抗癌药物紫杉醇研究进展 于凯

广西大学课程论文论文标题：抗癌药物紫杉醇研究进展课程名称：发酵生理学学生姓名：***学号：**********专业：生物工程学院：生命科学与技术学院导师姓名：何勇强学期：2011-2012/上任课老师：庞宗文抗癌药物紫杉醇研究展望于凯（生命科学与技术学院生物工程专业2011级；学号：1108391006）摘要：紫杉醇是从红豆杉属植物中提取分离的一种次级代谢产物，是治疗乳腺癌、卵巢癌的特效新药。

作为一种广谱、高效、低毒的抗癌药物，市场上紫杉醇供不应求。

目前，有望通过化学合成、内生真菌发酵、植物组织培养、微生物发酵等方法工业化生产紫杉醇，达到缓解红豆杉资源短缺、市场药源紧张等现状。

本文通过对红豆杉、紫杉醇发现、作用机理、生产现状等介绍，着重分析各种生产方法的利弊，并对紫杉醇的研究的市场前景作出展望。

关键字：红豆杉；紫杉醇；抗癌作用；研究展望1红豆杉简介红豆杉为红豆杉科红豆杉属，是一种濒临灭绝的天然抗癌植物，由于在自然条件下生长缓慢，再生能力差，所以很长时间以来，世界范围内还没有形成大规摸的红豆杉原料林基地。

中国已将其列为一级珍稀濒危保护植物，联合国也明令禁止采伐。

红豆杉在全球共有十一种，分布于北半球温带至亚热带地区。

全球资源总量及其有限，且常常散生分布于天然林中。

目前我国共有四种和一个变种，即云南红豆杉、西藏红豆杉、东北红豆杉、中国红豆杉和南方红豆杉（变种）[1]。

东北红豆杉主要分布在分布于中国的东北三省，在中国境内的红豆杉中，东北红豆杉紫杉醇含量最高，可达万分之三。

另外，我国还引种了曼地亚红豆杉，是于20世纪90年代中期从加拿大引种而来，原产于美国、加拿大，是一种天然杂交品种，其母本为东北红豆杉，父本为欧洲红豆杉。

引种的曼地亚红豆杉生物特性稳定，没有发生变异，紫杉醇含量接近甚至高于原产地。

2 紫杉醇简介2.1 紫杉醇的发现紫杉醇(Taxo1)是20世纪70年代初期，美国化学家瓦尼(M.C. Wani)和沃尔(Monre E. Wall)首次从生长在美国西部大森林中的太平洋杉树皮中分离到了紫杉醇的粗提物。

在筛选实验中，Wani和Wall发现紫杉醇粗提物对离体培养的鼠肿瘤细胞有很高活性，并开始分离这种活性成份。

由于该活性成份在植物中含量极低，直到1971年，确定了该活性成份为一种四环二萜化合物，并把它命名为紫杉醇（Taxol）。

我国在80年代开始了对中国红豆杉植物资源进行研究，发现了丰富的红豆杉资源，并从中分离得到紫杉醇。

目前，全球从红豆杉属植物中分离得到了300多个紫杉烷类化合物。

紫杉醇分子式为：C47H51NO14，分子量为853.9，熔点213~216℃，具有高度亲脂性，不溶于水，是最先从红豆杉属植物中分离得到的一种高效、低毒、广谱的天然抗癌药物。

它是红豆杉属植物中的一种复杂的天然次生代谢物，由紫杉烷环和侧链组成[2]（图1-1），其生物合成非常复杂，全过程约20步酶促反应，涉及多步环化、羟基化、酰基化反应[3]。

图2-1 紫杉醇的化学结构Fig.2-1 The chemical structure of taxol2.2 紫杉醇的生物合成红豆杉植物中可能存在多条紫杉生物合成途径，其过程相当复杂，紫杉醇及其带有C13位侧链化合物的生物合成主要分为三个合成阶段[4]：①C13位侧链的生物合成；②紫杉烷骨架系统的生物合成；③通过紫杉烷骨架系统及侧链的酯化反应形成紫杉醇。

其中涉及多步酯化、环化、羟基化、酰基化等反应，在此不作详细陈述。

2.3 紫杉醇的抑癌作用紫杉醇是一种具有较高抗癌活性的抗癌药物，作为一种微管特异性药物，它能够结合于微管蛋白的P亚基的N末端的31个氨基酸上，通过促进微观二聚体装配来稳定微管并阻止微管解聚，使细胞分裂停止于有丝分裂期，从而抑制细胞的增殖[5]。

与细菌性脂多糖（LPS）作用相似，能够激活巨噬细胞，导致肿瘤坏死因子受体的减少及其释放，杀伤或抑制肿瘤细胞。

另外紫杉醇还可以诱导细胞凋亡，引起细胞程序性死亡。

最后，紫杉醇还能抑制肿瘤细胞的迁移。

临床研究表明，紫杉具有广谱而高效的抗癌活性，对于治疗卵巢癌、乳腺癌、子宫癌、胃癌等等疗效突出，近来的研究发现它对类风湿性关节炎、老年痴呆症等亦有一定疗效。

2.4 紫杉醇研究现状多年来，紫杉醇年需求量始终位于抗肿瘤新药的第一位，并以20%的速度年度递增。

然而，紫杉醇在植物细胞中含量极低，在含量最高的树皮组织中也仅有0.01%左右。

研究表明，从3~6棵百年生的大树树皮中才能提取1g紫杉醇，可治疗一个癌症患者[7]。

正是由于含量少、提取困难等诸多因素，高纯度紫杉醇价格昂贵，每公斤200万元人民币左右，仅2003年全球紫杉醇销售额过就20亿美元。

因此，近年来国内外研究人员正试图通过生物合成、化学合成、微生物提取、组织和细胞培养、寻找类似物等途径来解决紫杉醇的药源短缺问题。

3 紫杉醇生产方法3.1 天然红豆杉中提取紫杉醇天然植物红豆杉属种树皮和叶片中提取紫杉醇是其最直接的来源。

目前，紫杉醇的生产主要是通过建立大量红豆杉的栽培基地、通过对红豆杉树木的扦插快速繁殖，以及优株选育、品系配置、控制授粉等林木良种选育技术培育等方法扩大原料量，直接从红豆杉树皮中提取紫杉醇。

其中，我国引进了曼地亚红豆杉及其变种和培育的其它新品种。

迄今为止，国内很多地区还开展红豆杉扦插育苗技术的试验研究，已经在成都、黑龙江、云南等地建成了红豆杉资源培育基地[8]。

试图通过人工栽培的方法来解决天然资源不足的问题。

但红豆杉生长缓慢，成材约需50~250年，且紫杉醇含量与树龄正相关，再加上人工培育受时间与地理气候条件的限制，目前单靠通过从人工植物中提取紫杉醇还远远不能满足临床应用和基础研究，并且还将给天然红豆杉属植物的生存以及生态环境带来极大的威胁。

3.2 化学法全/半合成紫杉醇紫杉醇复杂的化学结构给有机合成化学家提出了挑战，1994年Holton率先在实验室实现了化学法全合成紫杉醇。

尽管后来又有几种全合成途径，但是由于紫杉醇分子存在多达11个手性中心，异构体数目庞大，合成步骤多达20多步，合成难度大、路线复杂，要求条件高以及成本过高，难以克服收率低、成本昂贵、合成物药理评定困难等问题，至今不能工业化应用。

半化学合成是指从可再生红豆杉中提取无活性的紫杉烷二萜类成分，如紫杉醇类似物，或者前体物如10-去乙酞巴卡亭Ⅲ（10-deaeetyl baceatin Ⅲ，10-DAB)和巴卡亭Ⅲ(baeeatin Ⅲ)等为原料，以此为前体物质，经过某些化学反应，将其转化为紫杉醇[9]。

红豆杉中10-去乙酞巴卡亭Ⅲ的含量约等于紫杉醇的3倍左右，并且在枝叶中含量相对较高，通过提取它作为前体半化学合成方法生产紫杉醇是一种有效的紫杉醇供应途径[10]，也是目前国际制药公司普遍采用的生产紫杉醇方法。

半化学合成紫杉醇能够在一定程度上缓解紫杉醇资源短缺问题，而且有利于通过侧链的可变性获得更高活性的紫杉醇衍生物。

然而，半合成法还是难以摆脱对红豆杉的原料依赖，与直接提取紫杉醇的方法在本质上没有区别，仍然需要消耗大量有机试剂以及红豆杉树木来获得半合成前体物质，制约了半合成的推广应用。

3.3 植物组织培养生产紫杉醇利用红豆杉细胞离体培养生产紫杉醇已成为目前紫杉醇药源开发的研究热点之一，被认为是解决紫杉醇药源问题的最有希望的途径。

国内外已经有超过10种红豆杉进行细胞培养和愈伤组织研究，选作诱导愈伤组织的外植体可以是根、茎、叶、树皮、种子胚、幼苗胚轴、雌配子体等。

自从1991年christen和Gibosn等[11]获得太平洋红豆杉细胞培养生产紫杉醇及其类似物的第一个专利以来，国内外至少已批准了9个利用细胞培养技术生产紫杉醇及其类似物的专利。

利用红豆杉细胞离体培养生产紫杉醇能够摆脱对红豆杉的依赖，也消除了气候等环境因素的影响，不存在资源破坏和来源问题，可通过优化红豆杉的细胞培养体系，以及通过向培养体系中添加前体物、代谢旁路抑制剂和诱导子等方法，从而显著提高紫杉醇的产量，而且所得紫杉醇比从植物体中提取更为简单，可简化紫杉醇的分离和纯化步骤等优点[12]，使得该领域的研究在过去30年中取得了很大进展。

虽然红豆杉细胞培养生产紫杉醇取得了很大的进展，有的已达到中试规模，但运用植物组织、细胞培养技术生产紫杉醇仍处在实验室阶段，植物细胞遗传的不稳定性、细胞间的不一致性使得在培养过程中高产细胞系不能实现高产率，而且易发生遗传变异产生其他代谢产物；如何获得高含量、产紫杉醇稳定的愈伤组织一直都是组织培养、细胞培养生产紫杉醇的关键问题。

另外，植物细胞培养技术较复杂，对反应器及培养基的成分要求较高，价格昂贵等也阻碍了通过红豆杉细胞培养工业化生产紫杉醇的实现。

3.4 共生真菌发酵生产紫杉醇利用微生物发酵生产紫杉醇是解决紫杉醇药源问题的有效途径之一。

自1993年，Stierle等[13]首次报道从短叶红豆杉韧皮部中分离出一株新的内生真菌安德鲁紫杉菌，能够在半合成培养液中生产紫杉醇及紫杉烷类化合物。

目前，从红豆杉树皮中分离出的微生物多达200多种，其中已有30多种产紫杉醇的真菌被分离。

我国学者在分离产紫杉醇内生真菌的研究中也取得了可喜的进展，比如，1993年，周东坡等从东北红豆杉的枝条与树皮中分离4株可产紫杉醇的内生真菌，成为我国的新记录属、新纪录种[14]。

利用植物内生真菌作为药源具有可持续性，无论从经济还是生态的角度都具有突出的优势：内生真菌生长速率高，生产周期得到缩短；真菌培养技术也比较简单，仅需要一般的培养技术，微生物培养较植物组织易于控制，有利于改进工艺来提高产量；微生物培养与发酵条件控微生物生产还具有可连续生产的优点；可以通过基因工程等方法育种，速度也更快；微生物发酵法易于扩大，有利于工业化生产。

但由于目前报道的紫杉醇产生菌的紫杉醇产量低、菌丝体不发达、菌株衰退等因素，限制了其工业化生产的应用。

如果上述几种生产紫杉醇的途径得以实现，将可大大缓解紫杉醇应用对红豆杉的依赖，避免人为造成红豆杉资源的生态危机，有效降低紫杉醇的应用成本，扩大紫杉醇的应用范围。

4 紫杉醇研究展望癌症为21世纪三大疾病之一，越来越严重地威胁着人类的生命。

2008年全球癌症发病例约为1270万，中国就占了近20%，即每年病例超过220万。

其中，乳腺癌位于女性癌症的第一位，2008年全球的新病例为138万,占女性癌症发病例的23%，并且发病率持续快速上升。

目前，在美国，每年有3万名妇女被确诊为卵巢癌，有1.2万人死于此病，每年因患晚期乳腺癌死亡的美国妇女达4.5万人，因肺癌死亡的达10万人！作为继阿霉素和顺铂之后的热点抗癌新药，紫杉醇是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。

据悉，目前中国抗癌药物销售份额约占世界医药市场的15%，在畅销的植物来源抗癌药中，紫杉醇独占鳌头。