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，因為盟軍打算盡快備齊物資以便挺進(jìn)意大利北部并攻占羅馬。然而，令盟軍沒有想到的是，德軍在當(dāng)晚發(fā)動了空襲！
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)對德軍可能的毒氣戰(zhàn)，結(jié)果這次空襲卻造成了有史以來最嚴(yán)重的毒氣泄漏事件，讓許許多多的軍人和平民無辜傷亡。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)砹酥卮蟮膯⑹?，他們?jù)此開發(fā)出來了個腫瘤化療藥物——氮芥[1]。
二戰(zhàn)之后，美國加快了抗癌藥物的篩選工作。1955年，美國國家癌癥研究中心（NCI）成立了癌癥化療國家服務(wù)中心（CCNSC），專門負(fù)責(zé)全國性的抗癌藥物篩查工作[2]。
一開始，這個機構(gòu)主要是評估化學(xué)結(jié)構(gòu)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(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試了3萬多個樣本，就是在這樣的規(guī)模浩大的抗癌藥物篩選工程中，一個迄今為止秀的天然抗癌藥物誕生了！
它就是紫杉醇！
一棵不起眼的太平洋紫杉
1962年8月份的某一天，美國農(nóng)業(yè)部植物學(xué)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(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，巴克雷沒多想就把它命名為B-1645，因為這是他采集到的第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]。然后，師徒四人樂呵呵回到農(nóng)業(yè)部交差去了。
按照農(nóng)業(yè)部的要求，他們把采集來的樣本寄給了NCI。之后，他們并沒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(jīng)在中世紀(jì)歐洲征戰(zhàn)中大出風(fēng)頭的英國長弓，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，就開展了相關(guān)的研究工作，初步的研究結(jié)果顯示，樹皮中的粗提取物對人口腔表皮樣癌（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皮。這個光榮的任務(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(zhuǎn)又到了北卡三角研究院，在這里，它與兩個著名的化學(xué)家相遇了，他們就是沃爾（Monroe Wall）和瓦尼（Mansukh Wani）。
紫杉醇的誕生
沃爾和瓦尼在收到這些樹皮后，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(jìn)行提純，并用一種白血病小鼠模型驗證各個步驟中提純物質(zhì)的抗癌活性。
1966年9月，沃爾和瓦尼經(jīng)過反復(fù)地嘗試后，終于提純得到了一種編號為K172的物質(zhì)，它具有很好的抗癌活性。因為當(dāng)時還沒有搞清楚這種物質(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(zhì)命名為紫杉醇（taxol）[4]。
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]。這就給紫杉醇后來的曲折研發(fā)歷程埋下了伏筆。
1967年，在美國化學(xué)會的年會上，瓦尼做了報告，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)還沒有搞清楚，并且它的提純產(chǎn)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(fā)現(xiàn)的喜樹堿，而且NCI在那時已經(jīng)在準(zhǔn)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(yōu)先級”的狀態(tài)下，繼續(xù)開展紫杉醇研究[4]。
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(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)域的頂級期刊《美國化學(xué)會雜志》上發(fā)表了一項重磅研究，他們采用X射線衍射和核磁共振分析，確定了紫杉醇的結(jié)構(gòu)[5]。
原來紫杉醇是由47個碳原子組成的環(huán)狀化合物，總共有11個立體中心，還有很多個功能團?？傊Y(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，簡直就是大自然調(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，并沒有讓紫杉醇迅速進(jìn)入臨床試驗。相反，它卻引起了環(huán)保主義者的注意。
抗癌與環(huán)保之爭
在沃爾和瓦尼公布紫杉醇的分子結(jié)構(gòu)之后，NCI的管理層似乎對紫杉醇有點感興趣了。不過，紫杉醇的供應(yīng)卻是他們首先考慮的問題，因為要開展紫杉醇的動物試驗、毒理實驗和以后的臨床試驗，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(nóng)業(yè)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(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，紫杉醇的抗癌機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。
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(jìn)微管蛋白聚合、防止微管的解聚，這就會讓細(xì)胞在分裂過程中被卡住了，所以細(xì)胞就會發(fā)生凋亡，紫杉醇的抗癌作用也就得到發(fā)揮了。
對照（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理之后，NCI終于下定決心把紫杉醇列為重點開發(fā)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首次公布II期臨床結(jié)果[8]，發(fā)現(xiàn)紫杉醇對黑色素瘤的療效非常顯著，更重要的是，它對復(fù)發(fā)性卵巢癌的有效率達(dá)到了30%！
這在當(dāng)時簡直是爆炸性新聞，因為那個時候，對于復(fù)發(fā)的卵巢癌還沒有什么有效藥物，紫杉醇一躍成為明星藥物，太平洋紫杉也一下子從遭人嫌棄的有毒樹木變成了惹人關(guān)注的抗癌藥材。
而環(huán)保主義者們，這個時候就更加關(guān)注NCI的動態(tài)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，那么每年需要砍伐36萬棵紫杉樹才行[3]。
這番言論讓環(huán)保主義者們更加坐不住了。他們開始抗議，認(rèn)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(rèn)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(huán)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(dāng)時社會各界熱議的話題，經(jīng)過媒體的報道，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。
紫杉醇的合成
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。一時間，從頭合成出紫杉醇成了許多化學(xué)家們證明自己實力的一種選擇。
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，但這些方法動輒要幾十步、過程復(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，法國科學(xué)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(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。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]。
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，Potier帶著他的團隊經(jīng)過多年的努力，終于在1988年的《美國化學(xué)會雜志》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，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。
紫杉醇的后繼者
上面提到的法國科學(xué)家Potier，在探索用10-DAB合成紫杉醇的過程中，發(fā)現(xiàn)一個名叫RP5676的中間產(chǎn)物，距離紫杉醇還有兩步。Potier在對這個中間產(chǎn)物進(jìn)行活性測試時，發(fā)現(xiàn)RP5676比紫杉醇有著更強的微管蛋白結(jié)合能力[13]。
這個中間產(chǎn)物，后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(jié)構(gòu)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的上市批準(zhǔn)用于治療晚期乳腺癌，后來又被批準(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，但它們都有一個弱點就是水溶性都很差，所以需要用有機溶劑進(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體釋放組胺，導(dǎo)致過敏。
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，以減輕過敏反應(yīng)[14]。這無疑增加了患者的負(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(zhì)激素和抗組胺藥的預(yù)處理[14]，可以說給患者帶來了更好的體驗。
白蛋白結(jié)合型紫杉醇示意圖
2005年，Abraxane被美國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也成了抗癌藥市場冉冉升起的新星。
回顧紫杉醇從誕生以來半個多世紀(jì)的歷史，我們不得不贊嘆大自然的神奇，可以給人類提供如此有效的抗癌藥！也要感謝那些在藥物研發(fā)過程中不斷堅持和付出的科學(xué)家們！
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