在植物組織培養中，發現培養細胞中含有各種特殊的代謝產物，如藥用成分、飲料、色素、香精、生物堿、甾醇、酶、農藥等，其中有些是微生物或人工不能合成的。因此，可用大規模細胞培養生產這些有效成分，使大田農業生產走向工廠化生產。這一工作已引起各國企業家和植物細胞組織培養研究者的極大重視，特別是美國、日本、聯邦德國、英國等，通過大量工作，目前已取得巨大進展。用類似微生物工業發酵方法的植物細胞發酵罐培養，已開始從實驗進入生產階段。
我國的中藥材是一個具有數千年曆史的醫藥寶庫，傳統藥材中80％為野生資源。迅速興起的植物細胞大規模培養技術是保存和利用中藥資源的一種有效途徑（胡凱，2004年）。目前發現60多種藥用植物細胞培養物產生的特定次生代謝產物可作為藥物，超過30種次生代謝產物在細胞培養物中的含量達到或超過親本中的含量（表5-1）。
表5-1植物細胞培養中高產量的此生代謝產物
次生代謝產物植物產量（%幹重）
迷迭香酸
迷迭香酸
蒽醌
紫草素
小檗堿
藥根堿
花色素苷
小檗堿
薯蕷皂苷元
血根堿
利舍平Saponariaofficinalis
Coleusblumei
Morindacitrifolia
Lithospermumerythrorhizon
Thalictrumminus
Berberiswilsonae
Perillafrutescens
Camelliajaponica
Dioscoreadeltoidea
Papaversomniferum
Catharanthusroseus36.0
21.4
18.0
12.4
10.6
10.0
8.9
7.5
3.8
2.5
2.2
植物細胞大量培養係統生產次生代謝物的優點主要表現在：①實現工業化生產，不占用耕地；②與植物栽培不同，它采用發酵工業反應器的生產係統和回收工藝，可以不受天氣、地理、季節等自然條件的限製；③通過誘變、細胞雜交等技術可以篩選出高產細胞株，配合培養條件的改善，可以獲得較高的產量；④通過生物轉化作用，可將某些前體及價值較低的化合物轉化成價值較高的化合物。總之，使用細胞大規模培養技術可以在可控的和可重複的條件下生產天然藥物，而不會受到病蟲害、地理、氣候、季節等因素的影響。為此，科學家們在植物細胞大規模培養生產有用天然產物方麵已做出了大量的工作。1959年美國的Tulecke和Nickll首次提出利用植物細胞培養物合成天然藥物，他們詳細介紹了用30L鼓泡塔反應器培養植物細胞生產有用次生代謝物質。1967年Kaul和Staba采用發酵罐對牙簽草（Ammiwnaga）進行了細胞大量培養的研究，並首次用此方法得到了藥用成分呋喃色酮（Faranochromes），推動了植物細胞培養的發展。繼1983年日本三井石油公司首次利用培養的紫草細胞生產出紫草寧之後，已成功地利用培養的黃連、人參和洋地黃細胞分別生產出小檗堿、人參皂苷和地高辛等，迄今已經對銀杏、冬青、長春花、雪蓮、白蘇等許多植物進行了細胞培養來生產藥用次生代謝物質，發酵罐的規模最大已達到75000L。但是，由於植物細胞生長緩慢、汙染率高、有效成分含量低、遺傳穩定性差、對剪切力敏感和生產成本高等許多問題的存在，使得目前植物細胞培養生產天然藥物的工業化仍受到一定的限製。為了加速推進植物細胞培養技術商業化進程，各國科學家在改進培養技術和發展新的培養方法方麵不斷進行探索，以期得到一種適合於植物細胞工業化生產的方法。抗癌藥物紫杉醇（Taxol商標由Bdstol-MyenSquibb注冊）的發現以及目前的研究進展使植物細胞培養產業化又出現了新的希望。在這一過程中，如能解決植物細胞大規模培養中遇到的問題，實現工業放大，那麼，利用植物細胞大規模培養生產藥用成分將大有可為。
一、藥用植物細胞大規模培養工藝
藥用植物有效成分的生產是在植物細胞大規模培養技術的基礎上建立的，它的生產程序包括培養基的選擇、細胞株的建立、擴大培養及大量培養等過程。基本程序是：
根、莖、葉→愈傷組織→振蕩培養→同質細胞的培養→條件處理以提高次生產物的濃度
等細胞培養→↑
→高產細胞株的篩選→小型發酵罐懸浮培養→大型發酵罐大量培養→次生代謝產物的提取、純化和精製→包裝
(一)培養基的選擇
培養基直接關係到細胞培養的效果，因此在進行細胞培養之前，一定要選擇一種適合於被培養材料快速合成次生代謝物的培養基。目前可采用植物組織培養中廣泛使用的一些標準培養基進行篩選，如White、B5，Nitsch和改良Nitsch、MS以及N6等培養基。許多研究者在進行篩選時還對這幾種培養基的成分進行適當增減，並加以改良。在紫草細胞二步法培養生產紫草寧的研究中，Fujita等（1981年）通過篩選，用MG-5替代LS（細胞生長培養基），用M-9替代White培養基（生產紫草寧衍生物的培養基），紫草寧衍生物的產量多達1500mg/L，含量高達13.6％（表5-2），其產量是用LS和White培養基進行二步法培養的11.5倍。
表5-2用MG-5和M-9培養基兩步培養紫草細胞的結果
細胞生長紫草寧衍生物產生總計
培養基
培養時間（d）
生長速率（倍）
紫草寧衍生物產生（mg/l）
細胞中紫草寧衍生物含量（%）MG-5
9
7.5
0
0M-9
14
3.6
150
13.6
23
27
1500
13.6
(二)高產細胞株的建立
適於大規模培養的細胞株有兩個條件：一是細胞生長速度快，二是次生代謝物含量的積累較高。應按此標準篩選和建立細胞株。
1.愈傷組織的誘導和培養
從植株的任何部分取材，但最好是以合成目的有效成分的器官為材料，培養誘導形成愈傷組織，並進行繼代培養，這時應試驗多種培養基並調整培養基中的生長素含量，以求確定合適的培養基。
2.單細胞的分離
其方法是選生產快而疏鬆的愈傷組織，轉移到液體培養基中，進行振蕩培養，必要時可加入少量果膠酶，使細胞塊分散成單個細胞。這時培養基中和瓶壁上有大量單個細胞和小細胞團，可把它們收集後，轉移到新鮮培養基，放在搖床上進行再次繼代培養。
3.細胞無性係的分離
將懸浮培養物通過80μm不鏽鋼網過濾，除去細胞團塊，濾液含有細胞，經離心或靜置沉澱，濃縮成含有2×103細胞/ml，配製1.4%瓊脂培養基，滅菌後備用。用前使其溶化，待溫度降到約40℃時，取細胞濾液和培養基以等量混合，迅速澆到直徑6cm的培養皿中，使其成為一薄層，待瓊脂冷卻凝固後，細胞就會均勻地分布在培養基中，密封皿口，進行培養。
4.細胞株的篩選
在平板培養中，單個細胞經持續分裂，形成許多細胞株。這時先選擇生長快、疏鬆分散好的細胞株，再經目的產物的定量測定，從中篩選出目的產物含量高的細胞株。常用的有薄層和色譜分析，近年來還采用放射免疫篩選法、放射自顯影免疫測定法。這些方法雖快而精密，但價格昂貴，非一般實驗室可采用。
(三)擴大培養
將篩選到的優良細胞株，經多次擴大繁殖可培養出大量的細胞，以作為大規模細胞培養的原種。用作擴大培養的容器為搖瓶，即1000～3000ml的三角瓶。在培養過程中，要經常鑒定細胞株，並進行純化，防止細胞株退化和變異。
(四)大量培養
大量培養植物細胞有兩種方法：即大罐發酵培養法和固定細胞培養法。
1.大罐發酵培養法
藥用植物大罐發酵培養法（1arge-femlentationprocess）通常采用大規模培養的生物反應器，從實驗室培養過渡到大規模工業化生產可以采用微生物發酵罐培養，但由於植物細胞培養與微生物培養有許多差異，植物細胞一般比微生物細胞大100倍左右，加代時間長，耐受剪切力低，接種量大（植物細胞培養的接種量一般在10～30％，有的高達50％等特點，采用一般微生物發酵的反應器是很難獲得成功的。植物細胞培養中應著重考慮：維持適當的溶氧水平，減少對細胞的剪切力，控製細胞團粒大小，確保長時間不汙染等。目前用於植物細胞培養的反應器主要有攪拌式、非攪拌式及其改進型反應器（劉誌偉，1999年）。它們各有優缺點，一般在試驗研究中證明非攪拌式反應器比較適合植物細胞培養，它具有流動特性好，低切變速率，氧氣供應充足，結構簡單，易於消毒和清洗的特點。但是在100L以上的大規模培養中采用攪拌式反應器也有獲得成功的報道，隻要能解決好保持持久的無菌環境以及不損傷植物細胞完整性的剪切力，即使攪拌式反應器也可以大量培養植物細胞。