摘要：众所周知，癌症己成为严重危害人类生命健康且难以治愈的病症之一。紫杉醇是目前最新的具有很好疗效的抗癌药物，本文对紫杉醇发现以来的最新研究进展进行了比较详尽的综述。包括以下几个部分：1、紫杉醇的发现和历史；2、紫杉醇的药效；3、紫杉醇的来源；4、紫杉醇的生物合成途径及其相关酶基因的研究。 关键词：紫杉醇；药效；来源；生物合成
一、引言
众所周知，癌症己成为严重危害人类生命健康且难以治愈的病症之一。据世界卫生组织（WHO）统计：80年代末，全球每年70多万人患癌；1996年统计，全球每年1030万人患癌；WHO的专家们估计，到2020年全球将有1470万人患癌。目前，全球每年因患各种恶性肿瘤而死亡的人数超过60万。中国抗癌协会秘书长张宗卫在多次报告中提到，我国每年有20万新发癌症病例，癌症死亡目前位居中国人各类死因的首位。抗癌活性物质的研究将为癌症患者提供高效的药物，而目前抗癌特效药物存在种类少、产量低、价格昂贵，
远不能满足临床和科研需要等问题，因此寻求和开发高效、低毒和廉价的抗癌药物对提高人类健康水平具有重要意义。
研究证明，一些来源于动、植物或微生物的天然产物具有很高的药理活性，特别是一些植物的次生代谢产物和微生物的发酵液提取物具有极强的抑制或杀死肿瘤细胞的作用。植物新陈代谢分初生代谢和次生代谢，初生代谢产物是维持细胞生命活动所必需的，如糖类、脂类和核酸，它们普遍存在于所有植物中；而植物次生代谢产物是指植物中一大类并非生物有机体或细胞生长发育所必需的小分子有机化合物，其产生和分布具有种属、组织器官和生长发育特异性。植物次生代谢产物种类繁多，性质各异，仅已知结构的就有2万种以上。其主要类别有：（1）含氮有机物，包括生物碱、非蛋白氨基酸、生氰糖苷等；（2）萜类化合物，包括单萜、倍半萜、柠檬素、强心烯、类胡萝卜素等；（3）酚类化合物，包括类黄酮、醌类等。植物次生代谢产物是植物在长期进化中对生态环境适应的结果。 紫杉醇（paclitaxel，商品名Taxo1）是从红豆杉的树皮、树根及枝叶中提取的一种一种复杂的次生代谢产物，是近年国际市场上最热门的抗癌药物，并已取得了巨大的进展。抗癌新秀紫杉醇自投放市场后，其市场销售额每年以两位数增长并高居抗肿瘤药之首，1996年
紫杉醇的全球销售额已达8亿美元（其中美国本土为5亿美元）。1998已超过12亿美元/年。合成的紫杉醇销售额大约在9000万美元。目前已有50多个国家已批准销售合成紫杉醇。美国肿瘤研究所认为，紫杉醇是人类未来20年间最有效的抗癌药物之一。
二、紫杉醇的发现和研究历史
单向器为了寻安全有效的抗肿瘤新药，早在1958年美国国家癌症协会（NCI）就发起一项历时20余年的筛选3.5万多种植物提取物的计划。在计划实施的过程中，Wall和Wani于1963年从太平洋红豆杉的树皮中提取得到紫杉醇；1964年用细胞毒性实验证明了这一提取物的生物活性；1969年确定了紫杉醇为其中的活性成份。同年，Wani等确定了该物质的化学结构。此后，美、日、法、德等国的药理学家和药物化学家进行了大量研究。1978年，确定了紫杉醇的剂型。1979年Horwitz等人报告紫杉醇的作用机理。1980年，进行给药规程化研究。1983至1987年完成I期临床试验。1987到1989年完成II电子盲人导航仪期临床试验。1990年以后，转入III期临床试验。1992年l2月29日，美国FDA批准紫杉醇用于晚期卵巢癌。1992年度，FDA共批准26个新分子产品（NMEs）。其中，有6个是世界首次上市，紫杉醇是其中之一[1-5]。
菌类生产
三、紫杉醇的药效
紫杉醇是紫杉醇是一种四环二萜化合物，其化学结构分为两个部分，基本骨架部分是一个紫杉烷类的三环（A、B、C环）二萜，侧链包括三个芳香环（一个苯环两个苯甲酞环）和一个环氧丙烷环（D环），合起来有七个环，其核心为四环二萜。分子式：C47H51NO14，相对分子质量为853.9，熔点213-216°C，具有高度亲脂性，不溶于水。与常用的其它纺锤体毒物如阻止微管聚集的长春花碱、ervafamine、秋水仙素等的作用相反，紫杉醇催化微管蛋白迅速合成微管并结合到微管上起稳定和防止微管解聚的作用。紫杉醇的活性就表现在两个方面：第一，微管解聚稳定机制。通常认为，有丝分裂过程中需要胞质微管解聚以形成纺锤体微管。紫杉醇能抑制有丝分裂，能通过结合到游离微管蛋白而诱导和促使微管蛋白装配成稳定微管，同时抑制已形成微管的解聚，使维管束不能与微管组织中心互相连接,将细胞周期阻断，导致有丝分裂异常或中断，从而破坏细胞有丝分裂和分裂期间功能所必需的微管系统动态再生，使癌细胞复制受到阻断而死亡。 对于迅速分裂的肿瘤细胞，紫杉醇“冻结”有丝分裂纺锤体。从而使肿瘤细胞停止在G2期和M期，直至死亡[6]；第二，紫杉醇也作用于巨噬细胞上的肿瘤坏死因子（TNF）受体，促
使释放白细胞介素（IL）-1、（TNF）-2、（IL）-6、干扰素（IFN）-1，（IFN）-1因子对肿瘤细胞起杀伤或抑制肿瘤细胞迁移作用[7]。紫杉醇并非对所有的肿瘤细胞或株系都起作用。细胞是否对它敏感，同细胞膜上是否存在磷酸化的135-KD糖蛋白有密切的联系。非敏感的细胞有这种膜蛋白存在，敏感的细胞则没有。由于其为憎水结构，紫杉醇应是以被动扩散的方式进入细胞。对不敏感的细胞，估计135-KD膜蛋白起一种将紫杉醇泵出胞外的作用[8]。临床应用表明，紫杉醇对卵巢癌、乳腺癌等有效，尤其对耐常规药物的肿瘤取得了较好的疗效。JOHNAHOPKINS医学院用紫杉醇分别为40例和34例卵巢下皮癌，总缓解率分别为30%和36%，后能自由走动和从事轻体力活动；TEXA S大学医学院对25例乳腺癌，总缓解率56%，最近的研究也表明，紫杉醇有显著的抗肝癌活性。故有人认为紫杉醇的第一适应症是转移性卵巢癌，而第二适应症是难治性的转移性乳腺癌。此后，美国临床医学界陆续发现了紫杉醇有不少令人感兴趣的新用途。其中包括，与抗艾滋病药物合用可卡波济氏肉瘤（一种艾滋病人特有的恶性肿瘤），以及用于结肠癌、直肠癌、膀胱癌和乳癌等一系列的棘手肿瘤疾病[9，10]。
四、紫杉醇的来源
紫杉醇目前主要来源是从红豆杉树皮中提取，然而紫杉醇是红豆杉植物的次生代谢产物，也是近年来世界范围内抗肿瘤药物研究领域的重大发现。而红豆杉属植物是红豆杉科常绿乔木或灌木，数量稀少，为国家一级保护的珍稀濒危植物。全世界共11种，分布于北半球的温带至亚热带地区，中国有4种和1个变种，即西藏红豆杉、云南红豆杉、东北红豆杉和南方红豆杉（变种），但全世界资源总量却极其有限，且常常散生分布于天然林中。据估计，中国的红豆杉资源在世界范围内也是名列前茅，但也仅有100万株左右。其生长十分缓慢，30年才能成材；紫杉醇含量极低，仅为红豆杉干重的十万分之几到力分之儿，6棵树龄为60-10年的红豆衫也只能提供一个癌症患者所需，所以从天然的红豆杉中提取紫杉醇的方法远远不能满足人们对紫杉醇日益增长的需要。目前，世界上多个国家都在研究和开发紫杉醇及其衍生物，以解决紫杉醉原料紧缺的问题。紫杉醇的来源问题一直受到人们的关注，成为紫杉醇研究开发的热点。长期以来科学家们为解决这一巨大供求矛盾做出了很大的努力，包括筛选高产红豆杉栽培品种、化学合成、基因工程、细胞培养、真菌发酵、寻紫杉醇类似物等，其中对紫杉醇来源途径的研究处于核心地位。目前紫杉醇的药源途径主要有：
1、植株提取法：
目前，临床上用来肿瘤的紫杉醇几乎全部直接或间接来自红豆杉的提取物。在不同的红豆杉属及同一品种的不同组织部位，紫杉醇的含量变化不一。一般来讲，紫杉醇在红豆杉树皮中的含量最高，其次是针叶和枝条，根中也能检测到紫杉醇，而在果实中一般检测不到紫杉醇的含量。树皮中紫杉醇的含量，越老的树皮其含量越高。为了防止破坏性的对红豆杉树皮的采集及过量砍伐红豆衫，保护珍贵稀有的野生植物资源。人们一方面通过扦插育苗等手段扩大了人工栽培红豆杉的面积，在我国和美国都有大面积种植，为紫杉醉的提取贮备了大量的原材料；同时，还通过杂交等技术培育了一些新的红豆杉品种。
2、全合成法：
紫杉醇结构复杂，母核有9个手性中心，侧链有2个手性中心，因此应有2048个非对映异构体，它的合成过程复杂，虽然Nincolaou等于1994运用逆合成分析法的战略全合成了紫杉醇，全合成紫杉醇的路线太长，合成步骤要达20多步，难度较大不仅需要昂贵的化学试剂，而且反应条件极难控制，收率也很低，还容易造成环境污染，这些不利因素限制了其商业化应用，要真正用于工业生产紫杉醇还有一定的距离[11]。
3、半合成法：
利用在植物中含量较大的紫杉醇前体物（PRECUTSOR）化学转化成紫杉醇。1988年Dents从欧洲红豆杉的针叶中得到含量为0.1%的紫杉醇前体化合物：l0-去乙酰白卡亭-III[12]，以此为原料半合成了紫杉醇以及同系物taxotere，后者的优点在于有较好的水溶性(从而提高了生物利用度且合成时间大为缩短)，也有广泛的体外抗癌活性，机理与紫杉醇类似。红豆杉针叶资源丰富，再生能力强，半合成工艺实验室己趋于成熟，因此半合成被认为是扩大紫杉醇来源的有效途径，这是目前市场上紫杉醇类物质的主要来源。但这种方法仍然摆脱不了对红豆杉树木原料的依赖。
4、真菌培养法：
从红豆杉的树皮中分离出能产生紫杉醇的内生真菌，由于真菌生长速度快，来源广，菌种选育简单，可通过发酵大规模生产。因此通过真菌发酵生产紫杉醇的前景是十分可观的。目前，真菌培养液中只能获得纳克培养，离产业化生产还很远[13]。
5、细胞培养：
根据细胞全能化的观点，通过细胞培养方式可大量生产紫杉醇。细胞培养方式速度快，培
养条件易于优化，培养过程易于人工控制，不受时间、地域等因素的限制，所以细胞培养生产紫杉醇从长远来看是解决紫杉醇来源的一条最佳途径。迄今为止细胞培养中获得的最高紫杉醇含量已达0.6%，是成年树皮中紫杉醇含量的35倍以上。同时，可以通过基因操作，提高关键酶的表达量，从而提高紫杉醇生物合成的水平，这就要求对紫杉醇的生物合成途径、催化各步反应（尤其是关键步骤）的酶以及编码这些酶的基因有个全面的了解。红豆杉细胞大规模培养生产紫杉醇虽取得了一定的成果，前景也非常乐观，但仍有很多问题需进一步研究，在紫杉醇生产体系中存在细胞增殖与产物积累的冲突，并且细胞生长状态及生产能力变化很大，难于控制，极大地限制了培养工作。其主要原因是存在对紫杉醇合成机制缺乏足够的了解[14，15]。
五、紫杉醇的生物合成途径及其相关酶基因的研究
紫杉醇生物合成全过程约20步酶促反应。其中紫杉二烯合酶、紫杉二烯-5A-羟化酶、紫杉烷-10B-羟化酶、紫杉烷-13A-羟化酶、紫杉二烯-5A-乙酰转移酶、紫杉烷-2A-苯甲酰转移酶、10-去乙酰巴卡亭III-10B-乙酰转移酶、3-氨基-3-苯基丙酰转移酶和3-N-去苯甲酰-2-脱氧紫杉醇苯甲酰转移酶等主要的相关酶基因已成功克隆与表达，为进一步利用现代生物技
术提高紫杉醇产量奠定了良好基础。然而，紫杉醇生物合成的详细过程、反应机理还没完全阐明，近一半的相关酶基因还没有得到克隆与表达，其中，参与形成紫杉醇环氧D环的环氧化酶和C5的乙酰基转移到C4的变位酶还未确定；催化紫杉醇核心骨架及侧链C2羟基化反应的细胞素P450羟化酶中有5个酶还未成功表达；参与侧链生物合成的苯丙氨酸变位酶也未克隆与表达[16]。紫杉醇的生物合成过程，尤其一些慢反应步骤机理的阐明对提高紫杉醇产量是非常重要的，并与该药物的生产密切相连。包括：（1）通过添加生物合成的前体来增加紫杉醇的产量；（2）通过对参与紫杉醇生物合成关键酶的基因密码研究来增加紫杉醇的产量，即通过激活基因转录，增加基因的拷贝数目，引入促进因子来增强基因表达，或最终将整个生物合成体系转移到快速生长的细菌如大肠杆菌中来进一步增加紫杉醇的产量；（3）增加在植物细胞中紫杉醇的产量；（4展示架制作）利用突变手段来改变关键基因以增强它们所衍生的酶的效率。目前最重要的是必须确定紫杉醇生物合成途径中的速度限制步骤并利用基因技术来增加它们的速率。利用现代生物技术改变紫杉醇生物合成的基因，调节其表达是解决紫杉醇药源短缺的有效途径之一。2001年，Huang等将异戊二烯焦磷酸异构酶和紫杉二烯合酶的基因克隆到大肠杆菌进行共表达，通过融合DXP合成酶基因提高异戊二烯焦磷酸异构酶的表达量以及“假熟体”形式表达紫杉二烯合酶提高紫杉二烯合酶的
溶解度，以异戊二烯焦磷酸为原料，获得了紫杉醇生物合成的重要中间产物紫杉二烯管坯（产量可达1.3mg/L），开创了利用基因工程菌生物合成紫杉醇（中间体）的先例。不久，参与紫杉醇生物合成所有的相关酶基因将陆续得到克隆与表达。紫杉醇生物合成过程、机理以及相关酶基因表达调控机制一旦阐明，利用现代分子生物学技术（第三代基因工程）或应用微生物组合生物合成技术大量生产紫杉醇将成为现实[17]。
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