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紫杉醇的研究进展

有关紫杉醇的两种合成方法及检测技术的研究进展

摘要：

紫杉醇是治疗癌症的有效药物之一，在临床上广泛应用，但是由于其天然原料从红豆杉的树皮中提取，由于其生长在海拔2500-3000米的深山密林中，成材需50-250年，而1千克100年树龄的树皮，仅仅能获得50毫克～100毫克的紫杉醇，且分离技术复杂，因而导致其价格昂贵，普通患者难以消费。

本文针对于它的两种合成方法——全合成法和生物合成法进行了较为全面的概述，并对其检测方法进行了简要的介绍。

关键词：

紫杉醇、全合成法、生物合成法

1.前言

近几十年来，恶性肿瘤已经发展成为严重影响人类健康、威胁人类生命的主要疾病之一。

癌症与心脑血管疾病和意外事故一起，构成当今世界所有国家三大死亡原因。

因此，世界卫生组织（WHO）和各国政府卫生部门都把攻克癌症列为一项首要任务。

目前，有关于癌症的治疗方法有如下几种：

传统疗法、手术治疗、药物治疗、放射治疗、替代疗法、物理疗法、精神疗法、细胞疗法、化疗治疗、放疗治疗、外科治疗、介入疗法、化学疗法、中医疗法、热疗等多种治疗方法，但是在实际治疗的过程中往往将多种方法结合在一起进行使用来提高疗效。

其中，在药物治疗中，从红豆杉属植物中提取出来的天然抗癌药物紫杉醇具有广谱的抗肿瘤活性，尤其对卵巢癌和转移性乳腺癌有显著的疗效,在世界各国均为医院首选的抗肿瘤药物[1]。

而紫杉醇独特的抗癌活性机制在于它属于有丝分裂抑制剂或纺锤体毒素,不但能抑制细胞的有丝分裂、纺锤体和纺锤丝的形成,从而阻止癌细胞的繁殖,而且能通过诱导和促进微管蛋白的聚合和装配,阻止微管发生解聚,使微管稳定,因而对于许多耐常规化疗药物的肿瘤有活性,应用前景十分广阔[2]。

本文将进行紫杉醇的全合成和生物合成方法进行简要的概述，同时也对其样品中的产物检测方法进行了简单的介绍，并通过比较来找到更加高效的合成方法。

2.紫杉醇的全合成方法

　　由于紫杉醇这一天然分子中原子数目众多，并且成键方式多样，使得它的合成极其具有复杂性和挑战性，并成为有机合成化学家所面临的共同难题，在全世界共有40多个第一流的研究小组从事于紫杉醇的全合成工作。

紫杉醇

（1）是由带四个环的母核（BaccatinIII,2）以及一个带有酰胺等基团的苯丙酸酯侧链构成母核中的四个环分别标记为A、B、C、D,其中A环、C环为六元碳环,B环为八元碳环,D环为含氧四元环;此外还有十一个手性碳,是一个结构相当复杂的天然有机化合物（图1）[3]。

（1）

（2）

图1　紫杉醇和巴卡亭Ш的结构

　　鉴于紫杉醇复杂的结构，他们的合成主要分为两种合成战略:

（1）线性战略,即由A环到ABC环和由C环到ABC环。

（2）会聚战略,即由A环和C环会聚合成ABC环（图2）[4]。

图2　紫杉醇全合成战略

而在合成这几个环时不同的研究小组采取了独有的方法，即：

A环

Petterson等从有环氧醇13入手得到14，在关环的到15，用丙酮锁住两个羟基得16，在用DBU时双键转位，即得到具有A环结构的17，并在此基础上得到B环[5]。

图3

Swindell等把A环构建在B、C环的骨架上，先合成半缩酮，再经过连续的Adol缩合和Payne重排及环氧酮异构化，得到具有ABC环结构的产物[6]。

R=Ac

图4

Bonnert等通过分子内Diels-Alder反应在C环上建立AB环[7]。

图5

B环

紫杉醇中B环是一个含有多个含氧功能基团和偕二甲基的八元环，它的成环方法大致如下[8-36]：

a.

b.

c.

d.

e.

f.

g.

h.

i.

图6

C环

图7

D环

a.

b.

c.

图8

　　　也有学者采用了直线-会聚联合导入到巴卡亭Ⅲ（图9），再通过酰化反应引入侧链从而完成了紫杉醇

（1）的全合成。

图9Ojima偶联反应

3.紫杉醇的生物合成方法

由于萜类化合物的生物合成途径非常复杂,因而对于像紫杉醇这一类低产量的复杂分子的生物合成研究就更具复杂性。

一般来说,人们首先假定紫杉醇的侧链和母核在动物体的组织内是分别合成的。

如果紫杉醇的边链在组织内的生物合成是关键的限速步骤,则问题就要相对简单得多。

如母核部分的生物合成是紫杉醇生物合成中的限速步骤,则研究难度非常大。

从生物合成机理来说,从甲瓦龙酸酯得到的牛儿基牛儿醇磷酸酯（geranylgeranyldiphosphate）是二萜和四萜类化合物生物合成的共同前体。

因为甲瓦龙酸酯是绝大多数萜类、甾体化合物的生物合成的前体,而且比较容易形成,因而在植物体内相对含量丰富的牛儿基牛儿醇磷酸酯的形成不大可能是限速步骤。

从其它萜类化合物生物合成的研究来看,生物合成前体通过折叠和环合以形成特定的萜类母核通常是该类化合物生物合成途径中最慢的一步。

因此,如果在紫杉醇生物合成中的二萜环合酶可以被分离、鉴定及克隆,则可起到增强整个紫杉醇生物合成途径的作用。

　　近来,关于紫杉醇生物合成研究取得了极大的进展，而且紫杉醇侧链的生物合成途径已经很清楚。

H.G.Floss等人通过紫杉醇侧链生物合成前体的同位素饲喂试验[35-37],证明苯丙氨酸在植物体内重排形成β氨基苯丙酸,然后经2位羟基化,氨基酰化而生成紫杉醇的侧链（图10）。

图10紫杉醇侧链生物合成前体

　　在1991年，Nedea等通过（3R）[2-14C]和（3RS）（5RS）[5-3H]甲羟戊酸在T.canadensis植物体内的标记实验揭示了紫杉醇的母核是甲羟戊酸途径的产物。

　　1995年,华盛顿州立大学Croteau及其同事们终于确定了紫杉醇生物合成起始的一步,即紫杉醇A、B、C三环结构的形成。

反应是紫杉醇前体双牛基焦磷酸的环化,形成紫-4（5）,11（12）-二烯（图1）。

Heazri等已经从加拿大红豆杉中纯化到了能催化此环化作用的紫杉二烯（taxadiene）合成酶,并克隆和表达了该酶的基因。

此环化作用被认为是相当慢的,因而是生物合成紫杉醇过程中最影响合成速率的一步。

Croteau、Floss等也已经确定了紫杉二烯合成酶催化环化过程的详细机理。

通过氘标记实验,他们发现分子内的质子转移是此环化反应的关键所在（图11）。

图11紫杉醇A、B、C三环结构的形成

4.检测方法

4.1.U-V法

由于样品中紫杉醇含量太低,紫杉醇的UV峰不明显,虽能得出A值,但因误差太大而不能作为计算样品中紫杉醇含量的依据,故UV检测红豆杉中紫杉醇含量还有待进一步探索[38-41]。

4.2.HPLC法

经HPLC检测,红豆杉不同材料中紫杉醇含量存在着较大差异,见表1。

两种红豆杉幼茎皮和茎形成层组织诱导产生的愈伤组织中紫杉醇含量均高于其它材料,其中以南方红豆杉最高,为万分之4.09和万分之4.07（干重）;曼地亚红豆杉愈伤组织中紫杉醇含量普遍偏低,少数甚至未检测出含量;在天然植物材料中南方红豆杉树皮和树叶中也未能检测出紫杉醇含量,曼地亚红豆杉树皮和树叶中含量非常低,分别为十万分之5.1和十万分之6.8（干重）。

南方红豆杉愈伤组织培养物中的含量是曼地亚红豆杉愈伤组织培养物中的2~27倍,是曼地亚红豆杉天然植物中的6~8倍。

通过比较对照品与样品在227nm处的HPLC图谱（图2）发现,样品有多个杂峰,说明样品中可能存在多个紫杉醇类似物,这与其他相关文献所报道结果相一致。

因此,部分样品中未能检测出紫杉醇含量可能受两个原因的影响:

一是样品本身所含紫杉醇极低,超出了HPLC的检测下限;二是在样品处理过程中,紫杉醇转化分解形成了紫杉醇的类似物。

证实和解决以上问题,还有待进一步研究[42-44]。

　　表1　红豆杉不同材料中紫杉醇含量

HPLC检测结果

编号树　种材　料紫杉醇含量（%）

1南方红豆杉幼茎愈伤组织0.0251

2南方红豆杉幼茎皮愈伤组织0.0409

3南方红豆杉形成层愈伤组织0.0407

4南方红豆杉未成熟叶愈伤组织0.0300

5南方红豆杉顶端分生组织愈伤组织0.0336

6曼地亚红豆杉幼茎愈伤组织0.000

7曼地亚红豆杉幼茎皮愈伤组织0.0072

8曼地亚红豆杉形成层愈伤组织0.025

9曼地亚红豆杉未成熟叶愈伤组织0.0015

10曼地亚红豆杉顶端分生组织愈伤组织0.016

11南方红豆杉叶0.000

12南方红豆杉皮0.000

13曼地亚红豆杉叶0.0068

14曼地亚红豆杉皮0.0051

　　a.红豆杉愈伤组织;b.紫杉醇对照品

图12　样品与对照品的HPLC峰形图

5.结语：

在有关紫杉醇的研究当中，随着生物技术的日渐成熟，它将替代工艺复杂的全合成方法而进行批量生产，同时在其检测方法中应当将IR、UV、HTLP、1HNMR等各种方法进行有机的结合，使其安全性得以提升，并尽快用于临床来减轻病人的痛苦。

致谢：

感谢杨武老师在写作过程中帮助选题和进行了一定的指导！

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TwoSyntheticmethodsforTaxolandDetectiontechnologyresearch

Abstract：

Taxolisoneofeffectivedrugstotreatcancer,widelyusedinclinicalpractice,butbecauseofitsnaturalingredientsextractedfromyewbark,becauseofitsgrowthatanaltitudeof2500-3000metersinmountainforests,theygrowtobe50-250years,and1kgofbark100yearsold,justtoget50mgto100mgofpaclitaxel,andtheseparationoftechnicalcomplexity,resultinginitshighprice,theaveragepatientisdifficulttoconsumption.Inthispaper,twosynthesismethodsonit-thewholesynthesisandbiologicalsynthesisofamorecomprehensiveoverview,andtheirdetectionmethodsarebrieflyintroduced.

Keywords:

Taxol，totalsynthesis,biologicalsynthesis