抗癌神药“紫杉醇”与植物组织培养技术.doc

抗癌神药“紫杉醇”与植物组织培养技术朱建 江苏省南通市通州区二甲中学（226321）1963年美国化学家瓦尼和沃尔首次从一种生长在美国西部大森林中称谓太平洋杉树皮和木材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。由于该活性成份在植物中含量极低，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。紫杉醇是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物，细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能,使其停留在G2期和M期直至死亡，这抑制了细胞分裂，阻止癌细胞的增殖，达到抗肿瘤的目的。是广泛用于治疗卵巢癌、乳腺癌的首选药物，对白血病、肺癌、脑癌、直肠癌等疗效也显著，并且毒性试验表明它的毒副作用很小，是目前最好的天然抗癌药物之一。据统计，世界上癌症的年发病人数在1000万以上，如按0.006%0.06%提取紫杉醇，年需消耗红豆杉树皮7001000吨。由于红豆杉分布地域较窄，而野生红豆杉的很多生物学特性，又限制了自然群落的发展，加之人为盗伐，现在全世界野生红豆杉仅有1000万株，已近濒危边缘，所以各国为保护不多的红豆杉自然资源，禁止一切砍伐。目前98%纯度的紫杉醇国际市场价格为每干克40至60万美元，我国纯度为70%的紫杉醇售价为160至180万元/千克，比黄金价格还要昂贵。一位研究紫杉醇的美国专家说，即使将世界上现有的红豆杉全部砍伐，所提取的紫杉醇也只能挽救12.5万癌症患者的生命，远远不能满足当今市场的需求量。只有大力发展红豆杉产业，才能有效保护野生资源，解决紫杉醇原料短缺问题。目前有关红豆杉的研究主要集中在红豆杉植物的人工种植、化学提取、组织和细胞培养、紫杉醇的合成和化学修饰、生物转化、微生物和基因工程等方面，其中，组织培养技术在红豆杉产业中应用最为广泛，最初始于20世纪80年代。红豆杉组织培养技术包括两个层面：一是利用组培微繁技术生产大量的组培苗以满足人工栽培需求；二是通过愈伤组织或细胞悬浮大量培养，直接提取紫杉醇成分并用于药物生产。红豆杉的种子实生繁殖、扦插育苗和组培微繁技术的根本目的都是快速、大量获得再生植株。相对于另两种常规繁殖技术，组培微繁技术具有繁殖速度快、可控性强、植物材料利用少等突出优点，还可用于脱毒苗繁殖及新品种选育。红豆杉是木本裸子植物，由于其本身所具有的特殊性质，诱导愈伤组织比较困难。通常使用茎和枝条诱导愈伤组织，但也可利用芽、叶和成熟种子胚，总体看来，茎段取材方便、细胞分化能力较强，是红豆杉诱导愈伤组织常用外植体。此外，需要合适的培养基和生长调节剂，常以蔗糖为生理碳源。研究表明，向培养基中适当添加特殊小分子物质如苯丙氨酸、乙酸钠等，可以改善南方红豆杉愈伤组织的生长情况或形态，或影响愈伤组织中紫杉醇含量。组培微繁技术不受气候、土壤和水分等影响，能够实现植物批量生产。同时，通过茎尖诱导产生的脱毒苗进行繁殖，则可以得到不会或极少发生病毒病的植株，对植物的物种保护具有积极意义。目前，利用东北红豆杉、云南红豆杉、欧洲红豆杉外植体成功培养获得不定根、不定芽或完整再生植株均有报道。利用细胞悬浮培养方法提取紫杉醇是近年来红豆杉研究的一个重要课题。自1989年首次报道细胞培养法生产紫杉醇以来，各国学者开展了广泛研究，特别是在紫杉醇生物合成途径及代谢调控、细胞培养动力学、利用生物反应器扩大培养和紫杉醇类物质的分离纯化方面取得了较大进展。利用细胞培养法生产紫杉醇的一般步骤为：诱导愈伤组织 愈伤组织继代培养 细胞悬浮培养 扩大细胞培养。目前，以南方红豆杉为例，目前组培微繁和细胞培养已经取得了较大进展，但还存在诸多需要克服的技术性难题，尤其是愈伤组织褐化控制和植株再生技术是急需解决的关键问题。与很多木本植物一样，红豆杉的愈伤组织在培养中极易发生褐化现象，这主要是因为外植体中的多酚氧化酶被激活，使细胞代谢发生变化。褐化导致细胞活力降低、增殖生长缓慢甚至死亡，因而严重影响和阻碍组织培养正常进行。目前有关红豆杉组织培养过程中褐化问题研究并不透彻，除了选择合适的外植体、培养基和适宜激素组合外，在培养基中附加一些酚类吸收剂如活性炭或还原剂如抗坏血酸等也可以对褐化起到一定的抑制作用。由于紫杉醇本身是一种细胞生长的毒性物质,其量的积累愈多,对细胞增殖亦会产生愈强的抑制,虽然添加真菌诱导子及生物合成前体,均能提高有效物质产量,但组织细胞培养生产紫杉醇尚未达到产业化应用水平,主要问题是细胞培养物生长速度慢,有效物质含量低、成本高、大规模生产技术尚未过关等。迄今为止,虽然已有一些研究小组就细胞培养生产紫杉醇进行了一定规模的小试、中试,但离工业化大规模生产还有相当大的距离,主要原因在于缺乏关于紫杉醇生产的基础