生物资源学论文

目目 录录 1 摘要摘要 -1 2紫杉醇的简介紫杉醇的简介-2 2.1紫杉醇的来源-3 2.2紫杉醇的化学成分与结构测定-3 3紫杉醇的抗癌机制紫杉醇的抗癌机制-4 4紫杉醇的制备方法紫杉醇的制备方法-4 4.1 从天然红豆杉植物中提取-4 4.2 紫杉醇的全合成-5 4.3 紫杉醇的半合成-5 4.4真菌发酵生产紫杉醇-6 5 紫杉醇的不良反应紫杉醇的不良反应 -6 6 紫杉醇主要剂型与制剂产品紫杉醇主要剂型与制剂产品 -7 6.1紫杉醇主要剂型-7 6.2国内主要紫杉醇制剂产品-8 7展望-9 参考文献参考文献-10 第 1 页 共 10 页 紫杉醇的研究进展与展望紫杉醇的研究进展与展望 1 1 摘要摘要 近年来，随着肿瘤疾病的高发，肿瘤药物的研制也有了创新性突破。其中，紫杉 醇是近年来发现的具有独特抗肿瘤作用的天然药物，紫杉酵具有显著的抗癌活性和独 特的作用机制，它的问世被誉为 20 世纪 90 年代国际上的抗癌药三大成就之一。历经 40 多年的研究与发展，在许多方面一度成为科学家研究的热点，并取得了许多可喜的 成绩。本文综述性的介绍了抗癌药物紫杉醇的资源来源概括、化学成分与结构测定、 独特的抗癌机制以及国际现在对紫杉醇制备方法，并且讲述了紫杉醇药物的不良反应 等方面的新研究进展，最后结合前面的讲述，简单介绍了国内紫杉醇主要剂型与制剂 产品，文章结尾对当前研究工作中存在的问题进行了探讨，并对有关研究的发展前景 进行了展望。 关键词：关键词：紫杉醇；来源；结构测定；抗癌机制；制备方法 2 Abstract In recent years, with higher rate of cancer, the drug in cancer also have the innovative breakthrough. Among them, the taxol is found in recent years with a unique antitumor function of natural medicine, the taxol has significant anti-cancer activity and unique role mechanism, it is known as one of the introduction of the 1990s about the international three achievements of revolutionary. After 40 years of research and development. In many ways, it has become a focus on research, and has obtained many gratifying achievements. This paper summarizes recent taxols resources , structure determination, anti-cancer mechanism, preparation methods, adverse reactions, and other aspects of the new progress in the current work that existing the problems were discussed, and the researchs development prospect. Key word:Taxol; Source; Structure determination; Anti-cancer mechanism; Preparation methods 第 3 页 共 10 页 全世界60亿人口中，每年约新增800万癌症患者，其中600多万人死于癌症，几乎 每6秒钟就有一名癌症患者死亡。癌症严重地威胁着人类的生命和健康，因此寻找有效 的抗癌药物成为研究的热点。早在1958年美国癌症协会就发起一项历时20余年、筛选3 5000多种植物物种提取物的计划，在计划实施过程中，1963年美国化学家瓦尼和沃尔 首次从生长在美国西部大森林中称太平洋杉中分离到了紫杉醇的粗提物，并发现紫杉 醇粗提物对离体培养的鼠肿瘤细胞有很高活性。由于该活性成份含量极低，直到1971 年，他们才同杜克大学的化学教授姆克法尔合作，通过 x 射线分析确定了该活性成份 的化学结构：一种四环二萜化合物，并把它命名为紫杉醇。在1992年12月紫杉醇被 F 1 DA 批准上市，目前紫杉醇已成为世界公认的强活性抗癌药物，然而由于这种天然化合 物资源极其稀少，从而严重的限制了它的研究与进展的速度。紫杉醇被当今世界上公 认为广谱活性最强的抗癌药物,尤其是对子宫癌、卵巢癌、乳腺癌具有特殊的疗效 ,它 的问世被誉为20世纪90年代国际上抗癌药三大成就之一。但是尖锐的供需矛盾也在医 学、化学和植物组织培养领域的科学家中引起了一场非同寻常的广泛研究 ,以增加这 种化合物的来源和寻找高效、低毒、来源丰富的紫杉醇类似物，经过40多年努力,已经 取得了可喜的进展。 2 2 紫杉醇的简介紫杉醇的简介 2.12.1 紫杉醇的来源紫杉醇的来源 紫杉醇是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物。红豆杉又称紫杉、赤柏松 ，是第四纪冰川时期孑遗植物，世界珍稀濒危物种，在全世界共有11种，分布于北半 球的温带至热带地区，目前我国共有四个种和一个变种，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)。曼地亚红豆杉是我国20世纪90年代 中期从加拿大引种而来，现在四川、广西、山东等地有栽培。红豆杉生物学特性对生 态环境要求比较高，生长周期长，人工育苗难以成活。但是我国得天独厚的种质资源 条件，自然气候的适宜性和丰富的土地资源 ，为红豆杉人工原料林和紫杉醇产业发展 奠定了基础。使其具有广阔的开发利用前景。 2.22.2 紫杉醇的化学成分与结构测定紫杉醇的化学成分与结构测定 迄今为止，从红豆杉属植物中分离得到的紫杉烷类化合物已有300多种，它们大都 具有紫杉烷三环二萜的基本骨架。紫杉烷类二萜及其生物碱具有显著、明确的抗癌活 4 性，受到医药学专家的高度重视，在具抗癌活性的紫杉烷类二萜生物碱中目前公认活 性最强的仍是紫杉醇。此外还有倍半萜类化合物，甾体类化合物，木脂素类化合物及 黄酮类化合物等。 2 紫杉醇分子式为 分子量为853.9，白色结晶粉末,无臭，无味，不 HC5147NO14 溶于水，碱性条件下很快分解。目前紫杉类化合物的结构测定主要依靠核磁共振谱、C OSY 谱、NOESY 谱等多种光谱技术及 X 射线单晶衍射分析法.1990年，陈未名教授详 3 细地讨论了该类化合物的氢谱信号峰归属及质谱的研究动态。各种结构测定方法中，x 射线单晶衍射分析法显示了独特的优势尤其对新骨架类型的化合物结构分析，是必不 可少的见证。它能够给出分子中原子的精确位置及分子在晶态下的立体构象，为构效 关系的研究奠定基础。尽管天然提取紫杉醇的晶体结构尚未获得,但已有20多种天然存 在的紫杉烷类化合物作过 X 射线单晶衍射分析,且紫杉醇的某些半合成衍生物已获得 衍射分析结果。 4 3 3 紫杉醇的抗癌机制紫杉醇的抗癌机制 1979年，霍唯滋教授等揭示紫杉醇独特的抗癌机制，这使它正式进入成为一类新 的肿瘤化疗药的阶段。经过大量的研究，紫杉醇的作用机制不仅独特而且十分复杂。 它是一种新型抗微管药物,微管是真核细胞的一种细胞内成分，正常情况下，微管蛋白 二聚体之间存在动态平衡。紫杉醇可使其失去动态平衡，紫杉醇作用于细胞微管，通 过促进诱导和稳定微管蛋白聚合，抑制其解聚，使维管束难与微管组织中心相互连接 ，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝，将细胞周期阻断于和 M 期，抑G2 制细胞有丝分裂，使癌细胞无法继续分裂而死亡。体外实验证明紫杉醇具有显著的放 射增敏作用，使细胞中止于对放疗敏感的和 M 期。紫杉醇除作用于微管系统外，实 G2 验证明紫杉醇还作用于酶系统，调节的凋亡信号传递。紫杉醇可诱导 bcl-2磷酸化，使 肿瘤细胞失去抗凋亡能力。进一步的研究发现紫杉醇还可通过作用于巨噬细胞。 13, 6, 5 4.4. 紫杉醇的制备方法紫杉醇的制备方法 4.14.1 从天然红豆杉植物中提取从天然红豆杉植物中提取 第 5 页 共 10 页 紫杉醇的直接来源是从天然植物红豆杉树皮、树叶中提取。但并不是所有品种的 红豆杉树均含有紫杉醇,而且不同种类的红豆杉紫杉醇含量的多少差别非常明显。红豆 杉属植物共 11 种 ,我国有 4 种及 1 种变种 ,在前面的来源概括里面有介绍到，紫杉醇 在不同植物来源以及植物体不同部位的含量与提取分离有着直接关系。科学家对东北 红豆杉幼苗以及成树的不同部位中的紫杉醇含量作了分析 ，结果表明 ：成树紫杉醇 的含量高低依次为:树皮 树叶 树根 树干 种子 心材。对于不同植物来源的 组织培养细胞中的紫杉醇含量 ,研究结果结果表明 ,愈伤组织中的紫杉醇含量以云南 红豆杉为最高 ,其次为欧洲红豆杉 ,再次为红豆杉。对于红豆杉植物样品，经过预 7 处理 ,再用有机溶剂提取 ,然后用液-液萃取法、固相萃取法、二氧化碳超临界流体萃 取法等方法进行萃取 ,再经过柱层析法、薄层色谱法、沉淀法、胶束电动毛细管色谱 法、膜分离法、树脂吸附分离法、 化学反应法等分离纯化。 4.24.2 紫杉醇的全合成紫杉醇的全合成 紫杉醇分子结构复杂 ,具有特殊的三环碳架和桥头双键以及众多的含氧取代基。 其全合成引起国内外许多有机化学家的兴趣。先后共有 30 多个研究组参与研究，经 20 多年的努力 ,于 1994 年才由美国的 R1A1Holton 与 K1C1Nicolaou 两个研究组同时完成 紫杉醇的全合成。他们成功地构建了紫杉烷骨架、首次合成天然紫杉烷类化合物 Taxusin 2、 以 Baccatin 衍生物 3 为原料半合成紫杉醇 ,该法已被用于工业化 8 生产紫杉醇，其特点是步骤少 ,收率高。 4.34.3 紫杉醇的半合成紫杉醇的半合成 半合成法指的是经过某些化学反应将红豆杉属植物中所含的紫杉醇类似物转化为 紫杉醇。由于 Baccatin 和 102deacetyl baccatin 在植物中的含量相对较高 ,因 而半合成的研究工作主要集中在对这两种物质的研究上。法国 Universite Jo sephFo urier 的 J . N. Denis ( 1988 ) 首 次 报 道 由102deaeetyl2baccatin 为原料 半合成了紫杉醇.随后美国 Holton 教授和法国 Potier 教授分别申请了以 baccatin 为原料半合成紫杉醇的专利。紫杉醇半合成前体 102deacetyl2baccatin 是从 12 欧洲红豆杉针叶中分离出来的 ,由于针叶再生很容易 ,所以紫杉醇半合成就有较丰富 的原料。美国 BMS 公司计划在获得美国 FDA 批准后 ,立即用 Holton 教授的专利生产 紫杉醇 ,并决定在 1994年底停止从树皮中萃取紫杉醇的生产。Holton 和 Potier 都认 6 为半合成是解决紫杉醇供应问题的一条很有希望的途径。 4.44.4 真菌发酵生产紫杉醇真菌发酵生产紫杉醇 1991年 ,美国 Montana 州立大学植物病理学家 GaryStrobel 和化学家 AndreaStie rle 检验了从 20多个样点的 25 棵大树上分离出的 200多个微生物 ,结果仅有一种真 菌具有合成紫杉醇的能力 ,把该菌放在合成培养基中培养 ,发现该菌合成紫杉醇能力 十分稳定 ,经鉴定是一个新物种 ,他们把该菌命名为安德列亚菌。目前该菌合成紫杉 醇能力只有24 ng/L50 ng/L ,科学家正在努力优化其发酵条件 ,并通过诱变和基因 工程技术提高其合成紫杉醇能力。尽管其产率很低 ,但由于真菌的基因操作比植物容 易得多 ,因而有可能通过传统的方法和基因工程的方法来增加紫杉醇在真菌中的产量 。另据报道 ,我国西安制药公司的研究人员从中国红豆杉树皮中分离出一种真菌 ,使 其重组诱变 ,通过菌种优化培养 ,紫杉醇和 Baccatin 在培养液中的浓度均达到 2 g/L ,有望实现产业化。 10 3 9 此外还有多种方法制备紫杉醇:组织培养和细胞培养虽然进展很快 ,但无法达到商 业要求所以目前只是扩大药源的潜在方法;虽然利用基因工程提高细胞中紫杉醇含量是 一条诱人的途径 ,但是由于紫杉醇生物合成的具体途径不甚清楚加之紫杉醇合成可能 需要多个基因参与 ,所以还有待于进一步研究,再就是紫杉醇含量高的红豆杉新品种 , 以其为原料也可以提取分离紫杉醇。 5 5 紫杉醇的不良反应紫杉醇的不良反应 虽然紫杉醇药效特别好,但毒性也比较大,对体内细胞的损伤使得其副作用也凸显 出来，主要表现在掉头发、白血球下降、 免疫力减弱、 精神恍惚、 视力模糊等。 10 有关的病理反应主要有: (1)过敏反应：紫杉醇引起的过敏反应多数为 I 型过敏反应 ,包括支气管痉挛引起的呼 吸困难、 荨麻疹和低血压以及面部潮红和皮疹等症状 ,发生率比较高,严重反应者通 常发生于用药 2 min3 min 内 ,多数患发生于首次或第2次用药时,停药后可完全恢复 。 (2)骨髓抑制：当剂量增加时 ,紫杉醇对骨髓抑制的程度也随之加重，主要表现为白细 第 7 页 共 10 页 胞减少,发生率高达65%。此表现通常发生于治疗后 8 d10 d ,一般于15 d20 d 后 完全恢复。 (3)心脏毒性：紫杉醇可以引起心律失常 ,主要表现为无症状性心动过缓 ,多数发生于 药物滴注期间，可能是紫杉醇影响心脏的自主节律与心脏传导有关。 (4)神经系统毒性：紫杉醇可引起周神经病变 ,主要表现为感觉神经障碍 ,如呈手套型 与长袜型分布的麻木与感觉异常，症状的严重性随剂量增加而加重。另一严重的精神 症状是癫痫大发作 ,但比较少见。在应用紫杉醇治疗卵巢癌和乳腺癌的病例中发生过 。 (5)关节及肌肉痛：紫杉醇化疗后肌痛、 关节痛较明显 ，大概有 10 %的为重度疼痛 。主要累及手臂和下肢关节 ,常出现于用药后 2 d3 d 内 ,几天可恢复。关节痛/肌 肉痛的发生率和严重程度表现为剂量依赖。 (6)胃肠道反应及肝脏毒性：胃肠道反应以恶心、呕吐较常见 ,有的病例出现食欲减退 ,腹 泻等不良反应 ,肝功能损害主要表现为胆红素升高、碱性磷酸酶升高以及血清转氨酶 升高 ,且肝功能的改变与紫杉醇的剂量相关。 (7)其他不良反应：脱发见于大部分患者。使用大剂量时可发生黏膜炎和口腔溃疡。少 数病例可发生毛囊炎、 静脉炎以及中性粒细胞减少性小肠结肠炎。综上所述 ,建议对 紫杉醇的过敏反应保持高度警惕 ,接受紫杉醇化疗患者治疗前应服用皮质类固醇或苯 海拉明作为预防用药 ,化疗期间密切观察呼吸、心律、血压化疗后发现异常及时处理 。 6 6 紫杉醇主要剂型与制剂产品紫杉醇主要剂型与制剂产品 6.16.1紫杉醇主要剂型紫杉醇主要剂型 紫杉醇为白色或灰白色粉末几乎不溶于水，无法实现口服给药，只能通过静脉注 射。现行临床使用的紫杉醇制剂是用聚氧乙烯蓖麻油与无水乙醇1 ：1混合制成的油剂 ，注射给药前用生理盐水或5葡萄糖溶液稀释到给药浓度。这种药物载体具有毒副作 用，主要表现出剂量限制性毒性、肠穿孔、毛囊炎、过敏反应、低血压与心动过缓、 肝功能损害等症状。因此，病人在给药前要先用抗过敏药物预处理以及应用粒细胞一 8 巨噬细胞集落刺激因子粒细胞集落因子等防止白细胞减少提高免疫力和其它对症治疗 。但整个过程非常不便，且需谨慎监测用药过程。因此，提高紫杉醇的水溶性及增加 其治疗的靶向性、减轻其毒副作用已成为药理学家重点攻克解决的难题之一。通过 11 多年的研究，紫杉醇制剂现已日趋完善，并逐步应用于临床实践。现主要制剂有环糊 精包合物、脂质体包合、紫杉醇微球、紫杉醇微乳、针粉剂 、磁性非离子表面活性剂 泡囊、紫杉醇聚合物胶束、紫杉醇 纳米粒等新型制剂或制剂前体形式。随着制剂技术的飞速发展，具有良好水溶性、靶 向性甚至可口服充分利用的紫杉醇新型给药系统必将不断涌现，使得有限的紫杉醇资 源能更好地为人类癌症化疗发挥更大的作用 。 6.26.2 国内主要紫杉醇制剂产品国内主要紫杉醇制剂产品 目前，我国主要从事紫杉醇制剂开发与生产的企业和产品主要有北京协和药厂生 产的紫素(中国第一个国产紫杉醇注射液)、海南海药实业股份有限公司海口市制药厂 生产的特素、北京四环制药、厂生产的紫杉醇注射液。这 3家企业生产的紫杉醇针剂 已被批准为国家二类新药，拥有70以上市场份额，占据了国内紫杉醇市场的主要地 位。此外，我国开发的紫杉醇制剂产品还有太极集团的紫滕素紫杉醇注射液、四川康 益生物技术制药有限责任公司的紫烷素注射液、黑龙江省红豆杉医药研究所的达克素 片和达克素胶囊、重庆赛诺生物药业股份有限公司的复方红豆杉胶囊、上海医学院的 特素、上海华联制药公司的紫杉醇针剂、辽宁省医药实业公司的复方红豆杉胶囊等。 7 7 展望展望 紫杉醇的研究方兴未艾 ,具有重大的社会价值和经济效益。目前,癌症越来越严重 地威胁着人类的生命,在美国 ,每年约有3万名妇女被确诊为卵巢癌 ,每年死于此病的 人数达112万人,每年因肺癌死亡的人达10万人。因为紫杉醇缺口还相当大 ,可以预期 随着紫杉醇的半合成 ,从人工栽培的红豆杉枝叶中提取紫杉醇和红豆杉细胞及产紫杉 醇真菌大量培养等技术的发展和完善 ,将会逐渐解决紫杉醇的来源问题 ,而对紫杉醇 类似物的深入研究,将会生产出高效低毒的新抗癌药。紫杉醇不仅是继阿霉素和顺铂后 的热点抗癌新药 ,而且是目前治疗乳腺癌和卵巢癌的特效药。由于天然植物红豆杉中 紫杉醇的含量较低 ,且从红豆杉中提取紫杉醇可能会使红豆杉物种生存受到威胁 ,因 第 9 页 共 10 页 此 ,利用半合成、全合成、生物合成、真菌发酵、植物组织细胞培养等技术手段获得 紫杉醇的研究工作 ,已取得了较大的进展 ,目前已有人工栽培 ,真菌发酵、 植物组织 细胞培养等获取紫杉醇的技术 ,有望在短期内实现商品化。同时利用植化和药理手段 分离、 筛选高效低毒的紫杉醇类化合物仍然是一个很有潜力的研究方向。上述几种紫 杉醇技术开发的成功 ,可大大缓解人们对红豆杉的依赖 ,避免人为造成红豆杉属植物 的物种的生存危机 ,有效降低紫杉醇应