紫杉醇研究进展

紫杉醇的研究进展 1.概述 紫杉醇是从紫杉(Taxus brevifolia)树皮中所提得，是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物。1971年由 Wani 等首先从短叶红豆杉中提取分离出来。于1992年12月紫杉醇被FDA批准上市，目前紫杉醇已成为世界公认的强活性广谱抗癌药物。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。已成为目前全球销售量排名第一的抗肿瘤药物。它的作用方式和药理及临床特性均具有独特之处,被称癌症化疗上的新突破。 紫杉醇，英文名称 Paclitaxel，别名泰素，紫素，特素，化学名称 5β，20-环氧-1，2α，4，7β，10β，13α-六羟基紫杉烷-11-烯-9-酮-4，10-二乙酸酯-2-苯甲酸酯-13[（2’R，3’S）-N-苯甲酰-3-苯基异丝氨酸酯]，分 子 量 853.92，分 子 式C47H51NO14。熔点为 213~216℃。紫杉醇具有高度亲脂性,不溶于水,血浆蛋白结合率 89%~98%,终末半衰期平均值为 5.3~l7.4h, 主要经肝脏代谢,肾脏清除仅 5%。[1] 结构式如下：

2紫杉醇的药用植物资源及药源植物中有效含量研究 红豆杉为红豆杉科植物,也称紫杉,全世界约有11种,主要分布于北半球,我国有4种1变种,主要分布于甘肃、陕西、安徽、湖北、湖南、广西、贵州、四川、云南等省区[2-3]。研究表明[4],植物中紫杉醇含量在万分之二以下,极其低微。短叶红豆杉树皮中紫杉醇含量最高,其次为中间红豆杉树皮;东亚产四种红豆杉中,云南红豆杉枝叶中紫杉醇含量最高东北红豆杉和美丽红豆杉次之,短叶醇含量则以短叶红豆杉叶最高,东北红豆杉及云南红豆杉次之。植物中紫杉醇的含量极低,从植物中提取不能满足临床需求,因此大力种植红豆杉、植物细胞培养、化学合成等是解决紫杉醇来源的重要方法。仇燕等[5]研究了对数期继代对南方红豆杉细胞培养动力学的影响。其结果表明,对数期继代细胞吸收碳源和硝态氮早于静止期继代的细胞,且前者的生长速度是后者的1.5倍,紫杉醇含量提高了近4倍。进行紫杉醇的半合成也是获得紫杉醇的途径之一。韩小燕等[6]对半合成紫杉醇类化合物的关键步骤-10-去乙酰基巴卡亭(10-DAB)的羟基保护反应进行了研究。结果表明,利用氯甲酸(2,2,2-三氯)乙酯作为羟基保护基,获得7,10-二(三氯乙氧碳基)-10-去乙酰基巴卡亭(7,10-di(troc)-10-DAB)的反应为连串反应,受时间和温度影响较大。当反应温度为80e,反应时间为2 h,目的产物7,10-di(troc)-10-DAB的反应选择性最好。上述对紫杉醇合成的研究,不仅可以保护稀有的植物资源而且也大大缩短了生产周期。虽然这方面的研究取得了不少成果,但目前进行紫杉醇的大规模工业化生产还有一定难度。[2-6]

3. 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C17H51NO14,相对分子质量为853.92。紫杉醇的化学结构。

3.1 C-13位侧链的化学结构对抗癌活性的影响: 紫杉醇分子中的C-13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C-13位构型由A改为B,则活性下降近20倍,若侧链与C-14位连接,则细胞毒作用较紫杉醇降低10倍。C-2c(R)和C-3c(S)是活性的必需构型,同时C-2c位的游离羟基也是必要的。C-2c羟基被B-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C-2c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;C-3c苯基若被甲基取代则活性降低19倍;C-3c羟基若被NH2基取代,活性消失。C-13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C4-OAc、C3c-Ph和C2-OBz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(相当于极性环境中)紫杉醇及其类似物分子中的C-13侧链、C4-OAc、C3c-Ph和C2-OBz基组成疏水区,疏水区形成/伞型腔穴0,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C-3c苯基和C-2c羟基经肽末端以及蛋白质的极性功能团部分与C-2c羟基之间直接作用稳定了药物-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,C-3c或C-2c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。 3.2 C2-OBz对抗癌活性的影响: 大量的研究证实,去掉C2-OBz后,紫杉醇的活性基本丧失。当苯基换成对位苯基取代时,活性显著降低。1.3 C-4、C-5、C-20位上的B氧杂环丁基对抗癌活性的影响:研究表明,当四元氧环打开,形成D裂环紫杉醇时,其细胞毒作用和稳定微管活性丧失。当四元氧环打开后与2A-OH形成具有5-OH基的呋喃环时,活性显著降低。 3.3 C7-B-OH对抗癌活性的影响: C7-B-OH的乙酰化物、木糖苷产物和差向异构体的活性均不及紫杉醇;C-7与C-19甲基形成环丙烷,则活性仅为紫杉醇的1/2;若C7-B-OH氧化成酮,或将C-7和C-2c羟基同时氧化成酮,则活性显著降低;但C-7位去羟基后,其体外活性是紫杉醇的40倍。1.5 C10-乙酰氧基对抗癌活性的影响:研究者分别合成了10-去乙酰氧基紫杉醇和10-去乙酰氧基紫杉醚,并发现10-去乙酰氧基紫杉醇对促进微管聚合速度比紫杉醇快,但抑制人结肠癌细胞活性与紫杉醇相似;而10-去乙酰氧基紫杉醚比紫杉醚活性高300倍。研究证明,紫杉醇的C10-乙酰氧基水解为C10-羟基对活性无大影响。[2]

4. 抗肿瘤机制 4.1促进微管聚合。 微管由 α、β 两条微管蛋白构成,微管在维持正常细胞功能,包括有丝分裂过程中染色体移动、细胞形成调控、激素分泌和细胞受体的固定等方面具有重要作用。微管蛋白系统可影响微管蛋白的装配和解聚,从而导致微管束的排列异常,形成星状体,使纺锤体失去正常功能,导致瘤细胞死亡。在正常情况下, 微管和微管蛋白二聚体之间存在动态平衡,TAX 可与微管蛋白的特异性位点结合并促进微管的聚合,影响微管的功能,并且在抑制细胞有丝分裂时不影响肿瘤细胞遗传物质的合成,不损伤 DNA分子。TAX通过促进微管聚合,形成稳定的微管聚合物并抑制其解聚, 从而使游离的微管数量显著减小, 抑制纺锤体向两极分离,进而抑制增殖细胞的有丝分裂,延长细胞的有丝分裂过程,导致有丝分裂终止,使细胞周期阻滞于G2/M 期并诱导细胞凋亡,最后导致肿瘤细胞死亡。TAX与微管蛋白 N 端第 31 位氨基酸和第 217~ 第 231 位氨基酸结合具有依赖性和可逆性,诱导形成的微管较短,屈回性增大。微管网的正常动态再生影响有丝分裂过程,致染色体断裂,细胞复制和移行能力下降,广泛细胞核损伤,胞质分裂受抑,形成多核细胞。 4.2 诱导细胞凋亡及体内的免疫调节功能 一般认为,TAX 对有丝分裂和细胞凋亡的影响均与其细胞毒活性相关。其可能机制是 TAX下调bc12 蛋白、上调 baX 蛋白,诱导 bc12 磷酸化,使其失去抗凋亡能力,bcl2 与 bax的结合能力下降,游离 bax 或 bax 同源二聚体浓度升高,诱导肿瘤细胞凋亡, 并且使其细胞凋亡发生于细胞分裂高峰期。TAx通过作用于巨噬细胞,导致肿瘤坏死因子 α(TNF- α)受体减少以及同时促进白细胞介素 1 (IL- 1) 等及干扰素(IFN.α),IFN- β 的释放,从而抑制或杀伤肿瘤细胞。 4.3抑制血管生成。 肿瘤血管减少与肿瘤细胞凋亡、坏死相关。TAX 的抗血管作用是由于改变细胞周期的分布,使细胞阻滞于G2/M期,并可能在此期诱导其凋亡。杀灭肿瘤所引起的肿瘤细胞促血管生成作用的减少是由于杀灭肿瘤细胞引起。TAX能明显抑制 Met- 1 乳腺癌细胞表达血管内皮细胞生长因子,下调实体瘤内的微血管曲度和微血管密度, 他们认为抗血管生成可能是 TAX的另一作用方式。TAX具有显著的抑制血管生成作用, 其机制可能是通过抑制血管内皮细胞生长因子来抑制内皮细胞的运动和迁移,从而抑制新血管生成。 5 临床应用 紫杉醇抗肿瘤谱较广, 对多种耐药肿瘤细胞株有效,主要用于卵巢癌、乳腺癌、小细胞性和非小细胞肺癌、头颈部肿瘤的治疗,对食道癌、鼻咽癌、膀胱癌 、淋巴癌、前列腺癌、成分及药材标准研究恶性黑色素癌及胃肠道癌也均有显著效。紫杉醇单独或联合用药对非小细胞肺癌,小细胞肺癌,头颈部肿瘤,急性白血病等也有较好的疗效。另外,肿瘤在临床上常采用联合疗法来进行治疗,近年来,将紫杉醇与其他药物联用治疗肿瘤的报道较多, 为紫杉醇的临床应用提供了新方法与新的思路。此外,紫杉醇还有一定的肿瘤放疗增敏剂的作用。泰索帝与顺铂联用对晚期非小细胞肺癌有较好的疗效[8] 6.展望与结束语 目前，癌症越来越严重地威胁着人类的生命。紫杉醇以其独特的作用机理作用于微管蛋白而发挥抗癌作用. 已成为抗癌市场的主力军, 其独特的抗肿瘤机制越来越受到世界各国的关注。对其进行构效关系和化学结构修饰、优化研究,以求寻找更高效、低毒、抗癌谱广、综合性能好又不依赖自然资源的新一代紫杉醇类抗癌药具有重要意义。由于紫杉醇供不应求，只有少数患者有幸使用紫杉醇治疗。随着对该类药物需求量的日益增加，其来源已逐渐成为制约整个产业发展的瓶颈。据国外咨询公司推测和预测，到2012年，全球紫杉醇原料药总消耗量将达1078kg。国际市场紫杉醇原料药的供应缺口约在300～400kg。因此紫杉醇缺口还相当大，可以预期，随着获取紫杉醇技术的发展和完善，将会逐渐解决紫杉醇的来源问题，有望在短期内实现商品化，有效降低紫杉醇应用成本，为临床的广泛应用提供了可能。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色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。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。