西索米星

由小单孢菌所产生的一种氨基糖甙类抗生素。结构与庆大霉相近似。

抗菌谱与庆大霉素近似，对金葡球和大肠杆菌，克霉白杆菌，变形杆菌，肠杆菌，绿脓杆菌，痢疾杆菌等革兰阴性有效。对绿脓杆菌的抗菌作用，比庆大霉素强，与妥布霉素近似。对沙雷杆菌的作用，低于庆大霉素，但高于妥布霉素。

适应症临床主要用于大肠杆菌、痢疾杆菌、克雷白杆菌、变形杆菌等革兰阴性菌所致的局部或系统感染，对尿路感染作用尤佳。药物动力学与庆大霉素近似。

肌注，对全身感染，一日每公斤体重3mg，分3次给药。尿道感染，一日每公斤体重2mg，分2次给药。7-10天一疗程。血药峰浓度超过10μg/ml，谷浓度超过2μg/ml时即有毒害。

可有听力及肾损害。个别病例有口周、面部和四肢皮肤发麻，眩晕，耳鸣。偶有过敏性休克。可引起罗姆伯格氏症（闭目难立，暗处和洗脸时时站不稳）中毒症状。大剂量使用可有尿闭，急性肾衰，及神经系统症状。吸入可有过敏反应，哮喘。滴眼可有水肿，中毒性结膜炎，过敏反应。

对肾功能不全或较长疗程用药则应进行药物监测。

相互作用氨基糖苷类药物相互作用：1、与强利尿药（如呋塞米、依他尼酸等）联用可加强耳毒性。2、与其他有耳毒性的药物（如红霉素等）联合应用，耳中毒的可能加强。

3、与头孢菌素类联合应用，可致肾毒性加强。右旋糖酐可加强本类药物的肾毒性。

4、与肌肉松弛药或具有此种作用的药物（如地西泮等）联合应用可致神经—肌肉阻滞作用的加强。新斯的明或其他抗胆碱酯酶药均可拮抗神经-肌肉阻滞作用。5、本类药物与碱性药（如碳酸氢钠、氨茶碱等）联合应用，抗菌效能可增强，但同时毒性也相应增强，必须慎重。

6、青霉素类对某些链球菌的抗菌作用可因氨基糖苷类的联用而得到加强，如目前公认草绿色链球菌性心内膜炎和肠球菌感染在应用青霉素的同时可加用链霉素（或其他氨基糖苷类）。但对其他细菌是否有增效作用并未肯定，甚至有两种药物联用而致治疗失败的报道，因此，这两类药物的联合必须遵循其适应证不要随意使用。

药理作用

抗菌谱性质与庆大霉素近似，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌、克雷白杆菌、变形杆菌、肠杆菌属。绿脓杆菌、痢疾杆菌等革兰阴性菌有效。对绿脓杆菌的抗菌作用较庆大霉素强，与妥布霉素接近。对沙雷杆菌的作用低于庆大霉素，但高于妥布霉素。

动力学

药物动力学性质与庆大霉素相似。肌注后吸收迅速，蛋白结合率低，分布于细胞外液，不易进入脑脊液中。大部分以原形经肾脏排出，半衰期约2h。

适应症

主要用于大肠杆菌、痢疾杆菌、克雷白杆菌、变形杆菌等革兰阴性菌引起的局部或系统感染（对中枢感染无效），对尿路感染作用尤佳。

用法用量

成人1日量3mg/kg，分为3次，肌注。疗程不超过7～10天。注意事项

1、血药峰浓度超过10μg/ml，谷浓度超过2μg/ml时即有毒害，对肾功能不全或较长疗程用药则应进行药物监测。2、其他参见庆大霉素。

制剂

注射液：每支50mg/2ml，75mg(1.5ml），100mg(2ml）。

西索米星（Sisomicin，SISO）是一种重要的含有双键的水溶性、多元弱碱性氨基糖苷类抗生素，属庆大霉素-西索米星型的假三糖庆大霉胺类抗生素，为抗生素JI-20A的脱羟基化衍生物西索米星还是合成药物奈替米星(Netilmicin，NET）和新型化合物氢化西索米星（即5′-差向庆大霉素C1a）的生产原料，中国生产的西索米星约占世界产量的80%目前，在西索米星发酵工艺优化和过程控制方面的研究明显滞后。实现发酵过程优化和控制是发酵工程的重要目标和研究热点，建立数学模型则是实现发酵过程优化控制的前提和关键。

国内外对核苷酸、氨基酸和青霉素等微生物代谢产物的发酵过程动力学研究有很多的报道，但对于西索米星发酵的动力学特性研究及其发酵过程的优化控制未见相关报道。

本研究在对西索米星分批发酵的动力学特性研究基础上，进一步定量地探索西索米星分批发酵过程中菌体生长、底物消耗、产物合成的相互影响和动态平衡规律，建立发酵动力学模型，用以指导西索米星分批发酵过程的模拟、预测和过程优化控制。

材料与方法

菌种

实验中使用的伊尼奥小单孢菌(Micromonospora inyoensis F003）为本课题组采用低产生产菌株诱变保存菌种[12]，西索米星组分可占发酵液中抗生素总浓度的90%。

培养基与培养条件

斜面培养：可溶性淀粉，硝酸钾，氯化钠，麸皮，碳酸钙，琼脂，硫酸镁，天门冬氨酸，磷酸氢二钾，消前pH 7.0，接种后于37℃培养8~10 d，新鲜斜面冷藏（-4℃）3~7 d后备用。

种子培养：玉米淀粉，黄豆饼粉，蛋白胨，酵母粉，硫酸镁，碳酸钙，消前pH 7.0，接种后35℃，24r/min培养48 h后移种。

摇瓶发酵培养：玉米淀粉，黄豆饼粉，麦芽糖，玉米浆，硫酸镁，氯化铵，磷酸氢二钾，碳酸钙，蛋氨酸和氯化钴；控制消后pH 7.0~7.2，接种量10%，34℃，240 r/min摇瓶发酵36 h后变温为32℃摇瓶发酵至96 h结束，装量50mL/500mL三角瓶。5 L贝朗罐发酵培养及30m3工业罐发酵生产：培养基同摇瓶配方，接种量10.0%~12.5%，控制消后pH 7.0~7.2，溶氧浓度DO≥8.5%（以纯氧计，通过改变通气量和搅拌转速进行分阶段控制），34℃发酵36 h后变温为32℃发酵，当菌体生长到一定的状态时开始流加补料，发酵周期约92~96 h。

分析方法

西索米星（P）测定采用HPLC法、菌体（X）浓度测定采用洗涤细胞干重法、总糖（St）浓度和还原糖（S）浓度测定采用斐林-碘量法、葡萄糖(G）测定采用糖氧化酶法血糖试剂盒、麦芽糖(M）测定和淀粉水解酶表观活性（E）测定采用高效液相色谱法。

白细胞

结果与讨论

在文献西索米星分批发酵的动力学特性研究中已经发现，西索米星分批发酵过程存在明显的产物抑制效应；以淀粉为主要碳源进行西索米星分批发酵时，菌体摄取和利用的糖类底物主要是麦芽糖，发酵后期发酵液中淀粉水解酶酶活不足和可发酵糖浓度迅速下降，将影响西索米星的产物合成；菌体生长的最适葡萄糖和麦芽糖浓度分别为7.5~15.0和10.0~25.0 g/L，西索米星产物合成的较适宜麦芽糖浓度为10.0~15.0 g/L。初始淀粉浓度为65.0 g/L时，典型的西索米星工业分批发酵过程的微生物代谢特性规律西索米星分批发酵是典型的次级代谢产物合成过程，产物的合成与菌体的生长无明显相关，接种后7~25 h是菌体对数生长期，25~37 h为过渡期，在过渡期菌体继续生长，并开始合成产物，37~85 h为产物合成期，85 h后菌体活性衰退。本研究对不同发酵时期分阶段建立符合该时期微生物代谢特性的发酵动力学模型，对7~25 h建立菌体生长期动力学模型，对37~85 h建立产物合成期动力学模型。

菌体生长期动力学模型的建立

发酵过程中，西索米星产生菌的生长速率与发酵体系的温度、pH值、底物浓度、产物浓度和菌体浓度有关。在对数生长期，产物浓度未对菌体生长构成抑制作用，在建立本模型的实验底物浓度范围内（ρSf≤15.2 g/L），也未观察到可发酵糖底物对菌体生长的抑制效应。因此，在菌体生长期，当控制发酵温度34℃、pH值7.1时，菌体生长速率的数学模型可采用Monod方程表示：f在菌体对数生长期，西索米星产物尚未形成，此时底物的消耗主要用于菌体的生长和维持上。据物料平衡建立总糖消耗模型：-dρStdt=dρXYXdt+mρX。

发酵过程可发酵糖的变化量等于由淀粉水解酶降解作用所产生的可发酵糖减去菌体生长和维持所消耗的可发酵糖，所消耗的可发酵糖量等于所消耗的总糖量。发酵过程可发酵糖的物料衡算可表示为：dρSfdt=ESf-dρXYXdt+mρX⑶

本实验条件下，菌体生长期发酵液中可发酵糖的生成速率可表示为：ESf=-0.007 6t2+0.257 4t-1.314 7⑷因此，式⑴~式组成了菌体生长阶段的动力学模型。

模型的参数估算和适用性评价

在西索米星分批发酵过程，菌体生长期动力学模型中所有4个待定参数（μm、KS、YX和m）使用MathCAD进行最小二乘估计，目标函数J为3个状态变量（ρSt、ρSf和ρX）在发酵7~25 h内7个采样时刻的实验数据Yij和模型计算数据Zij的相对偏差平方。

采用MathCAD提供的最优化问题求解方法编程求解微分方程组，并进行待定参数的优化搜索，求得目标函数达最小值时的待定参数值。根据实验数据和上述模型最终求得菌体生长期目标函数值J为0.011，菌体生长期动力学模型参数的估计结果示于表1，分批发酵过程动力学模型预测值与实验数据拟合图所示。

为了考察不同总糖浓度下模型反映西索米星分批发酵状况的适用性，利用建立的动力学模型，对初始总糖浓度分别为70.0、60.0和50.0 g/L的分批发酵过程菌体生长期进行计算机仿真验证，结果显示，模型状态变量实验值与模拟值的相对偏差平方和均分别为2.3%、1.9%和5.8%。研究表明，该动力学模型能较好地描述和预测了初始总糖浓度为50.0~70.0 g/L的西索米星分批发酵过程菌体生长期的状况。

西索米星发酵是产物合成和菌体生长非耦联型，产物合成期维持高浓度的菌体对西索米星产物的合成有利。从所建立的动力学模型中可以发现，在发酵中菌体的生长需要消耗大量的糖类底物，以分批发酵过程中所能出现的最大菌体浓度11.2~11.8 g/L计，模型中YX为0.43 g/g，取具有统计意义的初始菌体浓度进行计算，则在达到最大菌体浓度前，理论上大约需要消耗15.9~17.3 g/L可发酵糖。但由于真实发酵过程存在着菌体的维持消耗等因素，实际所消耗的可发酵糖要大于此值。

结语

1）当采用淀粉为主要碳源的天然培养基进行西索米星的分批发酵时，分别建立了菌体生长阶段和产物合成阶段的动力学模型。在菌体生长期，菌体生长速率的数学模型可采用Monod方程表示，在产物合成期，菌体生长速率符合Contois方程。西索米星的合成符合Luedeking-Piret方程，可采用Levenspiel方程对其进行修正。

2）分别对菌体生长阶段和产物合成阶段的动力学模型进行了模型参数的估计。菌体生长期动力学模型参数μm、KS、KX、m分别为：0.058 h-1、4.046 g/L、0.433 g/g、0.000 1 g/(g·h），拟合偏差平方和J为0·011；产物合成期动力学模型参数μm、KX、K2、N、YX、YP、m分别为：0.058 h-1、60.556 g/g、1.198 g/(g·h）、0.606、0.090 g/g、0.095 g/g、0.001 73 g/(g·h），拟合偏差平方和J为0.027。

3）所建立的动力学模型能较好地描述和预测初始总糖浓度为50.0~70.0 g/L的西索米星分批发酵过程，模型状态变量实验值与模拟值的相对偏差平方和均小于6%。该研究为西索米星分批发酵的过程优化及其控制提供了依据。4）采用高浓度的麦芽糖为补料液进行流加发酵的方式，能有效地减缓发酵中后期因淀粉水解酶表观活性不足所导致的可发酵糖浓度的下降，有助于大幅度提高西索米星的发酵水平。

对西索米星产生菌伊尼奥小单孢菌Micromonospora inyoensis F003的微生物代谢特性及其菌体生长和产物合成的动力学进行研究，建立了西索米星分批发酵和流加发酵动力学模型，并对补料策略和其它工艺参数进行优化。

首先，建立了能直接用于发酵液中西索米星浓度测定的薄层层析生物显影法，在相同条件下，对536mg/L的西索米星标准液连续测定6次，测定结果为531±13mg/L。

工艺条件研究发现，培养基中添加6～10mg/L氯化钴或1.0～2.0g/L蛋氨酸可加快西索米星合成途径中前体物质庆大霉素A的甲基化速率，蛋氨酸在产物合成中前期（30～48h）添加的效果最佳。磷酸盐初始浓度3.20～5.30mmol/L有助于菌体的生长，但抑制西索米星的合成。在产物合成期磷酸盐浓度控制在0.10mmol/L以下可提高碱性磷酸酯酶活力，降低丙酮酸浓度，促进西索米星合成。发酵温度和pH值分段优化控制研究表明，菌体生长期控制温度34℃和pH 7.1，产物合成期控制温度31℃和pH 7.4是有益的。

M.inyoensis F003的发酵特性研究表明，西索米星发酵过程具有典型的非生长耦联特征。当以淀粉为主要碳源时，对数生长期最大菌体比生长速率为0.058h〓，产物合成期最大产物比合成速率0.0018g/(g·h）。HPLC和酶法测定结果显示发酵液中主要的可发酵糖为麦芽糖，适合菌体生长的麦芽糖浓度或葡萄糖浓度分别为10.0～25.0g/L和7.5～15.0g/L，可发酵糖浓度低于10.2g/L将限制西索米星合成。西索米星发酵过程淀粉水解酶表观活性的动力学特性表明，在对数生长期淀粉水解酶表观活性较高，最大值为0.84g/(L·h），在发酵中后期淀粉水解酶表观活性仅为最大值的1/4～1/20，导致可发酵糖浓度降低，限制西索米星的合成。

西索米星浓度大于0.50g/L将明显抑制产物合成。发酵中约65%的西索米星是吸附在菌体上。pH值会影响西索米星与菌体的吸附。发酵中后期（56～72h）采用添加732阳离子交换树脂的发酵-分离耦合工艺有利于降低菌体上产物吸附量，削弱产物的抑制效应，能提高西索米星发酵水平40%左右。

分别建立了西索米星分批发酵和流加发酵动力学模型，并对模型参数进行了估计，模型均能很好地描述西索米星发酵过程菌体的生长、底物的消耗和产物的合成。验证实验表明，所建立的模型能较好地预测初始淀粉浓度为50.0-70.0g/L时西索米星的发酵过程特性。

以西索米星产率、单位糖耗和残糖浓度为评价指标，对西索米星流加发酵的补料策略（补料时机、补料速率、补料液浓度和补料液组成）进行了计算机仿真优化。以240L/h恒定流率流加麦芽糖（浓度40g/L）的流加发酵与分批发酵相比，西索米星产率提高了47%，单位糖耗降低了18.8%，发酵结束时残糖浓度降至12.8g/L，低于分批发酵35.1g/L的残糖浓度。改用50.0g/L玉米淀粉水解液（可发酵糖浓度为40.0g/L）为补料液，产率提高了45%，单位糖耗降低了28.5%，残糖浓度为16.7g/L。结果提供了西索米星发酵的优化工艺和过程优化控制策略，可明显提高发酵效率，能产生显著的经济效益。