大自然的饋贈—紫杉醇

王麗麗 王宏蕾

自然界是一座巨大的寶庫，有的因?yàn)槭褂脙r值而被人們熟知，有的因?yàn)槭秤脙r值而被人們銘記，有的則因?yàn)樗幱脙r值而被人們認(rèn)識……人們很早就認(rèn)識到某些植物具有對抗疾病的功效，許多現(xiàn)代藥物的發(fā)現(xiàn)也都源于對植物的深入研究，如作為西藥鼻祖的嗎啡、阿司匹林等。可以說，植物為現(xiàn)代藥物的研發(fā)提供了不竭動力和源泉。

但是，從植物中發(fā)現(xiàn)有藥用價值的物質(zhì)是一個漫長的過程，從最初發(fā)現(xiàn)及開始研究，到最終獲得并臨床應(yīng)用，中間可能需要經(jīng)歷一二百年。今天，以紫杉醇這種來源于植物紅豆杉的化療藥物為例，我們就來了解一下個中的曲折與不易。

一、植物中的活化石

紅豆杉也稱紫杉、赤柏松，為紅豆杉科紅豆杉屬一種常綠喬木或灌木，植株高可達(dá)30米。其種子成熟后，外面有鮮紅色的杯狀假種皮包被，宛如南國的“相思豆”，故得名“紅豆杉”。根據(jù)生長地區(qū)及形態(tài)特征的不同，全世界范圍內(nèi)共有紅豆杉11種，分布于北半球的溫帶至熱帶地區(qū)，我國有5種（4種及1變種），分別是西藏紅豆杉、云南紅豆杉、東北紅豆杉、紅豆杉及南方紅豆杉。

紅豆杉是第四紀(jì)冰川后遺留下來的56種瀕危物種植物中最珍稀的藥用植物之一，在地球上已有近250萬年的歷史，被稱為植物界的“活化石”。在自然條件下，紅豆杉生長速度緩慢、再生能力差，一般成樹要生長近百年時間，自然分布極少。因此，全球42個分布有紅豆杉的國家均稱它為“國寶”，將之列為國家一級重點(diǎn)保護(hù)植物；與此同時，聯(lián)合國也明令禁止采伐。1994年，野生紅豆杉被列為中國一級珍稀瀕危保護(hù)植物，成為名副其實(shí)的“植物大熊貓”。

紅豆杉也是我國傳統(tǒng)的中藥材，其果實(shí)、樹皮、樹根、枝葉均可入藥。根據(jù)其藥效功用和歷代文獻(xiàn)的記載加以規(guī)范、歸納，紅豆杉的性味和歸經(jīng)可概括為：味甘、微苦，性平，入肺、胃、大腸經(jīng)。紅豆杉在古代有紫杉、杉、赤杉等名稱，《本草綱目》記載：“煮水浸捋腳氣腫滿。服之，治心腹脹痛，去惡氣。治風(fēng)毒奔豚，霍亂上氣，并煎湯服?！眳㈤喯嚓P(guān)文獻(xiàn)，可將紅豆杉的功效歸納為解毒散積、活絡(luò)止痛、利尿消腫、化食驅(qū)蟲。主治包括：①用于毒邪內(nèi)蘊(yùn)所致的各種疾患。②用于脾胃升降失常所致的胃脘疼痛、大便秘結(jié)。③消食和胃，用于治療氣滯血瘀所致的食積、納呆。本品可與山楂、神曲、麥芽等配伍使用。④改善睡眠、調(diào)節(jié)血壓，用于肝胃不和所致的急躁易怒、失眠多夢、胸脅悶痛、頭痛、牙疼、痛經(jīng)等病癥。⑤具有通經(jīng)利尿之功，用于治療水腫、糖尿病等病癥。⑥用于痔瘡腫痛出血。本品可與龍膽草、黃連等配伍使用。⑦用于治療蛔蟲病、絳蟲病。本品具有驅(qū)蟲之功效，可與使君子、南瓜子、檳榔配伍使用。⑧用于治療牛皮癬等皮膚病。

二、紫杉醇的發(fā)現(xiàn)

1856年，德國科學(xué)家從歐洲紅豆杉的葉中提取出一種白色混合物—taxine，自此開啟了關(guān)于紅豆杉藥用價值的現(xiàn)代研究。1958年，美國國立癌癥研究所（NCI）與美國農(nóng)業(yè)部（USDA）聯(lián)合啟動了一個項(xiàng)目，由農(nóng)業(yè)部負(fù)責(zé)向NCI提供植物樣本用于抗癌藥物的篩選。1962年，就職于農(nóng)業(yè)部的植物學(xué)家Barclay從美國華盛頓采集了太平洋紅豆杉植物樣本，并將其送到NCI進(jìn)行有效成分的提取和活性篩選。就此樣本，研究人員于1964年發(fā)現(xiàn)紅豆杉樹皮樣品對KB細(xì)胞有毒性，進(jìn)一步的重復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該提取物具有抗癌活性。之后，美國北卡羅來納州三角研究所的Wall博士與Wani博士開始用活性追蹤實(shí)驗(yàn)對太平洋紅豆杉樹皮進(jìn)行有效成分的提取和分離工作；在1966年9月，他們分離提純得到了一個有抗腫瘤活性成分，并于1967年6月將該單體成分命名為紫杉醇（Taxol）。

雖然研究人員通過分離得到了紫杉醇，但它的結(jié)構(gòu)卻一直無法確定—直到1971年Wall博士與Wani博士以及美國杜克大學(xué)的晶體學(xué)家McPhail博士利用核磁共振技術(shù)和單晶X衍射，才最終確定了紫杉醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)。紫杉醇的結(jié)構(gòu)分為兩部分：基本骨架部分是一個紫杉烷類的三環(huán)二萜；側(cè)鏈包括三個芳香環(huán)和一個環(huán)氧丙烷環(huán)（圖1）。如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也只有大自然才能創(chuàng)造！

自此，針對紫杉醇的研究開始集中到抗癌活性上。臨床前的試驗(yàn)陸續(xù)證明，紫杉醇具有良好的抗癌活性；研究人員還相繼發(fā)現(xiàn)紫杉醇對KB細(xì)胞、白血病、肉瘤癌、黑色素瘤B16等具有很好的活性。1979年，美國分子藥理學(xué)家Horwiz博士揭示了紫杉醇的抗腫瘤作用機(jī)制：紫杉醇能與微管蛋白結(jié)合并促進(jìn)聚合，抑制癌細(xì)胞有絲分裂，進(jìn)而有效阻止癌細(xì)胞增殖。紫杉醇是第一個被發(fā)現(xiàn)能與微管蛋白聚合體相互作用的藥物，其特殊的抗腫瘤機(jī)制使紫杉醇成為非常有潛力的抗腫瘤候選藥物。經(jīng)過動物毒理實(shí)驗(yàn)及相關(guān)臨床試驗(yàn)的研究，1992年，美國FDA批準(zhǔn)紫杉醇用于晚期卵巢癌的治療。此后，紫杉醇在中國、英國、法國、日本等40多個國家獲批上市，被譽(yù)為“抗癌三大首選藥”之一。

三、紫杉醇的合成

天然紫杉醇的來源有限，促進(jìn)了紫杉醇的人工合成。由于早期紫杉醇需從來源稀少的太平洋紅豆杉中提取而來，而紫杉醇在紅豆杉樹皮中的含量極低，大約13.6 kg樹皮才能提取出1 g左右的紫杉醇，相當(dāng)于治療一個卵巢癌患者需要3～12棵百年以上的紅豆杉，這對紫杉醇的來源提出了挑戰(zhàn)。為避免紅豆杉資源的枯竭和大肆砍伐紅豆杉對環(huán)境的破壞，世界各國化學(xué)家開始尋找可以替代天然紫杉醇的合成方法，不再依賴紅豆杉。

紫杉醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這決定了紫杉醇的合成絕非一朝一夕之事。經(jīng)過一代代科學(xué)家持續(xù)不斷的努力，最終探索發(fā)現(xiàn)了多種合成紫杉醇的方法，主要有全合成、半合成和生物合成法。其中，由于紫杉醇全合成方法步驟多、產(chǎn)率低、反應(yīng)條件苛刻等，導(dǎo)致成本高而無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。真正讓紫杉醇化學(xué)合成進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的方法是半合成途徑。1988年，法國科學(xué)家首次報(bào)道了以一種叫10-DAB的物質(zhì)為原料半合成紫杉醇的研究成果。依托這一研究，美國施貴寶公司在獲得美國FDA批準(zhǔn)后，開始利用半合成方法生產(chǎn)紫杉醇，并決定在1994年底停止從樹皮中萃取生產(chǎn)紫杉醇。

以上兩種方法在一定程度上都依賴于紅豆杉資源，為了打破這個僵局，科學(xué)家們還在開辟生物合成的新途徑，即利用生物工程手段大量培養(yǎng)可以生產(chǎn)紫杉醇的紅豆杉植物或細(xì)胞，或者通過基因操作提高紫杉醇合成酶編碼基因的表達(dá)從而提高紫杉醇的產(chǎn)量，但均未實(shí)現(xiàn)突破。2024年1月26日，學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表了我國科學(xué)家的最新研究成果：研究發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中的兩個缺失的關(guān)鍵酶，闡明了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子（紫杉烷氧雜環(huán)丁烷）的形成機(jī)制，打通了紫杉醇生物合成途徑。該研究是植物代謝生物學(xué)與合成生物領(lǐng)域的重大突破，為利用合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫杉醇的綠色可持續(xù)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

四、對紫杉醇的探索仍在繼續(xù)

紫杉醇具有良好的抗腫瘤特性，在癌癥的治療中一直發(fā)揮著舉足輕重的作用，廣泛應(yīng)用于乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌等的治療，是惡性腫瘤化學(xué)治療的基石性藥物。不過，由于紫杉醇的水溶性差，傳統(tǒng)紫杉醇注射劑往往以聚氧乙烯蓖麻油和無水乙醇的混合液作為溶劑以增加溶解性，但易引起過敏反應(yīng)。因此，科研人員一直在探索各種新型制劑，比如，現(xiàn)國內(nèi)外已經(jīng)成功研制多種紫杉醇新型釋藥系統(tǒng)，如注射用紫杉醇脂質(zhì)體、注射用白蛋白結(jié)合型紫杉醇、注射用膠束化紫杉醇等。新型制劑在改善治療效果、方便臨床用藥方面作用顯著，同時也減輕了傳統(tǒng)劑型的毒副作用。隨著藥劑學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信會有更多新型紫杉醇制劑進(jìn)入臨床，為患者帶來福音。