紫杉醇的故事

1、紫杉醇的故事l 紫杉醇的簡介 紫杉醇（Taxol，paclitaxel）被用于治療卵巢癌和乳腺癌，是獲得FDA批準的第一個來自天然植物的化學藥物。它包含一串并連在一起的兩個六元環(huán)夾著一個八元環(huán)，再一個四元環(huán)，環(huán)上綴了個小“尾巴”。紫杉醇一共有11個立中心，多個功能團，如是復雜，是一種只有自然界才能調制出的“怪物”。l 探索歷史及藥理 最初，紫杉醇是從短葉紫杉（Taxus brevifolia）的樹皮中分離獲得，這種紫杉主要分布在北美西北太平洋區(qū)域從北加到阿拉斯加的原生森林中。當時這種杉樹還不太為人所知，這種籍籍無名也使其顯得不重要。它中等高度，樹皮呈紅紫色，其針狀葉細而扁平，輕微彎曲，不到一英

2、寸長。它通常藏身在溪流岸邊、深谷或潮濕的溝壑之中，掩映在高大的松類樹木的蔭蔽之下。其木材既硬又重，腐敗緩慢，用途有限。在它的抗癌作用被發(fā)現(xiàn)之前，林木工人們通?？撤チ诉@些樹后當柴燒，或者打樹樁當籬笆，把它當成一種“垃圾樹”1979年，愛爾伯特愛因斯坦醫(yī)學院的Susan Horwitz報道了紫杉醇獨特的活性作用機理，這使它進入了成為一類新的腫瘤化療藥的雛形階段。事實上與細胞有絲分裂密切相關的微管蛋白幾乎普遍存在于所有真核細胞中。微管蛋白分子本身是多種多樣的，在哺乳動物中，至少存在6種-微管蛋白和相應同樣數(shù)量的-微管蛋白，每種微管蛋白都由不同的基因編碼。這些不同類型的微管蛋白非常相似，并且它們能可逆

3、性聚合成微管。染色體的分離需要借助這些微管。有絲分裂后，這些微管又重新解聚成微管蛋白。仿錘狀微管短暫的瓦解能優(yōu)先殺滅異常分裂的細胞，一些重要的抗癌藥物，如秋水仙堿、長春堿、長春新堿等就是通過阻止微管蛋白重聚合而起作用的。與這些抗有絲分裂的藥物相反，紫杉醇是已知的第一種能和微管蛋白聚合體相互作用的藥物，它能與微管緊密地結合并使它們穩(wěn)定。并且紫杉醇促使的微管蛋白可以在缺乏GTP（在一般情況下都需要GTP的存在才能使微管蛋白聚合成微管）的情況下聚合。在有利于微管蛋白解聚的條件下，比如低溫、鈣離子、透析等，紫杉醇促使形成的微管蛋白聚合體仍然是穩(wěn)定的。相對于，-微管蛋白二聚體而言，由化學計算可知紫杉醇僅

4、與，-微管蛋白中的一個可逆、特殊地結合。但是研究表明，當濃度為納摩爾級時，紫杉醇顯示了與同樣濃度的秋水仙素、長春花類生物堿等相似的效果，即通過阻止微管蛋白聚合成微管而發(fā)揮作用。另外，紫杉醇還能在細胞中誘導形成特異的微管蛋白束.另外, 體外實驗證明紫杉醇具有顯著的放射增敏作用，可能是使細胞中止于對放療敏感的G2和M期。 盡管紫杉醇對在組織培養(yǎng)中的惡性腫瘤和幾種惡性腫瘤細胞系實驗中顯示了極強的細胞毒性，但在被發(fā)現(xiàn)之后的近十年來并未能引起人們的足夠廣泛的重視。這主要有兩個原因：首先，它的資源極為有限,短葉紫杉生長極其緩慢且不易繁殖，一棵直徑22厘米高度9米的樹大約125年老，其樹皮極薄，只有大約0.

5、3到0.6厘米厚，這樣的一棵樹可以得到大約2千克樹皮。紫杉醇必須從新鮮砍伐剝取的樹皮中提取。從砍伐樹木，收集紫杉樹皮到分離萃取出紫杉醇，費時費力且費錢。30噸干樹皮可以得到大約100克紫杉醇，花費大約150萬美元；其次，它的水溶性較差。水溶性對抗癌藥物非常重要，但是紫杉醇在水中幾乎不能溶解（它的最大溶解度大約是20mg/L）。為了得到紫杉醇救治癌癥病人，砍伐樹木，導致樹木死亡。救人還是保樹，這成了一個問題，隨后，環(huán)保主義者因為紫杉醇而開始關注和推崇紫杉樹，鼓吹生物多樣性和保護原生森林。他們強烈抨擊損害杉樹來救人性命，又拉動媒體和政客，“發(fā)現(xiàn)”原來紫杉還是一種瀕臨滅絕的斑點貓頭鷹的棲息所。他們將

6、自己描繪成原生森林和珍稀動物的保護者，在與科學家及其病人們這些“破壞者”“戰(zhàn)斗”。八十年代末期到九十年代初期，關于紫杉醇和紫杉的新聞報道比比皆是，完全超越了科研范疇，而成了敏感的政治事務。美國國立癌癥研究所（National Cancer Institute，NCI）不堪其擾，而且因為財力和能力有限，1989年，第二期臨床試驗時，NCI向私有公司招標，合作開發(fā)將紫杉醇上市，其實是NCI將紫杉醇的后期開發(fā)轉交出去。BMS（Bristol-Myers Squibb公司）以其開發(fā)抗癌療法上的強項贏得合作，承諾每年給臨床試驗提供25千克紫杉醇，這大約需要砍掉3萬8千棵樹，可以用來治療一萬多名病人。因為

7、政府出臺了新的伐木政策，BMS不得不積極尋找其它得到紫杉醇的辦法。l 紫杉醇的全合成紫杉醇因其復雜和新穎的化學結構、獨特的生物作用機制、可靠的抗癌活性和嚴重的資源不足引起了科學家們的極大興趣。據(jù)統(tǒng)計全球有30多個頂尖實驗室投入到紫杉醇的全合成研究中，且競爭非常激烈，成為20世紀后期有機合成化學領域的焦點。經過20多年的艱苦努力，終于在1994年首先由美國佛羅里達州立大學的化學家Holton和美國斯克瑞普斯研究所（The Scripps Research Institute，TSRI）的化學家Nicolaou兩個研究組幾乎同時報道完成了紫杉醇的全合成，他們采用的分別是線性（先A環(huán)后AB環(huán)再ABC

8、環(huán)系）和匯聚式（先分別合成A和C環(huán)，再組裝在一起形成ABC環(huán)系）路線，代表了有機合成的不同策略。Holton研究小組是最早從事紫杉醇合成的研究小組之一。Holton法以價廉易得的樟腦（camphor）為起始原料，線性合成路線。因紫杉醇側鏈的合成方法由Ojima等發(fā)展而來，故又稱為Holton-Ojima法，其特點是步驟少、收率高，總收率可達到2.7%。Holton紫杉醇全合成路線以細致為特色，其成功的主要原因是經歷約10年時間對紫杉醇分子構象與反應性的深入研究以及對多種化學合成方法的改進和發(fā)展。Nicolaou的合成路線雖具有較前者簡明的優(yōu)點，但其總收率卻遠遠低于前者，僅為0.07%左右。之后

9、美國哥倫比亞大學的Danishefsky小組（1996年）、斯坦佛大學的Wender小組（1997年）以及日本的Kuwajima小組（1998年）和Mukaiyama小組（1999年）也分別相繼報道完成了紫杉醇的全合成。最新報道為2006年日本東京工業(yè)大學的Takahashi教授領導的小組也完成了紫杉醇的全合成。7條全合成路線雖然各異，但都具有優(yōu)異的合成戰(zhàn)略，將天然有機合成化學提高到一個嶄新的水平。從總體上看，對天然藥物紫杉醇的化學全合成方法路徑太長、合成步驟太多，不僅需要使用昂貴的化學試劑，而且反應條件極難控制，收率也偏低， 不適合工業(yè)化生產。但是，在研究紫杉醇全合成過程中發(fā)現(xiàn)了許多新的、獨

10、特的反應，大量過渡金屬有機催化劑、有機硅試劑的應用和反應過程中基團的保護、立體構型的建立轉化，以及獨到的戰(zhàn)略思路與反應創(chuàng)新等，對有機合成化學以及有機反應理論起到重要的促進和補充。紫杉醇全合成的研究成果仍為有機化學合成歷史上的一座豐碑。與此同時，有機合成化學家仍在積極進行化學全合成紫杉醇的研究工作，為使紫杉醇全合成走上工業(yè)化道路而不懈努力。l 紫杉醇的半合成紫杉醇全合成由于步驟多、產率低、反應條件苛刻等導致成本高而無法商業(yè)化生產。在紫杉醇結構復雜而不能實現(xiàn)化學全合成、天然來源又非常有限和社會需求極大的狀況下，在紅豆杉中尋找量較高的紫杉醇前體化合物，然后再通過化學方法將其轉化為紫杉醇是非常有效的解

11、決途徑。通過研究發(fā)現(xiàn)：從紅豆杉植物中分離得到的紫杉醇前體化合物baccatin III的生物活性雖低于紫杉醇，但其與紫杉醇具有相同的母核結構，而且在紅豆杉針葉中量較高，并可經4步化學反應得到紫杉醇，產率高達80%。這個驚喜的發(fā)現(xiàn)為解決紫 杉醇新來源途徑取得了重大進展，使得大量生產紫杉醇成為可能。更可喜的是，1993年從一種觀賞性植物英國紅豆杉葉子中發(fā)現(xiàn)存在較多的10-deacetyl baccatin III（10-DAB），而英國紅豆杉葉是一種可以再生的資源。由于baccatin III和10-DAB在植物中的量相對較高，因而半合成的研究工作主要集中在對這兩種物質的研究上。 法國Univer

12、site Joseph Fourier的Denis博士在1988年首次報道了由10-DAB為原料半合成紫杉醇的研究成果，隨后美國Holton教授和法國Potier教授分別申請了以baccatin III為原料半合成紫杉醇的專利，Holton和Potier都認為半合成是解決紫杉醇供應問題的一條很有希望的途徑24-25。美國施貴寶公司在獲得美國FDA批準后，利用Holton的專利生產紫杉醇，并決定在1994年底停止從樹皮中萃取生產紫杉醇。目前紫杉醇的半合成原料主要來源于人工培育種植的紅豆杉，包括一種歐洲紅豆杉與東北紅豆杉的雜交品種曼地亞紅豆杉。在研究紫杉醇半合成的過程中，Potier小組利用半合成

13、法系統(tǒng)研究了紫杉醇類似物的構-效關系，還發(fā)現(xiàn)了一個比紫杉醇溶解性更好、活性是紫杉醇2.7倍的化合物，即后來被開發(fā)成抗癌藥物的多西紫杉醇（紫杉特爾，taxotere）。在紫杉烷的構-效關系和第二代紫杉醇合成研究中貢獻頗大的還有兩位化學家26-28，一位是美國的Kingston教授，另一位是美籍日本科學家Ojima博士。Kingston教授還曾經系統(tǒng)研究過中國南方紅豆杉中的化學成分。l 紫杉醇的未來據(jù)WTO統(tǒng)計，目前全世界有近4 000萬人患有惡性腫瘤，其中卵巢癌、乳腺癌、子宮癌、非小細胞肺癌和頭頸癌患者數(shù)量最多，同時國外仍然在進行紫杉醇對阿爾茨海默病及其他癌癥方面的臨床試驗。美國腫瘤研究所所長Broder博士曾指出：紫杉醇是繼阿霉素、順鉑之后，人類與各 種癌癥相抗爭，療效最好、不良反應最小的藥物，可稱為“晚期癌癥的最后一道防線”。目前通過生物合成、真菌發(fā)酵、植物組織