红豆杉的利用及大规模生产

红豆杉中紫杉醇的提取和可持续利用及大规模生产摘要以红豆杉为例，介绍了这种植物的特性和价值及红豆杉这种植物资源在我国内的分布情况，并且简略地描述了从红豆杉中提取紫杉醇开发利用的工艺流程与可持续利用的设想。并讨论了利用大规模植物细胞培养生产紫杉醇和紫杉烷的技术。关键词红豆杉紫杉醇开发利用可持续利用1生物资源可持续利用的重要性1.1生物资源的利用的现状及可持续利用的意义和重要性生物资源是可更新资源，能通过自我更新而得到恢复。以往人们对生物资源缺乏科学的认识，错误地认为生物资源是取之不尽、用之不竭的。因而，在人类历史上，对生物资源利用过度，“竭泽而渔”，从而破坏和毁灭生物资源的事例不断发生，在生物资源的利用和保护之间，充满着矛盾。近年来，人类因利用过度而破坏生物资源的情况日趋严重，但也存在着利用不足造成的资源浪费现象。生物资源是一种再生性资源，是可更新的。如果能合理地、恰当地利用、经营，就能源源不断地为人类提供所需要的物质。当开发利用某一种生物资源时，同时也就减少了这种生物的种群密度，如果环境条件良好，该种群就能很快地增长，到一定时期又会达到相对稳定的阶段。在开发利用某一种生物资源之前，必须掌握该种生物的生长发育、繁殖规律，考虑其利用的方式、程度，再制定出合理的利用计划。这样，才不至于利用该种生物资源的速度或程度超过它自身增长的速度，才能使该种生物繁衍不息，永续地为人类利用。反之，则资源枯竭，造成不可挽回的损失。2红豆杉的特性和价值2.1红豆杉的基本介绍自从1971年Wani等从太平洋红豆杉树皮中分离鉴定出抗癌新药紫杉醇后，红豆杉资源的开发受到了极大的关注。红豆杉属植物是一种古老的植物类群，全世界只有11种。红豆杉属植物属裸子植物门，均是常绿乔木或灌木，是雌雄异株，异花授粉植物。球花小，单生于叶腋内，早春开放；雄球花为具柄、基部有鳞片的头状花序，有雄蕊6~14，盾状，每一雄蕊有花药4~9个；雌球花有一顶生的胚珠，基部托以盘状珠托，下部有苞片数枚；种子坚果状，球形，着生于红色肉质杯状假种皮中，当年成熟。红豆杉属植物只在排水良好的酸性灰棕壤、黄壤、黄棕壤上良好生长，总体来说，对生长环境要求较严。其地域分布较窄，野生资源有限。而从红豆杉中提炼的紫杉醇，其价值是簧金的十余倍。紫杉醇是目前世界上治疗癌症的有效新药，尤其对女性乳腺癌和子宫癌有特效。由于红豆杉植物属于世界珍贵稀有树种，资源稀少，且培育困难，在未来15至20年时间内，紫杉醇将是治疗乳腺癌、子宫癌无可替代的药物。我国红豆杉野生资源分布如下：1）东北红豆杉，仅在东北地区存在，自然分布地域很窄，每年可以采收的枝叶较少。2）南方红豆杉，也叫美丽红豆杉，为红豆杉属植物在中国分布最广泛的一种，由于其材质坚硬，是优良木材，长期以来都是砍伐的对象，所以目前数量锐减。已经被中国林业部列为一级珍贵保护物种。3）中国红豆杉，分布也较为广泛，现存资源蕴藏量较大，保存相对较好。4）云南红豆杉，集中分布在云南西北部，近两年受到破坏较大，濒临灭绝。5）西藏红豆杉，主要分布于西藏自治区南部基隆等地，资源蕴藏量较少，是我国蕴藏量最少，但也是遭破坏最小的红豆杉资源。2.2红豆杉的药用价值红豆杉属植物在中国古代《本草推新》就已被记载，可入药，“用皮引起呕吐，用木部及叶则不吐，且利尿通筋，制肾脏病、糖尿病”在近年，从1971年Wall和Wani等人第一次从红豆杉中提取出紫杉醇之后，80年代美国和欧洲的科学家相继揭示出紫杉醇的抗癌功效，引起了广泛关注。但现在从红豆杉中提取紫杉醇产率比较低，大多数机构提取工艺比较差，造成了资源的浪费。3开发利用的工艺流程3.1红豆杉野生资源的筛选和人工扦苗栽培种植由于我国的野生红豆杉资源比较有限且大多数濒临灭绝，所以掌握人工培养方法意义非常重大。尽管红豆杉对生长环境（温度、湿度、土壤、水质、日照）要求较高，但经过尝试，许多野生红豆杉生长的地区已经建立了人工红豆杉的生长基地。这些为保护野生红豆杉资源和迅速发展红豆杉产业提供了保障，也同样保障了红豆杉资源的可持续利用。3.2紫杉醇的分离提纯由于资金和设备的限制，目前只有中国科学院成都研究所、昆明植物研究所和中国医学科学院药物研究所等单位能进行较高效率的提纯。同时，上海复旦大学先进科研成果---"紫杉醇清洁纯化技术”，也能从红豆杉的枝叶申提纯紫杉醇，该项目于2002年被国家经贸委列入国家技术创新项目。从以下几个步骤可以大致了解实验室提取紫杉醇的方法，大致步骤如下：3.2.1粉碎称取一定质量新鲜的枝叶，加入液氮和石英砂研磨至很细的粉末。3.2.2萃取液液萃取：用一百倍浸膏质量的蒸馏水充分悬浮浸膏，适量石油醚脱除非极性色素，再以氯仿多次萃取氯仿层经蒸馏水洗涤后，用无水硫酸钠脱水，过滤后30r减压蒸干。3.3紫杉醇的替代资源的研究由于红豆杉天然资源十分有限，所以选取替代材料提取紫杉醇资源已经成为紫杉醇研究的焦点。如果有了行之有效的替代资源的提取方法，也可以使得红豆杉资源可以得到可持续利用。目前的主要研究方向有：组织培养，遗体转化，全合成，半合成，类似物的寻找和结构改成，产紫杉醇真菌的培养和遗传改性等。如果有一天这些研究有了突破性进展，会大大促进紫杉醇类药物的商品化，同时也可以造福广大癌症患者。同时我们也不用担忧有一天红豆杉资源会渐渐消失。3.4紫杉醇的临床试验提取了紫杉醇后，关键的一步就是进行临床试验，这是紫杉醇真正造福病患的第一步。经临床试验表明，紫杉醇对卵巢癌、睾丸胚胎癌、乳腺癌、食道癌等多种晚期癌症有效果。临床实践研究证明，紫杉醇是能有效治疗多种癌症和多种肿瘤以及白血病的有效药物，是目前全世界公认的最好抗癌药物之一。3.5紫杉醇的大规模提取及生产利用大规模植物细胞培养生产紫杉醇和紫杉烷可望成为提供足量化疗用紫杉醇的可行技术。韩国SARMYANG公司在大田市己研制成30吨规模的植物细胞培养生产紫杉醇技术，紫杉醇达剑J00mg/L以上。由于植物细胞培养生产紫杉烷尚属初期技术，许多实际攘作问题会影响人规模植物细胞培养生产系统。3.5.1红豆杉的细胞、组织及器官培养通过不同的途径如脱分化及分化培养均可获得红豆杉的不同培养材料。用于诱导培养物的不同外植体可包括年幼的（如未成熟配子体、胚及实生苗等）及成熟的（如针叶、茎及皮层组织等）植物材料。3.5.1.1红豆杉培养体系的建立未分化培养：包括愈伤组织培养和悬浮培养。分化培养：包括胚培养、根培养、毛状根培养、丛生芽培养和冠瘿培养辞。紫杉烷高产株筛选策略：缓慢生长而产生大量紫杉醇的细胞培养；快速生长而产生少量紫杉醇的细胞培养；最有吸引力的方案是快速生长又产生大量紫杉醉的培养;该方案的外延是先快速生长培养。再用新技术刺激生产紫杉醇。3.5.2紫杉醇的提取及测定提取方法：紫杉烷微溶于水.用于植物材料的提取方法必须使用有机溶剂制备样品。ELISA法：酶联免疫测定（ELISA）用于检测树皮提取物和其它生物群品中的紫杉醇和其他紫杉烷。免疫测定采用间接竞争阻遏，能在不同灵敏度水平检测紫杉醇、cephalomannine和baccatinlll。该法可用于快速鉴别产紫杉烷株系，但必须继之以更灵敏的紫杉烷定量分析法。与其它紫杉烷的相关交叉反应损害了该方法检测紫杉醇高产株的能力。HPLC法：HPLC仍是鉴定材料中紫杉烷浓度的首选方法・生物测定：生物测定用于鉴定红豆杉培养副产紫杉烷中紫杉醇类似物活性。3.5.3工业化生产潜力植物细胞培养生产紫杉醇实现工业化仍有许多主要问题。许多实验室进行小魁实验，以分析一些放大至中试和工业生产规模所必须的因素。单一调控手段不足以在植物细胞培养中到达紫杉醇和紫杉烷的工业可行水平。可望通过综台几种调控策略以达到满意的经济产量。3.5.3.1放大生产中的问题:在生化反应器中大规模植物细胞培养工业化生产化合物仍为初期技术。尽管在紫草宁、黄连素和香草香料生产中取得了有限的成功.但实验室水平到工业水平的放大仍需解决许多问题。这些问题包括基于生产用植物培养类型的特殊反应器设计，以及用于刺激目的化合物生成的策略或几种策略的综合。3.5.3.2植物细胞培养生产紫杉烷的产量潜力:为了在植物细胞生化反应器中以经济规模生产紫杉醇。需要进一步提高生产率以增加经济可行性。为了调控紫杉烷生物合成路径，还需揭示更多的基础知识。综合策略以优化产量是一项复杂课题.只有考虑了过程的经济和生物条件，植物细胞培养生产紫杉醇等高价值产品的潜力才能得以最大限度地发挥。4结论从上述文字可以看出，我国目前面临着红豆杉资源稀缺，且利用率较低的状况。红豆杉系濒危植物，其分布地域狭窄，生长环境、条件苛刻，基本处于自然生长状态，且比长十分缓慢;从红豆杉中提取紫杉醇是在最近今年才发展起来，并且人工繁殖技术近年才有所突破，虽然市场需求量很大，有原材料靠自然生长根本无法保证。而掌握人工培育技术的专业人员很少，砍伐野生红豆杉又必须得到国家林业部门的特许审批，因此，长期以来资源馈乏，客观上限制了开发、利用规模。通过各个单位对红豆杉野生资源的筛选和人工插扦苗栽培种植，可以减少对红豆杉野生资源的肆意破坏；同时，不断提高紫杉醇的分离提纯的技术，就是提高了资源利用率，减少了资源的浪费；再者，紫杉醇的替代资源的研究是基于红豆杉天然资源十分有限的情况下的，如果紫杉醇替代资源行之有效的话，将会在很大程度上保护红豆杉资源，我认为找到紫杉醇替代资源是红豆杉资源可持续利用的关键一步。在以后技术水平进一步发展后，紫杉醇的大规模生产也会得到更进一步的发展。参考文献：吴跃峰，赵建成.生物资源学[M],科学出版社.游鸿志，冼穗莹，何海连，等.南方红豆