1960年，美國(guó)國(guó)立癌癥研究所（National Cancer Institute，NCI）與農(nóng)業(yè)部（the United States Department of Agriculture，USDA）成立了一個(gè)合作項(xiàng)目：采集和篩選植物樣品以發(fā)現(xiàn)可能有藥用價(jià)值的天然化合物。此后的20年間，研究人員總共收集并測(cè)試了3萬(wàn)多個(gè)樣本，就是在這樣的規(guī)模浩大的抗癌藥物篩選工程中，一個(gè)迄今為止最優(yōu)秀的天然抗癌藥物誕生了！

1962年8月，一個(gè)炎熱的夏日，美國(guó)農(nóng)業(yè)部植物學(xué)家亞瑟·巴克雷（Arthur Barclay），帶著他的3個(gè)研究生，來(lái)到華盛頓州的吉福德·平肖國(guó)家森林為NCI收集植物樣本。站在1500英尺高的地方，巴克雷發(fā)現(xiàn)了一株25英尺高的太平洋紅豆杉樹(shù)，他們采集了太平洋紫杉的樹(shù)枝、樹(shù)皮和果實(shí)樣本。

當(dāng)時(shí)這種杉樹(shù)還不太為人所知，這種籍籍無(wú)名也使其顯得不重要。它中等高度，樹(shù)皮呈紅紫色，其針狀葉細(xì)而扁平，輕微彎曲，不到一英寸長(zhǎng)。它通常藏身在溪流岸邊、深谷或潮濕的溝壑之中，掩映在高大的松類(lèi)樹(shù)木的蔭蔽之下。其木材既硬又重，腐敗緩慢，用途有限。在它的抗癌作用被發(fā)現(xiàn)之前，林木工人們通?？撤チ诉@些樹(shù)后當(dāng)柴燒，或者打樹(shù)樁當(dāng)籬笆，把它當(dāng)成一種“垃圾樹(shù)”（trash tree)。

巴克雷的這批樣品被送到威斯康星校友研究基金會(huì)進(jìn)行提取。樹(shù)皮的粗提物對(duì)KB細(xì)胞有毒性作用，該結(jié)果引起了NCI的注意。1964年9月8日，巴克雷又回到吉福德·平肖國(guó)家森林收集了30磅短葉紫衫的樹(shù)皮并寄給了NCI。這些寶貴的原材料輾轉(zhuǎn)又到了北卡三角研究院，在這里，它與兩個(gè)著名的化學(xué)家相遇了，他們就是沃爾（Monroe Wall）和瓦尼（Mansukh Wani）。

沃爾和瓦尼在收到這些樹(shù)皮后，小心翼翼地把這些樹(shù)皮研磨、一步步地進(jìn)行提純，得到一種粗提取物。他們發(fā)現(xiàn)這種粗提取物對(duì)離體培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞，包括L1210和P288白血病，Walker 256肉瘤及B16黑色素瘤細(xì)胞都具有很強(qiáng)的抑制作用，便開(kāi)始從粗提取物中分離抗癌活性成分。1966年9月，沃爾和瓦尼經(jīng)過(guò)反復(fù)地嘗試后，終于從12kg短葉紫衫干樹(shù)皮中提純得到0.5g活性成分。因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有搞清楚這種物質(zhì)的具體結(jié)構(gòu)，但他們知道這種物質(zhì)肯定含有羥基（醇類(lèi)所含有的基團(tuán)）；又因?yàn)樗菑奶窖笞仙迹═axus brevifolia）中獲得的，所以他們把這種物質(zhì)稱(chēng)為紫杉醇（Taxol）。

紫杉醇提取純化全過(guò)程

1967年，在美國(guó)化學(xué)會(huì)的年會(huì)上，瓦尼做了報(bào)告，跟大家展示了紫杉醇的細(xì)胞毒性和抗腫瘤活性研究結(jié)果。但是，由于紫杉醇的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有搞清楚，并且它的提純產(chǎn)率非常低，又因?yàn)镹CI在那個(gè)年代篩選了一大批抗癌藥物，這其中就包括沃爾和瓦尼發(fā)現(xiàn)的喜樹(shù)堿，而且NCI在那時(shí)已經(jīng)在準(zhǔn)備開(kāi)展喜樹(shù)堿的臨床試驗(yàn)了。

所以，沃爾打算暫時(shí)把紫杉醇放一放。不過(guò)，瓦尼不同意，他堅(jiān)持在“低優(yōu)先級(jí)”的狀態(tài)下，繼續(xù)開(kāi)展紫杉醇研究。瓦尼的堅(jiān)持給紫杉醇帶來(lái)了活路，終于在1969年，紫杉醇通過(guò)了NCI嚴(yán)格的抗癌藥物篩選程序，成為了官方認(rèn)可的潛在抗癌藥物。

1970年初，通過(guò)使用晶體的X光衍射技術(shù)和核磁共振技術(shù)，沃爾和瓦尼終于完全解析了紫杉醇的結(jié)構(gòu)式。他們發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)骨架與從其它各種紫衫屬杉樹(shù)中得到的幾種化合物的基本結(jié)構(gòu)相似，都屬于紫杉烷類(lèi)環(huán)狀體系，它包含一串并連在一起的兩個(gè)六元環(huán)夾著一個(gè)八元環(huán)，再一個(gè)四元環(huán)，環(huán)上綴了個(gè)小“尾巴”。紫杉醇一共有11個(gè)立體中心，多個(gè)功能團(tuán)，如是復(fù)雜，是一種只有自然界才能調(diào)制出的“怪物”。

紫杉醇結(jié)構(gòu)式

1971年5月，沃爾和瓦尼在美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志（Journal of the American Chemical Society，JACS）上發(fā)表通訊報(bào)道了這個(gè)初顯抗腫瘤活性的天然化合物；相比其它各種紫杉屬杉樹(shù)中得到的化合物，只有紫杉醇顯示了這一獨(dú)特生物活性。他們的發(fā)現(xiàn)引起了全球科學(xué)家的關(guān)注。

對(duì)于生物學(xué)家和病理學(xué)家們，他們好奇這個(gè)天然化合物有抗癌作用，想知道其作用機(jī)理。1978年，NCI的兩名研究人員發(fā)現(xiàn)，紫杉醇能夠讓細(xì)胞停滯在G2-M期，抑制細(xì)胞的有絲分裂。這似乎意味著，紫杉醇跟秋水仙堿、長(zhǎng)春花堿、美登木素等一樣，都是一類(lèi)具有微管蛋白抑制作用的藥物。

紫杉醇在細(xì)胞周期中的有絲分裂期作用

1979年，紐約葉史瓦大學(xué)（Yeshiva University）的分子藥理學(xué)家霍爾維茨（Susan B. Horwitz）發(fā)現(xiàn)紫杉醇的抗癌機(jī)理獨(dú)特，有別于在此之前發(fā)現(xiàn)的其它抗癌試劑。在細(xì)胞有絲分裂時(shí)期，紡錘體需要作為細(xì)胞骨架的微管解聚才能形成，而染色體也只有在紡錘體和紡錘絲的牽引下向兩極移動(dòng)才能完成有絲分裂。她發(fā)現(xiàn)紫杉醇能促進(jìn)微管蛋白聚合，抑制微管解聚，致使不能形成紡錘體和紡錘絲，從而不能牽動(dòng)染色體向細(xì)胞兩極移動(dòng)，使細(xì)胞不能完成有絲分裂，導(dǎo)致微管成束而致使細(xì)胞凋亡于G1-G0期。另一環(huán)節(jié)，在S-G2期，微管發(fā)生中心（micro tubules organizing center, MOTC)進(jìn)行復(fù)制，即由一個(gè)MOTC復(fù)制成兩個(gè)MOTC。此時(shí)在紫杉醇作用下，細(xì)胞微管形成無(wú)序排列的星狀體，則細(xì)胞在G2-M期死亡。

在沃爾和瓦尼公布紫杉醇的分子結(jié)構(gòu)之后，NCI的管理層似乎對(duì)紫杉醇有點(diǎn)感興趣了。不過(guò)，紫杉醇原料的供應(yīng)卻是他們不得不考慮的問(wèn)題，因?yàn)橐_(kāi)展紫杉醇的動(dòng)物試驗(yàn)、毒理實(shí)驗(yàn)和以后的臨床試驗(yàn)，都需要大量的紫杉醇。在細(xì)胞測(cè)試階段，紫杉醇用量較小，因此紫杉的消耗量也小。剛發(fā)現(xiàn)紫杉醇的活性時(shí)，沃爾用了21千克紫杉樹(shù)皮和枝葉。到1966年底，沃爾的需求達(dá)到了170千克，但是每12千克干樣中大約只能萃取出0.5克紫杉醇，好比大海撈針。

起初巴克雷鑒定樹(shù)種、收集枝葉樣品，只是一個(gè)植物學(xué)家的行為，后來(lái)所需原材料量越來(lái)越大，從7千克到170千克，已經(jīng)超越了植物學(xué)的范疇。NCI為得到更多的樣品，不得不與管理森林和土地的政府部門(mén)打交道。

1980年，當(dāng)紫杉醇進(jìn)入到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)原材料的需求更是達(dá)到了10噸。然而短葉紫杉生長(zhǎng)極其緩慢且不易繁殖，一棵樹(shù)齡約為125年的紫杉，其直徑約為22厘米、高約9米，但其樹(shù)皮極薄，厚度為0.3~0.6厘米，只能得到2千克左右的樹(shù)皮。此外，紫杉醇必須從新鮮砍伐剝?nèi)〉臉?shù)皮中提取。因此，從砍伐樹(shù)木，收集紫杉樹(shù)皮到分離萃取出紫杉醇，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且費(fèi)錢(qián)。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)天然紫杉醇難以得到，30噸干樹(shù)皮才能得到大約100克紫杉醇，成本高達(dá)150萬(wàn)美元。因?yàn)樵先狈?，NCI從1983年才開(kāi)始人體臨床試驗(yàn)，直到1989年NCI也才得到了不足3千克紫杉醇。

1983年的首次臨床試驗(yàn)結(jié)果良好，1989年約翰斯·霍普金斯（Johns Hopkins）大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)紫杉醇對(duì)黑色素瘤的療效非常顯著，更重要的是，它對(duì)復(fù)發(fā)性卵巢癌的有效率高達(dá)30%。這在當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)直是爆炸性新聞，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候，對(duì)于復(fù)發(fā)的卵巢癌還沒(méi)有什么有效藥物，紫杉醇一躍成為明星藥物，太平洋紫杉也隨之變成了舉世矚目的抗癌藥材。

為了得到紫杉醇救治癌癥病人，就需要砍伐樹(shù)木，從而導(dǎo)致樹(shù)木死亡。據(jù)NCI推測(cè)，若用紫杉醇治療全美國(guó)的黑色素瘤和卵巢癌患者，那么每年需要砍伐36萬(wàn)棵紫杉樹(shù)。救人還是保樹(shù)，面臨兩難抉擇。環(huán)保主義者們認(rèn)為太平洋紫杉生長(zhǎng)緩慢，天然更新的能力很差，如果大量砍伐，紫杉將會(huì)瀕臨滅絕。此外，環(huán)保主義者還發(fā)現(xiàn)紫杉是一種瀕臨滅絕的斑點(diǎn)貓頭鷹的棲息所，如果肆無(wú)忌憚地砍伐紫杉樹(shù)，還會(huì)同時(shí)威脅斑點(diǎn)貓頭鷹的生存。

在八十年代末期到九十年代初期，關(guān)于紫杉醇和紫杉的新聞報(bào)道比比皆是，完全超越了科研范疇，成為了敏感的政治事務(wù)。直到半合成紫杉醇方法的出現(xiàn)，才使得繼續(xù)開(kāi)發(fā)紫杉醇成為可能。

一、紫杉醇的全合成

由于紫杉醇對(duì)乳腺癌和卵巢癌神奇的療效、獨(dú)特的抗癌機(jī)制、新穎的結(jié)構(gòu)以及有限的自然資源，從而引起了全世界研究者的強(qiáng)烈關(guān)注。許多合成化學(xué)家對(duì)紫杉醇復(fù)雜而新穎的結(jié)構(gòu)非常有興趣，將合成紫杉醇看作是基輔刺激的挑戰(zhàn)。全世界范圍內(nèi)約有四十多個(gè)一流的研究團(tuán)隊(duì)從事紫杉醇全合成研究工作，實(shí)屬罕見(jiàn)。目前已有6個(gè)研究團(tuán)隊(duì)公開(kāi)報(bào)道完成了具有各自特點(diǎn)的紫杉醇全合成路線。

1994年斯克瑞普斯研究所（The Scripps Research Institute，TSRI）的化學(xué)家K.C. Nicolaou和佛羅里達(dá)州立大學(xué)（Florida State University）的化學(xué)家Robert A. Holton幾乎同時(shí)宣告紫杉醇的全合成獲得了成功，1996年S. T. Danishefsky、1997年P(guān). A. Wender、1998年 I. Kuwajima和1999年T. Mukaiyama也先后完成了紫杉醇的全合成工作。6條全合成路線雖然各異，但都具有優(yōu)異的合成戰(zhàn)略，把天然有機(jī)化學(xué)合成提高到一個(gè)嶄新的水平。

Holton紫杉醇全合成路線

Nicolaou紫杉醇全合成路線

然而這些全合成方法路徑太長(zhǎng)、合成步驟太多（最少37步），不僅需要使用昂貴的試劑，而且反應(yīng)條件極難控制，合成的總體收率也非常低——最高產(chǎn)率不超過(guò)2%，因此并不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

二、紫杉醇的半合成

1981年，法國(guó)科學(xué)家Pierre Potier，從英國(guó)紫杉的葉子中分離得到了一種叫做10-DAB（10-deacetylbaccatin Ⅲ）（圖6）的物質(zhì)，它跟紫杉醇的結(jié)構(gòu)非常相似，只是缺少一些側(cè)鏈基團(tuán)。10-DAB是從一種常見(jiàn)的歐洲紅豆杉的枝葉中分離出來(lái)的，其含量可達(dá)0.1%。由于枝葉再生能力強(qiáng)，采集枝葉不會(huì)對(duì)該物種的生存造成影響。

1988年，法國(guó)Denis等首次報(bào)道了以10-DAB為原料半合成紫杉醇。其后，美國(guó)Holton教授和法國(guó)Potier教授等以Baccatin Ⅲ為原料半合成了紫杉醇。紫杉醇半合成反應(yīng)路徑短，產(chǎn)率高，為紫杉醇的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的方法。1994年，BMS采用Holton教授半合成方法的專(zhuān)利生產(chǎn)紫杉醇。1997年，半合成紫杉醇被FDA批準(zhǔn)上市。

10-DAB結(jié)構(gòu)式

除了來(lái)源問(wèn)題，還有另外一個(gè)問(wèn)題也限制了紫杉醇的開(kāi)發(fā)。從結(jié)構(gòu)式就可知，紫杉醇是疏水性物質(zhì)，其水溶性非常差，需要用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。Cremphor EL和乙醇可制備紫杉醇制劑，但這兩種溶媒可能會(huì)導(dǎo)致毒性，如犬血壓下降。另一個(gè)更為嚴(yán)重的問(wèn)題是第一批病人接受紫杉醇制劑后出現(xiàn)了超敏反應(yīng)。實(shí)際上，首批接受紫杉醇制劑（Taxol?)治療的一個(gè)患者因過(guò)敏性休克而死亡，這足以阻止大多數(shù)藥物進(jìn)一步的臨床研究。

從1983年至1988年，科學(xué)家們未再繼續(xù)開(kāi)展紫杉醇相關(guān)的臨床試驗(yàn)。在此期間，腫瘤學(xué)家、制劑化學(xué)家和藥理學(xué)家一起努力尋找過(guò)敏反應(yīng)的解決方案，以便繼續(xù)開(kāi)展臨床試驗(yàn)。為防止發(fā)生過(guò)敏反應(yīng)，受試患者在給予紫杉醇制劑之前先給予抗組胺藥和類(lèi)固醇，且不再是靜脈推注給藥，而是靜脈滴注 24 小時(shí)給藥。采用預(yù)處理后再給藥的方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示紫杉醇對(duì)難治性卵巢癌和轉(zhuǎn)移性乳腺癌有良好的臨床效果。

圖片來(lái)源：科睿唯安

盡管所有的臨床研究都是 NCI 在主持下開(kāi)展的，但它畢竟不是一個(gè)制藥公司，無(wú)法進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這個(gè)藥物。由于藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制都沒(méi)有進(jìn)行專(zhuān)利保護(hù)，因此對(duì)制藥公司沒(méi)有吸引力。NCI發(fā)布了合作研究的廣告，最終BMS以其開(kāi)發(fā)抗癌療法上的強(qiáng)項(xiàng)贏得合作。

Taxol?為全球第一個(gè)上市的紫杉醇制劑，1992年12月首次登陸美國(guó)市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)BMS近10年努力，其適應(yīng)癥不斷由二線向一線拓展。目前，Taxol?為“晚期卵巢癌、NSCLC、Her2陽(yáng)性轉(zhuǎn)移性乳腺癌”三大適應(yīng)癥的一線用藥。如此強(qiáng)悍的適應(yīng)癥在給BMS帶來(lái)豐厚利潤(rùn)的同時(shí)，也奠定了其全球腫瘤領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”地位。

從1992年上市以來(lái)，Taxol?銷(xiāo)售額直線飆升，于2000年達(dá)到銷(xiāo)售巔峰（15.9億美金）。截至2017年年底，Taxol?總共給BMS帶來(lái)了至少超過(guò)145億美金的銷(xiāo)售收入。

一、紫杉醇的改良制劑

作為第一個(gè)紫杉醇制劑，Taxol?在市場(chǎng)上取得了巨大的成功，但該藥有一個(gè)非常明顯的缺陷：溶媒中使用了聚氧乙烯蓖麻油。這一變應(yīng)原能夠刺激機(jī)體釋放組胺，導(dǎo)致過(guò)敏反應(yīng)，這就導(dǎo)致了Taxol?的兩大臨床問(wèn)題：Taxol?背上了“過(guò)敏及嚴(yán)重過(guò)敏反應(yīng)2%-4%發(fā)生率”的黑框警告；用藥前必須經(jīng)過(guò)皮質(zhì)激素及抗組胺藥等預(yù)處理。當(dāng)然，也正是該缺陷給紫杉醇的后續(xù)開(kāi)發(fā)留下了廣闊的空間，成功上市的有紫杉醇脂質(zhì)體（力樸素）、白蛋白結(jié)合型紫杉醇納米粒（Abraxane?）等。

Abraxane?憑借其廣泛的適應(yīng)癥及較低的不良反應(yīng)鑄就了紫杉醇的又一個(gè)輝煌，自2005年上市以來(lái)的10年間，Abraxane?已經(jīng)創(chuàng)造了至少超過(guò)50億美金的全球銷(xiāo)售額。

表1.已上市的紫杉醇制劑

二、多西紫杉醇

Potier在探索用10-DAB合成紫杉醇的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)名叫RP5676的中間產(chǎn)物，距離紫杉醇還有兩步。Potier在對(duì)這個(gè)中間產(chǎn)物進(jìn)行活性測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)RP5676比紫杉醇有著更強(qiáng)的微管蛋白結(jié)合能力。這個(gè)中間產(chǎn)物，后來(lái)就成為了賽諾菲的抗癌藥，多西他賽（Docetaxel），又名多西紫杉醇。

多西他賽結(jié)構(gòu)式

多西他賽跟紫杉醇結(jié)構(gòu)上非常相似，有著相同的母核，只是有兩個(gè)基團(tuán)跟紫杉醇不一樣，這也讓多西他賽的溶解性更好。值得一提的是多西他賽雖然在水溶性方面要比紫杉醇好一些，但還是得用吐溫-80和乙醇作為溶劑，也比較容易引起過(guò)敏反應(yīng)，所以它在使用前也是需要用抗過(guò)敏藥物。

1996年，多西他賽獲得美國(guó)FDA的上市批準(zhǔn)用于治療晚期乳腺癌，后來(lái)又被批準(zhǔn)用于治療非小細(xì)胞肺癌、前列腺癌、胃腺癌等。多西他賽上市后，其銷(xiāo)售額很快就超過(guò)了Taxol?。在2010年的時(shí)候，多西他賽的年銷(xiāo)售額高達(dá)21億歐元，同一年，多西他賽專(zhuān)利到期，這之后很多仿制藥紛紛上市。

從紫杉樹(shù)到一個(gè)個(gè)明星抗癌藥Taxol、Taxotere、力樸素和Abraxane，無(wú)一不凝聚著無(wú)數(shù)科學(xué)家的智慧和汗水。未來(lái)，紫杉醇和多西紫杉醇還是否繼續(xù)書(shū)寫(xiě)其傳奇，我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)

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5.紫杉醇升級(jí)之路：全球改良型新藥的典范

6.抗癌藥紫杉醇(Taxol)的故事

7.毒樹(shù)、兇器、天然抗癌藥典范——紫杉醇的前世今生