王麗麗 王宏蕾

自然界是一座巨大的寶庫(kù)，有的因?yàn)槭褂脙r(jià)值而被人們熟知，有的因?yàn)槭秤脙r(jià)值而被人們銘記，有的則因?yàn)樗幱脙r(jià)值而被人們認(rèn)識(shí)……人們很早就認(rèn)識(shí)到某些植物具有對(duì)抗疾病的功效，許多現(xiàn)代藥物的發(fā)現(xiàn)也都源于對(duì)植物的深入研究，如作為西藥鼻祖的嗎啡、阿司匹林等?？梢哉f(shuō)，植物為現(xiàn)代藥物的研發(fā)提供了不竭動(dòng)力和源泉。

但是，從植物中發(fā)現(xiàn)有藥用價(jià)值的物質(zhì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，從最初發(fā)現(xiàn)及開(kāi)始研究，到最終獲得并臨床應(yīng)用，中間可能需要經(jīng)歷一二百年。今天，以紫杉醇這種來(lái)源于植物紅豆杉的化療藥物為例，我們就來(lái)了解一下個(gè)中的曲折與不易。

一、植物中的活化石

紅豆杉也稱(chēng)紫杉、赤柏松，為紅豆杉科紅豆杉屬一種常綠喬木或灌木，植株高可達(dá)30米。其種子成熟后，外面有鮮紅色的杯狀假種皮包被，宛如南國(guó)的“相思豆”，故得名“紅豆杉”。根據(jù)生長(zhǎng)地區(qū)及形態(tài)特征的不同，全世界范圍內(nèi)共有紅豆杉11種，分布于北半球的溫帶至熱帶地區(qū)，我國(guó)有5種（4種及1變種），分別是西藏紅豆杉、云南紅豆杉、東北紅豆杉、紅豆杉及南方紅豆杉。

紅豆杉是第四紀(jì)冰川后遺留下來(lái)的56種瀕危物種植物中最珍稀的藥用植物之一，在地球上已有近250萬(wàn)年的歷史，被稱(chēng)為植物界的“活化石”。在自然條件下，紅豆杉生長(zhǎng)速度緩慢、再生能力差，一般成樹(shù)要生長(zhǎng)近百年時(shí)間，自然分布極少。因此，全球42個(gè)分布有紅豆杉的國(guó)家均稱(chēng)它為“國(guó)寶”，將之列為國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物；與此同時(shí)，聯(lián)合國(guó)也明令禁止采伐。1994年，野生紅豆杉被列為中國(guó)一級(jí)珍稀瀕危保護(hù)植物，成為名副其實(shí)的“植物大熊貓”。

紅豆杉也是我國(guó)傳統(tǒng)的中藥材，其果實(shí)、樹(shù)皮、樹(shù)根、枝葉均可入藥。根據(jù)其藥效功用和歷代文獻(xiàn)的記載加以規(guī)范、歸納，紅豆杉的性味和歸經(jīng)可概括為：味甘、微苦，性平，入肺、胃、大腸經(jīng)。紅豆杉在古代有紫杉、杉、赤杉等名稱(chēng)，《本草綱目》記載：“煮水浸捋腳氣腫滿(mǎn)。服之，治心腹脹痛，去惡氣。治風(fēng)毒奔豚，霍亂上氣，并煎湯服?！眳㈤喯嚓P(guān)文獻(xiàn)，可將紅豆杉的功效歸納為解毒散積、活絡(luò)止痛、利尿消腫、化食驅(qū)蟲(chóng)。主治包括：①用于毒邪內(nèi)蘊(yùn)所致的各種疾患。②用于脾胃升降失常所致的胃脘疼痛、大便秘結(jié)。③消食和胃，用于治療氣滯血瘀所致的食積、納呆。本品可與山楂、神曲、麥芽等配伍使用。④改善睡眠、調(diào)節(jié)血壓，用于肝胃不和所致的急躁易怒、失眠多夢(mèng)、胸脅悶痛、頭痛、牙疼、痛經(jīng)等病癥。⑤具有通經(jīng)利尿之功，用于治療水腫、糖尿病等病癥。⑥用于痔瘡腫痛出血。本品可與龍膽草、黃連等配伍使用。⑦用于治療蛔蟲(chóng)病、絳蟲(chóng)病。本品具有驅(qū)蟲(chóng)之功效，可與使君子、南瓜子、檳榔配伍使用。⑧用于治療牛皮癬等皮膚病。

二、紫杉醇的發(fā)現(xiàn)

1856年，德國(guó)科學(xué)家從歐洲紅豆杉的葉中提取出一種白色混合物—taxine，自此開(kāi)啟了關(guān)于紅豆杉藥用價(jià)值的現(xiàn)代研究。1958年，美國(guó)國(guó)立癌癥研究所（NCI）與美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）聯(lián)合啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，由農(nóng)業(yè)部負(fù)責(zé)向NCI提供植物樣本用于抗癌藥物的篩選。1962年，就職于農(nóng)業(yè)部的植物學(xué)家Barclay從美國(guó)華盛頓采集了太平洋紅豆杉植物樣本，并將其送到NCI進(jìn)行有效成分的提取和活性篩選。就此樣本，研究人員于1964年發(fā)現(xiàn)紅豆杉樹(shù)皮樣品對(duì)KB細(xì)胞有毒性，進(jìn)一步的重復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該提取物具有抗癌活性。之后，美國(guó)北卡羅來(lái)納州三角研究所的Wall博士與Wani博士開(kāi)始用活性追蹤實(shí)驗(yàn)對(duì)太平洋紅豆杉樹(shù)皮進(jìn)行有效成分的提取和分離工作；在1966年9月，他們分離提純得到了一個(gè)有抗腫瘤活性成分，并于1967年6月將該單體成分命名為紫杉醇（Taxol）。

雖然研究人員通過(guò)分離得到了紫杉醇，但它的結(jié)構(gòu)卻一直無(wú)法確定—直到1971年Wall博士與Wani博士以及美國(guó)杜克大學(xué)的晶體學(xué)家McPhail博士利用核磁共振技術(shù)和單晶X衍射，才最終確定了紫杉醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)。紫杉醇的結(jié)構(gòu)分為兩部分：基本骨架部分是一個(gè)紫杉烷類(lèi)的三環(huán)二萜；側(cè)鏈包括三個(gè)芳香環(huán)和一個(gè)環(huán)氧丙烷環(huán)（圖1）。如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也只有大自然才能創(chuàng)造！

自此，針對(duì)紫杉醇的研究開(kāi)始集中到抗癌活性上。臨床前的試驗(yàn)陸續(xù)證明，紫杉醇具有良好的抗癌活性；研究人員還相繼發(fā)現(xiàn)紫杉醇對(duì)KB細(xì)胞、白血病、肉瘤癌、黑色素瘤B16等具有很好的活性。1979年，美國(guó)分子藥理學(xué)家Horwiz博士揭示了紫杉醇的抗腫瘤作用機(jī)制：紫杉醇能與微管蛋白結(jié)合并促進(jìn)聚合，抑制癌細(xì)胞有絲分裂，進(jìn)而有效阻止癌細(xì)胞增殖。紫杉醇是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)能與微管蛋白聚合體相互作用的藥物，其特殊的抗腫瘤機(jī)制使紫杉醇成為非常有潛力的抗腫瘤候選藥物。經(jīng)過(guò)動(dòng)物毒理實(shí)驗(yàn)及相關(guān)臨床試驗(yàn)的研究，1992年，美國(guó)FDA批準(zhǔn)紫杉醇用于晚期卵巢癌的治療。此后，紫杉醇在中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本等40多個(gè)國(guó)家獲批上市，被譽(yù)為“抗癌三大首選藥”之一。

三、紫杉醇的合成

天然紫杉醇的來(lái)源有限，促進(jìn)了紫杉醇的人工合成。由于早期紫杉醇需從來(lái)源稀少的太平洋紅豆杉中提取而來(lái)，而紫杉醇在紅豆杉樹(shù)皮中的含量極低，大約13.6 kg樹(shù)皮才能提取出1 g左右的紫杉醇，相當(dāng)于治療一個(gè)卵巢癌患者需要3～12棵百年以上的紅豆杉，這對(duì)紫杉醇的來(lái)源提出了挑戰(zhàn)。為避免紅豆杉資源的枯竭和大肆砍伐紅豆杉對(duì)環(huán)境的破壞，世界各國(guó)化學(xué)家開(kāi)始尋找可以替代天然紫杉醇的合成方法，不再依賴(lài)紅豆杉。

紫杉醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這決定了紫杉醇的合成絕非一朝一夕之事。經(jīng)過(guò)一代代科學(xué)家持續(xù)不斷的努力，最終探索發(fā)現(xiàn)了多種合成紫杉醇的方法，主要有全合成、半合成和生物合成法。其中，由于紫杉醇全合成方法步驟多、產(chǎn)率低、反應(yīng)條件苛刻等，導(dǎo)致成本高而無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。真正讓紫杉醇化學(xué)合成進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的方法是半合成途徑。1988年，法國(guó)科學(xué)家首次報(bào)道了以一種叫10-DAB的物質(zhì)為原料半合成紫杉醇的研究成果。依托這一研究，美國(guó)施貴寶公司在獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)后，開(kāi)始利用半合成方法生產(chǎn)紫杉醇，并決定在1994年底停止從樹(shù)皮中萃取生產(chǎn)紫杉醇。

以上兩種方法在一定程度上都依賴(lài)于紅豆杉資源，為了打破這個(gè)僵局，科學(xué)家們還在開(kāi)辟生物合成的新途徑，即利用生物工程手段大量培養(yǎng)可以生產(chǎn)紫杉醇的紅豆杉植物或細(xì)胞，或者通過(guò)基因操作提高紫杉醇合成酶編碼基因的表達(dá)從而提高紫杉醇的產(chǎn)量，但均未實(shí)現(xiàn)突破。2024年1月26日，學(xué)術(shù)期刊Science在線發(fā)表了我國(guó)科學(xué)家的最新研究成果：研究發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中的兩個(gè)缺失的關(guān)鍵酶，闡明了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子（紫杉烷氧雜環(huán)丁烷）的形成機(jī)制，打通了紫杉醇生物合成途徑。該研究是植物代謝生物學(xué)與合成生物領(lǐng)域的重大突破，為利用合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紫杉醇的綠色可持續(xù)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

四、對(duì)紫杉醇的探索仍在繼續(xù)

紫杉醇具有良好的抗腫瘤特性，在癌癥的治療中一直發(fā)揮著舉足輕重的作用，廣泛應(yīng)用于乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌等的治療，是惡性腫瘤化學(xué)治療的基石性藥物。不過(guò)，由于紫杉醇的水溶性差，傳統(tǒng)紫杉醇注射劑往往以聚氧乙烯蓖麻油和無(wú)水乙醇的混合液作為溶劑以增加溶解性，但易引起過(guò)敏反應(yīng)。因此，科研人員一直在探索各種新型制劑，比如，現(xiàn)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功研制多種紫杉醇新型釋藥系統(tǒng)，如注射用紫杉醇脂質(zhì)體、注射用白蛋白結(jié)合型紫杉醇、注射用膠束化紫杉醇等。新型制劑在改善治療效果、方便臨床用藥方面作用顯著，同時(shí)也減輕了傳統(tǒng)劑型的毒副作用。隨著藥劑學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信會(huì)有更多新型紫杉醇制劑進(jìn)入臨床，為患者帶來(lái)福音。