紫杉醇的提取工艺设计研究方案

紫杉醇提取纯化方法的研究进展紫杉醇是最早从红豆杉属植物中分离出来的三环二菇类化合物，是继阿霉素和顺铂之后最热点的抗癌新药。紫杉醇具有复杂的化学结构，分子由3个主环构成二菇核，分子中有11个手性中心和多个取代基团，母环部分是一个复杂的四环体系，有许多功能基团和立体化学特征。分子式C47H51NO14，分子量853.92。同位素示踪表明,紫杉醇只结合到聚合的微管上,不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能,特别是使细胞分裂停止于有丝分裂期，阻断了细胞的正常分裂。通过Ⅱ-Ⅲ临床研究，紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。紫杉醇属于有丝分裂抑制剂,它的独特机制在于可以诱导和促进微管蛋白聚合,促进微管装配及阻止微管的生理解聚,由此抑制癌细胞纺锤体的形成,阻止有丝分裂的完成,使其停留在G2期和M期直至死亡,从而起到抗癌的作用。迄今为止紫杉醇是唯一促进微管聚合的新型抗癌药。这一新的发现引起了各国医药界的极大兴趣。现在已有包括我国在内的十多个国家批准了紫杉醇类药物的正式生产。目前有关紫杉醇研究的几个主要问题是:紫杉醇的提取;紫杉醇的人工合成;紫杉醇的临床应用(水不溶性问题的解决);紫杉醇的构效关系;紫杉醇的抗癌机理。紫杉醇的抗癌机理1971年,Wani等报道了紫杉醇在一些实验体系中具有抗癌活性。1978年,Schiff等发现紫杉醇在极低的浓度下(0.25μM)可以完全抑制Hela细胞的分裂,而且在对细胞4小时的培养过程中,对DNA、RNA和蛋白质的合成没有明显影响。Hela细胞在与紫杉醇共同温育20小时后被阻断在G2后期和M期。1979年Schiff等用浊度法进行了研究,发现紫杉醇能缩短微管在体外的聚合时间,使平衡向微管聚合方向移动,从而减小微管聚合临界浓度。在有GTP时,紫杉醇可以和PC-tubulin结合,计量比为1:1。他们还发现紫杉醇不影响纯化的Actin的聚合(紫杉醇20μM)。目前,有关紫杉醇的抗癌机理的研究仍是一个非常活跃的领域。最近的一些进展是Tatebe等发现紫杉醇能导致细胞凋亡;Kavallaris等首次报道了紫杉醇抑制卵巢上皮肿瘤与改变特定β-tubulin基因的表达有关;Vater等通过电镜和扫描力显微镜发现在Ca2+和紫杉醇存在下,微管蛋白的聚合发生畸变Dring等发现紫杉醇还可调节体内免疫功能，促进释放肿瘤坏死因子、白细胞介素、以及干扰素，对肿瘤细胞起抑制或杀伤作用。而且这种畸变结构随着加入紫杉醇和Ca2+的顺序不同而有所不同。紫杉醇的来源1963年美国化学家瓦尼(M·C·Wani)和沃尔(MonreE·Wall)首次从一种生长在美国西部大森林中的短叶红豆杉树皮和木材中得到了紫杉醇的粗提物并发现其具有抗癌活性。但直到1969年,紫杉醇单体才被分离出来。此后,在红豆杉属的多种植物中均发现有紫杉醇存在。红豆杉属植物为红豆杉科常绿乔木或灌木,全世界共11种,分布于北半球的温带至亚热带地区,包括短叶红豆杉(Taxusbrevifolia),欧洲红豆杉(T.baccata),云南红豆杉(T.yun-nanensis),中国红豆杉(T.chinensis)等。在欧洲,更为常见的是欧洲红豆杉(Taxusbaccata),具有明显的毒性,常有牲畜和人误食中毒的事情发生,其毒性源于所含有的有毒生物碱紫杉碱(taxineA、B);因而后来有一个有趣的观点:如果当年在NCI抗癌活性成分筛选计划中沃尔和瓦尼拿到的是T.baccata而非T.brevifolia的树皮,要么会因萃取物的毒性而停止分离,要么只能得到紫杉碱,都不会有机会发现Taxol。幸运的是,美国农业部的收集计划中送来的唯一样品是T.brevifolia,而其中紫杉碱的含量极微,紫杉醇从而有幸成为30年来最为公众瞩目的植物来源的化合物。迄今为止,红豆杉属植物仍是紫杉醇的最重要的来源。除了可从其树皮和枝叶中直接分离得到紫杉醇外,其树叶中含量很高的10-去乙酰巴卡亭III也是人工半合成紫杉醇的原料。此外,紫杉醇还可以从全人工合成、真菌发酵、细胞培养及生物合成等途径获得。紫杉醇提取工艺随着人们对紫杉醇研究的不断深入和完善，化学合成、基因工程、细胞培养、真菌发酵等方法均可以成功获得紫杉醇，但这些方法应用于紫杉醇的生产依旧停留在实验室研究阶段。目前，国内外紫杉醇的商业化规模生产多以红豆杉植物为原料，通过一系列的分离纯化获得。针对红豆杉资源严重匾乏的现状，相关生产企业采用人工培植的方法经过科学合理的选种育种栽培，加大红豆杉植物的人工培植规模，为紫杉醇的生产提供相对充足的原料供给。在细胞组织培养和基因工程技术等方法应用到紫杉醇的工业化生产之前，植物提取法仍是紫杉醇的主要来源。因此，开发出一套操作简便、快速高效的紫杉醇提取分离纯化技术无疑对紫杉醇原料药的产业现状发挥积极作用。紫杉醇的提取过程可分为粗提和纯化两个阶段。红豆杉植物经粉碎干燥等预处理后，进入紫杉醇的粗提工艺程序。粗提阶段的目的在于选择合适的提取溶剂，运用可行的提取手段对原料粉末进行提取处理，获得含目标产物的原料液，然后从原料液中尽可能多的提取目标产物，提高目标产物在物料中的含量，所得物料在进行后续纯化获得纯品。紫杉醇的粗提工艺过程可分为初级提取和次级提取，两个过程因所用溶剂不同而除去不同的杂质。1、紫杉醇的初级提取工艺初级提取主要是用甲醇、乙醇、乙酸乙酷一丙酮或二氯乙烷一水对原料粉末进行浸提，一般浸提时间较长。为了缩短浸提时间，研究人员将超声、微波和超临界流体萃取等技术引入到紫杉醇的初级萃取，极大提高了紫杉醇的萃取效率。1.1溶剂浸提溶剂浸提常用于紫杉醇的粗提阶段，在此阶段主要考虑溶剂的选择。目前用于浸提紫杉醇的最普通溶剂是甲醇、乙醇等有机溶剂。xu和Liu采用的是甲醇-二氯甲烷(95:5，V/V)混合物，浸提时间为35~60min，而Hoke，和Powell，都选择的是纯甲醇，浸提时间则为16~48h。余广鳌等通过研究发现，在浸提过程中，如果使用单一溶剂，则甲醇浸提效果最好。如果使用混合溶剂，要达到好的浸提效果，甲醇或乙醇等高极性有机溶剂不可缺少。锅田宪助等对于紫杉醇的提取溶剂种类进行了详细研究，结果表明:在乙酸乙酷、乙醚等溶剂中，以乙酸乙醋一丙酮(1:1)混和溶剂的提取效果最好，浸膏中紫杉醇的含量高达0.084%，是甲醇提取所得浸膏中紫杉醇含量的3倍。也就是说用乙酸乙酷一丙酮(1:1，v/v)一次便可以使紫杉醇提取量高于以往常用溶剂所能得到的量，为后序的分离纯化工作带来很大的方便。加之乙酸乙酷一丙酮(1:l)与甲醇成本相当，因此，这一提取方法的经济性和实用性较强。1.2超声浸提在中草药开发利用中，探索提高有效成分提取率的理论依据是中草药现代化研究的一个重要方面。目前大多数是通过实验方法，根据影响提取率的因素选取不同的水平条件来设计实验，优化工艺条件，缺少理论上的指导。有人将这些影响因素与有效成分溶出浓度联系起来，在FICk扩散定律的基础上对常规提取的动力学建立了一些数学模型。由于超声场强化中药有效成分的提取具有降低提取温度、缩短时间和提高提取率等优点，日益受到人们的重视。超声强化提取的湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应与超声场的频率、功率及体系的温度有关。频率越高，温度越高，这四种效应作用越强，达到提取平衡时间越短，平衡时有效成分含量越高;同时在中药有效成分提取时，要考虑到有效成分的稳定性，避免在高温和长时间条件下有效成分的分解。Auriola等人也将超声技术引入紫杉醇的初级萃取，研究发现采用超声技术，可在低温下进行操作，这样可以防止紫杉醇在温度高时可能发生的异构化。1.3超临界流体萃取超临界流体萃取过程是利用处于临界低压和临界温度以上的流体具有特异增加的溶解能力而发展出来的化工分离新技术。利用CO2超临界流体,加入甲醇或乙醇作为夹带剂,可使红豆杉树皮中的大部分紫杉醇得到有效提取,回收率达85%,选择性好,杂质少。超临界流体萃取具有提取能力强、提取率高、萃取时间短、工艺简单、操作方便、产品质量好的优点;同时符合环保要求，与回归大自然，崇尚绿色工业的潮流一致，具有较大的发展前景。在紫杉醇的提取过程中，由于减少了含氯有机溶剂的使用从而避免了对环境的污染。超临界流体萃取过程中最常用的溶剂是CO2，本身无毒，在提取产物中无残留，因而从用要安全角度来讲，该技术应用于紫杉醇的提取具有其独特的优点。Jennings用CO2和加入乙醇改性剂的CO2作超临界萃取溶剂，在318K的温度下和15.07~25.79MPa的压力下，进行了紫杉醇的提取研究，发现红豆杉树皮中的大部分紫杉醇都能得到有效的提取，而且对紫杉醇的选择性要比传统的单纯乙醇提取高;Nair等用含15%的丙酮或乙醇的CO2作溶剂，在430~101.325kpa，308K下用超临界技术提取紫杉醇也获得了满意的效果;Castor等以红豆杉枝叶和嫩芽做原料，用超临界技术提取紫杉醇时，先以纯CO2做溶剂，以除去原料中的脂类，然后加入乙醇以调节溶剂的极性，使紫杉醇的产率达到了0.04%;Vandana等利用超临界的N2O和N2O/EtOH混合物，对短叶红豆杉树皮中的紫杉醇也做了提取研究，发现利用超临界的N2O，以乙醇为夹带剂，可以把树皮中的大部分紫杉醇提取出来，比以乙醇为夹带剂的超临界CO2萃取更加有效。虽然超临界流体萃取技术在紫杉醇的提取中具有收率高、节省时间和有机溶剂等优点，但该方法对仪器设备要求较高，限制了其应用。1.4微波提取微波是一种波长在1~0.001m、频率在300MHZ~300GHZ的电磁波。由于其具有独特的性质(似光特性、穿透特性、热特性及生物效应)而已被广泛应用于医药领域。在中草药有效成分的提取中亦有尝试和应用，但尚未在规模生产中应用。微波提取技术主要是基于微波的热特性，其加热原理是利用微波场中介质的偶极子转向极化与界面极化的时间与微波频率吻合的特点，促使介质转动能级跃迁，加剧热运动，将电能转化为热能。微波辐射导致细胞内的极性物质尤其是水分子吸收微波能量而产生大量的热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压力将细胞壁和细胞膜冲破，形成微小的孔洞。进一步加热，细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，表面出现裂隙。因此使胞外溶剂容易进人胞内，溶解并释放出有效成分。与传统浸提方法相比，微波提取具有穿透力强、选择性高、加热效率高等显著特点，而且其操作简便、快速、节能、高效。因此，微波技术用于中草药有效成分提取具有巨大潜力。Kas1tu等采用甲醇或乙醇作为提取溶剂，在60℃条件下对红豆杉植物进行提取，所需时间长达24~48h，在溶剂系统不变的情况下，采用微波技术，提取时间缩短到10min以内。2、紫杉醇的次级提取工艺初级提取得到的原料液中，紫杉醇的浓度很低，需经进一步萃取分离以获得符合纯化标准的紫杉醇浸膏。次级提取中最为常用的方法为液液萃取，此外还有固相萃取和膜分离等。2.1液液萃取液液萃取通常分为非极性溶剂萃取、低极性溶剂萃取和碱液洗涤。对红豆杉植物进行浸提后，所获浸膏通常用非极性或低极性溶剂进行分配萃取。通常是用二氯甲烷一水或三氯甲烷一水对上述浸膏进行分配萃取。这种方法简单易行，但所得产物杂质较多。wall等对短叶红豆杉树皮的乙醇提取物用水和三氯甲烷进行分配萃取，效果较为理想;Witherup等对6种红豆杉属植物的针叶和树皮进行了分析，主要用二氯甲烷和水对提取物进行分配，溶于二氯甲烷的部分用多种溶剂抽提，来进行初分离。这种低极性溶剂萃取方法的局限是过程中伴随紫杉醇的较大损失，因为体系中含有相当量的极性较高的溶剂如甲醇、乙醇等，在除去的杂质相中仍有大量的紫杉醇，且此方法需反复多次操作，有机溶剂消耗量大，易造成污染环境。为了改善上述缺点，元英进等阔用乙酸乙醋溶解紫杉醇浸膏后，再以碱溶液进行洗涤，除去大量杂质的同时使紫杉醇几乎全部回收，此方法节约了溶剂用量，并减少了环境污染，可用于生产。EP5533780A提出了一种分离紫杉醇及其前体的方法，