抗癌药紫杉醇

天然药物史话——紫杉醇13301030027苏世民【摘要】紫杉醇是从红豆杉的树皮，树根及其枝叶中提取的一种化合物，于1992年底被FDA批准作为抗晚期癌症新药上市。美国肿瘤研究所认为紫杉醇是人类未来20年间最有效的抗癌药物之一。紫杉醇类药物具有良好的抗肿瘤活性与其独特的抗肿瘤机理，研究表明紫杉醇可能通过多种信号传导通路和机制共同参与细胞凋亡。尽管紫杉醇和多烯紫杉醇临床治疗上均有突出的贡献，但是依然存在诸多临床缺陷，例如水溶性差，耐药性以及毒性反应。其中毒性反应包括骨髓抑制，神经毒性，肌肉关节疼痛，心脏毒性等。近年以来对紫杉醇类药物进行水溶性的改善有很多报导。一方面，通过前药策略对其结构进行化学修饰。引入极性较大的基团用以提高化合物的水溶性。包括引入氨基酸类，糖类，有机酸类水溶性片段以及成盐等，然而大多数却停步于临床药物阶段。另一方面，通过不同的剂型进行研究也是改善其水溶性的另一种手段与策略，包括乳剂，脂质体，聚合物胶束和纳米粒等。不过按其推荐给药方案计算费用约为进口普通紫杉醇的两倍，限制了其临床应用。因此对紫杉醇类药物改善依旧需要进一步探索和研究，以期待更加安全有效经济的治疗药物。【关键词】抗肿瘤药物、紫杉醇、紫杉醇作用机制、紫杉醇水溶性、紫杉醇类药物毒副作用、前药设计一．紫杉醇与癌症根据卫生部统计，近年来我国每年新增肿瘤患者212.7万人，其中每年有106万左右的恶性肿瘤新生患者;全国约有268.5万左右的肿瘤现有患者，其中，恶性肿瘤现有患者约148.5万左右;肿瘤死亡率呈现明显上升趋势，兼有发展中国家和发达国家高发谱并存的特点。1从全球情况来看，肿瘤发生率预计在2000-2020年间将上升。2随着科学，医疗诊断技术的进步，癌症已经人类致死的第一大死因，但是医学的进步和新药的研究上市，给人类战胜癌症带来了曙光。同时，正因为全球癌症发病率的持续上升，抗肿瘤药物的市场的不断扩大，也为抗肿瘤药物的研发提供了巨大的机遇和挑战。攻克癌症成为了当今全世界医药工作者亟待解决的一大课题，世界各国也为之付出了不懈的努力。为了寻找安全有效的抗肿瘤新药，科学家将目光投入到自然界中的天然产物。天然产物长久以来在药物研发过程中有着举足轻重的地位，是新药的重要来源。3然而天然产物是生物界为自身生存与种群繁衍而产生，并非生来为人类治病服务的，大多数天然产物不能完全满足上述的要求、需要进行结构改造。4紫杉醇是人类从天然产物（红豆杉）中提炼出来，给抗癌药物研发提供先导化合物，制成新药的典型成功例子。东北红豆衫为裸子植物门红豆衫科红豆衫属植物，为常绿乔本或灌木，别名紫杉、宽叶紫杉等。紫杉醇是从红豆杉的树皮、树根及枝叶中提取的天然化合物5，于1992年底被美国FDA批准作为抗晚期癌症新药上市。根据临床试验表明，紫杉醇(paclitaxel,taxol,TAX)具有独特的抗癌机制和较高的抗癌活性，可被广泛用于乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌、头颈部肿瘤、非小细胞性肿瘤的治疗，其治愈率高，且对癌症晚期尚有功效。6美国肿瘤研究所所长Broder博士也曾指出：紫杉醇是继阿霉素、顺铂之后，人类与各种癌症相抗争，疗效最好、不良反1抗肿瘤药物市场研究报告(2010)[EB/OL]黄萍.陈庆宪.150家医院肿瘤药物用药变化[J]，中国肿瘤2003.12(12).3J.J.LaClair，Naturalproductmodeofaction(MOA)studies:alinkbetweennaturalandsyntheticworlds,Nat.Prod.Rep,27(2010)969-995.4天然产物的结构改造郭宗儒药学学报2012.025K.H.Altmann,J.Gertsch,Anticanerdrugsfromnature–naturalproductsasauniquesourceofnewmicrotubule-stabilizingagents,Nat.prod.Rep.24(2007)6YardleyDA.nab-Paclitaxelmechanismsofactionanddelivery[J].JControlRelease,2013,170(3):365-372.应最小的药物，可称为“晚期癌症的最后一道底线”。7从此可看出紫杉醇的在天然抗肿瘤药物合成中不可替代的作用。二．紫杉醇的作用机制继1963年美国化学MonreE.Wall发现紫杉醇以来，直到1979年紫杉醇的独特作用机理才被SchiffPB.Fant等发现。紫杉醇之所以拥有较高的抗肿瘤活性源自于其独特的抗肿瘤机制，一方面它可与β-微管蛋白结合并促进其聚合，抑制其解聚，让微管束不能与微管组织中心相连接8，诱导有丝分裂阻滞于G2/M期，从而使细胞出现分裂性死亡;另一方面，它还可以影响信号通路诱发细胞凋亡。研究发现，紫杉醇可抑制STAT3酪氨酸残基的磷酸化，从而抑制恶性细胞的增殖;PTX亦可激活核蛋白激酶G-δ(PKG-δ)，引发高尔基体一Cdkl的活化，并上调高尔基体相关的DR5，激活Caspase8和Caspase3，从而激活高尔基体介导的、线粒体参与的细胞凋亡途径。9还有一方面，紫杉醇可以诱导某些细胞进行p53表达，使得p53的含量迅速上升，从而激活一系列基因的表达导致细胞的凋亡。除此之外，紫杉醇还能通过直接刺激巨噬细胞，导致肿瘤中坏死因子a受体减少以及肿瘤坏死因子a的释放，从而促进白细胞介素1及干扰素a、干扰素β的释放，对癌细胞起杀伤或抑制作用。10紫杉醇的作用机制都是通过直接或间接的方式影响具有高分裂活性的癌变细胞抑制其分裂或直接杀死癌变细胞。它不仅解决了传统的放化疗或切除手术的指标不治本问题，为放化疗提供增敏作用，有效的控制住癌变细胞的增殖和转移，从根本上解决了肿瘤的恶化，起到抗癌的作用，同时也为人类在与恶性肿瘤斗争的道路上开创了新纪元。三．紫杉醇类药物在临床应用中存在的问题尽管紫杉醇抗癌类药物在临床治疗上有杰出的贡献，但是在临床的应用中依然存在许多缺陷，如水溶性较差、耐药性以及毒性反应。11目前紫杉醇在临床用药中面对的最难突破的问题是病人在治疗的过程中会产生严重的过敏性反应，从而不得已要终止用药治疗。产生过敏性反应的主要原因是紫杉醇几乎不溶于水，目前临床应用的主要是紫杉醇注射液，即由体积分数50%聚氧乙烯蓖麻油(CremophorEL)为增溶剂和体积分数50%无水乙醇为溶媒制成的无色粘稠状浓溶液，使用时用5%右旋糖配或0.9%氯化钠溶液稀释后静脉滴注3一24h。然而这种助溶剂会引起严重的过敏反应及肾毒性和神经毒性等不良反应。12正因为紫杉醇极低的水溶性，注射的过程中不得不使用表面活性物质促进溶解，然而聚氧乙烯蓖麻油是强致敏剂，极易引起过敏反应等副作用，所以极大的限制了其在临床上的应用。四．紫杉醇类药物水溶性的改善方法与案例近年以来对紫杉醇类药物进行水溶性的改善，用来克服紫杉醇注射液引起的过敏反应及毒副作用有很多报导。研究方向分为两种，一方面通过前药策略对其结构进行化学修饰。引入极性较大的基团用以提高化合物的水溶性。包括引入氨基酸类，糖类，有机酸类水溶性片段以及成盐等，然而大多数却止步于临床药物阶段。另一方面向开发紫杉醇的新剂型，如微乳液滴、聚合物胶束、聚合物纳米粒、聚合物凝胶等，增加其水溶性、靶向性，提高药效，降7CraggGM,GrothausPG,NewmanDJ.Impactofnaturalproductsondevelopingnewanti-canceragents[J].ChemRev,2009,109:3012-30438M.Kavallaris,Microtubulesandresistancetotubulin-blindingagents,Nat.Rev.Cancer,10(2010)194-2049LuPH.YuCC,ChiangPC,etal.PaclitaxelinducesapoptosisthroughactivationofnuclearproteinkinascC-deltaandsubsequentactivationofGolgiassociatedCdklinhumanhormonerefractoryprostatecancer[J].JUrol.2011.186(6):2434一2441.10A.Sunters,P.AMadureira,K.M.Pomeranz,M.Aubert,J.J.Brosens,S.J.Cook,B.M.Burgering,.R.CCoombes,E.W.F.Lam,Paclitaxel-inducednucleartranslocationofFOXO3ainbreastcancercellsismediatedbyc-JunNH2-terminalkinaseandAkt,CancerRes,66(2006)212-220.11E.Galletti,M.Magnani,M.L.Renzulli,M.Botta,Paclitaxelanddocetaxelresistance:molecularmechanismsanddevelopmentofnewgenerationtaxanesChemmedchem,2(2007)920-942.12KoudelkaS,TuranekJ.Liposomalpaclitaxelformulations[J].JControlRelease,2012,163(3):322-334.低其毒副作用。134.1紫杉醇的水溶性前药研究案例氨基酸是机体组成的最基本物质,也是能量代谢的基础物质。在肿瘤细胞分裂生长过程中,呈现出对氨基酸的摄取量超过正常组织和细胞,因此,研究者将一些必需氨基酸作为抗肿瘤药物的载体和Linker,这样促进肿瘤细胞对药物的吸收和摄取,同时也可改善化学药物的水溶性,提高药物的生物利用度。14在抗肿瘤药物研究中,如何利用氨基酸改造药物成为研究热点。在众多氨基酸中,谷氨酸既是机体必须的氨基酸，而且其主要参与机体的氮代谢和能量代谢，所以它是我们在紫杉醇类药物改造的首选Linker。有研究证明,在肿瘤组织生长中,谷氨酸是关键性的氨基酸,肿瘤细胞对其摄取率远远高于正常组织,同时也高于其他任何一种氨基酸15。离体实验表明:乳腺癌细胞中谷氨酰胺合成酶mRNA表达水平显著增高,合成的谷氨酸主要用于能量代谢。活体实验显示:肿瘤组织对谷氨酸的摄取量是正常组织的2倍,因此,将谷氨酸作为化学药物的Linker,不仅可提高其水溶性,也可为合成高效低毒的前药提供新途径。164.2紫杉醇的新剂型案例壳聚糖一紫杉醇复合物，壳聚糖是一种粘多糖，由几丁质经过脱乙酞作用得到。壳聚糖在体内可被几丁质酶消化，同时具有价格低廉、高生物相容性等特点。壳聚糖纳米粒是近年来研究者们合成的一种新型载药材料，提高了药物释放的可控性，在提升药效的同时减少了毒副作用。17有研究者合成壳聚糖的微胶粒，或用壳聚糖和水凝胶制成壳聚糖水凝胶，都体现了良好的载药功能。载紫杉醇的壳聚糖纳米粒具有较高的包埋率（（94%士16.73)%〕，同时提高了药物的持续释放时间。研究人员通过细胞实验发现，此纳米粒较CrEL-紫杉醇具有更高的紫杉醇细胞摄取量和细胞毒性瞬网。Trickier等将甘油一油酸与壳聚糖结合，制备成壳一核型纳米粒装载紫杉醇，通过其对人乳腺癌细胞的作用研究发现，这种复合物使紫杉醇的细胞摄取量比单用紫杉醇提高了四倍，体现出明显的紫杉醇持续释放的优点，且毒副反应有明显的减少。18Modenden等利用N一辛基一O一硫酸壳聚糖(N-octyl-O-sulfateNOSC)可在水中自组装形成微胶粒的特性，按PTX:NOSC01:1的比例研制出包裹NOSC的微胶粒，这一微胶粒使紫杉醇的溶解度比紫杉醇在水中的溶解度高约1000倍，其载药率可达到40%。19Obara等用光交联壳聚糖和紫杉醇的混合水溶液及不溶于水