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劲然是这样|曾斯劲:抗菌兵工厂 抗生素是怎样生产的?

 抗生素是对付细菌的利器,这个利器最初是因为一场意外发现。那么如何去量产这个意外发现的武器?这就需要科学和工业的相结合了,经过重重筛选、培养、提纯、加工,才形成我们见到的抗生素。

图:Freepik

前一篇说了一些抗生素的基本概念后,这一篇则专注于制造的部分。如前提到,抗生素的发现是从一种真菌——青霉菌那里开始的。发现和制造其实在生物学上可说是两门差距十分大的学问,因为发现某个物质的科学家并不一定具备可以把这个物质量产的知识。在这个节骨眼上,工程系的专业人士就会跟生物学方面的专家合作啦。

筛选抗菌微生物

抗生素的制造和提炼是个复杂而精密的过程,通常涉及到微生物发酵、化学合成、分离提纯等多个步骤。不同类型的抗生素可能有不同的制造方法,但总体来说,抗生素的制造过程可以分为以下几个主要阶段:微生物筛选、发酵培养、抗生素提取、纯化和制剂加工。

抗生素的制造通常始于从自然界中筛选出具有抗菌活性的微生物菌株。科研人员会采集来自土壤、水体、植物等环境中的样本,然后通过筛选和培养,鉴定出具有潜在抗菌活性的微生物菌株。这些微生物可能是细菌、真菌或其他微生物,如青霉菌、链霉菌等,它们能够产生抗生素以抑制其他微生物的生长。

这里我也想额外补充的是,生物科技的进步下抗生素如今也不一定得从微生物提取了。通过化学合成方法,科学家可以从基础化学原料开始合成人工合成的抗生素,与从微生物或其他自然来源提取的抗生素不同。其优势在于可以通过合成路线来调整分子结构,改进药物性质,提高抗生素的效力和稳定性。因此人工合成的抗生素在现今市场上的占比其实也不少,其中一个例子就是氨苄青霉素(Ampicillin)。氨苄青霉素是一种广谱β-内酰胺类抗生素,通常用于治疗呼吸道、泌尿道、消化道等多种感染。它是从青霉素分子结构中改进而来的,通过在青霉素分子中引入氨苄基团而得到。

微生物大规模培养

说完了筛选微生物的环节后,接下来就是将其大规模的发酵培养。在发酵培养过程中,将微生物菌株培养在含有适当营养物质的培养基中,提供适宜的温度、pH和氧气条件,促使微生物产生抗生素。这个过程通常需要精密控制,以确保抗生素的产量和质量。因此,生物反应器是微生物发酵的关键设备之一。生物反应器提供了一个更加优化且稳定的培养环境,促进了微生物的生长和代谢活动。除此之外,生物反应器可以对发酵过程实时监测和控制,再根据情况调节操作参数来优化发酵过程,提高抗生素的产量和质量。

在发酵培养结束后,微生物产生的抗生素通常会溶解在培养基中。为了提取抗生素,需要将培养液分离和浓缩。通常采用的方法包括离心、过滤、萃取等。通过这些方法,可以将抗生素从培养基中提取出来,得到粗制的抗生素提取物。看到“粗制”这个字,这就代表粗制的抗生素提取物内可能含有其他杂质或成分,因此需要经过进一步纯化处理以得到纯度较高的抗生素。纯化的方法包括色谱层析、凝胶过滤、透析等。这些方法可以将抗生素与其他组分离开来,得到纯净的抗生素溶液或固体。

提纯加工成抗生素

最后,纯化后的抗生素就可以制剂加工,以便于临床应用。制剂加工的过程通常包括药物配方、药物制剂、灌装和包装等步骤。根据抗生素的性质和用途,可以选择不同的制剂形式,如片剂、胶囊、注射剂等。片剂通常是固体形式、剂量准确也易于口服,患者服用时不需要额外的器具。但缺点也是很明显的,片剂需要经过胃肠道消化吸收,因此其作用起效相对较慢。此外,对于年幼的儿童、老年人或有吞咽困难的患者,片剂可能不适合使用。

胶囊的话就不一样了,它外层光滑,易于吞咽,不易卡喉。胶囊外层也可以掩盖药物的苦味,提高患者的服药舒适度。缺点其实也有,胶囊内部的药物相比片剂可能会更容易受潮或因其他原因而发生变质。而注射剂就是通过注射进入体内,药物可以直接进入血液循环,起效迅速。由于起效快,可以应用于各种疾病治疗和严重感染的紧急处理。虽然注射剂感觉最好用,但其缺点也是十分地明显。注射剂需要专业人员注射,使用技术要求较高。对于一些长期治疗或需要频繁使用的情况,患者不方便自行注射。

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