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明星抗癌藥紫杉醇:跌宕起伏的研發故事

來源(藥事縱橫(ID:Pharmaguider))   2019-03-05
導讀:紫杉醇為紅豆杉中提取的天然產物,通過作用于微管蛋白抑制腫瘤細胞有絲分裂,為紫杉烷類的典型代表,是獲得FDA批準的第一個來自天然植物的化學藥物,可用于治療多種癌癥,包括卵巢癌、乳腺癌、肺癌、卡波氏肉瘤、宮頸癌和胰腺癌。紫杉醇獨特的作用機制決定了該藥幾乎適應于所有實體瘤,也正是這一特質吸引了無數科學家對紫杉醇的垂青。從1967年紫杉醇首次被發現,到替尼、單抗以及免疫治療漫天飛舞的今天,圍繞紫杉醇的研發從未停止,而且愈演愈烈。

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紫杉醇的發現

1960年,美國國立癌癥研究所(National Cancer Institute,NCI)與農業部(the United States Department of Agriculture,USDA)成立了一個合作項目:采集和篩選植物樣品以發現可能有藥用價值的天然化合物。此后的20年間,研究人員總共收集并測試了3萬多個樣本,就是在這樣的規模浩大的抗癌藥物篩選工程中,一個迄今為止最優秀的天然抗癌藥物誕生了!

1962年8月,一個炎熱的夏日,美國農業部植物學家亞瑟·巴克雷(Arthur Barclay),帶著他的3個研究生,來到華盛頓州的吉福德·平肖國家森林為NCI收集植物樣本。站在1500英尺高的地方,巴克雷發現了一株25英尺高的太平洋紅豆杉樹,他們采集了太平洋紫杉的樹枝、樹皮和果實樣本。

當時這種杉樹還不太為人所知,這種籍籍無名也使其顯得不重要。它中等高度,樹皮呈紅紫色,其針狀葉細而扁平,輕微彎曲,不到一英寸長。它通常藏身在溪流岸邊、深谷或潮濕的溝壑之中,掩映在高大的松類樹木的蔭蔽之下。其木材既硬又重,腐敗緩慢,用途有限。在它的抗癌作用被發現之前,林木工人們通??撤チ蘇廡┦骱蟮輩襠?,或者打樹樁當籬笆,把它當成一種“垃圾樹”(trash tree)。

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

沃爾和瓦尼在收到這些樹皮后,小心翼翼地把這些樹皮研磨、一步步地進行提純,得到一種粗提取物。他們發現這種粗提取物對離體培養的腫瘤細胞,包括L1210和P288白血病,Walker 256肉瘤及B16黑色素瘤細胞都具有很強的抑制作用,便開始從粗提取物中分離抗癌活性成分。1966年9月,沃爾和瓦尼經過反復地嘗試后,終于從12kg短葉紫衫干樹皮中提純得到0.5g活性成分。因為當時還沒有搞清楚這種物質的具體結構,但他們知道這種物質肯定含有羥基(醇類所含有的基團);又因為它是從太平洋紫杉(Taxus brevifolia)中獲得的,所以他們把這種物質稱為紫杉醇(Taxol)。

紫杉醇提取純化全過程

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1967年,在美國化學會的年會上,瓦尼做了報告,跟大家展示了紫杉醇的細胞毒性和抗腫瘤活性研究結果。但是,由于紫杉醇的結構還沒有搞清楚,并且它的提純產率非常低,又因為NCI在那個年代篩選了一大批抗癌藥物,這其中就包括沃爾和瓦尼發現的喜樹堿,而且NCI在那時已經在準備開展喜樹堿的臨床試驗了。

所以,沃爾打算暫時把紫杉醇放一放。不過,瓦尼不同意,他堅持在“低優先級”的狀態下,繼續開展紫杉醇研究。瓦尼的堅持給紫杉醇帶來了活路,終于在1969年,紫杉醇通過了NCI嚴格的抗癌藥物篩選程序,成為了官方認可的潛在抗癌藥物。

1970年初,通過使用晶體的X光衍射技術和核磁共振技術,沃爾和瓦尼終于完全解析了紫杉醇的結構式。他們發現其結構骨架與從其它各種紫衫屬杉樹中得到的幾種化合物的基本結構相似,都屬于紫杉烷類環狀體系,它包含一串并連在一起的兩個六元環夾著一個八元環,再一個四元環,環上綴了個小“尾巴”。紫杉醇一共有11個立體中心,多個功能團,如是復雜,是一種只有自然界才能調制出的“怪物”。

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紫杉醇結構式

1971年5月,沃爾和瓦尼在美國化學會雜志(Journal of the American Chemical Society,JACS)上發表通訊報道了這個初顯抗腫瘤活性的天然化合物;相比其它各種紫杉屬杉樹中得到的化合物,只有紫杉醇顯示了這一獨特生物活性。他們的發現引起了全球科學家的關注。

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紫杉醇的作用機制

對于生物學家和病理學家們,他們好奇這個天然化合物有抗癌作用,想知道其作用機理。1978年,NCI的兩名研究人員發現,紫杉醇能夠讓細胞停滯在G2-M期,抑制細胞的有絲分裂。這似乎意味著,紫杉醇跟秋水仙堿、長春花堿、美登木素等一樣,都是一類具有微管蛋白抑制作用的藥物。

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紫杉醇在細胞周期中的有絲分裂期作用

1979年,紐約葉史瓦大學(Yeshiva University)的分子藥理學家霍爾維茨(Susan B. Horwitz)發現紫杉醇的抗癌機理獨特,有別于在此之前發現的其它抗癌試劑。在細胞有絲分裂時期,紡錘體需要作為細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才能完成有絲分裂。她發現紫杉醇能促進微管蛋白聚合,抑制微管解聚,致使不能形成紡錘體和紡錘絲,從而不能牽動染色體向細胞兩極移動,使細胞不能完成有絲分裂,導致微管成束而致使細胞凋亡于G1-G0期。另一環節,在S-G2期,微管發生中心(micro tubules organizing center, MOTC)進行復制,即由一個MOTC復制成兩個MOTC。此時在紫杉醇作用下,細胞微管形成無序排列的星狀體,則細胞在G2-M期死亡。

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抗癌與環保之爭

在沃爾和瓦尼公布紫杉醇的分子結構之后,NCI的管理層似乎對紫杉醇有點感興趣了。不過,紫杉醇原料的供應卻是他們不得不考慮的問題,因為要開展紫杉醇的動物試驗、毒理實驗和以后的臨床試驗,都需要大量的紫杉醇。在細胞測試階段,紫杉醇用量較小,因此紫杉的消耗量也小。剛發現紫杉醇的活性時,沃爾用了21千克紫杉樹皮和枝葉。到1966年底,沃爾的需求達到了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。

起初巴克雷鑒定樹種、收集枝葉樣品,只是一個植物學家的行為,后來所需原材料量越來越大,從7千克到170千克,已經超越了植物學的范疇。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打交道。

1980年,當紫杉醇進入到動物實驗階段,對原材料的需求更是達到了10噸。然而短葉紫杉生長極其緩慢且不易繁殖,一棵樹齡約為125年的紫杉,其直徑約為22厘米、高約9米,但其樹皮極薄,厚度為0.3~0.6厘米,只能得到2千克左右的樹皮。此外,紫杉醇必須從新鮮砍伐剝取的樹皮中提取。因此,從砍伐樹木,收集紫杉樹皮到分離萃取出紫杉醇,費時費力且費錢。

因為當時天然紫杉醇難以得到,30噸干樹皮才能得到大約100克紫杉醇,成本高達150萬美元。因為原料缺乏,NCI從1983年才開始人體臨床試驗,直到1989年NCI也才得到了不足3千克紫杉醇。

1983年的首次臨床試驗結果良好,1989年約翰斯·霍普金斯(Johns Hopkins)大學的研究人員發現紫杉醇對黑色素瘤的療效非常顯著,更重要的是,它對復發性卵巢癌的有效率高達30%。這在當時簡直是爆炸性新聞,因為那個時候,對于復發的卵巢癌還沒有什么有效藥物,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,就需要砍伐樹木,從而導致樹木死亡。據NCI推測,若用紫杉醇治療全美國的黑色素瘤和卵巢癌患者,那么每年需要砍伐36萬棵紫杉樹。救人還是保樹,面臨兩難抉擇?;繁V饕逭咼僑銜窖笞仙忌せ郝?,天然更新的能力很差,如果大量砍伐,紫杉將會瀕臨滅絕。此外,環保主義者還發現紫杉是一種瀕臨滅絕的斑點貓頭鷹的棲息所,如果肆無忌憚地砍伐紫杉樹,還會同時威脅斑點貓頭鷹的生存。

在八十年代末期到九十年代初期,關于紫杉醇和紫杉的新聞報道比比皆是,完全超越了科研范疇,成為了敏感的政治事務。直到半合成紫杉醇方法的出現,才使得繼續開發紫杉醇成為可能。

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紫杉醇的合成

一、紫杉醇的全合成

由于紫杉醇對乳腺癌和卵巢癌神奇的療效、獨特的抗癌機制、新穎的結構以及有限的自然資源,從而引起了全世界研究者的強烈關注。許多合成化學家對紫杉醇復雜而新穎的結構非常有興趣,將合成紫杉醇看作是基輔刺激的挑戰。全世界范圍內約有四十多個一流的研究團隊從事紫杉醇全合成研究工作,實屬罕見。目前已有6個研究團隊公開報道完成了具有各自特點的紫杉醇全合成路線。

1994年斯克瑞普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)的化學家K.C. Nicolaou和佛羅里達州立大學(Florida State University)的化學家Robert A. Holton幾乎同時宣告紫杉醇的全合成獲得了成功,1996年S. T. Danishefsky、1997年P. 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,但都具有優異的合成戰略,把天然有機化學合成提高到一個嶄新的水平。

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Holton紫杉醇全合成路線

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Nicolaou紫杉醇全合成路線

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

二、紫杉醇的半合成

1981年,法國科學家Pierre Potier,從英國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,它跟紫杉醇的結構非常相似,只是缺少一些側鏈基團。10-DAB是從一種常見的歐洲紅豆杉的枝葉中分離出來的,其含量可達0.1%。由于枝葉再生能力強,采集枝葉不會對該物種的生存造成影響。

1988年,法國Denis等首次報道了以10-DAB為原料半合成紫杉醇。其后,美國Holton教授和法國Potier教授等以Baccatin Ⅲ為原料半合成了紫杉醇。紫杉醇半合成反應路徑短,產率高,為紫杉醇的工業化生產提供了可行的方法。1994年,BMS采用Holton教授半合成方法的專利生產紫杉醇。1997年,半合成紫杉醇被FDA批準上市。

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10-DAB結構式

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紫杉醇的臨床開發


除了來源問題,還有另外一個問題也限制了紫杉醇的開發。從結構式就可知,紫杉醇是疏水性物質,其水溶性非常差,需要用有機溶劑進行溶解。Cremphor EL和乙醇可制備紫杉醇制劑,但這兩種溶媒可能會導致毒性,如犬血壓下降。另一個更為嚴重的問題是第一批病人接受紫杉醇制劑后出現了超敏反應。實際上,首批接受紫杉醇制劑(Taxol?)治療的一個患者因過敏性休克而死亡,這足以阻止大多數藥物進一步的臨床研究。

從1983年至1988年,科學家們未再繼續開展紫杉醇相關的臨床試驗。在此期間,腫瘤學家、制劑化學家和藥理學家一起努力尋找過敏反應的解決方案,以便繼續開展臨床試驗。為防止發生過敏反應,受試患者在給予紫杉醇制劑之前先給予抗組胺藥和類固醇,且不再是靜脈推注給藥,而是靜脈滴注 24 小時給藥。采用預處理后再給藥的方案,實驗結果顯示紫杉醇對難治性卵巢癌和轉移性乳腺癌有良好的臨床效果。

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圖片來源:科睿唯安

盡管所有的臨床研究都是 NCI 在主持下開展的,但它畢竟不是一個制藥公司,無法進一步開發這個藥物。由于藥物的化學結構和作用機制都沒有進行專利?;?,因此對制藥公司沒有吸引力。NCI發布了合作研究的廣告,最終BMS以其開發抗癌療法上的強項贏得合作。

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BMS的印鈔機

Taxol?為全球第一個上市的紫杉醇制劑,1992年12月首次登陸美國市場。經過BMS近10年努力,其適應癥不斷由二線向一線拓展。目前,Taxol?為“晚期卵巢癌、NSCLC、Her2陽性轉移性乳腺癌”三大適應癥的一線用藥。如此強悍的適應癥在給BMS帶來豐厚利潤的同時,也奠定了其全球腫瘤領域的“領頭羊”地位。

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

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紫杉醇的后繼改良

一、紫杉醇的改良制劑

作為第一個紫杉醇制劑,Taxol?在市場上取得了巨大的成功,但該藥有一個非常明顯的缺陷:溶媒中使用了聚氧乙烯蓖麻油。這一變應原能夠刺激機體釋放組胺,導致過敏反應,這就導致了Taxol?的兩大臨床問題:Taxol?背上了“過敏及嚴重過敏反應2%-4%發生率”的黑框警告;用藥前必須經過皮質激素及抗組胺藥等預處理。當然,也正是該缺陷給紫杉醇的后續開發留下了廣闊的空間,成功上市的有紫杉醇脂質體(力樸素)、白蛋白結合型紫杉醇納米粒(Abraxane?)等。

Abraxane?憑借其廣泛的適應癥及較低的不良反應鑄就了紫杉醇的又一個輝煌,自2005年上市以來的10年間,Abraxane?已經創造了至少超過50億美金的全球銷售額。

表1.已上市的紫杉醇制劑

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二、多西紫杉醇

Potier在探索用10-DAB合成紫杉醇的過程中,發現一個名叫RP5676的中間產物,距離紫杉醇還有兩步。Potier在對這個中間產物進行活性測試時,發現RP5676比紫杉醇有著更強的微管蛋白結合能力。這個中間產物,后來就成為了賽諾菲的抗癌藥,多西他賽(Docetaxel),又名多西紫杉醇。

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多西他賽結構式

多西他賽跟紫杉醇結構上非常相似,有著相同的母核,只是有兩個基團跟紫杉醇不一樣,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,也比較容易引起過敏反應,所以它在使用前也是需要用抗過敏藥物。

1996年,多西他賽獲得美國FDA的上市批準用于治療晚期乳腺癌,后來又被批準用于治療非小細胞肺癌、前列腺癌、胃腺癌等。多西他賽上市后,其銷售額很快就超過了Taxol?。在2010年的時候,多西他賽的年銷售額高達21億歐元,同一年,多西他賽專利到期,這之后很多仿制藥紛紛上市。

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結語

一起来捉妖香玉怎么样值不值得培养:從紫杉樹到一個個明星抗癌藥Taxol、Taxotere、力樸素和Abraxane,無一不凝聚著無數科學家的智慧和汗水。未來,紫杉醇和多西紫杉醇還是否繼續書寫其傳奇,我們拭目以待。

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參考文獻

1. The Discovery of Camptothecin and Taxol, April 23, 2003

2.Mansukh C. Wani, Susan Band Horwitz. Natureasa Remarkable Chemist: A  Personal Story of the Discovery and Development of Taxol?. Anticancer Drugs. 2014 May; 25(5): 482–487.

3.閻家麒,王九一. 紫杉醇半合成及其產業化

4.李力更,吳明,史清文,天然抗癌藥物紫杉醇的全合成。天然藥物研究與開發,2008,20.1104-1107,1113

5.紫杉醇升級之路:全球改良型新藥的典范

6.抗癌藥紫杉醇(Taxol)的故事

7.毒樹、兇器、天然抗癌藥典范——紫杉醇的前世今生