经典抗癌药物「紫杉醇」的开发历程！
发布日期:2020/11/10 16:11:45
紫杉醇作为一个具有抗癌活性的二萜生物碱类化合物。
紫杉醇因其新颖复杂的化学结构、显著的生物活性、全新独特的作用机制、奇缺的自然资源使其受到了植物学家、化学家、药理学家、分子生物学家的极大青睐，使其成为20世纪下半叶举世瞩目的抗癌新星。
这样一个经典的药物究竟是怎样发现的呢？
带着这样的疑问，今天笔者就跟大家一起探究一下紫杉醇的开发历程。
紫杉醇的发现和结构确证
20世纪50年代，为了寻找安全有效的抗肿瘤新药，科学家将目光投入到自然界中的天然产物。
1955年，美国国家癌症研究所( National Cancer Institute,NCI)成立了癌症化疗国家服务中心来为NIH以外来源的化合物提供抗肿瘤筛选服务。
此后的20年间，研究人员总共收集并测试了3万多个样本。
1962年8月，美国农业部植物学家亚瑟·巴克雷（ArthurBarclay）在华盛顿州的一国家森林，采集到了太平洋紫杉的树枝、树皮和果实样本，这批样品被送到威斯康星校友研究基金会进行提取分离。证实树皮的粗提物对KB细胞有毒性作用。
紫杉树
后来，北卡三角研究院的科学家Monroe E.Wall发现紫杉醇树皮粗提取物对离体培养的肿瘤细胞，包括L1210和P288白血病、Walker 256肉瘤及B16黑色素瘤细胞都具有很强的抑制作用。
1966年，北卡三角研究院的Monroe E.Wall和其同事Wani分离得到了0.5g活性成分，只知道这种物质含有羟基，又因为是从紫杉（Taxus brevifolia）中获得的所以他们把这种物质称为紫杉醇（Taxol）。
1970年，在杜克大学A. Mcphail的帮助下，他们用X射线衍射确定了裂解产物结构，结合NMR分析，确定了紫杉醇的结构，并于1971年发表。
紫杉醇分子结构式
紫杉醇结构复杂，属于四环二萜类化合物，分子由3个主环构成二萜母核，上连1个苯基异丝氨酸侧链，有11个手性中心，有许多功能基和立体化学特征。
紫杉醇进一步的药理和作用机制研究
1978年，药物学家研究发现紫杉醇对裸鼠异体移植肿瘤(包括裸鼠异体移植乳腺癌 SRC MX-1和结肠瘤CX-1)有效，连同前面B16的活性，使得紫杉醇达到了NCI进一步研究的标准。
同年NCI的D. Fuchs和R. Johnson发现紫杉醇具有抗有丝分裂活性，但活性比美登木素及长春花生物碱弱。
1979年，爱因斯坦医学院的Horwitz和她的学生深人研究后发现，紫杉醇具有一种全新的抗癌作用机理，可以诱导和促进微管蛋白聚合，促进微管装配。
同时他们还发现紫杉醇类药物还有一个特点，即可以在缺少鸟苷磷酸(GTP)与微管相关蛋白的条件下诱导形成无功能的微管，而且使微管不能解聚，进而导致抑制肿瘤细胞纺锤体的形成，阻止有丝分裂的完成，使得细胞停留在G2/M期，诱导细胞凋亡从而起到抗癌作用。
紫杉醇与β-微管蛋白结合构象
在此需要说明的是，微管( microtubule)是存在于所有真核细胞中的动态多聚物结构，参与多种细胞活动。
微管在维持正常细胞功能，包括细胞形态的控制、有丝分裂过程中染色体的移动、细胞形成的调控、激素分泌、细胞膜上受体的固定、细胞能动性细胞器和细胞其他部分的胞内转运等方面，具有重要地位。
上述紫杉醇独特的作用机制，激发了人们对其研究的兴趣。
同时由于紫杉醇难以获得，不易溶解，存在制剂困难，也引起了相关研究人员的兴趣。
1980年，紫杉醇的制剂研究成功，采用聚氧乙基化蓖麻油( CremophorEL)作为辅料。
1982年，紫杉醇动物毒理学实验完成，同年NCI进行新药申请并得到批准，可以进行临床实验。
紫杉醇完成临床试验并成功上市
1983年至1991年，紫杉醇完成Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ期临床实验。
1992年12月29日，美国FDA批准BMS公司(凭借其可提供17kg紫杉醇的代价获得了紫杉醇药品研究与开发专有权)研发的紫杉醇针剂(商品名：Taxol)用于治疗晚期卵巢癌；
1994年，Taxol被FDA批准用于转移性乳腺癌的二线治疗；
1997年，被FDA批准用于卡波西肉瘤的治疗；
1998年，被FDA批准联合顺铂用于非小细胞肺癌的一线治疗，同年被批准联合顺铂用于晚期卵巢癌的一线治疗；
1999年，被批准用于淋巴结阳性乳腺癌的辅助治疗。
紫杉醇的全合成
紫杉醇在自然界中含量少，不易得，紫杉醇在树皮中含量约为0.004%，并且含量随季节、产地及采集部位的不同而波动。
上述特点一度成为其后续研究和生产的主要限制因素之一。
20世纪八十年代，紫杉醇遇到的原料供给问题受到了诸多化学家的关注。
1993年，R.A. Holton教授率先取得突破，完成紫杉醇的全合成，他立即将文章投给美国化学会会志( JACS)，并于1994年发表。
Holton紫杉醇全合成路线
之后，Nicolaou也完成紫杉醇的全合成工作，其成果于Nature杂志发表。
Nicolaou紫杉醇全合成路线
继Holton和Nicolaou之后，有多条全合成路线和改进路线被报道。
然而通过全合成完成紫杉醇的原料供应显然是不现实的，即便最短的路线，也有37步之多。
紫杉醇的半合成和生物合成
法国的 Pierre Potier小组注意到紫杉醇的来源问题，同时考虑全合成的不现实性，他们试图通过半合成来解决问题。
1981年底，Potier经实验证实能够很容易地分离10去乙酰基巴卡亭(10- deacetyl baccatin Ill,10-DAB,4)，含量比紫杉醇高得多，每公斤鲜叶可分得10-DAB约1g,而每公斤同种干树皮则只能提取到紫杉醇100~50mg。
10-DAB具有与紫杉醇相似的紫杉烷骨架。
因此，Potier与A. Greene合作，以10-DAB为起始物料合成紫杉醇，从而减少了大量的基础合成工作。
Potie紫杉醇半合成路线
以10-DAB为原料，先将10-DAB中C7位和C-10位羟基保护(31)，再在啶基碳酸酯(DPC)-DMAP作用下与侧链生物32偶联成33,最后经酸化处理得紫杉醇，总产率约53%。
Holton受到Potier研究工作的启发，他以10-DAB为原料生成衍生物31,与内酰胺17偶联，水解后半合成了紫杉醇。
Holton紫杉醇半合成
该法特点是步骤少、收率高。
1994年施贵宝开始用此方法，以10-DAB为起始原料生产紫杉醇。
既然自然界的紫杉醇资源很宝贵，同时合成紫杉醇又存在这样那样的诸多问题，能否通过发酵、细胞培养等生物手段完成紫杉醇的原料供给呢？
果然，在1993年，研究者发现紫杉醇是由生活在紫杉上的一种内生真菌产生，这一重大发现表明可以在特定的培养基中产生紫杉醇及相关烃合物。
大量科学家投入研究，陆续发现了一系列能够产生紫杉醇的内生真菌。令人遗憾的是，此方法产生的紫杉醇含量很低，难以达到商业化生产的要求。
之后相关研究领域不断有新的发现，使得紫杉醇能够通过发酵培养实现原料供应的初衷充满希望。
补充一点，紫杉醇真的不是中药!
通过以上介绍，大家对紫杉醇这个药物，抑或紫杉醇这一化合物有了一定的了解。对于紫杉醇是中药或是西药的问题，大多数具有大学学历且生物医药专业背景的朋友都能够轻松回答，紫杉醇不属于中药，属于化学药，也泛指西药。但是对很多不具备医药学专业知识背景的人，并不清楚紫杉醇究竟是中药或是西药。
甚至对极少部分具有相关专业背景的朋友对此问题也有所疑惑，笔者就曾在国内某科技类报道上看到过对紫杉醇的误解。
来自国内某权威科技类新闻报道
说实话，笔者在上大一那会，刚听说紫杉醇这个词汇，当时还真的以为是中药呢，即便大学毕业后，竟然对这个问题还心存疑惑，想想也是够可笑的。
参考文献
1.新药研发案例研究:化学工业出版社.白东鲁、沈竞康著.
2.公众号：药论--紫杉醇是中药还是西药？
3.宁爽. 紫杉醇治疗上皮性卵巢癌30例临床分析[D]. 2002.
4.惠俊峰. 从红豆杉中提取紫杉醇及10-DAB的研究[D]. 西北大学, 2006.
