紫杉醇的生产技术分析

李旭恒

西华大学 食品与生物工程学院 四川 成都 611700

背景

紫杉醇（Paclitaxel）是一种存在于红豆杉属植物中复杂的次生代谢产物，是从红豆杉树皮中分离纯化得到的一种二萜类化合物,分子结构复杂，有一个16碳的四环骨架并含有11个手性中心，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]。紫杉醇在植物体内的含量低，类似物多，使紫杉醇的分离难度大，仅依靠从植株中提取小剂量的紫杉醇无法满足庞大的市场需求，随化学工程和生物工程等理论的进步，紫杉醇的生产变得多样化。当前，紫杉醇的生产方法主要有化学合成法，半合成法，植物细胞培养，异源表达系统。

1 紫杉醇的多种生产方法

1.1 紫杉醇的全合成方法

紫杉醇的全合成方法是通过有机化学反应，利用原料逐步设计路线合成获得所需分子，技术要求高。Holton等在1994年发现了紫杉醇的首条全合成路线，采用线性合成策略，依次构造紫杉醇分子的三个碳环骨架，随后向内引入和修饰官能团，最后引入C13位置的侧链得到紫杉醇分子[2]；Nicolaou等通过汇聚策略，以Diela-Alder反应先将A，C两环的部分合成，再经多步反应，同样在C13处连接侧链得到紫杉醇分子。此类方法率先合成了紫杉醇，但有机合成的步骤烦琐，产率低下，带有许多毒性的副产品，使紫杉醇难以批量生产。目前，紫杉醇的6-8-6骨架的合成成为热点，Granja等基于二烯炔的多米诺复分解关环反应高效合成了紫杉烷6-8-6环系化合物，这类反应复杂度低于前者，产率高达61%，相较于传统合成的产率有千倍的提升，但反应导致的原料分解增加了原料浪费度。

1.2 紫杉醇的半合成方法

半合成技术先从自然界中取到关键中间体，后进行反应修饰获得所需产物，技术要求低。紫杉醇的半合成技术目前在商业上由Bristol Myers Squibb公司所应用，此方法利用在红豆杉中提取的巴卡亭Ⅲ或10-脱乙酰巴卡亭Ⅲ，通过多步转化及引入侧链来实现紫杉醇的生产。其优点在于反应过程少于全合成法，原料巴卡亭III在自然界中的含量远大于紫杉醇[2]，为减少成本和增大产量提供较为理想的方式，但生产取决于环境因素和原料纯化的价格昂贵为紫杉醇的商业化生产也带来了阻碍。

1.3 紫杉醇的异源表达系统

紫杉醇生物合成途径的部分步骤已可以用异源表达系统来实现。Qiulong Huang等通过IPP异构酶，GGPP合酶以及TASY在大肠杆菌中的过量表达使紫杉二烯的产量达1.3 mg/L，标示了通过途径工程技术可以使非生产紫杉醇生物生产紫杉烷类化合物。其困难在于cP450在微生物系统中的表达中，会因错误地折叠而失去功能。Wilson为了生产紫杉二烯-5a-乙酰氧基-10bol，在酿酒酵母中表达了五个顺序的紫杉醇生物合成基因，但仅观察到了高的紫杉二烯水平。Jennewein表示该途径被最初的cP450羟基化限制，可能需要与其同源的cP450还原酶共同表达才能发挥作用。用微生物宿主来合成紫杉醇仅停留在实验室水平，微生物代谢的通路和原理复杂，给紫杉醇的批量生产制造了障碍，较于化学合成固定的途径，微生物可以在未来被基因工程等方式改造来达到紫杉醇生产的商业化，前景较为广。

1.4 紫杉醇的植物组织培养

利用植物组织培养批量生产紫杉醇被认为是一种可行的方法。植物组织培养不受地域和季节变化限制，摆脱了多变的自然条件，人为控制可以连续的提供品质均一的紫杉醇；同时不产生毒副产物，环境友好，还可根据不同部位的营养需求精确设置营养条件，使植株生长较快，周期短。植物组织培养生产紫杉醇的首个专利在1991年提交[4]，产量达1～3mg/L。Eun-Kyong Lee等利用先天未分化的形成层分生组织细胞（CMC）进行培养，此类细胞的生长变异性低，聚集体较小，对剪应力不敏感。使得其紫杉醇的产量远远大于传统的去分化细胞（DDC），为可持续生产提供经济高效且环保的平台。徐志荣以南方红豆杉一年生枝条诱导愈伤组织，建立了细胞悬浮培养体系[3]，发现适合紫杉醇合成的理化条件。此类研究为紫杉醇未来的扩大生产提供参考。

2 展望

全合成途径的复杂与成本昂贵，此方法生产大批量的紫杉醇难以实现。当前可行的方案有半合成方法和植物组织培养。目前商业上所使用的多为半合成法，植物组织培养配合于控制技术的完善，具有大规模生产的潜力。目前，在大规模的生产器中保证细胞或植株的活性与产量是一大问题；随代谢工程进入人们的视野，可以改善紫杉醇的生物合成路线使产物在细胞中高效表达从而达到大规模的生产。总之，紫杉醇的大规模生产仍需要多学科的交汇，将此“癌症杀手”进一步扩大生产达到社会的需求仍是科学研究的一大目标。