微生物發(fā)酵的定義指利用適當(dāng)?shù)奈⑸铮谔囟ōh(huán)境下將原料通過一定代謝方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟愃璧哪康漠a(chǎn)物的過程。在制藥領(lǐng)域，通過發(fā)酵能獲得大量由微生物分泌的次級代謝物，這些富含生物活性的代謝產(chǎn)物恰能用于疾病治療。從生化角度來看，發(fā)酵主要指微生物對碳水化合物的酶促分解和利用。由于微生物具有較高的比表面積，支持高代謝率和各種生化反應(yīng)，而且僅依賴廉價的碳氮資源就能生產(chǎn)高價值的化合物，可謂是一座天然寶藏。
一般而言，微生物遺傳特性的差異與發(fā)酵條件決定了產(chǎn)物的質(zhì)量與產(chǎn)量。制藥行業(yè)通常使用的微生物包括原核生物，例如大腸桿菌，金黃色葡萄球菌等細(xì)菌。事實證明大腸桿菌是最重要的微生物之一，生產(chǎn)藥物既高效又經(jīng)濟(jì)。原核生物中的鏈霉菌（例如，鏈霉菌屬，放線菌屬）也是常用菌種，如灰色鏈霉菌能生產(chǎn)抗生素鏈霉素。真核生物中，絲狀真菌（如黑孢菌屬、曲霉屬）和酵母菌（例如釀酒酵母和巴斯德畢赤酵母）也成功應(yīng)用于制藥工藝。其中巴斯德畢赤酵母兼具原核生物生長特性和真核細(xì)胞的PTM（蛋白翻譯后修飾）特征，如今已廣泛應(yīng)用在疫苗、抗體片段、激素、細(xì)胞因子、基質(zhì)蛋白和生物仿制藥等生產(chǎn)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)顯示，迄今被發(fā)現(xiàn)的天然化合物大概100多萬種，其中生物活性化合物22500種，45%由放線菌產(chǎn)生，38%來自真菌，17%由細(xì)菌產(chǎn)生。
按照微生物發(fā)酵的環(huán)境不同，微生物發(fā)酵的形式可分為好氧發(fā)酵技術(shù)、厭氧發(fā)酵技術(shù)以及兼性厭氧發(fā)酵技術(shù)等。此外根據(jù)不同的發(fā)酵工具，微生物發(fā)酵還可分為以下四類：密閉發(fā)酵、敞口發(fā)酵、淺盤發(fā)酵及深層發(fā)酵（圖1）。發(fā)酵技術(shù)的關(guān)鍵要素是菌株選擇和優(yōu)化、培養(yǎng)基和流程設(shè)計，最后是擴(kuò)大規(guī)模以最大程度地提高生產(chǎn)率，下游工藝?yán)酶鞣N技術(shù)從稀發(fā)酵液中提取、濃縮和純化最終產(chǎn)物。
值得注意的是，當(dāng)發(fā)酵量大于10L時，就要采取必要的生物安全措施，尤其是當(dāng)使用第二級危險群微生物（RG2）時，必須啟用大型生物安全二級（BSL2-LS）密閉設(shè)施和特殊操作程序。因為產(chǎn)物還可能有毒性和危險性，所以回收和純化時務(wù)必做好充足的化學(xué)/生化設(shè)施準(zhǔn)備，配備處理高活A(yù)PI（HPAPI）的隔離器。
圖1. 微生物菌種發(fā)酵罐
Source：網(wǎng)絡(luò)
為什么制藥業(yè)對小小的微生物“格外恩寵”？因為部分有機(jī)分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，可能包含諸如手性、立體選擇性或獨特的共軛雙鍵系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，單純依靠化學(xué)合成不僅需要大量技術(shù)研發(fā)、耗時且成本高昂，所以采用發(fā)酵技術(shù)就成為明智之舉。目前大量有價值的醫(yī)藥產(chǎn)品，包括抗生素、氨基酸、酶、酶抑制劑、核苷酸、維生素、有機(jī)酸、疫苗和多糖等，都能通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生，該技術(shù)已成為醫(yī)藥制造不可或缺的重要技術(shù)（表1）。
表1. 微生物藥物舉例
Source：Recent trends in pharmaceutical biotechnology
隨著基因重組技術(shù)發(fā)展，微生物還能按需“定制化”生產(chǎn)。1970年代，人類開發(fā)出用于大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)化菌株，能大幅提高產(chǎn)量，例如微生物發(fā)酵產(chǎn)生的重組蛋白藥物、疫苗和單抗等生物制品，預(yù)估當(dāng)時市場規(guī)模已達(dá)150億美元。據(jù)BCC Research，全球蛋白質(zhì)藥物市場已超500億美元，年均增長率將近4%，未來將有200余種上市蛋白類藥物用于治療糖尿病、癌癥、呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病和炎癥等疾病。面對龐大的市場需求，微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白的趨勢將有增無減，迎來新高潮（表2）。
表2. 微生物發(fā)酵生產(chǎn)蛋白
Source：Recent trends in pharmaceutical biotechnology
回顧重組蛋白和抗體技術(shù)演變史，早在10年前，F(xiàn)DA/EMA就批準(zhǔn)了150余種蛋白重組藥物，其中一半以上是通過細(xì)菌或酵母菌發(fā)酵而來。之后隨著細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的出現(xiàn)，科研人員眼光逐漸轉(zhuǎn)向哺乳動物系統(tǒng)以生產(chǎn)更大分子的蛋白和抗體，如今新一代的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的小型分子藥橫空出世，如ADC、生物聯(lián)接體、抗體片段或小肽片段和其他分子支架等，讓人們的目光重新聚焦于微生物發(fā)酵平臺，并重點開發(fā)新型基因工程微生物菌株，讓微生物研發(fā)重回舞臺。
與萌芽的新潮技術(shù)不同，利用微生物發(fā)酵的制藥技術(shù)早已成熟，市場規(guī)模龐大，增長前景廣闊。其實相比細(xì)胞培養(yǎng)，微生物發(fā)酵處理時間更短且培養(yǎng)基成本更低，通過基因工程改造能產(chǎn)生高濃度生物分子，表達(dá)量遠(yuǎn)超哺乳動物細(xì)胞（表3）。據(jù)報道，全球四個制藥巨頭，包括AbbVie，GSK，Sanofi和Eli Lilly，都應(yīng)用微生物和哺乳動物細(xì)胞生產(chǎn)產(chǎn)品，而絕大多數(shù)其他公司（如默克公司和拜耳公司）則依賴微生物體系。
表3. 微生物發(fā)酵與哺乳動物細(xì)胞表達(dá)比較
Source: Production of pharmaceutical compounds through microbial fermentation
據(jù)Transparency market research，2016年全球微生物發(fā)酵總市場規(guī)模達(dá)14,938億美元，2025年預(yù)計擴(kuò)增到24,475億美元，從2017年到2020年年復(fù)合增長率為5.7%，全球市場份額排名依次是北美地區(qū)、歐洲、亞太地區(qū)、拉丁美洲和中東及非洲地區(qū)（圖2）。其中2017年微生物制藥市場規(guī)模約1000億美元，且以6%的年復(fù)合增長率穩(wěn)步增長。預(yù)計2020年，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的蛋白類藥物將從如今440億美元增加到600億美元，肽激素市場將從180億美元上升到280億美元，疫苗市場規(guī)模也將從10億美元遞增到190億美元。
圖2. 全球微生物發(fā)酵市場規(guī)模
Source: Transparency market research
微生物發(fā)酵制藥行業(yè)的快速增長也帶動了CDMO領(lǐng)域的發(fā)展。在現(xiàn)階段，北美地區(qū)的CDMO行業(yè)依然占主導(dǎo)地位，2018年其CDMO市場占全球總份額的40%。而伴隨全球CMO/CDMO產(chǎn)業(yè)不斷向新興市場國家傾斜的趨勢，未來醫(yī)藥研發(fā)生產(chǎn)外包服務(wù)的市場格局也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。
參考鏈接：
http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/largegut/ferment.html
https://wenku.baidu.com/view/69511eeedcccda38376baf1ffc4ffe473268fd51.html
https://www.lonza.com/custom-manufacturing/biological-manufacturing/microbial-fermentation.aspx
https://www.pharmasalmanac.com/articles/the-renaissance-of-microbial-fermentation
https://www.zionmarketresearch.com/report/microbial-fermentation-technology-market
http://www.biovectra.com/capabilities/microbial-fermentation/
