一种甾体中间体的制备方法
技术领域
本发明属于生物制药领域,具体涉及一种甾体中间体的制备方法。
背景技术
甾体激素类药物是指分子结构中具有甾体结构的、在临床上广为应用的一类药物,主要包括肾上腺皮质激素和性激素两大类,在化学药物体系中占有重要的地位。近年来我国的甾体药物行业发展加速,已成为医药工业体系的重要组成部分。与一般化学药品生产相比,甾体药物的生产技术同时涉及化学合成和生物发酵技术两方面,因此具有工艺开发时间长、技术起点高的特点。作为甾体激素类药物的代表,倍他米松以及地塞米松均属于肾上腺皮质激素,具有抗炎、抗感染、抗休克和抑制免疫等药理作用。
在以皂素衍生物制备倍他米松和地塞米松的工艺过程当中,倍他米松/地塞米松羟化物(中间体C)是一个非常关键的中间体,由倍他米松/地塞米松脱溴物(中间体A)经过生物转化制备而得,反应式如下式所示:
C11α羟化的生物转化过程实际是分两步完成的,首先是底物的C21位的醋酸脂基团的水解,其次是水解后C11位的羟化。底物倍他米松/地塞米松脱溴物 (中间体A)在C21位醋酸酯水解后得到中间产物倍他米松/地塞米松水解物(中间体B),再完成C11位α羟化得到终产物——倍他米松/地塞米松羟化物(中间体C),其中倍他米松/地塞米松水解物(中间体B)为副产物。
相关中间体化学名对照表:
申请人于2019年提交了一份公开号为CN110747249A的发明专利,对上述生物转化过程中的投料方式进行了改进,将底物中间体A的投料浓度提高到20g/L以上,产物中间体C的生物转化率达到了90%左右,在发酵阶段杂质中间体B控制在1%~1.5%。
现有技术虽然提高了甾体C11羟化的生物转化率和底物投料浓度,但转化后期仍有约6%~10%左右的底物不能彻底转化,产生的副产物含量较高。为了得到高纯度的产物,后处理工艺包括了提取和精制两个步骤,另外未转化的原料也需要回收,增加了环保压力。
发明内容
本发明提供了一种甾体中间体的制备方法,能够解决上述现有技术问题中的一种或多种。
发明人针对现有技术的现状,对转化过程进行了深入细致的研究,研究过程中发现,现有工艺在转化过程中发酵液的pH呈持续上升现象。pH升高的主要原因是菌体自身代谢产物的积累所致,pH过高会抑制菌体生长并减少羟化酶的产生。另外发酵后期随着转化率的上升,产物浓度逐步增加,在一定程度上也会抑制羟化酶的活力,使转化速度变缓甚至停滞。因此工艺改进主要围绕提高发酵后期羟化酶的活力而开展,改进后中间体C的生物转化率达到了98%以上,底物完全转化,杂质B也得到了较好的控制。
根据本发明的一个方面,提供了一种甾体中间体的制备方法,先制备中间体A(倍他米松脱溴物或地塞米松脱溴物)的甾体混悬液,然后投入含有霉菌种子的发酵培养基中,所述中间体A在霉菌的作用下发生C11位α羟化反应,在反应阶段对发酵液的pH进行控制,并在发酵后期补加种子液,得到中间体 C(倍他米松羟化物或地塞米松羟化物)。
生物发酵过程中使用的霉菌为金龟子绿僵菌、匍枝根霉、赭曲霉中的一种或多种。
具体步骤如下:
(a)种子液制备:制备霉菌斜面菌种并将其接种于第一培养基中,培养后得种子液;
(b)发酵预培养:将步骤(a)得到的种子液接入第二培养基重进行预培养;
(c)投料及转化:制备中间体A的混悬液并将其投入步骤(b)的发酵液中,使用pH调节剂控制转化阶段发酵液的pH值;
(d)补种:按照步骤(a)制备种子液,在发酵转化后期将新制备的种子液加入发酵液中继续转化;
(e)粗品制备:收集滤液,用有机溶剂萃取后浓缩得产物中间体C。
在一些实施方式中,步骤(a)中,第一培养基成分配比为:第一氮源物质10g/L、葡萄糖10g/L和KH2PO4 1g/L;步骤(b)中,第二培养基成分配比为:第二氮源物质35g/L、葡萄糖25g/L、KH2PO4 2g/L和MgSO4 1.5g/L。
在一些实施方式中,第一氮源物质可以为酵母浸粉、蛋白胨、酵母粉、酵母膏中的一种或多种;第二氮源物质可以为蛋白胨、酵母粉、磷酸氢二铵中的一种或多种。第一氮源物质和第二氮源物质在制备过程中起到补充氮源的作用。
在一些实施方式中,步骤(c)中,甾体混悬液的制备方法为:在投料罐中加入表面活性剂以及第三氮源物质,加水溶解,并将混合水溶液灭菌。将投料罐内物料灭菌后冷却至29℃以下,加入一定数量的中间体A,搅拌2小时使之充分乳化,得甾体混悬液。
在一些实施方式中,制备甾体混悬液过程中,使用的第三氮源物质为酵母浸粉、蛋白胨、酵母粉、酵母膏中的一种或多种;使用的表面活性剂包含吐温-80、司盘-80、吐温-40、吐温-20、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种,其在甾体混悬液制备过程中起乳化分散作用。
在一些实施方式中,步骤(c)中,中间体A的投料浓度为15~20g/L,转化阶段溶液pH值控制在5.5~6.5,反应阶段温度为27~29℃,搅拌速率为 180~220rpm,通气量0.4~0.75vvm,转化周期为72~74hr。
在一些实施方式中,使用的pH调节剂为硫酸、盐酸、磷酸、冰醋酸中的一种或多种。
在一些实施方式中,步骤(d)中,在转化进行46~54hr时补加种子液,补加种子液的体积量为发酵液体积的10%~20%。
在一些实施方式中,作为底物的中间体A为16β甲基-17α羟基-孕甾-1、 4-二烯-3、20-二酮-21-醋酸酯;制得产品中间体C为16β甲基-11α、17α、 21三羟基-孕甾-1、4-二烯-3、20-二酮。
在一些实施方式中,作为底物的中间体A为16α甲基-17α羟基-孕甾-1、 4-二烯-3、20-二酮-21-醋酸酯;制得产品中间体C为16α甲基-11α、17α、 21三羟基-孕甾-1、4-二烯-3、20-二酮。
本发明的有益效果是:
在转化过程中,增加了控制pH值和后期补种两个技术手段,使得底物中间体A基本消耗殆尽,转化更为彻底,副产物占比可控制在0.7%以下,大幅提高反应效率,解决了甾体中间体转化率低、副产物占比高的问题。
同时,本发明提供的技术方案,工艺简便,不需要新增额外设备。由于转化后底物和副产物含量均较低,不用再回收底物,无需精制就可得到高纯度的甾体中间体,简化了后处理工艺,适合大规模工业化生产。
附图说明
图1是本发明中间体A转化为中间体C的反应原理图;
图2是本发明实施例1的pH值变化趋势对照表;
图3是本发明实施例4的转化率HPLC转化图谱;
图4是本发明实施例5的转化率HPLC转化图谱;
图5是本发明实施例6的转化率HPLC转化图谱;
图6是本发明实施例7的转化率HPLC转化图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1控制pH与否对转化率的影响试验
本实施例采用金龟子绿僵菌作为发酵菌种,以地塞米松脱溴物(中间体A) 为底物,对其C11位进行转化改造,得到具有C11位α-羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体地塞米松羟化物(中间体C)。本实施例中,对试验组发酵液的pH值进行控制,而对对照组中的发酵液不予干预,对转化结果进行对比。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
将金龟子绿僵菌菌种转接在PDA斜面培养基上培养,控制温度28±1℃,培养5天得斜面菌种,备用;
种子培养基配比为:酵母浸粉10g/L、葡萄糖10g/L、KH2PO4 1.5g/L,配制完成后分装为200mL摇瓶,灭菌后冷却至室温,备用;
取得到的斜面菌种接种到200mL摇瓶中,控制温度28±1℃,摇床转速 180rpm,培养42hr后得到种子液。
(2)预培养液制备
发酵培养基配比为:蛋白胨25g/L、磷酸氢二铵10g/L、葡萄糖25g/L、KH2PO4 2g/L、MgSO4 1.5g/L,配制完成后分别取2L装入两只发酵罐中,灭菌后冷却至室温,每只发酵罐中接入培养好的种子液各200mL,通入无菌空气搅拌培养,控制温度28±1℃,设置通气量为0.5vvm,搅拌速度200rpm,罐压 0.04~0.06MPa,培养10hr,得到预培养液,备用。
(3)制备甾体混悬液
取2只三角瓶,每只加1.5g吐温-80、5g酵母浸粉和水300mL搅拌均匀,灭菌后备用。在投料前约3小时开始制备甾体混悬液,每瓶加入50g的地塞米松脱溴物(中间体A),振摇乳化2小时,得甾体混悬料液。
(4)生物转化及pH调节
向步骤(2)所述的两个发酵罐中分别投入甾体混悬液料液,继续通入无菌空气,控制温度28±1℃,通气量0.5vvm,搅拌转速200rpm,罐压 0.04~0.06MPa,发酵进入生物转化阶段并开始记录转化周期。
两只发酵罐分别编号为1#罐、2#罐,利用pH在线监控装置记录发酵液的 pH值变化情况,其中1#罐为对照组,不对pH进行干预,2#罐为pH调节组,用磷酸调节发酵液pH值,使其保持在5.5~6.5范围内。
(5)提取
转化至48hr,进行第一次取液,从两个发酵罐中分别取发酵转化液1mL;转化至72hr,进行第二次取液;继续转化培养至96hr,进行第三次取液;HPLC 面积归一化法检测。
(6)结果与分析
本实施例结果如附图图2和表1所示:
表1.转化率HPLC检测数据对照表
对比试验结果表明,pH调控后底物可被进一步消耗,转化率随之提高,同时副产物含量有所下降。而到发酵末期(72小时之后),转化速度变缓,即使延长转化周期,转化率的提升也不到1%,羟化反应基本停滞。
实施例2补种与否对转化率的影响试验
本实施例采用金龟子绿僵菌作为发酵菌种,以倍他米松脱溴物(中间体A) 为底物,对其C11位进行转化改造,得到具有C11位α-羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体倍他米松羟化物(中间体C)。本实施例中,在反应后期向试验组中补加种子液,而对对照组中的发酵液不予干预,对转化结果进行对比。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
将金龟子绿僵菌菌种转接在PDA斜面培养基上培养,控制温度28±1℃,培养5天得斜面菌种,备用;
种子培养基配比为:酵母浸粉10g/L、葡萄糖10g/L、KH2PO4 1.5g/L,配制完成后分装为200mL摇瓶,灭菌后冷却至室温,备用;
取得到的斜面菌种接种到200mL摇瓶中,控制温度28±1℃,摇床转速 180rpm,培养42hr后得到种子液。
(2)预培养液制备
发酵培养基配比为:蛋白胨25g/L、磷酸氢二铵10g/L、葡萄糖25g/L、 KH2PO4 2g/L、MgSO4 1.5g/L,配制完成后分别取2L装入两只发酵罐中,灭菌后冷却至室温,每只发酵罐中接入培养好的种子液各200mL,通入无菌空气搅拌培养,控制温度28±1℃,设置通气量为0.5vvm,搅拌速度200rpm,罐压 0.04~0.06MPa,培养10hr,得到预培养液,备用。
(3)制备甾体混悬液
取2只三角瓶,每只加1.5g吐温-80、5g酵母浸粉和水300mL搅拌均匀,灭菌后备用。在投料前约3小时开始制备甾体混悬液,每瓶加入50g的地塞米松脱溴物(中间体A),振摇乳化2小时,得甾体混悬料液。
(4)生物转化及补种
向步骤(2)所述的两个发酵罐中分别投入甾体混悬液料液,继续通入无菌空气,控制温度28±1℃,通气量0.5vvm,搅拌转速200rpm,罐压 0.04~0.06MPa,发酵进入生物转化阶段并开始记录转化周期。
两只发酵罐分别编号为1#罐、2#罐,转化过程中两罐均不进行pH调节。另准备1瓶装有500mL种子培养基的摇瓶,接种金龟子绿僵菌斜面菌种,在发酵液转化10hr时开始摇瓶培养。在发酵液转化50hr时,将种子液加入2#罐,作为试验组;1#罐作为对照组,不向其进行补加种子液操作。
(5)提取
转化至50hr,进行第一次取液,从两只发酵罐中分别取发酵转化液1mL;转化至72hr,进行第二次取液;继续转化培养至96hr,进行第三次取液;HPLC 面积归一化法检测。
(6)结果与分析
本实施例结果如表2所示:
表2.补种对照试验的转化率HPLC检测数据对照表
对比试验结果表明,在缺少控制反应发酵液pH值这一步骤的前提下,反应后期是否补种对转化率的提升作用非常有限,即使延长转化周期,仍有大约5%的底物不能完全转化。出现这一现象的原因为,转化反应过程中发酵液的pH值持续上升,在pH值较高的环境下,菌体的生长和羟化酶的活力都收到抑制,即使在后期补加了新鲜的种子液,也由于pH条件不利于菌种的生长而影响羟化酶发挥作用,从而难以大幅度提高反应的转化率。该试验从侧面验证了“控制反应发酵液pH值”这一技术手段的必要性。
实施例3转化后期补加物质的区别对转化率的影响试验
本实施例采用金龟子绿僵菌作为发酵菌种,以地塞米松脱溴物(中间体A) 为底物,对其C11位进行转化改造,得到具有C11位α-羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体地塞米松羟化物(中间体C)。本实施例中,在转化后期,向试验组发酵液补加种子液,而向对照组中的发酵液补加种子培养基,对转化结果进行对比。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
将金龟子绿僵菌菌种转接在PDA斜面培养基上培养,控制温度28±1℃,培养5天得斜面菌种,备用;
种子培养基配比为:酵母浸粉10g/L、葡萄糖10g/L、KH2PO4 1.5g/L,配制完成后分装为200mL摇瓶,灭菌后冷却至室温,备用;
取得到的斜面菌种接种到200mL摇瓶中,控制温度28±1℃,摇床转速 180rpm,培养42hr后得到种子液。
(2)预培养液制备
发酵培养基配比为:蛋白胨25g/L、磷酸氢二铵10g/L、葡萄糖25g/L、 KH2PO4 2g/L、MgSO4 1.5g/L,配制完成后分别取2L装入两只发酵罐中,灭菌后冷却至室温,每只发酵罐中接入培养好的种子液各200mL,通入无菌空气搅拌培养,控制温度28±1℃,设置通气量为0.5vvm,搅拌速度200rpm,罐压 0.04~0.06MPa,培养10hr,得到预培养液,备用。
(3)制备甾体混悬液
取2只三角瓶,每只加1.5g吐温-80、5g酵母浸粉和水300mL搅拌均匀,灭菌后备用。在投料前约3小时开始制备甾体混悬液,每瓶加入50g的地塞米松脱溴物(中间体A),振摇乳化2小时,得甾体混悬料液。
(4)生物转化及补种
向步骤(2)所述的两个发酵罐中分别投入甾体混悬液料液,继续通入无菌空气,控制温度28±1℃,通气量0.5vvm,搅拌转速200rpm,罐压 0.04~0.06MPa,发酵进入生物转化阶段并开始记录转化周期。
两只发酵罐分别编号为1#罐、2#罐,转化过程两罐均进行pH调节,用磷酸将发酵液pH值控制在5.5~6.5。提前准备2瓶200ml摇瓶种子培养基,其中一瓶接种金龟子斜面菌种,并在发酵转化周期约10hr开始摇瓶培养。
在发酵转化50hr时,将200ml种子培养基加入1#罐,作为对照组;将接有菌种并培养了40hr的200ml种子液加入2#罐,作为试验组;继续发酵转化。
(5)提取
在补种之前,进行第一次取液,分别从两个发酵罐中各取发酵转化液1mL;转化至74hr,进行第二次取液;用HPLC面积归一化法检测。
(6)结果与分析
本实施例结果如表3所示:
表3.补加不同物料的转化率HPLC检测数据对照表
由上表结果可知,在发酵转化结束前24hr补加10%体积的种子液,可以进一步提高转化率,并将底物和副产物控制在较低浓度;而补加培养基的对比方案在转化率提升方面效果不明显。出现这一现象的原因是补加的菌种处于生长旺盛期,不仅可以促进羟化酶的持续产生,还可改善发酵液的流动性及溶氧水平,增加底物与菌体细胞的接触机会;双重作用下转化速率加快,转化率也明显上升。单纯补加培养基只能改善发酵液的流动性和溶氧水平,对原有菌种持续产生羟化酶的作用影响不大。以上试验数据验证了补加种子液的技术方案行之有效。
实施例4
本实施例提供了一种甾体中间体的制备方法,采用匍枝根霉作为发酵菌种,以倍他米松脱溴物(中间体A)为底物,对其C11位进行转化改造,转化过程中对发酵液的pH值进行控制,并在发酵后期补加种子液,得到具有C11位α-羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体倍他米松羟化物(中间体 C),反应原理如图1所示。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
将匍枝根霉转接在PDA斜面培养基上培养,控制温度28±1℃,培养5天得斜面菌种,备用;
制备种子培养基,其配比为:酵母浸粉10g/L、葡萄糖10g/L、KH2PO4 1.5g/L,配制完成分装为200mL摇瓶,灭菌后冷却至室温,备用。
取得到的斜面菌种接种到200mL摇瓶种子培养基中,控制温度28±1℃,摇床转速150rpm,培养44hr后得到种子液。
在容积为5L的发酵罐中配置2L发酵培养基,配比为:蛋白胨25g/L、磷酸氢二铵10g/L、葡萄糖25g/L、KH2PO4 2g/L、MgSO4 1.5g/L;高温灭菌后冷却至28℃,接入种子液200mL,通入无菌空气搅拌培养,控制温度28±1℃,通气量0.5vvm,搅拌转速220rpm,罐压0.04~0.06MPa,培养8hr,得到预培养液。
(2)制备甾体混悬液
取1只圆底瓶,加1.5g吐温-80、0.5g司盘-80、5g酵母浸粉和水300mL 搅拌均匀,灭菌后,向瓶中加入50g的倍他米松脱溴物(中间体A),搅拌乳化2小时,得甾体混悬料液。
(3)生物转化、pH调节及补种
将制备好的甾体混悬液转入预培养液中,得初始发酵液,其中倍他米松脱溴物(中间体A)在初始发酵液中的初始浓度约为20g/L,继续通入无菌空气,控制温度28±1℃,通气量0.5vvm,搅拌转速220rpm,罐压0.04~0.06MPa,发酵进入生物转化阶段并开始记录转化周期。
转化过程中启用pH自动调节系统,用2M硫酸控制发酵液的pH值,使其保持在5.5~6.0范围内。
另准备1瓶装有500mL种子培养基的摇瓶,接种匍枝根霉斜面菌种,在发酵液转化8~10hr时开始摇瓶培养。在发酵液转化50hr时,将500mL种子液加入发酵罐中,此时加入的种子液体积约为发酵液的20%,继续发酵培养,转化周期为74hr。
(4)提取与检测
生物转化结束后,取发酵转化液1ml,加至20~30mL乙腈中超声30分钟,离心超滤后进行HPLC分析,转化图谱如图3所示,最终转化率为99.3%,杂质中间体B含量为0.6%,底物中间体A含量<0.1%。
实施例5
本实施例提供了一种甾体中间体的制备方法,采用赭曲霉作为发酵菌种,以倍他米松脱溴物(中间体A)为底物,对其C11位进行转化改造,转化过程中对发酵液的pH值进行控制,并在发酵后期补加种子液,得到具有C11位α- 羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体倍他米松羟化物(中间体C),反应原理如图1所示。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,发酵菌种为赭曲霉,菌种培养时间为7天,预培养液的培养时间为10hr。
(2)制备甾体混悬液
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,表面活性剂仅为1.5g吐温-40 和5g酵母粉,加入的倍他米松脱溴物(中间体A)的重量为43g。
(3)生物转化、pH调节及补种
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,倍他米松脱溴物(中间体A)在初始发酵液中的初始浓度约为17g/L,pH调节剂为盐酸,发酵液的pH值保持在6.0±0.3,在发酵液转化46hr时补加种子液,种子液体积约为发酵液的 15%,转化周期为72hr。
(4)提取与检测
生物转化结束后,取发酵转化液1mL,加至20~30ml甲醇中超声30分钟,离心超滤后进行HPLC分析,转化图谱如图4所示,最终转化率为99.35%,杂质中间体B含量为0.59%,底物中间体A含量<0.1%。
实施例6
本实施例提供了一种甾体中间体的制备方法,采用金龟子绿僵菌作为发酵菌种,以倍他米松脱溴物(中间体A)为底物,对其C11位进行转化改造,转化过程中对发酵液的pH值进行控制,并在发酵后期补加种子液,得到具有 C11位α-羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体倍他米松羟化物(中间体C),反应原理如图1所示。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,发酵菌种为金龟子绿僵菌,菌种培养时间为6天,接入种子液的体积为100mL,预培养液的培养时间为12hr。
(2)制备甾体混悬液
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,表面活性剂为1.5g吐温-20、 0.5g十二烷基苯磺酸钠和5g酵母浸粉。
(3)生物转化、pH调节及补种
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,pH调节剂为冰醋酸,发酵液的 pH值保持在6.0~6.5范围内,在发酵液转化50hr时补加250mL种子液,种子液体积约为发酵液的10%,转化周期为74hr。
(4)提取与检测
生物转化结束后,取发酵转化液1mL,加至20~30mL乙腈中超声30分钟,离心超滤后进行HPLC分析,转化图谱如图5所示,最终转化率为99.38%,杂质中间体B含量为0.57%,底物中间体A含量<0.1%。
实施例7
本实施例提供了一种甾体中间体的制备方法,采用金龟子绿僵菌作为发酵菌种,以倍他米松脱溴物(中间体A)为底物,对其C11位进行转化改造,转化过程中对发酵液的pH值进行控制,并在发酵后期补加赭曲霉种子液,得到具有C11位α-羟基、C21位羟基的甾体激素类物质重要中间体倍他米松羟化物(中间体C),反应原理如图1所示。
本实施例的具体步骤如下:
(1)菌种培养
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,发酵菌种为金龟子绿僵菌,种子液的培养时间为42hr,接入种子液的体积为150mL,预培养液的培养时间为10hr。
(2)制备甾体混悬液
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,表面活性剂为1.5g吐温-80、 0.5g十二烷基硫酸钠和5g酵母粉。
(3)生物转化、pH调节及补种
该步骤整体与实施例4相同,区别在于,pH调节剂为磷酸,发酵液的pH 值保持在5.5~6.5范围内,补加的种子液中接种赭曲霉斜面菌种,补加种子液的体积为350mL,约为发酵液的15%。
(4)提取与检测
生物转化结束后,取发酵转化液1mL,加至20~30mL甲醇中超声30分钟,离心超滤后进行HPLC分析,转化图谱如图6所示,最终转化率为99.35%,杂质中间体B含量为0.61%,底物中间体A含量<0.1%。
本领域的技术人员可以明确,在不脱离本发明的总体精神以及构思的情形下,可做出对于以上实施例的各种变型。其均落入本发明的保护范围之内。