抗癌药紫杉醇(Taxol)的故事
发布时间:2013-04-02 浏览次数:

抗癌药紫杉醇(Taxol)的故事

  紫杉醇(Taxolpaclitaxel)被用于治疗卵巢癌和乳腺癌,是获得FDA批准的第一个来自天然植物的化学药物。它由BMSBristol-Myers Squibb)公司于1993年上市,当年销售即超过了9亿美元;2000年销售额达到了16亿美元,占该公司该年度药物销售额的10%。最初,紫杉醇是从短叶紫杉(Taxus brevifolia)的树皮中分离获得,这种紫杉主要分布在北美西北太平洋区域从北加到阿拉斯加的原生森林中。
  1960年,美国国立癌症研究所(National Cancer InstituteNCI)与农业部(the United States Department of AgricultureUSDA)成立了一个合作项目:采集和筛选植物样品以发现可能有药用价值的天然化合物。19628月,在USDA任职的植物学家巴克雷(Arthur Barclay)从华盛顿州的某个森林中收集了7千克紫杉的枝叶和果实寄回了NCI。当时这种杉树还不太为人所知,这种籍籍无名也使其显得不重要。它中等高度,树皮呈红紫色,其针状叶细而扁平,轻微弯曲,不到一英寸长。它通常藏身在溪流岸边、深谷或潮湿的沟壑之中,掩映在高大的松类树木的荫蔽之下。其木材既硬又重,腐败缓慢,用途有限。在它的抗癌作用被发现之前,林木工人们通常砍伐了这些树后当柴烧,或者打树桩当篱笆,把它当成一种垃圾树trash tree)
  19645月,这些紫杉样品的粗萃取物在肿瘤细胞测试中显示了中等程度的活性。当时主管北卡研究三角学院research triangle instituteRTI)分馏实验室的化学家华尔(Monroe Wall),将研磨过的紫杉原料中复杂的化学组分一一分离出来,使用生物活性测试为指导从中提取活性物质。他们反复尝试,不断试错,消耗了不少原料。仪器辅助以外,这样的工作需要超乎寻常的技巧、直觉和耐心,当然,还有运气。19669月,他们终于分离出了一个有活性的纯化合物,并确定了其分子式为C47H51NO14,但是收率很低,只有万分之零点四。19676月,华尔将这个化合物命名为紫杉醇(taxol)。因为他们确信其包含一个醇羟基,名字中的-ol指醇类;而tax-来自taxus,表明了它所来源植物的种类。

    1970年初,通过使用晶体的X光衍射技术和核磁共振技术,华尔与同事瓦尼(mansukh wani)终于完全解析了紫杉醇的结构式。他们发现其结构骨架与从其它各种taxus杉树中得到的几种化合物的基本结构相似,都属于taxane环状体系,它包含一串并连在一起的两个六元环夹着一个八元环,再一个四元环,环上缀了个小尾巴。紫杉醇一共有11个立中心,多个功能团,如是复杂,是一种只有自然界才能调制出的怪物19715月,他们在美国化学会杂志(Journal of  the American Chemical SocietyJACS)上发表通讯报道了这个初显抗肿瘤活性的天然化合物;相形其它各种taxus杉树中得到的化合物,只有紫杉醇显示了这一独特生物活性。他们的发现引起了全球科学家乃至其他一些人士的关注。
  对于生物学家和病理学家们,他们好奇有个天然化合物有抗癌作用,想知道其作用机理。1979年,纽约叶史瓦大学(Yeshiva University)的分子药理学家霍尔维茨(Susan B. Horwitz)发现紫杉醇的抗癌机理独特,有别于在此之前发现的其它抗癌试剂。细胞有丝分裂时会形成大量管状构造物作为子细胞的骨架,在染色体分布至两子细胞后这些微管便分解,完成细胞分裂。她发现紫杉醇能促进微管蛋白聚合,抑制微管解聚,从而使细胞被固定在分裂过程而死亡。这个新发现吸引了更多生物学家将紫杉醇作为生物医学的一个研究工具,探索细胞活性的未知领域。
  化学家们则被这个有机分子精巧复杂的结构所吸引,想向造出这个分子的大自然挑战,找到实验室里的人工合成方法。这种从头合成,可以从药物化学角度解释这个分子的作用机理;紫杉醇溶解性很差,不易口服,在使用一段时间后肿瘤细胞对其有阻抗作用,合成研究可以将之改良得到毒性更小和药效更好的药物。一直到1992年时,大约有30多个研究小组在研究紫杉醇的合成。因为紫杉醇在天然来源中的含量很小,所以通过合成批量快速便宜地生产又是一种实际的驱动力。1993年底,斯克瑞普斯研究所(The Scripps Research InstituteTSRI)的化学家尼克劳(K.C.Nicolaou)和佛罗里达州立大学(Florida State University)的化学家侯尔顿( Robert Holton)分别宣布独立完成了紫杉醇的全合成。侯尔顿使用樟脑为起始原料,历经30多步合成到最终产物紫杉醇,产率2%。尼克劳使用相似的起始化合物,而后也是30多步,但路线完全不同,得到紫杉醇的产率只

0.05%。两者都无法商业化批量生产。
  在细胞测试阶段,所用紫杉醇量较小,所以紫杉的消耗量也小。刚发现紫杉醇的活性时,华尔用了21千克紫杉树皮和枝叶。到1966年底,华尔的需求达到了170千克。每13千克干样中大约只能萃取出半克纯化过的紫杉醇,简直是从大海捞针一样。起初巴克雷鉴定树种,收集枝叶样品,还只是一个植物学家的行为,后来所需原料树量越来越大,从7千克到170千克,已经超越了植物学的范畴。NCI为得到更多的样品,不得不与管理森林和土地的政府部门打交道。1980年,当紫杉醇进入到动物活体实验阶段,对其需求更达到了10吨。
  短叶紫杉生长极其缓慢且不易繁殖,一棵直径22厘米高度9米的树大约125年老,其树皮极薄,只有大约0.30.6厘米厚,这样的一棵树可以得到大约2千克树皮。紫杉醇必须从新鲜砍伐剥取的树皮中提取。从砍伐树木,收集紫杉树皮到分离萃取出紫杉醇,费时费力且费钱。30吨干树皮可以得到大约100克紫杉醇,花费大约150万美元。因为天然紫杉醇难以得到,NCI1983年才开始人体临床试验,直到1989 NCI也才得到了不足3千克紫杉醇。1983年的第一期临床试验结果很好,1989年约翰斯·霍普金斯(Johns Hopkins)的研究人员发现紫杉醇对其他化疗失败的卵巢癌患者可达到30%的缓解率,虽然平均缓解期只有四个月,但传统上这类患者已无其他有效疗法。这些结果让紫杉醇名声大噪,昔日的垃圾树紫杉也跟着声名鹊起。为了得到紫杉醇救治癌症病人,砍伐树木,导致树木死亡。救人还是保树,这成了一个问题。
  环保主义者因为紫杉醇而开始关注和推崇紫杉树,鼓吹生物多样性和保护原生森林。他们强烈抨击损害杉树来救人性命,又拉动媒体和政客,发现原来紫杉还是一种濒临灭绝的斑点猫头鹰的栖息所。他们将自己描绘成原生森林和珍稀动物的保护者,在与科学家及其病人们这些破坏者”“战斗。八十年代末期到九十年代初期,关于紫杉醇和紫杉的新闻报道比比皆是,完全超越了科研范畴,而成了敏感的政治事务。
  NCI不堪其扰,而且因为财力和能力有限,1989年,第二期临床试验时,NCI向私有公司招标,合作开发将紫杉醇上市,其实是NCI将紫杉醇的后期开发转交出去。BMS以其开发抗癌疗法上的强项赢得合作,承诺每年给临床试验提供25千克紫杉醇,这大约需要砍掉38千棵树,可以用来治疗一万多名病人。因为政府出台了新的伐木政策,BMS不得不积极寻找其它得到紫杉醇的办法。Taxus杉树家族中另有一种浆果紫杉(Taxus baccata),从它的叶子中分离得到的一种化合物,结构与紫杉醇的相关近似,堪称紫杉醇的近亲。侯尔顿教授发现了一个半合成方法,经过四步有机合成转换反应可以将之变成紫杉醇,产率高达80%。这个半合成的方法使得大量产出这个抗癌药成为可能。这个紫杉醇的前体化合物在浆果紫杉叶子中的含量甚丰,而且这种杉树在欧洲非常普通常见,叶子被摘取后可以重生,不会损害树木本身。环保主义者们终于无话可说,偃旗息鼓。在研究这种有机转换的过程中,还发现了一个比紫杉醇溶解性更好,活性是其2.7倍的化合物,后来被开发成了药物多西紫杉醇(Taxotere)。
  1992年底,在5个月内,FDA批准了使用紫杉醇治疗其它疗法无效的卵巢癌病人,1996年又批准它用于治疗晚期乳腺癌患者。后来还被批准用于治疗非小细胞肺癌和卡波济氏肉瘤。现在,BMS采用植物细胞发酵技术来批量生产紫杉醇,药物价格基本由BMS确定。NCI-USDA的植物筛选项目曾经是一个野心勃勃的项目,但这个项目只存在了二十余年,尽管数十几万种植物被筛选,1981年,在这个项目结束时,没有任何植物产品到达临床试验阶段,后来也就一个被批准上市的紫杉醇而已。紫杉醇,BMS的第三大盈利药物,其前面二十多年的研究开发,花了三千多万,全都由政府机构和公众买了单。( 转自 新语丝)