來源 | DrWhy
作者 | WXY707
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，因為盟軍打算儘快備齊物資以便挺進意大利北部並攻佔羅馬。然而，令盟軍沒有想到的是，德軍在當晚發動了空襲！
鬆懈的防衛加上港口的照明，讓德軍輕輕鬆鬆炸燬了停泊在港口的多艘船隻。更糟糕的是，被擊毀的一艘名為“約翰·哈維”的美國商船上，秘密裝載了2000枚芥子氣炸彈！
原本美軍為的是應對德軍可能的毒氣戰，結果這次空襲卻造成了有史以來最嚴重的毒氣洩漏事件，讓許許多多的軍人和平民無辜傷亡。不久之後，負責調查此事的美軍化學戰顧問亞歷山大發現，芥子氣破壞了人體的大部分白細胞。
這給耶魯大學的古德曼（Louis Goodman）和吉爾曼（Alfred Gilman）兩位藥理學家帶來了重大的啟示，他們據此開發出來了第一個腫瘤化療藥物——氮芥[1]。
二戰之後，美國加快了抗癌藥物的篩選工作。1955年，美國國家癌症研究中心（NCI）成立了癌症化療國家服務中心（CCNSC），專門負責全國性的抗癌藥物篩查工作[2]。
一開始，這個機構主要是評估化學結構已知的化合物。到了1960年，他們開始從動植物的天然提取物中篩選抗癌藥物。為此，NCI還專門跟美國農業部達成了合作協議，由農業部負責向NCI提供植物樣本用於抗癌藥物的篩選。
此後的20年間，研究人員總共收集並測試了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！
它就是紫杉醇！
1
一棵不起眼的太平洋紫杉
1962年8月份的某一天，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，頂著大太陽，來到華盛頓州的吉福德·平肖國家森林收集植物樣本。無意間，巴克雷在一小片針葉樹中發現了一棵7米多高的太平洋紫杉。
看著這棵不起眼的紫杉，巴克雷沒多想就把它命名為B-1645，因為這是他採集到的第1645個植物樣本。接著，巴克雷讓他的研究生收集了這棵紫杉的樹枝、樹皮和果實樣本[3]。然後，師徒四人樂呵呵回到農業部交差去了。
按照農業部的要求，他們把採集來的樣本寄給了NCI。之後，他們並沒有把這件事放在心上，該幹嘛幹嘛去了。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。紅豆杉距今已經有250萬年的歷史了，因此又被稱作是植物王國的“活化石”。
其實，人類在很早之前就開始利用紅豆杉了。不過，它不是被用作救人的藥物，而是被用作殺人的武器！曾經在中世紀歐洲征戰中大出風頭的英國長弓，就是用紫杉木製成的！
而這一次，紫杉卻註定要一改從前殺人如麻的猙獰面目，轉而成為救人水火的抗癌良藥！
NCI在接到太平洋紫杉樣本之後，就開展了相關的研究工作，初步的研究結果顯示，樹皮中的粗提取物對人口腔表皮樣癌（KB）細胞有細胞毒性作用[4]，這似乎意味著紫杉樹皮中含有某種抗癌物質。
於是，NCI要求農業部再多提供一些太平洋紫杉樹皮。這個光榮的任務自然落到了巴克雷頭上。1964年9月，巴克雷回到吉福德·平肖國家森林，索性一下子收集了二十多斤樹皮[3]，寄給了NCI。
這些寶貴的原材料輾轉又到了北卡三角研究院，在這裡，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）。
2
紫杉醇的誕生
沃爾和瓦尼在收到這些樹皮後，就展開了分離提純工作。他們小心翼翼地把這些樹皮研磨、一步步地進行提純，並用一種白血病小鼠模型驗證各個步驟中提純物質的抗癌活性。
1966年9月，沃爾和瓦尼經過反覆地嘗試後，終於提純得到了一種編號為K172的物質，它具有很好的抗癌活性。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，沃爾把這種物質命名為紫杉醇（taxol）[4]。
瓦尼（左）和沃爾（右）
不過，沃爾和瓦尼從12公斤紫杉樹皮中只提純得到了0.5克的紫杉醇，收率非常低，只有0.004%[4]。這就給紫杉醇後來的曲折研發歷程埋下了伏筆。
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，由於紫杉醇的結構還沒有搞清楚，並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鹼，而且NCI在那時已經在準備開展喜樹鹼的臨床試驗了。
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[4]。
瓦尼的堅持給紫杉醇帶來了活路，終於在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。
1971年，沃爾和瓦尼等人在材料與化學領域的頂級期刊《美國化學會雜誌》上發表了一項重磅研究，他們採用X射線衍射和核磁共振分析，確定了紫杉醇的結構[5]。
原來紫杉醇是由47個碳原子組成的環狀化合物，總共有11個立體中心，還有很多個功能團。總之，結構極其複雜，簡直就是大自然調製出的“小怪物”！
紫杉醇結構式
在這篇論文中，沃爾和瓦尼還指出，這種複雜的天然化合物，在初步的試驗中顯示出抗白血病和抗腫瘤的效果。
然而，這篇文章的發表，並沒有讓紫杉醇迅速進入臨床試驗。相反，它卻引起了環保主義者的注意。
3
抗癌與環保之爭
在沃爾和瓦尼公佈紫杉醇的分子結構之後，NCI的管理層似乎對紫杉醇有點感興趣了。不過，紫杉醇的供應卻是他們首先考慮的問題，因為要開展紫杉醇的動物試驗、毒理實驗和以後的臨床試驗，都需要大量的紫杉醇[4]。
所以，沃爾和瓦尼接下來的主要工作就是從紫杉樹皮中提取紫杉醇，而美國農業部也不得不向他們提供大量的紫杉樹皮，這就意味著有許許多多紫杉樹要被砍掉。
原本太平洋紫杉是不起眼的植物，而美國農業部卻突然間大量砍伐紫杉，這讓環保人士心裡有些犯嘀咕：他們這是為什麼？
與此同時，紫杉醇的抗癌機制研究也在不溫不火地進行著。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[6]。這似乎意味著，紫杉醇跟秋水仙鹼、長春花鹼、美登木素等一樣，都是一類具有微管蛋白抑制作用的藥物。
然而，直到1979年，分子藥理學家蘇珊·霍爾維茨（Susan Horwitz）的研究[7]，才真正揭開了紫杉醇抗癌的“秘密花園”！
霍爾維茨發現，紫杉醇可以穩定和增強微管蛋白的聚合，而這剛好跟上面提到的藥物作用相反，因為它們都是抑制微管蛋白的聚合。
紫杉醇促進微管蛋白聚合、防止微管的解聚，這就會讓細胞在分裂過程中被卡住了，所以細胞就會發生凋亡，紫杉醇的抗癌作用也就得到發揮了。
對照（左）細胞正常分裂；紫杉醇（右）抑制細胞微管的解聚，阻止細胞分裂
在霍爾維茨宣佈了紫杉醇抗癌機理之後，NCI終於下定決心把紫杉醇列為重點開發對象了。
1984年，紫杉醇的I期臨床試驗開展。次年，II期臨床也開始啟動了。1988年，NCI首次公佈II期臨床結果[8]，發現紫杉醇對黑色素瘤的療效非常顯著，更重要的是，它對複發性卵巢癌的有效率達到了30%！
這在當時簡直是爆炸性新聞，因為那個時候，對於復發的卵巢癌還沒有什麼有效藥物，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木變成了惹人關注的抗癌藥材。
而環保主義者們，這個時候就更加關注NCI的動態了。按照NCI的一名官員推算，要想用紫杉醇治療全美國的黑色素瘤和卵巢癌患者，那麼每年需要砍伐36萬棵紫杉樹才行[3]。
這番言論讓環保主義者們更加坐不住了。他們開始抗議，認為太平洋紫杉生長緩慢，天然更新的能力很差，如果大量砍伐，紫杉是要滅絕的。而且，他們還認為，長有紫杉的森林是一種瀕臨滅絕的貓頭鷹棲息地，如果肆無忌憚地砍伐紫杉樹，失去的將不止是一個物種！
所以，環保主義者要保護樹木，而腫瘤專家和患者需要藥物，救樹還是救人就成為了當時社會各界熱議的話題，經過媒體的報道，紫杉醇和太平洋紫杉一度成為了政治事務。
這種焦灼的狀態，隨著紫杉醇的合成才最終得以解決。
4
紫杉醇的合成
在20世紀七八十年代，紫杉醇結構上的複雜性吸引了全世界化學家的目光。一時間，從頭合成出紫杉醇成了許多化學家們證明自己實力的一種選擇。
90年代初期，已經有很多研究小組[9, 10]採用不同的路徑合成了紫杉醇，但這些方法動輒要幾十步、過程複雜且反應條件苛刻，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的成就，但並不適合於工業化生產。
真正讓紫杉醇化學合成進入工業化生產的方法是半合成途徑。
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。而且，10-DAB在英國紫杉葉片中的含量比較高，葉子還可以再生，不會對紫杉樹造成大的影響[11]。
Pierre Potier
那麼，能不能用10-DAB作為底物合成紫杉醇呢？
帶著這樣的疑問，Potier帶著他的團隊經過多年的努力，終於在1988年的《美國化學會雜誌》上公佈了採用10-DAB合成紫杉醇的方法[12]，這種方法的總產率超過了50%！
論文的發表立即引起了不少化學家的注意。於是，也有不少化學家改進、優化了半合成的方法，這給紫杉醇的工業化生產提供了可行的方法。
1991年，百時美施貴寶（BMS）與NCI達成合作協議，由BMS負責紫杉醇的商業化生產，BMS採用的就是從10-DAB合成紫杉醇的半合成方法[4]。這種方法也讓環保主義者們不再擔心太平洋紫杉的問題了。
終於，在1992年12月29日，FDA批准紫杉醇注射液，商品名為泰素（Taxol），用於治療晚期卵巢癌[3]。之後，紫杉醇又被批准用於治療乳腺癌、非小細胞肺癌、卡波西肉瘤等癌症。
如今，紫杉醇已經是鼎鼎有名的化療藥物。然而，這不是它的終點，由紫杉醇研究衍生來的新藥物還在給人們帶來不斷的驚喜。
5
紫杉醇的後繼者
上面提到的法國科學家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[13]。
這個中間產物，後來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[13]。
1996年，多西他賽獲得美國FDA的上市批准用於治療晚期乳腺癌，後來又被批准用於治療非小細胞肺癌、前列腺癌、胃腺癌等。
儘管紫杉醇和多西他賽的療效很好，但它們都有一個弱點就是水溶性都很差，所以需要用有機溶劑進行溶解。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體釋放組胺，導致過敏。
所以，在用藥之前，患者通常需要皮質激素及抗組胺藥的預處理，以減輕過敏反應[14]。這無疑增加了患者的負擔。
於是，一種叫做白蛋白結合型紫杉醇（Abraxane）的新一代紫杉醇藥物應運而生。
Abraxane利用人源白蛋白作為載體，可直接給藥，無需用藥前皮質激素和抗組胺藥的預處理[14]，可以說給患者帶來了更好的體驗。
白蛋白結合型紫杉醇示意圖
2005年，Abraxane被美國FDA批准用於乳腺癌治療。之後，又被批准用於非小細胞肺癌、胰腺癌的治療。Abraxane也成了抗癌藥市場冉冉升起的新星。
回顧紫杉醇從誕生以來半個多世紀的歷史，我們不得不讚嘆大自然的神奇，可以給人類提供如此有效的抗癌藥！也要感謝那些在藥物研發過程中不斷堅持和付出的科學家們！
參考文獻
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