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1943年12月2日晚,意大利東南部的巴里港燈火通明,工人們被要求全力加速卸載貨船上的軍用物資,因?yàn)槊塑姶蛩惚M快備齊物資以便挺進(jìn)意大利北部并攻占羅馬。然而,令盟軍沒(méi)有想到的是,德軍在當(dāng)晚發(fā)動(dòng)了空襲!
松懈的防衛(wèi)加上港口的照明,讓德軍輕輕松松炸毀了停泊在港口的多艘船只。更糟糕的是,被擊毀的一艘名為“約翰·哈維”的美國(guó)商船上,秘密裝載了2000枚芥子氣炸彈!
原本美軍為的是應(yīng)對(duì)德軍可能的毒氣戰(zhàn),結(jié)果這次空襲卻造成了有史以來(lái)最嚴(yán)重的毒氣泄漏事件,讓許許多多的軍人和平民無(wú)辜傷亡。不久之后,負(fù)責(zé)調(diào)查此事的美軍化學(xué)戰(zhàn)顧問(wèn)亞歷山大發(fā)現(xiàn),芥子氣破壞了人體的大部分白細(xì)胞。
這給耶魯大學(xué)的古德曼(Louis Goodman)和吉爾曼(Alfred Gilman)兩位藥理學(xué)家?guī)?lái)了重大的啟示,他們據(jù)此開(kāi)發(fā)出來(lái)了第一個(gè)腫瘤化療藥物——氮芥[1]。
二戰(zhàn)之后,美國(guó)加快了抗癌藥物的篩選工作。1955年,美國(guó)國(guó)家癌癥研究中心(NCI)成立了癌癥化療國(guó)家服務(wù)中心(CCNSC),專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)全國(guó)性的抗癌藥物篩查工作[2]。
一開(kāi)始,這個(gè)機(jī)構(gòu)主要是評(píng)估化學(xué)結(jié)構(gòu)已知的化合物。到了1960年,他們開(kāi)始從動(dòng)植物的天然提取物中篩選抗癌藥物。為此,NCI還專(zhuān)門(mén)跟美國(guó)農(nóng)業(yè)部達(dá)成了合作協(xié)議,由農(nóng)業(yè)部負(fù)責(zé)向NCI提供植物樣本用于抗癌藥物的篩選。
此后的20年間,研究人員總共收集并測(cè)試了3萬(wàn)多個(gè)樣本,就是在這樣的規(guī)模浩大的抗癌藥物篩選工程中,一個(gè)迄今為止最優(yōu)秀的天然抗癌藥物誕生了!
它就是紫杉醇!
1962年8月份的某一天,美國(guó)農(nóng)業(yè)部植物學(xué)家亞瑟·巴克雷(Arthur Barclay),帶著他的3個(gè)研究生,頂著大太陽(yáng),來(lái)到華盛頓州的吉福德·平肖國(guó)家森林收集植物樣本。無(wú)意間,巴克雷在一小片針葉樹(shù)中發(fā)現(xiàn)了一棵7米多高的太平洋紫杉。
看著這棵不起眼的紫杉,巴克雷沒(méi)多想就把它命名為B-1645,因?yàn)檫@是他采集到的第1645個(gè)植物樣本。接著,巴克雷讓他的研究生收集了這棵紫杉的樹(shù)枝、樹(shù)皮和果實(shí)樣本[3]。然后,師徒四人樂(lè)呵呵回到農(nóng)業(yè)部交差去了。
按照農(nóng)業(yè)部的要求,他們把采集來(lái)的樣本寄給了NCI。之后,他們并沒(méi)有把這件事放在心上,該干嘛干嘛去了。只是,他們不知道,這棵不起眼的太平洋紫杉就要改變歷史了!
太平洋紫杉,又叫短葉紅豆杉,是紅豆杉科紅豆杉屬的植物。紅豆杉距今已經(jīng)有250萬(wàn)年的歷史了,因此又被稱(chēng)作是植物王國(guó)的“活化石”。
其實(shí),人類(lèi)在很早之前就開(kāi)始利用紅豆杉了。不過(guò),它不是被用作救人的藥物,而是被用作殺人的武器!曾經(jīng)在中世紀(jì)歐洲征戰(zhàn)中大出風(fēng)頭的英國(guó)長(zhǎng)弓,就是用紫杉木制成的!
而這一次,紫杉卻注定要一改從前殺人如麻的猙獰面目,轉(zhuǎn)而成為救人水火的抗癌良藥!
NCI在接到太平洋紫杉樣本之后,就開(kāi)展了相關(guān)的研究工作,初步的研究結(jié)果顯示,樹(shù)皮中的粗提取物對(duì)人口腔表皮樣癌(KB)細(xì)胞有細(xì)胞毒性作用[4],這似乎意味著紫杉樹(shù)皮中含有某種抗癌物質(zhì)。
于是,NCI要求農(nóng)業(yè)部再多提供一些太平洋紫杉樹(shù)皮。這個(gè)光榮的任務(wù)自然落到了巴克雷頭上。1964年9月,巴克雷回到吉福德·平肖國(guó)家森林,索性一下子收集了二十多斤樹(shù)皮[3],寄給了NCI。
這些寶貴的原材料輾轉(zhuǎn)又到了北卡三角研究院,在這里,它與兩個(gè)著名的化學(xué)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(shù)皮后,就展開(kāi)了分離提純工作。他們小心翼翼地把這些樹(shù)皮研磨、一步步地進(jìn)行提純,并用一種白血病小鼠模型驗(yàn)證各個(gè)步驟中提純物質(zhì)的抗癌活性。
1966年9月,沃爾和瓦尼經(jīng)過(guò)反復(fù)地嘗試后,終于提純得到了一種編號(hào)為K172的物質(zhì),它具有很好的抗癌活性。因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有搞清楚這種物質(zhì)的具體結(jié)構(gòu),但他們知道這種物質(zhì)肯定含有羥基(醇類(lèi)所含有的基團(tuán));又因?yàn)樗菑奶窖笞仙迹═axus brevifolia)中獲得的,所以,沃爾把這種物質(zhì)命名為紫杉醇(taxol)[4]。
不過(guò),沃爾和瓦尼從12公斤紫杉樹(shù)皮中只提純得到了0.5克的紫杉醇,收率非常低,只有0.004%[4]。這就給紫杉醇后來(lái)的曲折研發(fā)歷程埋下了伏筆。
1967年,在美國(guó)化學(xué)會(huì)的年會(huì)上,瓦尼做了報(bào)告,跟大家展示了紫杉醇的細(xì)胞毒性和抗腫瘤活性研究結(jié)果。
但是,由于紫杉醇的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有搞清楚,并且它的提純產(chǎn)率非常低,又因?yàn)镹CI在那個(gè)年代篩選了一大批抗癌藥物,這其中就包括沃爾和瓦尼發(fā)現(xiàn)的喜樹(shù)堿,而且NCI在那時(shí)已經(jīng)在準(zhǔn)備開(kāi)展喜樹(shù)堿的臨床試驗(yàn)了。
所以,沃爾打算暫時(shí)把紫杉醇放一放。不過(guò),瓦尼不同意,他堅(jiān)持在“低優(yōu)先級(jí)”的狀態(tài)下,繼續(xù)開(kāi)展紫杉醇研究[4]。
瓦尼的堅(jiān)持給紫杉醇帶來(lái)了活路,終于在1969年,紫杉醇通過(guò)了NCI嚴(yán)格的抗癌藥物篩選程序,成為了官方認(rèn)可的潛在抗癌藥物。
1971年,沃爾和瓦尼等人在材料與化學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究,他們采用X射線(xiàn)衍射和核磁共振分析,確定了紫杉醇的結(jié)構(gòu)[5]。
原來(lái)紫杉醇是由47個(gè)碳原子組成的環(huán)狀化合物,總共有11個(gè)立體中心,還有很多個(gè)功能團(tuán)。總之,結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,簡(jiǎn)直就是大自然調(diào)制出的“小怪物”!
在這篇論文中,沃爾和瓦尼還指出,這種復(fù)雜的天然化合物,在初步的試驗(yàn)中顯示出抗白血病和抗腫瘤的效果。
然而,這篇文章的發(fā)表,并沒(méi)有讓紫杉醇迅速進(jìn)入臨床試驗(yàn)。相反,它卻引起了環(huán)保主義者的注意。
在沃爾和瓦尼公布紫杉醇的分子結(jié)構(gòu)之后,NCI的管理層似乎對(duì)紫杉醇有點(diǎn)感興趣了。不過(guò),紫杉醇的供應(yīng)卻是他們首先考慮的問(wèn)題,因?yàn)橐_(kāi)展紫杉醇的動(dòng)物試驗(yàn)、毒理實(shí)驗(yàn)和以后的臨床試驗(yàn),都需要大量的紫杉醇[4]。
所以,沃爾和瓦尼接下來(lái)的主要工作就是從紫杉樹(shù)皮中提取紫杉醇,而美國(guó)農(nóng)業(yè)部也不得不向他們提供大量的紫杉樹(shù)皮,這就意味著有許許多多紫杉樹(shù)要被砍掉。
原本太平洋紫杉是不起眼的植物,而美國(guó)農(nóng)業(yè)部卻突然間大量砍伐紫杉,這讓環(huán)保人士心里有些犯嘀咕:他們這是為什么?
與此同時(shí),紫杉醇的抗癌機(jī)制研究也在不溫不火地進(jìn)行著。1978年,NCI的兩名研究人員發(fā)現(xiàn),紫杉醇能夠讓細(xì)胞停滯在G2-M期,抑制細(xì)胞的有絲分裂[6]。這似乎意味著,紫杉醇跟秋水仙堿、長(zhǎng)春花堿、美登木素等一樣,都是一類(lèi)具有微管蛋白抑制作用的藥物。
然而,直到1979年,分子藥理學(xué)家蘇珊·霍爾維茨(Susan Horwitz)的研究[7],才真正揭開(kāi)了紫杉醇抗癌的“秘密花園”!
霍爾維茨發(fā)現(xiàn),紫杉醇可以穩(wěn)定和增強(qiáng)微管蛋白的聚合,而這剛好跟上面提到的藥物作用相反,因?yàn)樗鼈兌际且种莆⒐艿鞍椎木酆稀?/p>
紫杉醇促進(jìn)微管蛋白聚合、防止微管的解聚,這就會(huì)讓細(xì)胞在分裂過(guò)程中被卡住了,所以細(xì)胞就會(huì)發(fā)生凋亡,紫杉醇的抗癌作用也就得到發(fā)揮了。
對(duì)照(左)細(xì)胞正常分裂;紫杉醇(右)抑制細(xì)胞微管的解聚,阻止細(xì)胞分裂
在霍爾維茨宣布了紫杉醇抗癌機(jī)理之后,NCI終于下定決心把紫杉醇列為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)對(duì)象了。
1984年,紫杉醇的I期臨床試驗(yàn)開(kāi)展。次年,II期臨床也開(kāi)始啟動(dòng)了。1988年,NCI首次公布II期臨床結(jié)果[8],發(fā)現(xiàn)紫杉醇對(duì)黑色素瘤的療效非常顯著,更重要的是,它對(duì)復(fù)發(fā)性卵巢癌的有效率達(dá)到了30%!
這在當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)直是爆炸性新聞,因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候,對(duì)于復(fù)發(fā)的卵巢癌還沒(méi)有什么有效藥物,紫杉醇一躍成為明星藥物,太平洋紫杉也一下子從遭人嫌棄的有毒樹(shù)木變成了惹人關(guān)注的抗癌藥材。
而環(huán)保主義者們,這個(gè)時(shí)候就更加關(guān)注NCI的動(dòng)態(tài)了。按照NCI的一名官員推算,要想用紫杉醇治療全美國(guó)的黑色素瘤和卵巢癌患者,那么每年需要砍伐36萬(wàn)棵紫杉樹(shù)才行[3]。
這番言論讓環(huán)保主義者們更加坐不住了。他們開(kāi)始抗議,認(rèn)為太平洋紫杉生長(zhǎng)緩慢,天然更新的能力很差,如果大量砍伐,紫杉是要滅絕的。而且,他們還認(rèn)為,長(zhǎng)有紫杉的森林是一種瀕臨滅絕的貓頭鷹棲息地,如果肆無(wú)忌憚地砍伐紫杉樹(shù),失去的將不止是一個(gè)物種!
所以,環(huán)保主義者要保護(hù)樹(shù)木,而腫瘤專(zhuān)家和患者需要藥物,救樹(shù)還是救人就成為了當(dāng)時(shí)社會(huì)各界熱議的話(huà)題,經(jīng)過(guò)媒體的報(bào)道,紫杉醇和太平洋紫杉一度成為了政治事務(wù)。
這種焦灼的狀態(tài),隨著紫杉醇的合成才最終得以解決。
在20世紀(jì)七八十年代,紫杉醇結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性吸引了全世界化學(xué)家的目光。一時(shí)間,從頭合成出紫杉醇成了許多化學(xué)家們證明自己實(shí)力的一種選擇。
90年代初期,已經(jīng)有很多研究小組[9, 10]采用不同的路徑合成了紫杉醇,但這些方法動(dòng)輒要幾十步、過(guò)程復(fù)雜且反應(yīng)條件苛刻,而且合成所需的試劑非常昂貴,合成的總體收率也非常低。所以,紫杉醇的全合成雖然能代表合成技術(shù)的成就,但并不適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
真正讓紫杉醇化學(xué)合成進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的方法是半合成途徑。
1981年,法國(guó)科學(xué)家Pierre Potier,從英國(guó)紫杉的葉子中分離得到了一種叫做10-DAB的物質(zhì),它跟紫杉醇的結(jié)構(gòu)非常相似,只是缺少一些側(cè)鏈基團(tuán)。而且,10-DAB在英國(guó)紫杉葉片中的含量比較高,葉子還可以再生,不會(huì)對(duì)紫杉樹(shù)造成大的影響[11]。
那么,能不能用10-DAB作為底物合成紫杉醇呢?
帶著這樣的疑問(wèn),Potier帶著他的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的努力,終于在1988年的《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》上公布了采用10-DAB合成紫杉醇的方法[12],這種方法的總產(chǎn)率超過(guò)了50%!
論文的發(fā)表立即引起了不少化學(xué)家的注意。于是,也有不少化學(xué)家改進(jìn)、優(yōu)化了半合成的方法,這給紫杉醇的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的方法。
1991年,百時(shí)美施貴寶(BMS)與NCI達(dá)成合作協(xié)議,由BMS負(fù)責(zé)紫杉醇的商業(yè)化生產(chǎn),BMS采用的就是從10-DAB合成紫杉醇的半合成方法[4]。這種方法也讓環(huán)保主義者們不再擔(dān)心太平洋紫杉的問(wèn)題了。
終于,在1992年12月29日,F(xiàn)DA批準(zhǔn)紫杉醇注射液,商品名為泰素(Taxol),用于治療晚期卵巢癌[3]。之后,紫杉醇又被批準(zhǔn)用于治療乳腺癌、非小細(xì)胞肺癌、卡波西肉瘤等癌癥。
如今,紫杉醇已經(jīng)是鼎鼎有名的化療藥物。然而,這不是它的終點(diǎn),由紫杉醇研究衍生來(lái)的新藥物還在給人們帶來(lái)不斷的驚喜。
上面提到的法國(guó)科學(xué)家Potier,在探索用10-DAB合成紫杉醇的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)一個(gè)名叫RP5676的中間產(chǎn)物,距離紫杉醇還有兩步。Potier在對(duì)這個(gè)中間產(chǎn)物進(jìn)行活性測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)RP5676比紫杉醇有著更強(qiáng)的微管蛋白結(jié)合能力[13]。
這個(gè)中間產(chǎn)物,后來(lái)就成為了賽諾菲的抗癌藥,多西他賽(Docetaxel)。多西他賽跟紫杉醇結(jié)構(gòu)上非常相似,有著相同的母核,只是有兩個(gè)基團(tuán)跟紫杉醇不一樣[13]。
1996年,多西他賽獲得美國(guó)FDA的上市批準(zhǔn)用于治療晚期乳腺癌,后來(lái)又被批準(zhǔn)用于治療非小細(xì)胞肺癌、前列腺癌、胃腺癌等。
盡管紫杉醇和多西他賽的療效很好,但它們都有一個(gè)弱點(diǎn)就是水溶性都很差,所以需要用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。紫杉醇用的是聚氧乙烯蓖麻油,而多西他賽用的是吐溫-80和乙醇。這些溶劑很容易刺激機(jī)體釋放組胺,導(dǎo)致過(guò)敏。
所以,在用藥之前,患者通常需要皮質(zhì)激素及抗組胺藥的預(yù)處理,以減輕過(guò)敏反應(yīng)[14]。這無(wú)疑增加了患者的負(fù)擔(dān)。
于是,一種叫做白蛋白結(jié)合型紫杉醇(Abraxane)的新一代紫杉醇藥物應(yīng)運(yùn)而生。
Abraxane利用人源白蛋白作為載體,可直接給藥,無(wú)需用藥前皮質(zhì)激素和抗組胺藥的預(yù)處理[14],可以說(shuō)給患者帶來(lái)了更好的體驗(yàn)。
白蛋白結(jié)合型紫杉醇示意圖
2005年,Abraxane被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于乳腺癌治療。之后,又被批準(zhǔn)用于非小細(xì)胞肺癌、胰腺癌的治療。Abraxane也成了抗癌藥市場(chǎng)冉冉升起的新星。
回顧紫杉醇從誕生以來(lái)半個(gè)多世紀(jì)的歷史,我們不得不贊嘆大自然的神奇,可以給人類(lèi)提供如此有效的抗癌藥!也要感謝那些在藥物研發(fā)過(guò)程中不斷堅(jiān)持和付出的科學(xué)家們!
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