紫杉醇的应用及其研究的进展

紫杉醇的应用及其研究的进展

摘要：紫杉醇是当前乃至未来十几年间理想的抗癌药物，它的研究一直受到很多人关注。紫杉醇分子是一个极其复杂的四环二萜类化合物，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，达到阻止癌细胞生长的效果。紫杉醇的生产有化学半合成、红豆杉细胞悬浮培养、直接从红豆杉科植物中分离提取及微生物发酵。紫杉醇对卵巢癌、乳腺癌、食管癌、肺癌等多种晚期癌症有不错的疗效，对它的研究有着深远的意义。

关键字：紫杉醇药理机制获取途径医疗应用

一．紫杉醇的简介

紫杉醇是美国北卡罗莱纳州三角研究所的Wall博士和Wani博士于1967年发现的。之后，他们又从太平洋红豆杉中分离出了这种化合物并发现它具有广泛的抗恶性肿瘤作用[1]。1970年这两位科学家通过x射线衍射分析测定了紫杉醇的结构，并在1971年发表了这一研究成果。紫杉醇分子是一个极其复杂的四环二萜类化合物：1个紫杉烷环加1个4元素组成的氧烷环，在C-2和C-13上还分别有一个苯氧基和酯基侧链[2]。紫杉醇是一种新型抗癌药物，它的作用模式是经过促进微管聚合，并稳定微管并抑制其解聚，目前已经被广泛用于治疗卵巢癌、肺癌和乳腺癌。

紫杉醇早在2O世纪6O年代就被证实是一种具有丰富功能的药物，只要分离于红豆杉。但是红豆杉生长非常缓慢且紫杉醇含量极低，从树皮中分离紫杉醇相当困难。我国为了生产紫杉醇，导致红豆杉野生资源遭到严重破坏．紫杉醇含量很低，目前公认含量最高的短叶红豆杉干树皮中也仅有0．060%—069%[3]，而且红豆杉生长不仅缓慢，还需要苛刻的自然环境。目前国际市场上的紫杉醇仍依靠从红豆杉树皮提取及半合成，迄今为止尚未见有第三种形式形成大规模工业化生产的报道。紫杉醇的工业生产受到了原料和技术两方面的制约，短期内难以突破。为了解决红豆杉资源短缺与紫杉醇需求量的日益增加的矛盾，人们对生产紫杉醇进行了多方面的研究，包括化学合成、红豆杉细胞培养及微生物发酵。紫杉醇的提取或生产日益成为许多国家研究的热点，人们希望能找到一条既能满足对紫杉醇需求又不危及红豆杉生存的途径。获取紫杉醇途径归结为以下几种：植物组织培养途径、红豆杉的人工种植途径、生物合成途径、化学合成及微生物生产途径。

二．药理作用机制

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[4]。微管是真核细胞中的一种组成成分，微管蛋白二聚体是它构成单位。一般条件下，微管蛋白和组成微管的微管蛋白二聚体存在于一个动态平衡，但是二者可在紫杉醇的作用下失去原有的动态平衡，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝，达到抑制了细胞分裂和增殖，使癌细胞停止在G2期和M期的效果，直至死亡，进而起到抗癌作用。

有相关的体外研究表明：紫杉醇对微管的结合具有依赖性和可逆性，这一作用可以降低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，从而增加了聚合的速率与产量。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大10倍左右。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，可以增加分裂周期，使有丝分裂持续的时间从0．5h增加到15h[5]，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、肺癌、P388和C38

等都有狠强的生长抑制作用。紫杉醇对KB细胞和L1210细胞集落形成的抑制作用超过长春新碱与秋水仙碱的抑制作用。国外某组织做了一个调查，在14名患急性髓性或淋巴细胞白血病的病人中，经过紫杉醇治疗前后，自然死亡的带有DNA链段裂特征的单核细胞比例有很大增长。人类实体癌细胞株与紫杉醇一起孵育，也观察到细胞自然死亡。自然死亡的人肝癌或乳腺癌细胞株的百分率，随紫杉醇浓度的增加而上升[6]。

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 一α受体的减少以及TNF—α的释放，还可促进白细胞介素IL一1等及干扰索IFN—α、IFN—β的释放，对癌细胞起杀伤或抑制作用，达到抗癌的效果。

三。紫杉醇的获取主要有以下几种方法

1.直接从红豆杉科植物中分离提取

紫杉醇含量与红豆杉的种、部位、生长年限、生长环境等因素息息相关。从树种层面上看，在所有红豆杉中短叶红豆杉中的紫杉醇含量最高；从生长时间上看，生长时间越长的器官或组织紫杉醇含量越高；从生长环境上看，生长在阴处的树皮比暴露在日光下的高；就部位来看，一般树皮中紫杉醇含量较高，短叶红豆杉树皮中紫杉醇含量可达0．069% 。据估算，从2 000- 3 000棵稀有的紫杉树皮中只能提取1 kg左右的紫杉醇，而对1病人制备充足的药物需3～4棵百年的老红豆杉树[7]．自紫杉醇药效发现以来，红豆杉资源遭到毁灭性开发，有些种系濒临灭绝．因此，利用人工种植的红豆杉代替野生红豆杉成为必然．这要求人工栽培的红豆杉品种紫杉醇含量高、生长迅速．因此，人工种植该品种生产紫杉醇的成本不会低，但是，选育优良品种提取紫杉醇无疑是一个有价值的研究方向．

2.直接从紫杉醇产生菌中提取

紫杉醇产生菌主要是一些红豆杉的内生真菌．真菌中最高紫杉醇含量为185．4毫克每升，由此可见，当前利用微生物发酵方法产生紫杉醇的的得率是相当低，难以达到工业化生产的要求．要进行工业化生产，至少要达到mg级水平。因此，提高真菌发酵液中紫杉醇的产量是今后研究工作的重心。高产菌种选育、优化培养条件将是提高紫杉醇产量的有效途径。随着紫杉醇生物合成途径的逐渐明了，充分应用现代生物学技术，对能够产紫杉醇的内生真菌进行遗传改造，构建高产量工程菌株，提高紫杉醇的产量，是提高紫杉醇产量最有效、也是必然的途径，到时将实现紫杉醇的微生物发酵法生产，从而既解决了紫杉醇的药源问题，改善目前市场上紫杉醇价格昂贵、供不应求的现状，又可保护濒临灭绝的珍稀红豆杉树种。通过微生物手段来生产紫杉醇，有着很好的前景。目前，对微生物途径工程产紫杉醇的研究相对进展较慢，原因是目前还存在生物合成途径的多样性、代谢网络的复杂性、基因表达调控的未知性等问题[8] ，但随着产紫杉醇内生真菌和相关基因进一步的深入研究，必能提高紫杉醇产量。

3.化学合成法

化学合成是生产药物的一条重要途径，许多天然药物(如一些抗生素)除了可从生物体内提取外，还可通过化学的方法合成．紫杉醇的药效被发现以来，其化学合成的方法一直受到重视并得到很多的研究探索。迄今为止，在生产上有价值的紫杉醇的全合成尚未取得成功。紫杉醇结构复杂，母核有9个手性中心，因此应有2 048个非对映异构体，1994年，Nincolaou等[9]运用逆合成分析法的战略全合成了紫杉醇，但是，需要22—25步，没有实用价值。紫杉醇的半合成是以天然来源的baccatinⅢ或10一去乙酰baccatinⅢ为原料，通过13位酯化得到紫杉醇或其它半合成衍生物。此法首先合成侧链，然后把侧链接到bacca—tinnl或10一去乙酰baccatinI]I上去。紫杉醇的半合成法的问题主要在于：1)合成原料在植物中含量不高，提取分离成本较高。2)每一步反应得率低，而且有时会碰到选择性较差的问题。所以，无论是全合成还是半合成，目前都取得了成功，但都难以应用于大规模的工业化生产。目前用紫杉醇-7-木糖苷进行处理的半合成法比较常见。以紫杉醇-7-木糖苷为原料，半合成制备紫杉醇是一个普遍采用的方法，比如有Semith等[10]曾经采用酶法，张宏杰[11]等采用盐酸水解和催化剂催化法合成。但目前化学合成大多只能从紫杉烷类物质合成，而紫杉烷类物质在红豆杉中含量很低，固其成本昂贵。

4.利用红豆杉细胞培养生产紫杉醇

红豆杉细胞的悬浮培养着方法目前来说可行性还是相对较高的。如果采用人工栽培，至少需要30年以上树龄的的红豆杉才能提取紫杉醇，周期长，成本也比较高。而细胞培养不仅能够连续均匀生产，生产条件可控，细胞的外部对其的影响不大，而且可以在生物反应器中大规模培养，易于提高产量和进行产物的分离提取纯化，是进行工业化生产的首选方法。在细胞培养方面，从1991年Christen 等[12]获得红豆杉细胞培养的第个专利以来，已经有9种红豆杉植物建立了细胞悬浮培养系统，培养技术也取得了很大的进展[13]。目前由红豆杉细胞悬浮培养生产紫杉醇还存在两个重要问题尚需解决：一是寻找并获得高紫杉醇含量的红豆杉细胞系。二是寻找并获得可以在大规模生物反应器中拥有良好的耐受性和高生长速度的红豆杉细胞系。目前很多学者将解决这两方面的问题主要寄托在通过对紫杉醇生物合成过程的充分探索和利用现代基因工程手段来对红豆杉在基因水平上进行改良，并且发展更好的细胞大规模培养方法。当前S．H．Son等[14]研制的种综合气升式和流化床反应器取得不小成果。

四。紫杉醇在治疗癌症上的应用

紫杉醇是目前国际上抗癌效果最好，广谱性强，副作用较小，是作用机制全新的一种理想抗癌药物。已经广泛的应用应用在多种癌症治疗当中。目前应用相对比较成熟的有以下一些方面：

1.在治疗卵巢癌方面，紫杉醇早已经是卵巢癌治疗得到首选药物了。经过了许多临床试验表明，不管是单一使用还是联合用药，都远好于传统化疗法治疗这种癌症。紫杉醇还可联合顺铂治疗晚期卵巢癌,紫杉醇是一种新型的具有抗微管作用的抗肿瘤药物[15]。

2.在治疗子宫颈癌方面，紫杉醇的地位没有像治疗卵巢癌那么重要，但是随着紫杉醇在这方面的应用的增加，它的地位也日显重要。在子宫颈癌治疗的研究有三方面：对于局限性晚期宫颈癌的先期化疗应用，晚期或复发性病例的治疗以及放射治疗的增敏[16]。

3.在治疗乳腺癌方面，紫杉醇的药效相对较高，单药效大于一半，在治疗此类的药物中药效算是较好的一种。为了更好的使用紫杉醇治疗乳腺癌，紫杉醇配合其他药物使用效果会更好，比如紫杉醇加表阿霉素治疗进展期乳腺癌效果令人很满意，不良反应相对较小，对既往蒽环类耐者仍有效，值得临床推广应用[17]。

4.在肝癌治疗方面，紫杉醇对SMMC-7721有着重要作用，可以抑制肝癌细胞的生长和增殖，并引起此类细胞出现细胞凋亡现象，达到控制并破坏肝癌细胞效果。紫杉醇对SMMC -7721 有诱导凋亡的作用[18]，达到治疗肝癌的效果。

紫杉醇的医疗应用远不止以上几个方面，还有治疗：局部晚期非小题细胞肺癌，晚期胃癌，食道癌等方面，都得到了广泛的应用。但是紫杉醇的使用也像其他药物一样存在副作用，只要有的不良反应有骨髓抑制，关节痛，肌肉痛，心脏毒性，神经系统毒性及胃肠道反应等[19]。但相对其他药物的副作用是较小的，很有应用价值，也是最容易被接受的。

五。前景及研究意义

当前紫杉醇的研究是要有两方面：一方面是在对紫杉醇的生产及获取方面的研究；另一方面是对紫杉醇的临床应用的研究探索。就目前的紫杉醇的全球需求量达3000kg或更多，但是全球产量远远打不到需求量。有专家推断，在未来15年内，紫杉醇会一直保持在供不应求的状态之上，并在未来10到15年间，紫杉醇将会是治疗癌症的最有效药物之一。由此可以看出对于紫杉醇的生产研究有着深远意义，其中存在巨大的经济价值。对于治疗方面的研究也是存在不小的价值。只要进一步寻找剂量的使用和疗效之间的关系，跟其他药物协同治疗癌症的研究和尽可能减小副作用等方面的研究。在剂量方面，现在研究学者对治疗癌症选用大剂量好还是选用小剂量好的问题上，还无法弄清楚。随着紫杉醇的研究的深入，相信在不久将来会给数以万计的癌症患者带来更大佳音。

参考文献

[1].郭志刚，紫杉细胞培养生产紫杉醇[EII／OL]。

[2].梁敬钰，闵知大，水野端夫，等。美丽红豆杉二萜的研究I：美丽红豆杉素A，B和C的结构测定[J]。

化学学报，1988，46(1)：21—25。

[3].方唯硕。紫杉醇的化学研究[J]。中国药学杂志，1994，29(5)：259-262。

[4].刘本叶，叶和春，等。抗癌新药紫杉醇的研究概况[J]。植物学通报，1995，12(3)：8-14。

[5].Diaz JF，Andreu JM．Assembly of purified GDP—tubulin into microtubules induced by Taxol and Taxotere：reversibility，ligand stoichiometry，and competition[J]．Biochemistry，1993，31(1)：27-47．

[6].Liebmann J，Cook LA，Lipschuitz C，et a1。The influence of Cremophor EL on the cell cycle effects of paclitaxel(Taxo1)in human tumor cell lines[J]．Cancer Chemother Pharmacol；1994，33(4)：331.

[7].翁开敏，贺全山。紫杉醇研究概况[J]。海峡药学，2002，14(2)。5—7。

[8].黄瑛，曾庆平．。中国生物工程杂志[J]。2006，26(1)：60—6。

[9].Nicolaou Ke，Yang Z，Liu J，at a1．Synthesis of TaxolEJ]．Nature，1994，367(64)：630．

[10].Senilh V，Blechert S，Colin M，et a1．Mise On evidence de nou—veaux analogues du taxol extraits de Taxus baccata[J]．J NatProd，1984，47(1)：131—137．

[11].张宏杰。中国科学院昆明植物研究所“紫杉醇半合成工艺”：CN1241565[P]。2000—1—19。

[12].Christen AA，Gibson DM ，Bland J．Production of taxol or taxoUike compounds in cell cultures．US Paten t，5019504．1991.

[13].孙彬贤，张国瑛，刘涤等。红豆杉细胞培养与紫杉醇生产。植物生理学通讯，1999，35(2)：135～140。

[14].Son SH，Choi SM ，Lee YH，et al．Large-scale growth and taxane production in cell cultures of Taxus cusrspidate (Japanese yew)using a novel bioreactor．Plant Cell Reports，2000，19(6)：628-633.

[15].王玉,黄洁华。紫杉醇联合顺铂治疗晚期卵巢癌的护理[J ] 。护理学杂志,2000 ，15(7) ：409～410。

[16].吴鸣。紫杉醇在妇科肿瘤治疗中的应用[N] 。教育学论文网。http :/ / www。 minaol 。 com/ gb/ art/ ttd/ detail- I。 asp ? auto-id = 1037。

[17].康欣梅，越文辉。紫杉醇联合表阿霉素治疗进展期乳腺癌的近期疗效观察[J ] 。实用肿瘤学杂志，2002 ，16(3) ：216～217。

[18].Novick M,et al 。 Burn scar carcinoma :a review and analysis of 46 cases[J ] .J Trauma ,1977 ,17 :809.

[19].李文军。紫杉醇不良反应文献综术[ J ] 。药物流行病学杂志，2002 ，11 (4) :187～188。