抗癌药物紫杉醇的制备、抗癌机理和应用前景
摘要紫杉醇具有显著的抗癌活性和独特的作用机理，现主要用于治疗晚期乳腺癌和卵巢癌等。
紫杉醇分子结构复杂，具有特殊的三环[6+8+6]碳架和桥头双键以及众多的含氧取代基，其全合成引起国内外许多有机化学家的兴趣。
本文简述紫杉醇的制备、抗癌机理和不良反应。
关键词紫杉醇制备抗癌机理不良反应
紫杉醇（Taxol）是从短叶红豆杉树皮中分离得到的一种四环二萜化合物。
1992年12月29日美国FDA正式批准紫杉醇作为治疗晚期卵巢癌的新抗癌药物。
由于该药疗效确切、副作用小，在美国上市后销售情况一直很好，并保持着20％以上的年销售增长率。
2000年该药的销售额已超过10亿美元。
紫杉醇被当今世界上公认为广谱、活性最强的抗癌药物，尤其是对子宫癌、卵巢癌、乳腺癌具有特殊的疗效，它的问世被誉为20世纪90年代国际上抗癌药三大成就之一[1]。
美国FDA已原则上同意其他国家及厂家生产紫杉醇制剂并可以作为通用名药上市，这就打破了美国施贵宝公司对该药的垄断生产。
这一决定意味着紫杉醇制剂价格将大幅下降，从而有利于广大肿瘤患者服用。
然而由于这种天然化合物资源极其有限，严重的限制了其研究和应用的进度。
同时尖锐的供需矛盾也在医学、化学和植物组织培养领域的科学家中引起了一场非同寻常的广泛研究，以增加这种化合物的来源和寻找高效、低毒、来源丰富的紫杉醇类似物。
经过40多年努力，已经取得了可喜的进展。
1紫杉醇的制备
1.1天然红豆杉植物提取[2，3]
紫杉醇的直接来源是从天然植物红豆杉树皮、树叶中提取。
但并不是所有品种的红豆杉树均含有紫杉醇，而且不同种类的红豆杉紫杉醇含量的多少差别非常明显。
红豆杉属植物共11种，我国有4种及1种变种，它们分别是云南红豆杉、西藏红豆杉（又名喜马拉雅红豆杉）、中国红豆杉、东北红豆杉、南方红豆杉（又名美丽红豆杉）。
紫杉醇在不同植物来源以及植物体不同部位的含量与提取分离有着直接关系。
Vidensek对东北红豆杉幼苗以及成树的不同部位中的紫杉醇含量作了分析，结果表明，成树紫杉醇的含量高低依次为：树皮>树叶>树根>树干>种子>心材。
对于不同植物来源的组织培养细胞中的紫杉醇含量，陈未名等作了大量研究，结果表明，愈伤组织中的紫杉醇含量以云南红豆杉为最高，其次为欧洲红豆杉，再次为红豆杉；而悬浮培养细胞中的紫杉醇含量从高到低依次为云南红豆杉、欧洲红豆杉、红豆杉。
红豆杉植物样品经过预处理，再用有机溶剂提取，然后用液-液萃取法、固相萃取法、CO2超临界流体萃取法等方法进行萃取，再经过柱层析法、薄层色谱法、沉淀法、胶束电动毛细管色谱法、膜分离法、树脂吸附分离法、高速逆流色谱法、化学反应法、药理作用靶点法分离纯化。
1.2紫杉醇的全合成
紫杉醇分子结构复杂，具有特殊的三环[6+8+6]碳架和桥头双键以及众多的含氧取代基。
其全合成引起国内外许多有机化学家的兴趣。
先后共有30多个研究组参与研究，实属罕见。
经20多年的努力，于1994年才由美国的R.A.Holton[4，5]与K.C.Nicolaou[6]两个研究组同时完成紫杉醇的全合成。
R.A.Holton及其同事是最早从事紫杉醇合成的研究组之一。
他们成功地构建了紫杉烷骨架、首次合成天然紫杉烷类化合物Taxusin 2、以Baccatin Ⅲ衍生物3为原料半合成紫杉醇，该法已被BMS公司用于工业化生产紫杉醇。
因4的合成方法由I.Ojima等发展而来，故又称为Holton-Ojima法。
其特点是步骤少，收率高。
R.A.Holton的紫杉醇全合成路线以细致为特色。
其成功的主要原因是经历约10年时间对紫杉醇分子构象与反应性的深入研究以及对多种化学合成方法的改进和发展。
R.A.Holton以价廉易得的樟脑5为起始原料的线性合成路线如图1所示[7]。
1.3紫杉醇的半合成
图1 Holton的直线合成路线
半合成法指的是经过某些化学反应将红豆杉属植物中所含的紫杉醇类似物转化为紫杉醇。
由于Baccatin Ⅲ和10-deacetyl baccatin Ⅲ在植物中的含量相对较高，因而半合成的研究工作主要集中在对这两种物质的研究上。
法国Universite Joseph Fourier的J．N．Denis（1988）首次报道由10-deaeetyl-baccatin Ⅲ为原料半合成了紫杉醇[8]。
随后美国Holton教授和法国Potier教授分别申请了以baccatin Ⅲ为原料半合成紫杉醇的专利。
紫杉醇半合成前体10-deacetyl-baccatin Ⅲ是从欧洲红豆杉针叶中分离出来的，其含量可达0.1％。
由于针叶再生很容易，紫杉醇半合成可有较丰富的原料。
美国BMS公司计划在获得美国FDA批准后，立即用Holton教授的专利生产紫杉醇，并决定在1994年底停止从树皮中萃取紫杉醇的生产。
Holton和Potier都认为半合成是解决紫杉醇供应问题的一条很有希望的途径。
紫杉醇的半合成路线图解可参见文献[9]。
1.4真菌发酵生产紫杉醇[10]
1991年，美国Montana州立大学植物病理学家Gary Strobel和化学家Andrea Stierle检验了从20多个样点的25棵大树上分离出的200多个微生物，结果仅有一种真菌具有合成紫杉醇的能力，把该菌放在合成培养基中培养，发现该菌合成紫杉醇能力十分稳定，经鉴定是一个新物种，他们把该菌命名为安德列亚菌。
目前该菌合成紫杉醇能力只有24 ng/L～50 ng/L，科学家正在努力优化其发酵条件，并通过诱变和基因工程技术提高其合成紫杉醇能力。
尽管其产率很低，但由于真菌的基因操作比植物容易得多，因而有可能通过传统的方法和基因工程的方法来增加紫杉醇在真菌中的产量。
另据报道，我国西安一枝刘制药公司的研究人员从中国红豆杉树皮中分离出一种真菌，使其重组诱变，通过菌种优化培养，紫杉醇和Baccatin Ⅲ在培养液中的浓度均达到2×10-3g/L，有望实现产业化。
此外还有多种方法制备紫杉醇[11]：组织培养和细胞培养进展很快，但无法达到商业要求，所以目前只是扩大药源的潜在方法；基因工程—虽然利用基因工程提高细胞中紫杉醇含量是一条诱人的途径，但是由于紫杉醇生物合成的具体途径不甚清楚，加之紫杉醇合成可能需要多个基因（或一组基因）参与，所以还有待于进一步研究；通过杂交方法培育生长快，紫杉醇含量高的红豆杉新品种，以其为原料提取分离紫杉醇。
2紫杉醇的抗癌机理[12]
经过大量的药理学、生物学、医药学以及临床医学的研究，在霍唯滋（Horwitz）教授等发现了紫杉醇独特的抗癌作用机制以后，此领域才有了质的飞跃。
后来，美国费城Temple医药大学病理学与医药研究中心的汉瑞（Henry）博士及其同事对紫杉醇抵抗人体及啮齿动物癌细胞毒素反应和独特的作用机理进行了研究；加拿大Ottawa大学生命学院的拉夫瑞尔（Laferriere）和布朗（Brown）研究了紫杉醇对P19癌细胞胚芽的β-微管蛋白聚合及转移后修饰的作用机制；我国的顾斌等对多西紫杉醇单独或与巴马司他联合应用抗小鼠前胃癌转移的应用进行了研究。
结果表明：多西紫杉醇和BB-94均能抑制前胃肿瘤细胞侵袭，并具有穿过重组基底膜的能力，而且BB-94可增强多西紫杉醇的这种作用；另外多西紫杉醇还可抑制细胞在层粘连蛋白上的粘附作用。
紫杉醇可使微管蛋白和组成微管的微管蛋白二聚体失去动态平衡，诱导与促进微管蛋白聚合、微管装配，防止解聚，使微管稳定，从而阻止癌细胞的生长。
微管是真核细胞的一种组成成分，它是由2条类似的多肽（α和β）为单位构成的微管蛋白二聚体形成的。
正常情况下，微管蛋白和组成微管的微管蛋白二聚体存在动态平衡，紫杉醇可使2者之间失去动态平衡，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝，抑制了细胞分裂和增殖，使癌细胞停止在G2期和M期，直至死亡，进而起到抗癌作用。
体外研究表明：紫杉醇对微管的结合具有依赖性和可逆性，尤其结合到N-端微管蛋白的β-亚单位上，这一作用降低了聚合所需的微管蛋白的浓度，使动态平衡向着微管装配的方向移动，增加聚合的速率与产量。
紫杉醇诱导形成的微管较短，并且比不用紫杉醇时正常形成的微管屈回性约大10倍。
另外，紫杉醇抑制有丝分裂所必需的微管网的正常动态再生，会防止正常的有丝分裂纺锤体的形成，导致染色体断裂并抑制细胞复制和移行。
紫杉醇改变了细胞的有丝分裂过程，使有丝分裂持续的时间从0.5 h增加到15 h，并抑制细胞质分裂。
这导致形成多核细胞，这些多核细胞继续回复到G1期，然后试图再次进行有丝分裂，但在有丝分裂中没有阻止细胞；在许多细胞中还观察到微核。
抑制纺锤体的形成似乎与这种不正常的有丝分裂有关。
体内试验中，紫杉醇对动物移植性癌B16、lewis肺癌、P388和C38等都有较强的生长抑制。
对KB细胞和L1210细胞集落形成的抑制强度超过长春新碱与秋水仙碱。
进一步的研究还发现紫杉醇还可调节体内的免疫功能，通过作用于巨噬细胞，导致癌坏死因子TNF-α受体的减少以及TNF-α的释放，还可促进白细胞介素IL-1等及干扰索IFN-α、IFN-β的释放，对癌细胞起杀伤或抑制作用。
3 紫杉醇的不良反应[13]
1979年纽约爱因斯坦医学院何瓦兹教授与研究生谢夫发现紫杉醇药抗癌机理是紫杉醇与细胞中骨骼纤维的微蛋白结合，阻止细胞分裂而达到治疗效果。
紫杉醇药效好，但毒性也大，对体内细胞的损伤，使得其副作用也凸显出来，主要表现在掉头发、白血球下降、免疫力减弱、精神恍惚、视力模糊等。
有关的病理反应主要有：（1）过敏反应。
紫杉醇引起的过敏反应多数为I型过敏反应，包括支气管痉挛引起的呼吸困难、荨麻疹和低血压以及面部潮红和皮疹，发生率高达34.7％，严重反应通常发生于用药2 min～3 min内，多数患者发生于首次或第2次用药时，停药后可完全恢复。
（2）骨髓抑制。
当剂量增加时，紫杉醇对骨髓抑制的程度也随之加重。
主要表现为白细胞减少，发生率达65％。
通常发生于治疗后8 d～10 d，且常于15 d～20 d完全恢复。
（3）心脏毒性。
紫杉醇可以引起心律失常，主要表现为无症状性心动过缓，多数发生于药物滴注期间。
可能是紫杉醇影响心脏的自主节律与心脏传导有关。
（4）神经系统毒性。
紫
杉醇可引起周神经病变，发生率为30 1％，主要表现为感觉神经障碍，如呈手
套型与长袜型分布的麻木与感觉异常。
症状的严重性随剂量增加而加，亦是临床限制剂量增加的又素。
另一严重的精神症状是癫痫大发作，但较少见，在应用紫杉醇治疗卵巢癌和乳腺癌的病例中发生过。
（5）关节及肌肉痛。
紫杉醇化疗后肌痛、关节痛较明显，发生率为61.3％，且有10％的为重度疼痛。
主要累及手臂和下肢关节，常出现于用药后2 d～3 d内，几天可恢复。
关节痛／肌肉痛的发生率和严重程度表现为剂量依赖。
（6）胃肠道反应及肝脏毒性。
胃肠道反应以恶心、呕吐较常见，有的病例出现食欲减退，腹泻等不良反应，肝功能损害主要表现为胆红素升高、碱性磷酸酶升高以及血清转氨酶升高，且肝功能的改变与紫杉醇的剂量相关。
（7）其他不良反应。
脱发见于大部分患者。
使用大剂量时可发生黏膜炎和口腔溃疡。
少数病例可发生毛囊炎、静脉炎以及中性粒细胞减少性小肠结肠炎。
综上所述，建议对紫杉醇的过敏反应保持高度警惕，接受紫杉醇化疗患者治疗前应服用皮质类固醇或苯海拉明作为预防用药，化疗期间密切观察呼吸、心律、血压，化疗后发现异常及时处理。
紫杉醇的主要剂量限制性毒性为骨髓抑制。
4展望
紫杉醇的研究方兴未艾，具有重大的社会价值和经济效益。
目前，癌症越来越严重地威胁着人类的生命。
在美国，每年约有3万名妇女被确诊为卵巢癌，每年死于此病的人数达1.2万人，每年因患晚期乳腺癌而死亡的美国妇女达4.5万
人，每年因肺癌死亡的美国人达10万人!在加拿大，每年有1~5万人患乳腺癌，每年死于此病的人数为5200人。
由于紫杉醇供不应求，美国1991年仅有1000名晚期卵巢癌患者有幸用紫杉醇治疗。
1993年的紫杉醇产量也只能治疗4000名癌症患者，因此紫杉醇缺口还相当大，可以预期，随着紫杉醇的半合成，从人工栽培的红豆杉枝叶中提取紫杉醇和红豆杉细胞及产紫杉醇真菌大量培养等技术的发展和完善，将会逐渐解决紫杉醇的来源问题，而对紫杉醇类似物的深入研究，将会生产出高效低毒的新抗癌药。
紫杉醇不仅是继阿霉素和顺铂后的热点抗癌新药，而且是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。
由于天然植物红豆杉中紫杉醇的含量较低，且从红豆杉中提取紫杉醇可能会使红豆杉物种生存受到威胁，因此，利用半合成、全合成、生物合成、真菌发酵、植物组织细胞培养等技术手段获得紫杉醇的研究工作，已取得了较大的进展，目前已有人工栽培，真菌发酵、植物组织细胞培养等获取紫杉醇的技术，有望在短期内实现商品化。
同时利用植化和药理手段分离、筛选高效低毒的紫杉醇类化合物仍然是一个很有潜力的研究方向。
上述几种紫杉醇技术开发的成功，可大大缓解人们对红豆杉的依赖，避免人为造成红豆杉属植物的物种的生存危机，有效降低紫杉醇应用成本，为临床的广泛应用提供了可能。
同时随着制剂技术的发展，新型脂质体、磁性微粒制剂等新型靶向给药系统的相继开发，以及利用单克隆抗体结合物进行靶向给药，可以进一步提高药物的靶向性，从而为紫杉醇的肿瘤化疗开辟新的途径。
参考文献
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