天然抗癌药物

天然抗癌药物研究进展一一紫杉醇齐强(陕西理工化学与环境科学学院应化专业S1201班级，陕西汉中723000)指导老师：曹小燕［摘要］:癌症是严重危害人类健康的一大顽固，近年来抗癌药物的研究取得了较大的进展。医学界在寻求和使用抗癌药物的同时，发现许多化学抗癌药物在作用于靶细胞时往往累积正常细胞，且临床上用语治疗肿瘤的化学药物大多数品种都有不同程度的致突变遗传毒性，为此治疗肿瘤的同时增加了病人患第二种肿瘤的可能性;但植物药的遗传毒性似乎不太明显，表明中草药在抗癌抗突变方面有独特的优势和广阔的应用前景。本文介绍了紫杉醇的抗癌机制、常规制备方法、指出细胞发酵法是紫杉醇绿色化生产的方向并对我国中药领域如何与世界接轨进行了思考。［关键词］：紫杉醇；天然抗癌药物；抗癌机制；半合成法；植物细胞发酵法引言：全世界60亿人口中，每年约新增800万癌症患者，600多万人死于癌症，几乎每秒钟就有一名癌症患者死亡。癌症严重地威胁着人类的生命和健康，因此寻找有效的抗癌药物成为研究的热点。抗癌药物物的研发是当今的一个世界课题，特别是从天然产物中筛选抗癌新药，已成为抗癌药物研发的热点。天然植物中，已知有许多次生代谢产物具有抗 c土癌作用，如喜树碱、长春花碱、三尖杉酷碱、 .罗十VO秋水仙碱等［1］。紫杉醇(taxol)如右图所示，是70 芙I顶，.尸斜尺，年代由Wani等从短叶红豆杉(Taxusbrevifolia) H商财树皮中取出来的具有抗癌作用的天然产物［2］，目前 # HO已进入第三期临床试验，是一非常有发展前途的抗 Crt人曰癌药物［3,4］。除紫杉醇外，从红豆杉属植物及同科的AustortxausPsicaat中还得到其它具有抗癌活性的生物碱及生物碱类化合物饥3］。1紫杉醇的临床研究历史早在1856年卢卡斯(Lucas)就从红豆杉(TaxusbaccataL)的叶中提取粉末碱性部分，但之后的一百多年间进展很慢，直到20世纪60年代光谱技术飞速发展才进行比较深入的研究。此间，日本和美国分别从东北红豆杉和浆果红豆杉中取得20多个新的紫杉烷类二萜化合物［14,15］。1971年美国化学家等从知叶红豆杉(Taxusbreuifilia)树皮中分离出抗癌活性紫杉烷二萜化合物“紫杉醇”，它的化学结构新颖，抗癌作用机理独特，经过临床药理和毒理实验，证明紫杉醇对晚期卵巢癌、转移性乳腺癌、黑色素瘤都有显著疗效，对难治性卵巢癌和转移性乳腺癌的治愈率达33.7%，有效率达75%以上，对治疗前列腺癌、胃肠癌、小细胞性和非小细胞性肺癌前景良好，是近年发现的最具抗癌效果的天然抗癌药物U6,17］。紫杉醇临床试验始于1982年，1989年完成了11期的临床，1990年进行III期临床，1992年12月29日美国FDA正式批准其作为晚期卵巢癌、肺癌、子宫癌等药物上市，该药从申报到批准只用了5个月时间，创造了美国新药审批时间最短记录。紫杉醇的上市立即成为全球性最热点的抗癌新药，并预测是在今后10-15年内抗癌的主要药品之一睥。2紫杉醇的抗癌机制紫杉醇的抗癌活性源于它能作用于细胞分裂过程中形成纺锤体的微管蛋白"21"与常用的其它纺锤体毒物如阻止微管聚集的长春花碱*、ervaafmine^、秋水仙碱。］等的作用相反。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。这样，紫杉醇的活性就表现在两个方面,第一，对于迅速分裂的肿瘤细胞,紫杉醇“冻结”有丝分裂纺锤体。从而使肿瘤细胞停止在G2期和M期，直至死亡；第二，紫杉醇抑制肿瘤细胞迁移。用紫杉醇处理的鼠成纤维细胞只能产生扁平足状突起和丝状假足，不能移动［25］o紫杉醇并非对所有的肿瘤细胞或株系都起作用。细胞是否对它敏感同细胞膜上是否存在磷酸化的135一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。由于其为憎水结构，紫杉醇应是以被动扩散的方式进入细胞。对不敏感的细胞，估计135-KD膜蛋白起一种将紫杉醇泵出胞外的作用［26］。3使用紫杉醇带来的自然资源问题自从发现紫杉醇具有抗癌作用以后，全世界的紫杉被大量砍伐。而紫杉只生长在海拔三、四千米以上的高寒地区，生长缓慢，三、四十年树的直径只有十几厘米。现在紫杉的资源已经很少，如果继续砍伐下去，紫杉就会灭绝。以目前的提取分离方法，这样大的供应量无疑会威胁到红豆杉和紫杉属植物的长期存留和地区分布，因此，采用各种手段寻找紫杉醇及其类似物的替代资源已成为当前的研究热点。4紫杉醇的半合成法和植物细胞发酵法［27］4.1半合成法上世纪90年代研发出的以天然物质脱酰基浆果赤酶素(10-deacetylbaccatinIII简称10-DAB)制造抗癌药紫杉醇的主要成分C45H51NO14的半合成法就是比较成熟的一种方法。10-DAB取自欧洲大陆常见的欧洲紫杉的叶子及小树枝，其分离过程并不会对树木造成重大伤害。1990年的技术比起上世纪60年代末期起用的自太平洋紫杉树皮分离仅含约0.0004%之paclitaxel而破坏200年才能长成之紫杉木的方式，已大幅降低对生态系统的不良影响。但是，半合成法的制造过程非常复杂，需要11道化学转换、7道分离步骤、使用13种溶剂、13种有机试剂及其它物质才能完成。而且，这种方法仍然要采用天然植物的叶子和树枝，多少会对植物产生一定的破坏。4.2植物细胞发酵法近年来BMS进一步研发出利用最新植物细胞发酵法取得paclitaxel以制造紫杉醇的绿色化学技术，方法是培养一特定的紫杉细胞愈合组织，直接萃取其中paclitaxel，经色层分析法纯化与结晶法分离而成。和半合成法相比，新工艺没有化学转换，可免除6种中间产物的生成，也不需使用树叶与树枝，不会产生固体废弃物。此外，新工艺免去10种溶剂与6道干燥步骤，使能耗大大降低，同时亦可确保紫杉醇得以稳定供应。这一方法目前已经取得成功：植物细胞可以大量培养，在工厂里用大的培养罐培养紫杉树细胞，工业化规模生产紫杉醇，这种生产方式不受气候、温度、地理条件的限制，解决了药物来源问题，使更多的癌症患者得到及时的治疗，因此，该法具有非常重要的现实意义。由于全世界的红豆杉树资源非常有限，植物细胞发酵法生产“紫杉醇”不但能解决“紫杉醇”的来源问题，而且能大大降低紫杉醇的生产成本，泽惠于广大低收入癌症病人。抗癌药是生物医学界永远热门的研究领域，其最高的境界是达到解决病痛又不会产生其它的副作用才算是真正的成功。紫杉醇的植物细胞发酵法集中了上述优点成为2004年的热门话题，因此BMS公司荣获2004年美国总统绿色化学挑战奖(简称PGCCA)的变更合成线路奖。5紫杉醇的生产现状和发展方向[28]我国大约在10年前开始试产紫杉醇原料药，从90年代至今，我国紫杉醇原料药的产量与出口量逐年增加，现已成为世界主要紫杉醇生产国。2001年我国有关部门已与意大利PHYTOGENE公司达成合作意向，在华建立“注射级紫杉醇”原料生产企业，其产品不仅可直接进入欧洲和美国市场，还可出口至印尼、马来西亚、泰国与新加坡等东南亚国家市场。此外，国产紫杉醇原料药早已进入我国香港、台湾地区市场。紫杉醇原料药几年前因市场供不应求，一度出现过每公斤45万美元的天价(比黄金还要贵1倍)。此后，在高价吸引之下，包括南美洲的阿根廷、墨西哥、亚洲的印度与韩国等国家都加入到紫杉醇出口国行列，据悉，由于紫杉醇产量增加，出口竞争日趋激烈，2003年国际市场上紫杉醇平均价格只有22万美元左右(我国2003年秋季广交会上99.5%纯度紫杉醇只卖19万美元/公斤。尽管目前国际市场上紫杉醇货多价跌，但它仍是一种富有朝气的天然抗癌药，因为迄今为止还没有一种天然抗癌药的临床效果能超越紫杉醇。我国的华茵生物工程公司于1994年开始，开展了生产抗癌药“紫杉醇”的工业菌种课题研究，经过六年努力攻关，终于获得了“紫杉醇”的高产菌株PhargenAA-013。该项目现已完成摇瓶、发酵、工艺研究，样品纯度达98.5%，有关项目检测与现成标准品一致。经体外试验表明该品对卵巢癌、肺癌及白血病等细胞具有显著的抗肿瘤活性。专家认为利用该菌株进行“紫杉醇”发酵提取工艺研究，已达到同类研究的国际先进水平。我国的中科院昆明植物研究所在10L反应器中得到紫杉醇含量最高为0.056%。紫杉细胞培养规模已达100L，呈现实现工业化生产的可能性。天津大学的生产量达到24mg/L培养液(一个培养周期)。清华大学化工系生物化工研究所通过固液两步培养法可以在4周内获得20g/L干物质，利用代谢调控技术在2~3天内将紫杉醇的含量提高到0.063%左右，这一技术已经达到世界先进水平。野生红豆杉资源奇缺，生长缓慢，人工驯化难，由于紫杉醇含量低，提炼成本大，加之掠夺性收取树皮，因此寻求一种解决资源问题的工作已经十分迫切。美国、加拿大等国已经在上世纪九十年代初立法进行保护，以免红豆杉树因紫杉醇而被掠夺式采伐。1995年我国颁布了《野生植物保护条例》，将野生红豆杉列为国家一级保护植物，红豆杉树相当于“植物界的大熊猫”。目前，我国紫杉醇药物的生产还主要以破坏红豆杉资源为途径，故在此呼吁国内更多的研究机构尽快转变研究方向，采用与世界发达国家接轨的生物合成法生产紫杉醇，为我国及至世界的癌症患者带来福音，为人类的绿色环保做出贡献！参考文献方唯硕.紫杉醇的化学研究[J].中国药学杂志,1994.29(5):259—262.NicolaouKe,YangZ,LiuJ,eta1.SynthesisofTaxol[J].Nature,1994.367(64):630.GraggGM,SaulAS,MatthewS.eta1.Thetaxiolsupplycrisis;NewNCIpolicesforhandingthelarge一scaleproductionofnovelnaturalproductanticancerandanti—HIV[J].JatProd,1993.56(10):1657—1668.]KetchumREB,GibsonDM.PaclitaxelproductioninsuspensioncellculturesofTaxus[J].PlantCell,TissueandOrganCulture,1996.46(1):9一16.翁开敏，贺全山.紫杉醇研究概况[J].海峡药学,2002.14(2):5—7.王德强，王晓玲.南方红豆杉愈伤组织诱导研究[J].合肥工业大学学报,2005.28(4):394—397.]胡凯祝顺琴，谈锋，等.曼地亚红豆杉愈伤组织诱导和继代培养中抑制褐化的研究[J].西南师范大学学报，2004.29(4):659—663.]JhaS,SanyalD,GhoshB,eta1.ImprovedtaxolyieldincellsuspensioncultureofTaxuswallichiana(Himalay一anyew)[J].PlantaMedia,1998.64(3):27O一272.]Goleniowski.MartaE.CelllinesofTaxusspeciesasSOurceofanticancertaxol—calluscultureofTaxusbacca.AndTaxusXmedia[J].Biocel1,2000.24(2)8:139—144.HirasunaTJ.PestchankerLJ.SrinivasanB.eta1.TaxolproductioninsuspensionculturesofTaxusbaccata[J].PlantCellTissOrgCult,1996.4:95—102.WangHQ.ZhongJJ.YuJT.EnhancedproductionoftaxolinsuspensionofTaxuschinensisbycontrollinginoc—ulunsiz[J].BiotechnolLett,1977.19(4):353—355.HyungkyoonC.SangicK,JoosunS.eta1.EnhancementofpaclitaxelproductionbytemPheatureshiftinSUS-pensioncultureofTaxuschinensis[J].EnzymeandMicrobialTechnology,2000.27(8)593—598.甘烦远,郑光植，彭丽萍等.云南红豆杉细胞的悬浮培养[J].植物生理学报，1997.23(1):43—46.FettNAG,PenningJJ,DicosmoF.EffectofwhitelightontaxolandbaccatinIIIaccumulationincellcul-turesofTaxuscuspidateSieb.AndZucc[J].JournalofPlantPhysiology,1995.146(5/6):584—590.EisenerichW.MenhardB.HylandsP,eta1.Studiesonthebiosynthesisoftaxol:Thetaxanecarbonskeletonisnotfomevalonoidorigin[J].ProcNatlAcadSciUSA,1996.93:431—436.FlemingPE,mocekU,FlossHG.BiosynthesisofTaxoids:modeofformationoftheTaxolsidechain[J].JAMChemSoc,1999.115:805—807.Fett—NeroAG,MelasanSJ,NicholsonSA,eta1.Improved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