素的生产水平、降低成本, 几十年来,各国抗
生素工作者都做了不懈的努力, 也取得了丰硕的成果。总的
来说, 他们的研究主要集中在四个方面: 一是高产菌株的筛
选;二是培养基的优化; 三是发酵工艺的研究;四是庆大霉素
胞外分泌的研究。
2�1 � 高产菌株的筛选 � 我国1965年从福州土壤中分离出了
庆大霉素生产菌种小单孢菌,但原始菌种发酵单位低, 质量也
不稳定。多年以来, 很多抗生素工作者一直都在探讨如何选
育发酵单位高,质量稳定的庆大霉素生产菌。
研究者多从诱变育种这一角度来筛选庆大霉素高产菌
株。杨丽�4�曾对庆大霉素生产菌种 JY1�12进行了紫外诱变处
理,后经摇瓶筛选并分离得到新菌株 JY3�5 ;诱变菌株 JY3�5使
摇瓶效 价提高了 34� 3% , 生产罐 实验的发酵效 价提高了
18� 6%。而刘峰等�5�采用12C 离子束辐射选育庆大霉素高产
菌株获得成功,生产发酵单位达 1300u�mL - 1以上。另外, 离
子注入技术作为一种新技术应用非常广泛, 而其应用于生物
诱变是近年来发展起来的�6, 7�; 赵洪英等�8�采用 N+ 离子束注
入技术来诱变庆大霉素生产菌, 筛选到的诱变菌株比出发菌
株的产量提高 27�39%。
在诱变育种中,采用相关或非相关抗生素的抗性选择性
筛选, 是一条快速得到突变株和高产株的捷径�9, 10�。吴健
等�11�以生产菌株绛红小单孢菌为出发株, 应用 N+ 离子注入
及紫外线诱变技术,同时利用高浓度的庆大霉素梯度平板进
行筛选, 筛选到摇瓶效 价分别比出 发菌株提高 75�2% 和
70� 1%的 N08和 Wt63 两个高产菌株, 10L 发酵罐发酵产量
分别达 2118u�mL - 1和 1843u�mL - 1。
此外,张家骊等�12�使用硫酸二乙酯 ( DES) 和微波处理出
发菌株 Micronoz p ora Echinoz�pora 07�1, 且采取抗性平板以
及摇瓶动态选育两种方式,考察了使用 DES 和微波来诱变庆
大霉素生产菌株的可行性。结果表明,出发菌株对微波诱变
不很敏感, 而且突变株遗传稳定性较差 ;而传统的 DES 化学
诱变对于实验菌株具有良好的诱变效选育效果, 并且结合动
态选育得到的优良菌株,产量高而且稳定, 是理想的诱变选育
方法。虽然诱变育种操作起来简单可行, 但它也有自身的缺
点,如诱变产生的有益突变体频率低、难以有效地控制变异的
方向和性质等。因此,诱变育种应该与其他技术相结合 ,同时
谋求技术上的自我完善。另外,近年来, 随着分子生物学技术
的发展以及在微生物基因组计划的推动下, 国内外对放线菌
的抗生素合成、调节和转运基因已经进行了大量卓有成效的
研究,因此, 通过对庆大霉素生物合成基因的克隆与转移来提
高其增产是很有发展前景的。
2�2 � 培养基的优化 � 培养基提供了菌体生长和形成产物所
必需的营养和能量,在建立一个高效的发酵过程之前, 通常都
要对培养基进行优化。冯爱梅�13�做了关于培养基中黄豆饼
粉不同含量的实验, 发现培养基中黄豆饼粉的含量在 3�0%
左右时最有利于庆大霉素的发酵。熊小彪等�14�在实验中改
变培养基中的葡萄糖与淀粉的比值, 但维持二者的总含量
6�5%不变,发酵至 120h 测效价,结果表明,葡萄糖与淀粉的
比值控制在 0�01 时对庆大霉素发酵的总效价有一定程度的
提高。此外, 研究表明氨基酸脱去氨基后形成的碳骨架可以
进入 T CA 循环且能增加 T CA 循环的代谢通量, 从而提高了
细胞的能量水平, 可促进细胞生长和代谢产物合成�15, 16�, 因
此在抗生素的合成过程中可添加一些氨基酸来提高其发酵水
平。管玉霞等�17�在庆大霉素的原发酵培养基中加入了甘氨
酸、蛋氨酸、赖氨酸、酪氨酸四种氨基酸,在整个发酵过程中用
料减少, 发酵周期缩短了 40%左右, 产素率提高 30% ~ 90%。
2�3 � 发酵工艺的改进 � 发酵工艺的改进对发酵水平的提高
也有至关重要的作用。王静�18�的研究表明, 氧的供给对庆大
霉素发酵的影响很大, 如果供氧不足,发酵液中就会出现大量
的菌丝团, 而且发酵液的 pH 值也会下降, 导致再发酵过程中
发生阻遏现象。刘峰等�19�在庆大霉素发酵后期将补水工艺
改为补胨水( 蛋白胨 0� 4%) , 和原工艺比较发现, 新工艺发酵
液的生物效价较原工艺提高了 3� 23%。
2�4 � 庆大霉素胞外分泌的研究 � 长期以来, 对于提高庆大霉
素产量的研究多集中在高产菌株选育和发酵工艺的改进上,
虽然取得了一定的成就 ,但效果不甚理想。据此, 许多研究集
中在庆大霉素的分泌机理上。
研究表明, 菌体分泌产生的庆大霉素一部分是和菌丝体
紧密结合在一起。Reiblein 等�20�研究发现庆大霉素与菌丝体
之间是非特异性结合, 而且使用超声波可以有利于菌丝体释
放庆大霉素, 但并不能使其完全释放;李柏林等�21�曾进一步
探讨了庆大霉素在菌体内的存在方式 ,指出胞内庆大霉素主
要被菌丝体细胞壁吸附,从而使得胞内庆大霉素浓度远大于
胞外浓度; 牛文泽等�22�研究了棘孢小单胞菌绛红变种细胞壁
肽聚糖对庆大霉素的吸附作用,指出肽聚糖吸附的庆大霉素
占细胞壁吸附总量的 95%左右,并且在发酵过程中添加一些
金属离子( Mg2+ 、Na+ 等)可以起到解吸附作用。
另外, 熊小彪等�14�在研究中发现, 在培养基中添加一些
能增加细胞膜通透性的物质会使庆大霉素的分泌率提高; 而
且还推断, 细胞膜通透性的增加会使膜内的庆大霉素透过膜
与细胞壁结合, 当细胞壁结合的庆大霉素达到一定浓度时就
会向胞外分泌。由此可见, 膜的通透性是影响庆大霉素分泌
的一个重要因素。而熊小彪等�23�研究了微波处理对庆大霉
素分泌的影响, 发现经微波 127�5W、40s 多次处理后分泌率
为 47� 5% , 而其总效价提高幅度可高达 48� 05%。
目前研究已证明, 庆大霉素是在膜内合成之后分泌到膜
外并被细胞壁吸附, 因此可知,提高庆大霉素的胞外分泌率是
一种增加庆大霉素产量的有效途径。为此,可从两方面入手:
一是增加细胞膜的通透性; 二是通过在线机械振荡方式分离
庆大霉素。
3 � 庆大霉素的提纯
庆大霉素是一种碱性、水溶性很强的氨基糖苷类抗生素,
目前常用离子交换法对其进行提取分离及纯化。国外采用弱
�6�
海峡药学 � 2009年 � 第 21 卷 第 10 期
酸性离子交换树脂, 但国内大多数工厂生产上都采用强酸
732 树脂, 静态吸附、动态解吸。随着对庆大霉素提纯方法的
不断研究, 出现了许多新的方法技术, 如泡沫分离法、反胶束
萃取法、沉淀法以及膜分离法等。
3�1 � 离子交换法 � 离子交换法是提取庆大霉素发酵液的一
种最普遍的方法,其一般工艺
( 见图 2)。
图 2 � 离子交换法提纯庆大霉素工艺流程图
离子交换树脂是常用的离子交换
, 而离子交换纤维
是近年来新兴的离子交换材料,与离子交换树脂相比, 其交换
面积更大,交换速度也更高。李夏兰等�24�研究了羧酸型离子
交换纤维吸附庆大霉素的性能,发现在 pH 8左右其静态交换
容量可达 3� 22 � 104u�g- 1 ;对发酵液中庆大霉素的动态交换
容量为 2� 01 � 104u�g- 1 ,洗脱率为 92� 7%。
3�2 � 泡沫分离法 � 泡沫分离法是借助于表面活性剂的界面
作用分离浓缩溶质和净化液相主体的技术, 已用于环境废水
中重金 属的处理�25�, 生物蛋白质、酶及 微生物的 分离纯
化�26, 27�。目前泡沫分离法也越来越多地用于抗生素分离纯
化中。
潘焕华等�28�分别采用了相当于发酵液的庆大霉素配制
液和实际发酵液对泡沫分离法进行了研究,发现用 SDS( 十二
烷基硫酸钠)与 AEO�9(烷基醇聚氧乙烯醚) 的混合表面活性
剂处理的庆大霉素收率最高, 故选用 SDS 作为捕集剂;此外,
还发现用泡沫分离法分离配制液中庆大霉素的收率为 72% ,
分离实际发酵液中庆大霉素的收率为 60%。而王丰莉等�29�
在用泡沫分离法对庆大霉素进行提取时, 则用生物表面活性
剂 BSA (牛血清白蛋白) 代替了 SDS;结果表明, BSA 的浓度对
庆大霉素的提取率有一定的影响, 在 BSA 浓度大于 200�g�
m
- 1时,庆大霉素的收率可达 80� 2% , 这是因为 BSA 不易与
庆大霉素络合成沉淀,且无机盐的存在能改变 BSA 的表面张
力,改善鼓泡性能, 可提高收率。
3�3 � 反胶束萃取法 � 用于分离生物产物的反胶束( reverse
micelle) 萃取技术愈来愈受到重视, 并已在蛋白质和氨基酸的
提取上进行了众多研究。反胶束是表面活性剂溶解在非极性
有机溶剂中,当其浓度超过临界胶束浓度 ( CMC) 后, 自发形
成的一种亲水极性头朝内、疏水长链尾朝外的纳米级聚集体,
其极性内核可增溶少量水,形成微� 水池�。当含有这种反胶
束的有机溶剂与生物活性物质的水溶液接触后, 生物活性物
质就会溶于此� 水池�内, 这就是所谓的反胶束萃取技术。目
前,此项技术已被广泛用于抗生素的提取分离中。
Hu z等�30�曾使用阴离子表面活性剂二�( 2�乙基己基) 磷
酸钠( NaDEHP)的反胶束系统来提取氨基糖苷类的新霉素和
庆大霉素,研究表明, 水溶液的 pH 和盐浓度对新霉素和庆大
霉素的提取效率有明显的影响。另外, 李夏兰等�31�使用二�
( 2�乙基己基) 磷酸钠( NaDEHP)�磷酸三丁酯( TBP)�异辛烷
反胶束来萃取庆大霉素发酵液时, 发现当 NaCl 与 NaDEHP
浓度分别为 0� 05mol�L - 1、1mol�L- 1 , 发酵滤液原始 pH 为
7�02时, NaDEHP�TBP�异辛烷反胶束萃取庆大霉素发酵液的
萃取率为 87� 3%。
3�4 � 沉淀法 � 某些表面活性剂在一定浓度范围内, 在反离子
的作用下会产生沉淀, 故表面活性剂也可以用作沉淀剂从水
相中沉淀分离某些反离子,这就是所谓的沉淀法。
严希康等�32�曾用沉淀法对庆大霉素的提取分离进行了
研究, 结果表明,当 NaCl�0� 05mol�L - 1、沉淀剂( SDS) 与庆大
霉素比例为 4时, 庆大霉素的沉淀率为 100% ,且沉淀可再溶
于碱溶液, 重新溶解后的 SDS 可被丁醇萃取回收。
沉淀法不但收率高 ,而且抗干扰能力强 ,操作简单,有较
高的实用价值, 但用此法分离出的产物往往纯度不高, 因此,
尚需进一步研究其精制方法,为生产提供有用的理论根据。
3�5� 膜分离法 � 膜分离作为一种新型的分离、浓缩、提纯及
净化技术, 在近几十年来发展迅速,因其具有节能、不破坏产
品结构、少污染和操作简单等特点�33�, 故近年来在抗生素提
炼中的应用研究十分活跃。用于抗生素提炼中的膜分离技术
主要涉及超滤、纳滤�34�36�、液膜分离和反渗透等。朱国民
等�37�采用纳滤膜技术用于浓缩庆大霉素 B,并且在小试的基
础上, 建立了浓缩庆大霉素 B 的纳滤浓缩系统。
4 � 庆大霉素的应用与展望
庆大霉素的抗菌谱广,抗菌活性强, 价格低廉。临床主要
用于革兰氏阴性菌和耐药金葡菌所致的严重感染的治疗。临
床试验表明, 肌肉(静脉) 注射后吸收迅速、完全, 故被广泛应
用各种感染。口服给药在体内难以吸收,但在肠道中可保持
较高浓度, 可被用于治疗胃肠道和呼吸道感染。另外, 研究表
明氨基糖苷类抗生素 (庆大霉素属此类抗生素) 可与 HIV 中
的 RNA 的 RRE( 逆转录病毒蛋白应答因子) 结构域结合, 使
HIV 的 RRE�Rev( 逆转录病毒蛋白) 相互作用产生抑制, 从而
具有阻遏 HIV 复制的活性�38�; Litov chick 等�39�合成了 R3G
( 庆大霉素 C 的三精氨酸衍生物) , 并测定了其对 EIAV ( 马传
染性贫血病毒) 的抗病毒活性, 结果表明, 该化合物对 EIAV
具有较好的抑制效果; 由于 EIAV 与 H IV 的转录活化机制具
有同源性, 因此可推断, R3G 也应对 HIV 具有抑制作用。但
是, 随着临床广泛使用,庆大霉素的不良反应也日益引起人们
的广泛关注, 其中耳毒性和肾毒性是庆大霉素引起的最主要
的不良反应。不过, 目前对其耳、肾毒性的防治研究已取得了
重大进展, 研究发现, 神经生长因子( NGF) 、碱性成纤维细胞
生长因子( bFGF) 、表皮生长因子( EGF) 等均对庆大霉素引起
的耳毒性和肾毒性有一定的防治作用 ,这些研究为在细胞因
子和基因表达水平上探索如何防治氨基糖苷类抗生素的耳、
肾毒性的研究提供了新的思路。随着分子生物学、细胞生物
学、基因工程、临床医学及相关学科的不断发展,将会更深入
地揭示庆大霉素的作用机制; 并且随着低毒性的庆大霉素衍
生物、高效的预防药物的研制开发,以及先进的药物浓度监测
技术的发展, 相信庆大霉素及修生物的临床应用将仍有重要
的地位。
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海峡药学 2009年 第 21 卷 第 10 期