紫杉醇的生產技術分析

李旭恒

西華大學 食品與生物工程學院 四川 成都 611700

背景

紫杉醇（Paclitaxel）是一種存在于紅豆杉屬植物中復雜的次生代謝產物，是從紅豆杉樹皮中分離純化得到的一種二萜類化合物,分子結構復雜，有一個16碳的四環骨架并含有11個手性中心，分子式 C47H51NO14，白色粉末，易溶于甲醇和乙醇，微溶于乙醚，不溶于水[1]。紫杉醇在植物體內的含量低，類似物多，使紫杉醇的分離難度大，僅依靠從植株中提取小劑量的紫杉醇無法滿足龐大的市場需求，隨化學工程和生物工程等理論的進步，紫杉醇的生產變得多樣化。當前，紫杉醇的生產方法主要有化學合成法，半合成法，植物細胞培養，異源表達系統。

1 紫杉醇的多種生產方法

1.1 紫杉醇的全合成方法

紫杉醇的全合成方法是通過有機化學反應，利用原料逐步設計路線合成獲得所需分子，技術要求高。Holton等在1994年發現了紫杉醇的首條全合成路線，采用線性合成策略，依次構造紫杉醇分子的三個碳環骨架，隨后向內引入和修飾官能團，最后引入C13位置的側鏈得到紫杉醇分子[2]；Nicolaou等通過匯聚策略，以Diela-Alder反應先將A，C兩環的部分合成，再經多步反應，同樣在C13處連接側鏈得到紫杉醇分子。此類方法率先合成了紫杉醇，但有機合成的步驟煩瑣，產率低下，帶有許多毒性的副產品，使紫杉醇難以批量生產。目前，紫杉醇的6-8-6骨架的合成成為熱點，Granja等基于二烯炔的多米諾復分解關環反應高效合成了紫杉烷6-8-6環系化合物，這類反應復雜度低于前者，產率高達61%，相較于傳統合成的產率有千倍的提升，但反應導致的原料分解增加了原料浪費度。

1.2 紫杉醇的半合成方法

半合成技術先從自然界中取到關鍵中間體，后進行反應修飾獲得所需產物，技術要求低。紫杉醇的半合成技術目前在商業上由Bristol Myers Squibb公司所應用，此方法利用在紅豆杉中提取的巴卡亭Ⅲ或10-脫乙酰巴卡亭Ⅲ，通過多步轉化及引入側鏈來實現紫杉醇的生產。其優點在于反應過程少于全合成法，原料巴卡亭III在自然界中的含量遠大于紫杉醇[2]，為減少成本和增大產量提供較為理想的方式，但生產取決于環境因素和原料純化的價格昂貴為紫杉醇的商業化生產也帶來了阻礙。

1.3 紫杉醇的異源表達系統

紫杉醇生物合成途徑的部分步驟已可以用異源表達系統來實現。Qiulong Huang等通過IPP異構酶，GGPP合酶以及TASY在大腸桿菌中的過量表達使紫杉二烯的產量達1.3 mg/L，標示了通過途徑工程技術可以使非生產紫杉醇生物生產紫杉烷類化合物。其困難在于cP450在微生物系統中的表達中，會因錯誤地折疊而失去功能。Wilson為了生產紫杉二烯-5a-乙酰氧基-10bol，在釀酒酵母中表達了五個順序的紫杉醇生物合成基因，但僅觀察到了高的紫杉二烯水平。Jennewein表示該途徑被最初的cP450羥基化限制，可能需要與其同源的cP450還原酶共同表達才能發揮作用。用微生物宿主來合成紫杉醇僅停留在實驗室水平，微生物代謝的通路和原理復雜，給紫杉醇的批量生產制造了障礙，較于化學合成固定的途徑，微生物可以在未來被基因工程等方式改造來達到紫杉醇生產的商業化，前景較為廣。

1.4 紫杉醇的植物組織培養

利用植物組織培養批量生產紫杉醇被認為是一種可行的方法。植物組織培養不受地域和季節變化限制，擺脫了多變的自然條件，人為控制可以連續的提供品質均一的紫杉醇；同時不產生毒副產物，環境友好，還可根據不同部位的營養需求精確設置營養條件，使植株生長較快，周期短。植物組織培養生產紫杉醇的首個專利在1991年提交[4]，產量達1～3mg/L。Eun-Kyong Lee等利用先天未分化的形成層分生組織細胞（CMC）進行培養，此類細胞的生長變異性低，聚集體較小，對剪應力不敏感。使得其紫杉醇的產量遠遠大于傳統的去分化細胞（DDC），為可持續生產提供經濟高效且環保的平臺。徐志榮以南方紅豆杉一年生枝條誘導愈傷組織，建立了細胞懸浮培養體系[3]，發現適合紫杉醇合成的理化條件。此類研究為紫杉醇未來的擴大生產提供參考。

2 展望

全合成途徑的復雜與成本昂貴，此方法生產大批量的紫杉醇難以實現。當前可行的方案有半合成方法和植物組織培養。目前商業上所使用的多為半合成法，植物組織培養配合于控制技術的完善，具有大規模生產的潛力。目前，在大規模的生產器中保證細胞或植株的活性與產量是一大問題；隨代謝工程進入人們的視野，可以改善紫杉醇的生物合成路線使產物在細胞中高效表達從而達到大規模的生產。總之，紫杉醇的大規模生產仍需要多學科的交匯，將此“癌癥殺手”進一步擴大生產達到社會的需求仍是科學研究的一大目標。