摘 要
延长生命并提高存活质量是抗癌的新要求。植物药的紫杉醇(paclitaxel,商品名Taxo1)是从红豆杉的树皮、树根及枝叶中提取的一种化合物,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。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。 关键词 紫杉醇 抗癌汇流板 疗效
第一部分 综述
随着近年来癌症患者的增多, 癌症给病人和家人带来了肉体和精神上的伤害, 各种抗癌剂的副作用带来的反应使病人在延长生命的同时也饱受副反应之苦。延长生命并提高存活质量是抗癌的新要求。只有向天然药物要药。近年海洋药物的研究逐步深入, 海洋药物中的皂苷抗癌作用备受关注。美国国家癌症协会( N C I ) 在上世纪5 0 年代末为了寻安全有效的抗肿瘤药物, 在35000 种植物提取物中进行筛选,这项运动历时20 余年,紫杉醇于1992 年12 月29 日被美国FDA 批准用于晚期卵巢癌。
中央控制紫杉醇(paclitaxel , 商品名Taxol) 是一种在红豆杉科( Taxaceae L.) 红豆杉属( Taxus L.) 生长缓慢的长绿乔木中分离提取到的天然化合物。紫杉醇是目前全世界公认肿瘤的有效药物,也是全球抗癌药物研究的热点。近年来,紫杉醇无论在药理活性、分离测定方法、提取纯化技术、化学结构修饰、类似物的化学结构及其生物活性和主要活性物质的人工合成或半合成,还是新的药物制剂与剂型及其类似物的开发与利用等方面的研究,都取得了巨大的进展。 植物药的紫杉醇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。美国肿瘤研究所认为, 紫杉醇是人类未来2 0 年间最有效的抗癌药物之一。
早在1856 年Lucas 就从浆果红豆杉的叶中提取到过粉状紫杉碱(taxus) ,但当时未引起人们的注意。100 年后的1958 年美国国家癌症研究会(NCI) 耗资250 亿美元,历时20多年(1958 —1980 年) ,对3 500 余种植物中的11 万多个化合物的抗癌活性进行了筛选。1971 年从短叶红豆杉Taxus brevi folia Nutt1 的树皮中首次分离得到紫杉醇,并证实了其抗癌活性。1975 —1976 年通过药理实验证明紫杉醇对B216黑素瘤及人体肿瘤裸鼠异种移植瘤(乳腺癌、肺癌及结肠癌) 有活性。到20 世纪70 年代末,证明其活性机制为在细胞增殖期的G2 可信的密封黏胶条期, 抑制纺锤体和纺锤丝的形成,从而抑制有丝分裂,阻止癌细胞的增殖。紫杉醇的这种独特的药理作用加快了其临床研究的步伐,1982 年Ⅰ期临床试验开始,1989 年完成Ⅱ期临床试验,1990 年进入Ⅲ期临床试验,并证实了对卵巢癌和乳腺癌的疗效。1992 年12 月29 日美国食品药品监督管理局( FDA) 和加拿大政府正式批准紫杉醇用于卵巢癌,1993 年12 月批准用于乳腺癌。1993 年11 月该产品被法国政府批准上市。随后,陆续在瑞典、奥地利、丹麦、德国、卢森堡、希腊、比利时、葡萄牙、南非、新西兰、以列、俄罗斯、西班牙、瑞士、澳大利亚、荷兰、挪威、英国、巴西等多个国家上市。目前,紫杉醇已经成为全世界癌症药中被人们广泛认可的最有效的药物。
紫杉醇理化特性：紫杉醇分子式为c47h51no14，分子量为853.9，白结晶体粉末。无臭，无味。不溶于水，碱性条件下很快分解。
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, 从而避免了癌细胞的快速分裂, 使其停止在G 2期和M 期, 直到死亡。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(L)-1、TNF-2、L-6、干扰素(IFN)-1、IFN-2 对肿瘤细胞起杀伤或抑制肿瘤细胞迁移作用。紫杉醇是具有紫杉烯环的二萜类化合物, 具有
高度亲脂性, 不溶于水,由于其为憎水结构, 所以应是以被动扩散的方式进入细胞。紫杉醇并非对所有的肿瘤细胞都起作用。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, 对不敏感的细胞, 估计1 3 5 -KD 膜蛋白起一种将紫杉醇泵出胞外的作用。
紫杉醇的抗癌活性的构效关系到目前为止,人们已经从红豆杉属植物中分离得到紫杉类化合物300 多个,大多具有三环或四环骨架,属二萜类化合物,少数化合物含有N 侧链。紫杉醇的分子式为C17 H51 NO14 , 相对分子质量为853. 92。
C213 位侧链的化学结构对抗癌活性的影响:紫杉醇分子中的C213 侧链本身并无活性,但对于整个紫杉醇分子却是活性必要基团。将C213 位构型由α改为β,则活性下降近20 倍,若侧链与C214 位连接,则细胞毒作用较紫杉醇降低10 倍。C22′( R) 和C23′( S) 是活性的必需构型,同时C22′位的游离羟基也是必要的。C22′羟基被β2氨丙基或琥珀酸酰基取代,则水溶性增强,但活性下降;用叔丁基二甲基硅保护C22′羟基,或使侧链另一部分的酰氨环合成唑啉酮,则其失去活性;C23′苯基若被甲基取代则活性降低19 倍;C23′羟基若被NH2 基取代,活性消失。C213 侧链的自由度很大,它是决定药物分子与微管蛋白有效结合的重要因素之一。研
究证实,消除C42OAc 、C3′2 Ph 和C22OBz 中的任何一个基团,其活性都显著降低,说明疏水基团是发挥药效的必要部分。在人体内张刚宁(相当于极性环境中) 紫杉醇及其类似物分子中的C213 侧链、C42OAc、C3′2 Ph 和C22OBz 基组成疏水区,疏水区形成“伞型腔穴”,成为紫杉醇与微管蛋白有效结合的位点,处于蛋白质的核心位置;而由C23′苯基和C22′羟基经肽末端以及蛋白质的极性功能团部分与C22′羟基之间直接作用稳定了药物2蛋白质络合物;亲水区则位于结合位点的外面,接近于水介质,所以,C23′或C22′连接的官能团是影响分子性质,如水溶性、电离常数等的重要因素,也是药效团的必要组成部分。
紫杉醇提取分离、纯化与检测
获取紫杉醇的途径主要有四种：化学合成、红豆杉中提取、植物细胞培养和真菌发酵。由于紫杉醇与大量的紫杉烷类化合物结构非常相似,所以,其提取分离与检测一直广受关注。含有紫杉醇的样品通常先用甲醇、乙醇、二氯甲烷2甲醇或醋酸乙酯2丙酮等进行萃取。Matina 等报道用C18 固相萃取法( solid phase extraction , SPE) 从植物中大量分离收集紫杉烷类化合物。Jennings采用超临界流体萃取法( su2percritical fluid ext raction ,SFE) 提取紫杉醇,回收率达85 %以上。另外,柱切换技术(column switching techniques) 、半制备薄
层( TLC) 技术、超声技术、膜分离技术和离子交换技术等均被用于紫杉醇与紫杉烷类化合物的提取中。紫杉醇与紫杉烷类化合物的分离纯化方法有很多。早期Witherup等在氰基和苯基柱上较好地分离了紫杉醇与6 个紫杉烷类化合物。Harvey[4] 用C18 填料开发了一种高效的微型柱用于分离紫杉醇和cephalomannine 。Kopycki用PFP ( Gu2rosil G Taxil) 柱对紫杉烷类化合物进行了很好地分离。目前,大工业生产中广泛采用的方法主要是谱法,包括正相谱、反相谱、高速逆流谱( HSCCC) 等。我国采用反相制备谱技术,可年产紫杉醇120 kg。定量方面,Chan和Hempel用毛细管电泳法(capillary elect rophoresis , CE) 对__紫杉醇进行了定量分析。Heaton和Jagota采用超临界谱( supercritical fluid chromatography , SFC) 对紫杉醇进行了定量分析。Jaziri 等用酶标法( EL ISA) 对紫杉醇进行了分析检测,检测限可达0. 6 ng/mL 。Rizzo用C8 柱准确地定量了血液中的紫杉醇。但是它的化学合成也有一定的缺陷：1.合成路线复杂，反应条件难以控制，产率低。2.用到了剧毒的原料，仅限于实验室水平，很难进行工业化生产。3.半合成中的前体脱乙酰基浆果赤霉素仍是从红豆杉中提取。4.化学合成从实质意义上说还没有取得彻底的突破，目前还不具备应用价值。植物细胞培养包括愈伤组织培养、愈伤组织的继代培养悬浮细胞培养、细胞大量培养等几个方面。从红豆杉中提取：紫杉醇在植物体内的含量相当低，目前公认
含量最高的短叶红豆杉树皮中也仅含0．069％，红豆杉生长缓慢，树皮剥去后不能再生，树木将死亡。
紫杉醇开发的关键问题
上游产业——药源问题
下游制剂产业
药效（活性、水溶性）
无菌车间安全性
生物相容性
药源问题：主要原料植物国家一级保护野生植物，全球十大濒危物种之一生长缓慢 分布有限 Taxol含量低树皮中Taxol含量:0.00001-0.069% 3000棵树=10吨树皮=1kg Taxol=500病人
药源问题解决办法（一）
人工栽培采用种子繁殖、扦插等无性繁殖方法快速、大面积人工繁育红豆杉幼苗。
寻红豆衫的替代物 从红豆杉非树皮部位提取产紫杉醇的非红豆杉植物优点：生长周期缩短简便、直接。缺点：1、紫杉醇含量低 生长缓慢2、提取工艺复杂
药源问题解决办法（二）
化学合成
全合成
1994年获得成功
现有六种途径 缺点：1、合成过程烦琐复杂，几十步
2、费用高，化学试剂昂贵
3、总收率太低（2%）
半合成
以10-DABⅢ和Baccatin Ⅲ作为半合成原料获得紫杉醇
新方法用10-DAT
优点：1、原料枝叶含量丰富、 提取相
对容易，充分利用再生资源
2、产率高
3、最具实用价值可以工业化生产
4、获取紫杉醇构效关系信息，进
行结构改造
缺点：合成过程相对复杂
（11步化学转化和7步分离）
药源问题解决办法（三）
结语组织和细胞培养
微生物发酵
生物合成
研究阶段
红豆杉生物合成途径基本明确
10种相关酶基因被克隆表达
利用基因工程手段改造红豆杉提高紫杉醇产量
优点：1、摆脱自然因素，可长期稳定
生长
2、适应市场、方便调节
3、成分简单，有利于分离纯化
4、成本低、生长周期短
5、为半合成提供原料
6、有望工业化生产
缺点：1、产量低、不稳定
2、工业化放大研究
反垃圾邮箱药效问题：紫杉醇水溶性很差
0.77mM/L
使用增溶剂： 聚氧乙烯蓖麻油和无水乙醇
存在问题
稳定性和水溶性较差（7mm/L）
过敏反应
产生沉淀
药效问题解决办法（一）
前药开发的要求
水溶液中稳定性
前药进入体内后，在发生次极代谢前，迅速转化为活性原药
未来发展方向
紫杉醇生产
植物细胞培养，微生物发酵和生物合成是有潜力的生产方法
美国的Bristol-Myers Squibb公司获得2004总统绿化学挑战奖 - 植物细胞发酵萃取制造抗癌药物Taxol
如何控制植物细胞生产紫杉醇的不稳定性是难点之一
药物安全性、生物相容性、耐药性
毒性和药代动力学
耐药化合物研究
靶向药物的开发
结论
目前,在紫杉醇的药理活性、分离测定方法、提取纯化技术,紫杉醇系列化合物的化学结构及其生物活性、化学结构改造和主要活性物质的人工合成及半合成,新的药物制剂与剂型,紫杉醇类似物的开发与利用等方面,都取得了巨大的进展。特别是在紫杉醇的化学结构与其药理活性的构效关系上,获得了重要成果。我国大规模工业化反相制备谱填料的大批量生产,也必将有力地推动紫杉醇提取分离与应用工业的迅速发展。
参考文献
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[4] 潘学田. 中国药品实用手册[ K ] . 北京: 石油工业出版社, 2 0 0 1 ,1 3～1 9 .
