天然植物类抗肿瘤药的研究进展
据世界卫生组织资料统计，全球每年癌症发病约1000万，死亡约700万，已成为仅次于心血管病的人类第二杀手。而近几年中国每年新增肿瘤病人200万人，死亡130多万人，目前全国肿瘤患者总数约为450万人左右。化学合成的抗肿瘤药物在临床上虽有一席之地，但是随着人们越来越深刻地认识到它的毒副作用，从天然药物中寻找抗癌有效成分，已成为越来越多的药物相关工作者关注的重点。
从天然资源中寻找新型抗肿瘤活性物质是抗癌药物的研究热点，约50%的研究涉及这方面的工作，天然资源包括植物、动物、矿物、海洋生物和内源活性物质等。而植物来源的抗肿瘤药物却是目前临床上应用比较广泛的天然抗癌药物。如拓扑异构酶抑制剂喜树碱类药物是当前国内外极其重视的抗癌药物，其中羟基喜树碱的临床效果较好，对头颈部肿瘤、肝癌、胃癌、膀胱癌等都有疗效。紫杉醇为抗有丝分裂肿瘤药物，具有促进微管蛋白的凝聚和定微管作用。榄香烯是我国具有自主知识产权的抗癌中药，可以抑制肿瘤生长，诱导分化凋亡，它不仅具有直接抗癌作用，还有免疫调节作用。
所以当人们越来越发现，人类所需所用的一切都是大自然的馈赠。天然药物就是大自然赐予人类抵抗各种疾病的一把利剑！当前，世界各国都纷纷回归到大自然的潮流中，寻找具有巨大潜力和庞大市场价值的天然药物。而已经有良好临床应用价值的天然抗肿瘤药物主要有生物碱类、萜类、多酚类、有机酸类、多糖类等。本文就近些年来国内外重点研究开发利用的各类天然抗肿瘤药物进行简要的分类综合论述。
生物碱类抗肿瘤药物
生物碱(alkaloid)是指存在于生物体内的碱性含氮化合物，多数具有复杂的含氮杂环，在植物中常与有机酸结合成盐而存在，还有少数以糖苷、有机酸酯和酰胺的形式存在。自从1806年德国科学家F.W. Serturner从鸦片中分离出吗啡碱以后，迄今为止，从自然界中分离出的生物碱就多达10000种。多数生物碱都具有显著的生理活性。目前已经研究证实，具有抗肿瘤效果的就有喜树碱类(camptothecin，CPT)、苦参碱(matrine)、长春碱类(inblashtine)、三尖杉酯类(harringtonine)、秋水仙碱(colchicin)、小檗碱类(berberine，BR)、玫瑰树碱类等，种类繁多，其抗肿瘤的活性和作用机制也不尽相同。然而喜树碱类是目前生物碱类抗肿瘤药物中效果最显著、开发应用前景最广阔以及研究课题组众多的一类。近些年，美国、日本、法国、德国、韩国等国家的研究者居于研究、开发的领先地位，已先后合成了数百种喜树碱的衍生物，并进行了活性筛选，取得了丰硕的成果。
喜树碱(CPT)为一种吡咯喹啉细胞毒性生物碱，主要来源于我国特有的植物珙桐科植物喜树(Camptotheca acuminate Decne)，1966年由Wall等人首次从我国引种的喜树杆中分离得到。1967-1970年，研究者发现该生物碱在体外对Hela细胞、L1210细胞及啮齿类动物显示出较强的抗肿瘤活性，引起人们的极大关注。研究表明其对胃癌、直肠癌和白血病等多种恶性肿瘤均有一定的疗效。但是由于该生物碱易产生恶心、呕吐、腹泻、脱发等副作用，并且其水溶性差，制成水溶性的钠盐后抗肿瘤活性降低等原因，使得喜树碱的临床研究于20世纪70年代中后期几乎停滞不前。直至1985年，Hsiang等人发现喜树碱及衍生物是以拓朴异构酶(topoⅠ)为作用靶点抑制DNA的合成而发挥抗癌作用的机理后，才又一次引起人们的关注。许多衍生物应运而生，成为抗癌领域研究的新热点，下图(图1)是已批准用于临床的喜树碱类抗肿瘤药物结构。
图1 已批准用于临床的喜树碱类抗肿瘤药物结构
喜树碱的结构和性质
喜树碱分子由A、B、C、D、E五个环骈合而成，A、B环为喹啉环，C环为吡咯环，D环为吡啶酮，E环为一个具有S型手性碳的α-羟基内酯。分子结构呈高度不饱和态，五环之间有连续的共轭体系，使得喜树碱具有强烈的天然荧光。喜树碱对光、热敏感，光照射喜树碱溶液，其吸光度降低，光越强，吸光度下降越多，避光则十分稳定，加热可使喜树碱分解。
喜树碱是一种特殊的、中性的生物碱，不溶于酸，难溶于一般的有机溶剂，与酸不容易成盐。也不溶于水，可溶于吡啶、氯仿、甲醇、二甲亚砜等少数溶剂，在浓硫酸中溶解呈黄绿色。
通过对CPT环7、9、10、11位的结构改造(CPT的结构及各原子编号见下图2)，可得到拓扑替康(topotecan)、伊立替康(irinotecan，CPT-11)、勒托替康(lurtotecan)、羟基喜树碱(hydroxycamptothecin，HCPT)等抗肿瘤活性更好的、毒副作用更低的喜树碱类抗肿瘤药物。
图2 CPT的结构及各原子编号
喜树碱类抗癌药物的作用机制
喜树碱及其衍生物通过特异性抑制拓扑酶Ⅰ的活性而发挥其卓越的抗癌作用，拓扑异构酶是广泛存在于生物体内的一类必须酶，通过调节超螺旋、连锁、去连锁以及核酸解螺旋作用，影响DNA拓扑结构，主要分为拓扑异构酶Ⅰ(TopoⅠ)和拓扑异构酶Ⅱ (TopoⅡ)两类。拓扑异构酶I抑制剂的疗效高、抗肿瘤谱广，已成为设计新型抗肿瘤药物的重要靶点酶。多种肿瘤细胞如结肠癌、宫颈癌、卵巢癌等拓扑抑制酶Ⅰ的含量大大高于正常组织，且在S期肿瘤细胞中活性大。
CPT可使正常解离的TopoⅠ和DNA链的共价化合物保持稳定。随着可裂解复合物的形成，抑制了最初由TopoⅠ介导的DNA裂解和重新链接反应。S期DNA复制时形成的复制叉(replication fork)与已断裂的DNA链冲突造成不可逆的复制叉阻滞、双链DNA断裂和可逆的可解裂复合物转变为不可逆的复合物，从而导致细胞死亡。然而CPT并不能在TopoⅠ所有切割位点捕获可裂解复合物。研究显示CPT要产生药效，必须药物、TopoⅠ、DNA三者同时具备。伊立替康(CPT-11)是喜树碱类衍生物中上市的新型抗肿瘤药物之一，在体内经羧酸酯酶裂解转化为7-乙基-10-羟基喜树碱(SN-38)而发挥作用。SN-38主要作用于癌细胞的分裂S期，抑制拓扑酶Ⅰ，使其可断裂复合物稳定化，导致DNA单链断裂，不能再度链接，阻碍DNA的复制和RNA的合成，最终抑制癌细胞的分裂(如下图3)，主要用于治疗卵巢癌和已经转移的直肠癌、结肠癌。
图3 喜树碱的抗癌作用机制
喜树碱类抗癌药物的应用
1986年~1991年，伊立替康、拓扑替康、9-AC与9-NC被相继合成并进行相应的实验研究。1994年7月，日本两家公司合作开发了水溶性较好的喜树碱衍生物——伊立替康(campto)率先在日本上市；德国安万特开发的伊立替康(开普拓)，1995年5月获得美国FDA批准上市；法玛西亚公司的伊利诺替康(camptosar)于1996年6月获得美国FDA批准上市，现为辉瑞旗下的产品。这些喜树碱类药物主要用于治疗晚期结肠癌、直肠癌，且效果显著。另外对于小细胞肺癌、白血病也有明显的抑制作用。
喜树碱的另一个药物是葛兰素史克公司的拓扑替康(Hycamtin)，1996年5月获得FDA批准上市。在实验动物模型上，它显示出高抗癌活性和宽抗癌谱，临床上对重复发病或耐药的神经细胞癌、非小细胞肺癌、小细胞肺癌、卵巢癌、乳腺癌、结肠癌和食道癌都有较好的疗效。
另外9-AC、9-NC、DX-8951f、GG211、CKD-602、ST1481、BNP-1350、BN80915等喜树碱衍生物新药，有的还在进一步研究，有的已经批准临床试验。
萜类抗肿瘤药物
萜类化合物是广泛分布于植物、昆虫、微生物和海洋生物体内的一大类有机化合物。其中某些天然萜类化合物以其具有较强的抗癌、抗炎活性，越来越受到研究人员的重视，这些抗肿瘤天然萜类化合物中分布较多的为倍半萜类和二萜类，单萜类、二倍萜类和三倍萜类数量较少。
尽管单萜烯及其含氧衍生物种类繁多，但是目前从自然界中发现的具有抗肿瘤活性的天然单萜类化合物只有为数不多的几种。其中之一是从卷叶金丝桃的果皮中分出的对人结肠癌Co-115细胞有抑制作用的单萜类化合物：卷叶金丝桃甲素(hyperevolutin A)。通过大量系统的SAR研究，科学家们发现α-亚甲基-γ-丁内酯或者α-亚甲基环戊酮是使某些倍半萜化合物具有抗活性的有效基团。这些倍半萜类化合物主要存在于菊科、伞形科、大戟科、卫矛科、豆科葫芦科和毛莨科植物中。但到目前为止，应用到临床的该类型化合物还比较少，应用于肿瘤治疗的更少。主要有紫杉醇、紫苏醇、榄香烯、柠檬烯、青蒿素等。其中以紫杉醇的应用最为广泛。
紫杉醇(paclitaxel，taxol，TAX)最先是从生长在美国和加拿大的太平洋紫衫(Taxus brevifolic Nutt.，短叶红豆杉)的树皮中提取和纯化得到的一种对许多类型的肿瘤细胞具有细胞毒性作用的提取物。其化学结构是紫衫烷类中一种四环二萜类化合物。它是通过干预癌细胞微管蛋白、停止有丝分裂过程、中断了细胞的生长，促使癌细胞萎缩而发生凋亡。20世纪90年代后期被誉为肿瘤治疗的重大突破，是近十年科学家们称为最有效的广谱抗癌药物之一。临床上主要用于治疗卵巢癌、乳腺癌和非小细胞肺癌，目前在治疗进展期及晚期胃癌方面被列为第三代化疗新方案，另外对转移性食管癌、肝癌、鼻咽癌、晚期胃癌、前列腺癌、头颈部鳞癌及对顺铂、阿霉素耐药的癌细胞也有效。所以近些年美国已经将紫杉醇列为一线的广谱抗肿瘤药物。
紫杉醇的结构与性质
紫杉醇的结构上属于四环二萜类化合物，其熔点为213~217℃，比旋度为左旋47°~51°，溶于甲醇、二氯甲烷，不溶于水，不能注射给药。改善其水溶性的最常用方法是制备它的衍生物。其结构式如图4。
图4 紫杉醇的结构式
紫杉醇的结构复杂，母核有9个手性中心，侧链有2个手性中心，因此应该有2048个非对映异构体。由于天然紫杉醇在红豆杉树皮中含量仅有万分之一，故来源稀少。由此紫杉醇的化学合成、半合成、生物合成、基因工程也是研究的重点，但由于技术及工艺条件的限制，直到1994年Nincolaou等运用逆合成分析法的战略才完成化学合成，但是需要几十步，并且收率极低，没有使用价值。目前只有紫杉醇的半合成和组织、细胞培养等方法在生产中有大规模应用。
紫杉醇的作用机制
紫杉醇主要通过抑制微管解聚使肿瘤细胞有丝分裂终止而使细胞死亡，是唯一能促进微管形成而抑制微管蛋白解聚的植物次生代谢产物。紫杉醇可依赖性地、可逆地结合在微管下，诱导和促进微管蛋白的聚合，稳定微管、防止解聚，导致染色体断裂并抑制细胞复制和移动，而阻止肿瘤细胞复制。
图5紫杉醇的作用机制
紫杉醇的应用
紫杉醇已是美国一线抗肿瘤药物。临床上主要用于卵巢癌、乳腺癌和非小细胞肺癌，另外对食管癌、肺癌、鼻咽癌、前列腺癌、头颈部鳞癌也有很好的治疗效果。紫杉醇与顺铂配伍治疗卵巢癌比环磷酰胺加顺铂更有效(79%，63%)，少量乳腺癌患者使用紫杉醇和阿霉素联合治疗产生的有效率为44.5%~100%，乳腺癌患者使用紫杉醇加环磷酰胺治疗的总有效率为30%~62%，紫杉醇与顺铂治疗的总有效率为52%~92%，紫杉醇治疗其他癌症的有效率为：食管癌32%，非霍奇金淋巴癌42%，多发性骨髓瘤23%，耐受顺铂生殖细胞瘤24%。
多酚类抗肿瘤药物
多酚类化合物多存在于植物中，植物多酚(plant polyphenol)又名植物单宁(vegetable tannin)，为植物体内的复杂酚类次生代谢物，具有多酚的结构，主要存在于植物的皮、根、叶、果中，在植物中含量仅次于纤维素、半纤维素和木质素。1962年Bate Smith定义“单宁是相对分子量500~3000的能沉淀生物碱、明胶和蛋白质的水溶性酚类化合物”。1981年，Haslam根据单宁的分子结构和相对分子量提出“植物多酚”这一术语，它包括单宁及与单宁有同源关系的化合物。流行病学和实验研究表明，富含多酚(儿茶素、黄酮、花青素)的食物和饮料与癌症低发密切相关。动物实验证明食物多酚类单宁对化学诱发肿瘤具有抗癌作用，对人体也有许多益处，能有效地抑制肿瘤发生的许多阶段。而目前研究比较多的有白藜芦醇、大豆异黄酮、姜黄素、槲皮素以及表没食子儿茶素没食子酸酯等，然而真正用于癌症治疗只有槲皮素，其它的都大多用于癌症预防性药物。
槲皮素是一种多羟基黄酮类化合物，化学名为3,3’,4’,5,7-五羟基黄酮，具有多种生物学活性及很高的药用价值。槲皮素广泛存在于蔬菜、水果和饮料中，已知有100多种中草药中含有槲皮素，如槐米、槐花、丹皮、菊花、田基黄、车前子、桑寄生、仙鹤草、杠板归、绞股蓝、山楂、贯叶连翘、菟丝子、银杏叶、刺五加、白花蛇舌草、鸡冠花、鱼腥草、余甘子、三白草、番石榴叶、蜜柑草、紫花地丁、垂盆草等。槲皮素不仅在自然界中广泛分布，其药理作用也很广泛，它具有扩张冠状动脉、降血脂、抗癌、抗炎、抗菌、抗病毒、降糖降压、免疫调节及心血管保护作用等多种药理作用。1971年NCI首次发现槲皮素对P388白血病有抑制作用，近年来体外实验及动物实验研究证明，槲皮素能显著抑制白血病、前列腺癌、子宫内膜癌、乳腺癌、胰腺癌、肺癌、黑色素瘤、鼻咽癌、口腔癌、皮肤癌、结肠癌、肝癌、肺癌等多种癌细胞的生长，其中对白血病细胞的抑制效果也不错。
槲皮素的结构与性质
槲皮素分子式为C15H10O7，相对分子质量为302.23，呈黄绿色粉末状，其二水合物为黄色针状结晶，在95~97℃变为无水物，在314℃分解。1g能用于290ml沸乙醇，溶于冰乙酸，碱性水溶液呈现黄色，几乎不溶于水，乙醇溶液味道苦。其结构是见下图6
槲皮素的作用机制
槲皮素能诱导癌细胞凋亡。Csokay等和Weber等研究表明，槲皮素通过抑制K562人类白血病细胞中c-Myc的表达，从而促进其分化凋亡，抑制其增值。Nguyen等研究发现槲皮素可诱导A549肺癌细胞凋亡，其作用机制为槲皮素下调Bcl-2等抑凋亡基因，上调了Bax、Bad、Bcl-x(1)等促调亡基因以及通过使Akt-1失活、促有丝分裂蛋白酶(MEK)持续表达、激活半天冬酶3 (caspase-3)而诱导调亡。
微血管生成对恶性肿瘤生长和转移起重要作用，而血管内皮细胞生长因子(VEGF)能特异性地促进内皮细胞分裂、增殖和迁移，增加血管通透性，在肿瘤血管生成过程中起主导作用，与肿瘤的恶性程度呈正相关。实验证明槲皮素可以通过选择性地抑制血管生成因子VEGF表达及活性，间接影响肿瘤的血管生成，从而抑制肿瘤生长。另外槲皮素与顺铂联合治疗有协同效应，槲皮素也可增强地塞米松诱导肿瘤细胞凋亡。
槲皮素的应用
槲皮素广泛存在于日常饮食中，人们日常摄取量约为几十毫克到1克。目前槲皮素作为抗心血管药已广泛用于临床。在美国槲皮素因能阻断雄激素对人类前列腺癌细胞的作用而被广泛用于治疗前列腺癌(一种雄激素敏感疾病)，并且被批准为非处方药，在普通药店就能购买到。但是目前对槲皮素的药理作用研究大都还停留在动物试验阶段，临床研究结果还很少，望能够引起足够的重视。
有机酸类抗肿瘤药物
有机酸类(organic acid)是分子结构中含有羧基(-COOH)的化合物。在中草药的叶、根、特别是果实中广泛分布，如乌梅、五味子、覆盆子等。常见的植物中的有机酸有脂肪族的一元、二元、多元羧酸如酒石酸、草酸、苹果酸枸橼酸、抗坏血酸等。除了少数以游离状态存在外，一般都与钾、纳、钙等结合成盐，有些与生物碱类结合成盐。脂肪酸多与甘油结合成酯或与高级醇结合成蜡。
一般认为有机脂肪酸无特殊生物活性。近年来有机酸类抗肿瘤的研究报道比较多，如五倍子酸及其衍生物、阿魏酸、大黄酸、熊果酸、白桦酸等。其抗肿瘤的活性和机制不尽相同，但是几乎所有的研究进展，大多数还在动物或临床实验上，目前还没有开发用于临床的药物。
白桦酸(betulinic acid，BetA)又名桦木酸，是一种五环三萜类化合物(如图7)，在自然界中分布广泛，它最初发现在白桦树皮中，含量也很丰富，同时也存在于黄枸属，鼠李科、桃金娘科、柿科以及牡丹和夹竹桃等植物中。白桦酸虽可从许多植物中获取，但不能满足生化和临床试验的需求，Pichette等成功地用选择性氧化羟基的方法，以白桦醇为原料合成白桦酸。
图7 白桦树和白桦酸
白桦酸的抗肿瘤研究始于1995年，Pisha提出白桦酸能选择性抑制黑色素瘤细胞的生长，并申请了专利(US565894)，对其他类型的肿瘤细胞的毒性作用研究也陆续有研究组展开，并发表相应的研究成果。
白桦酸是从生物膜水平开始诱导细胞凋亡的，也能对HL-60细胞的分化也有一定的作用。研究表明，白桦酸是通过线粒体介导的途径诱导肿瘤细胞凋亡的。另外白桦酸也具有与抗肿瘤药物协同诱导肿瘤细胞凋亡的作用和抑制NF-Kb的活性。
多糖类抗肿瘤药物
大量的研究已初步表明从中药中分离得到的一些多糖(如枸杞多糖、香菇多糖、云芝多糖、茯苓多糖、猪苓多糖、银耳多糖、红芪多糖、从参多糖以及海藻多糖等)具有显著的免疫增强作用和抗肿瘤活性，多糖的抗肿瘤活性主要体现在：
1、对宿主免疫力的影响
淫羊藿多糖(EPS)、女贞子多糖、黄芪、红芪多糖、党参多糖等均可显著促进淋巴细胞转化率；枸杞多糖对淋巴细胞具有双向调节作用；其它如芦荟、当归多糖可增加巨噬细胞的数量和功能。此外，多糖对宿主的体液免疫也有明显的改善作用，通过增强宿主免疫力杀死肿瘤细胞。
2、对肿瘤细胞的直接抑制作用
一些提取多糖不仅可增强人体免疫力，而且对肿瘤细胞有直接的抑制作用，如对枸杞多糖(LBP)、茯苓多糖、刺五加多糖(ASPS)的研究表明，这些多糖在体内外都能明显抑制S180、K562肿瘤细胞的生长。
3、对荷瘤机体造血功能的影响
多糖联合化疗治疗肿瘤试验表明，多糖不仅能产生明显的协同作用，明显的改善机体的细胞免疫、体液免疫功能，而且可以有效地对抗化疗的毒副反应，而这主要与多糖可促进造血细胞分化、发育有关。
结语
天然植物药作为抗肿瘤药物的还有很多，如类胡萝卜素类化合物(carotenolds)、有机含硫类化合物(organosulfur compounds)、异硫氰酸盐类化合物(isothiocyanates)人参皂苷类等等。但大多数都还处于初期研究阶段。根据有关媒体报道，美国早在20世纪50年代开始就开始从天然植物中寻找抗肿瘤药物，美国国立癌症研究所(NCI)平均每年要评估1500-5000种植物，其筛选的化合物更是高达上万种。而随着近几年研究的深入，在新的抗肿瘤药物、植物提取成份和化合物合成方面都有重大的突破，目前已上市的天然抗肿瘤药物有包括紫杉醇在内的13个药物，而处于临床及临床前的药物则远多于此数量。当前，尽管科学技术的不断发展，但是药物的发现速度远远赶不上疾病的发展和变化，人类与各种肿瘤疾病的抗争任重道远，希望医药相关工作者能够不懈努力寻找到更多疗效好、毒副作用低、资源易得可持续的天然植物药或者其他各种药！
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