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红豆杉树皮中的“抗癌明星”——紫杉醇

2020-01-06 07:59:41 常识就是力量 2020年11期

谭斌

太平洋紫杉

小小树皮,大大宝藏

植物紫杉又名红豆杉,为红豆杉科红豆杉属植物,属常绿灌木或乔木,在地球上已有250多万年历史。因紫杉的生物学特性对生态环境要求甚高,野生紫杉的生长条件近乎苛刻,生长地域窄小,对气候要求严格,导致全世界只有十余种。自然条件下,紫杉生长速度缓慢,再生能力差,一般成树要生长近百年时间,因此在世界范围内还没有形成大规模的自然紫杉林。

生长近千年的紫杉树

瓦尼(左)与沃尔(右)

紫杉醇中的17碳四环骨架(图片来源/维基百科)

紫杉醇是从植物紫杉中发现的一种具有复杂结构的天然有机化合物。早在1965年,美国三角研究园的化学家沃尔与瓦尼就在太平洋紫杉树皮粗提取物中发现,这些提取物对离体培养的肿瘤细胞,包括白血病细胞、肝癌细胞及黑色素瘤细胞都具有很强的抑制作用,也就是说,能够使离体培养的癌细胞失去活性,或者降低其活性。

同年,沃尔与瓦尼从短叶紫杉干树皮中提纯得到少量活性成分,但并没有解析出这种活性物质的具体结构,只知道这种物质含有羟基(醇类所含有的基团),因为它是从太平洋紫杉中获得的,所以将这种物质正式命名为紫杉醇。到了1971年,他们又利用X射线衍射和核磁共振分析,确定了紫杉醇是由47个碳原子组成的环状化合物,有11个立体中心和一个17碳的四环骨架结构,因此,它也被称为只有自然界才能孕育出的“怪物”。

紫杉醇球棍模型结构图(图片来源/维基百科)

紫杉醇在紫杉树皮中的含量平均约为1.5/10000。由于早期紫杉醇的市场供应主要靠从紫杉树皮中提取分离,因此大量的采伐已经严重威胁到紫杉物种的生存。目前紫杉已成为世界上公认的濒临灭绝的天然珍稀植物,中国也将其列为珍稀濒危保护植物。

中国将紫杉列为珍稀濒危保护植物

紫杉醇究竟是如何抗癌的

众所周知,正常的细胞在分裂过程中,细胞一分为二,其染色体在复制后,纺锤丝将其由原来的位置拉向两侧,而纺锤体需要作为细胞骨架的微管解聚才能形成,染色体也只有在纺锤体和纺锤丝的牵引下向两极移动才能完成有丝分裂,因此微管在细胞分裂中是十分重要的。

1979年,药理学家霍尔维茨发现紫杉醇能与微管蛋白结合,促进微管蛋白聚合形成微管,从而抑制微管的正常生理解聚,致使其不能形成纺锤体和纺锤丝,使细胞不能正常分裂,阻止了癌细胞的快速繁殖,进而诱导癌细胞凋亡,因此,紫杉醇在抗癌药物中,被视为有丝分裂中的微管抑制剂。

紫杉醇的合成之路

由于天然的紫杉醇是从来源稀少的太平洋紫杉中提取而来的,而且天然紫杉的生长周期长,大约13.6千克的树皮才能提取出1克的紫杉醇,治疗一个卵巢癌患者需要3~12棵百年以上的紫杉,因此長期的供不应求和高昂的价格使得紫杉醇的人工合成技术快速的发展。

目前紫杉醇人工合成的主要方法是生物工程法,也就是紫杉醇半合成。

生物工程法是利用生物工程手段大规模生产紫杉醇,先培育并筛选出可大量产生紫杉醇的菌株,通过对它们不断地培养,多次诱变、优化其基因结构,实现在培养基里“无限制地”生产紫杉醇,而不再受原料稀少的限制。最新科研成果表明,每升培养液中可产出448.52微克紫杉醇的高产菌株,合成效率已大大提高。

在中国,紫杉醇是长期居于销售额排名第一的化学制剂,是抗肿瘤药领域用药金额非常大的品种,目前中国市场上有161种紫杉醇的相关产品,55项紫杉醇的临床试验也在进行中。2019年,中国海和生物制药有限企业宣布其紫杉醇口服溶液3期临床试验完成中国首例患者给药。大家相信,在医药技术不断进步的今天,从丰富的自然资源中发掘具有药用价值的天然产物将对人类健康产业大有裨益。

(责任编辑/陈天昊 美术编辑/李子夜)

常识链接

什么是微管?

微管是细胞骨架的一个组成部分,遍布于细胞质中。具有聚合和解聚的动力学特性,在维持细胞形态、细胞分裂、信号转导及物质输送等过程中起着重要作用。

微管维持细胞的结构,并与微丝和中间纤维一同形成细胞骨架。它们也组成纤毛和鞭毛的内部结构,提供了用于胞内运输平台和参与多种细胞过程,包括分泌囊泡、细胞器和细胞内的物质的运动。此外,它们还具有参与细胞分裂(有丝分裂和减数分裂),包括形成纺锤体,以及拉开真核染色体等作用。

微管的环状横截面是由13条原纤维构成的中空管状结构(图片来源/维基百科)

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