红豆杉的研究综述
机械与自动控制学院 郑佳强 2013330301172
摘 要：红豆杉是当今世界研究最热门的药用植物之一，从中提取的紫杉醇具有显著的抗癌活性和独特的作用机制，它的问世被誉为20世纪90年代国际上的抗癌药三大成就之一。近年来，由于天然红豆杉资源十分有限，而紫杉醇需求量的日益增长，资源和需求的矛盾十分突出。为了保护红豆杉植物资源，使其得到合理的开发利用，人们对其进行了大量的研究工作。本文综述了红豆杉的种类分布、抗癌机制、化学成分、制备方法、不良反应等方面的新研究进展，对当前工作中存在的问题进行了探讨。
关键词：红豆杉 紫杉醇 抗癌 药用价值
引 言
红豆杉是集观赏、材用、药用为一体的经济价值极高的树种，其针叶、嫩枝、树皮、木材和根部都不同程度地含有抗癌有效成分紫杉醇，是世界上公认的濒临灭绝的天然珍稀抗癌植物。由于红豆杉在自然条件下的生长速度缓慢，再生能力差，所以很长时间以来，世界范围内还没有形成大规摸的红豆杉原料林基地。我国已将红豆杉列为一级珍稀濒危保护植物，联合国也明令禁止采伐。在加强红豆杉树种的保护以及提高培养红豆杉的技术基础之外，采用各种手段获取紫杉醇及其类似物的研究越来越成为这一产业的热点。因此，红豆杉的开发价值和紫杉醇的制取方法正备受世人瞩目和海内外研究学者的普遍关注。
1 红豆杉概述
1.1红豆杉的种类和分布
红豆杉又称紫杉、赤柏松，是第四纪冰期孑遗的古老树种。全世界共有11种红豆杉，我国有4种1变种，分别为东北红豆杉、红豆杉、南方红豆杉、云南红豆杉、西藏红豆杉，广泛分布在广东乐昌，陕西、湖北、安徽西部以至四川贵州铜仁市梵净山和佛顶山地区、重庆西南大部分地区以及酉阳大板营原始森林、甘肃南等地。东北红豆杉主要分布在吉林省长白山和黑龙江一带，辽宁东部山区也有少量分布。云南红豆杉主要分布在 滇西与地州16个县总面积约9万平方公里， 其特点是分布广， 生长分散，无纯林，多为林中散生木。南方红豆杉主要分布在滇东、滇西南、滇东纯林，多为林中散生木。
1.2 红豆杉的价值
1.2.1药用价值
红豆杉在我国医学中早有记载：《本草纲目》就记载，红豆杉有治疗霍乱、伤寒、排毒等疗效；在现代《中药大辞典》、《东北药植志》、《吉林中草药》、《本草推陈》等医药书中也有进一步的记载[1]。中国古代的《本草推新》就已记载“紫杉”可入药，“用皮易引起呕吐，用木部及叶则不吐，且利尿、通经，治肾脏病、糖尿病”[2]。后又有《中药大辞典》记载：东北红豆杉叶含双萜类化合物如紫杉宁、坡那甾酮Ａ、蜕皮酮金松双黄酮等，枝含紫杉碱，茎皮含具抗肿瘤和白血病的紫杉醇，心材含紫杉素。但其药用价值在20世纪80年代中期以前并未引起中国医学界的重视，也无人进行开发研究。自从美国化学家Wall和Wami首先从短叶红豆杉中分离出紫杉醇，并于1971年发表其化学结构以来，80年代美国和欧洲的科学家相继揭示了从红豆杉的树皮、树根及枝叶中提取的紫杉醇的抗癌疗效[3]。据美国国家肿瘤研究所（NCI）统计的临床实验结果表明，紫杉醇对多种癌症亦有显著疗效，总有效率达75%以上，主要用于治疗晚期乳腺癌、肺癌、卵巢癌及头颈部癌、软组织癌和消化道癌等。有的癌症，如乳腺癌、卵巢癌、肺癌、食道癌和结肠癌的疗效可达30%--60%，好于现有多数抗癌药[4]，因此专家将紫杉醇称为21 世纪最有开发价值的植物来源的抗癌药，是继阿霉素、顺铂之后疗效最好、副作用最小的药物。紫杉醇也因此成为新一代抗癌药物的代表，被誉为“植物黄金”，红豆杉也因此成为“轰动世界的药用植物”，成为当今世界最热门的药用植物研究对象之一。科学家发现红豆杉还能提高人体免疫力，使人体的自然功能恢复。它不但对高血压、高血糖、高血脂、肾脏病和经痛等有显著效果，还能减少尿蛋白流失。同时，红豆杉中含有大量的鞣质，这些物质具有抑菌、消炎作用，不但对上呼吸道炎症具有治疗作用，还对肾炎、胃炎、肠炎、类风湿等有显著疗效[5]。
1.2.2观赏价值
红豆杉树形端正，四季常青，秋后成熟的种子外有肉质而鲜艳的假种皮，红豆绿叶，古朴高雅，观赏性强，是一种优美的常绿观果树种，最宜植于庭园阴处作园景树或与其他高大乔木组成观赏树丛。在纽约联合国总部门前，英国的白金汉宫门前以及美国的白宫广场上都可以看到红豆杉美丽的身姿。红豆杉生长缓慢，易于修剪成形，可以将其修剪成伞形、塔形、圆形等盆景，放置室内既能装点房间，又由于红豆杉释放出来的生物碱散发到空气中，能起到很好的消炎杀菌、净化空气作用，并有助于促进睡眠，提高睡眠质量。
1.2.3材用价值
红豆杉木材呈淡红褐色，纹理致密而坚硬，耐腐、防腐性强，弹性好，有光泽及香气，不易翘曲或开裂，是著名的上等工业用材，可供雕刻、制乐器、箱板、文具等细加工制品。然而由于红豆杉资源短缺，我国现已禁止红豆杉的材用。另外，红豆杉主根不明显，而侧根又极其发达，所以红豆杉又能起到保持水土，防止土壤沙漠化的作用。
1.3 红豆杉中紫杉醇的开发现状
红豆杉集药用、材用、观赏、绿化于一身而备受瞩目，其中最重要的原因还是其含有的抗癌活性物质——紫杉醇。紫杉醇可由红豆杉的树干、枝、叶等部位得到，含量依种属、植物部位、生长环境、生长年限、采收季节、储藏及加工方法不同而有显著差异，其中树皮的含量显著高于其他部位[6]。紫杉醇最初是从短叶红豆杉 （T.brevifolia） 树皮中提取的[7]，这种树在全世界仅有1 000 万株左右，树皮中紫杉醇的含量最高也仅有万分之几，1 kg
紫杉醇需要用 2 000~3 000 棵短叶红豆杉的树皮或超过 10 000 kg的枝叶来提取。我国的红豆杉资源占世界资料的 50%以上，但从世界上对紫杉醇的需求量来看，还是远远不够的。自从 1992 年美国的食品药品管理局 （FAD）批准紫杉醇作为治疗晚期癌症的药物以来，我国的野生红豆杉资源过度砍伐日益加重，野生红豆杉资源遭到了严重破坏，而且野生红豆杉的很多生物学特性限制了自然群落的发展。据统计，世界上癌症的年发病人数在1 000 万人以上，如按0.006%~0.060%提取紫杉醇，年需消耗红豆杉树皮700--1 000 t，即使全球的红豆杉树皮全部采净，也仅能维持短期的需要。
2紫杉醇的研究进展
目前，药用紫杉醇主要来源于天然红豆杉，因这些植物数量极少，种群密度小，自身繁殖率低，生长缓慢，且紫杉醇在这些植物树皮中的含量又极低，仅从红豆杉中获取紫杉醇，必将给红豆杉属植物在自然界中的长期生存带来极大的威胁。因此，人们利用现代科技手段，正在为通过不同途径获得具有独特抗癌机制的天然物质紫杉醇而努力。
2.1 紫杉醇的合成
2.1.1紫杉醇的生物合成
紫杉醇的生物合成是利用植物体内易得的前体物质经连续的酶促反应合成紫杉醇的方法，包括母环和侧链的单独合成及两者的结合，目前提出了紫杉醇生物合成的一些假设途径，但生物合成主要依赖酶的催化活性，许多关键酶基因尚未被克隆，它的应用还需基因工程、分子生物学等学科发展的带动。利用基因工程方法增加红豆杉中紫杉醇含量取决于 2 个条件：红豆杉遗传转化和再生体系的建立，来分离红豆杉中与紫杉醇生物合成有关的酶和基因
（特别是关键酶及其基因）。Heazri 等人已经从加拿大红豆杉中纯化到了能催化紫杉醇生物合成环化作用的紫杉二烯 （taxadiene） 合成酶, 并克隆和表达了该酶的基因。此环化作用被认为是相当慢的，因而是生物合成紫杉醇过程中最影响合成速率的一步。Steele 等人利用细胞培养技术分离出在紫杉醇 C- 13 侧链合成中起关键作用的苯丙氨酸变位酶PAM，并获得了 PAM 的 cDNA 克隆，在大肠杆菌中的基因表达证明了酶的活性。阳义健等人]介绍了一种从产紫杉醇真菌中快速提取高质量 DNA和 RNA 的方法，该方法由传统 CTAB 法改进而来，有效保证了细胞杂质的清除和核酸质量的提高。使用该方法能在24 h 内提取高质量的核酸，获得的核酸能够进行目的基因片段的克隆等分子生物学研究。Rodney Croteau 等人也阐明了紫杉醇合成途径中的一部分酶及其基因的分离及鉴定，提供了利用基因工程高效合成紫杉醇及其前体的方法。赵凯等人筛选出与紫杉醇生物合成相关的候选基因 EST，同时采用 ATMT方法对其进行遗传转化，建立其高效的遗传转化系统。
2.1.2紫杉醇的微生物合成
Stierle 等人从短叶红豆杉韧皮部分离到一种寄生真菌 （Taxomyces andreanae），可在特定的培养基中产生紫杉醇，不过产量极低，仅为24--50 ng/L。但可通过改变培养条件和应用基因工程的方法来增加紫杉醇在真菌中的产量。Shrestha 等人从西藏红豆杉中分离到的至少 3 种内生真菌均能产生紫杉醇。我国一些研究人员也从云南红豆杉中分离出的瘤座孢属内生真菌和头孢霉属、轮柄梳霉属内生真菌也能产生紫杉醇和紫杉烷类似物。另据报道，西安一枝刘制药公司的研究人员从中国红豆杉树皮中分离出一种真菌，使其重组诱变，通过菌种优化培养，紫杉醇和 BaccatinⅢ在培养液中的质量浓度均达到 2×10- 3g/L- 1，有望实现产业化生产。红豆杉的枝条、树叶等均可用于对真菌的分离，但产紫杉醇的真菌多是红豆杉内生菌，菌丝不发达，在自然界中很难筛选出高产紫杉醇的菌株，目前利用真菌发酵生产的紫杉醇产量仅为每升几百微克，尚未形成工业化生产规模。
2.1.3紫杉醇的化学全合成和半合成
1994年初,Holton[8-9]和Nicolaou[10]几乎同时宣告紫杉醇的全合成获得成功。这些合成方法极大地丰富了有机化学合成的研究,同时也获得了大量的紫杉醇类似物[11]。而紫杉醇的半合成主要是以10-去乙酰巴卡亭III(10-deacetylbaccatinIII,10-DAB)和巴卡亭III为前体。10-DAB在部分红豆杉品种枝叶中的含量是紫杉醇的3倍以上,通过以10-DAB作为合成的起始物,从侧链合成开始只要约10个步骤就可合成紫杉醇,这种方法称为半化学合成法,以区别于全合成法。
2.2细胞培养
植物细胞培养法被认为是解决紫杉醇长期资源的一个非常有希望的手段，在世界范围内正受到人们的极大重视。能够确保产物无限、连续、均匀地生产，不易遭受病虫害、季节等因素的影响；可以在生物反应器中进行大规模培养，并且通过控制环境条件来提高紫杉醇产量，所得产物比从植物体内直接提取简单，可简化分离和纯化步骤。除提供紫杉醇外，还可生产出前体及其他有抗癌活性而原植物所不含的化合物。红豆杉细胞在正常生理条件下很难大量合成紫杉醇。外植体、培养基组分和诱导因子是影响紫杉醇产率的主要因素。细胞培养法生产紫杉醇的一般步骤为：诱导愈伤组织—继代培养—建立悬浮培养—扩大培养。
2.3紫杉醇的抗癌机制
紫杉醇可使微管蛋白和组成微管的微管蛋白二聚体失去动态平衡，诱使与促进微管蛋白聚合、微管装配，防止解聚，使微管稳定，从而阻止癌细胞的生长[12]。
微管是真核细胞的一种组成成分，它是由两条类似的多肽（a和p)亚单位构成的微管 二聚体形成的[13]。在正常情况下，微管和微管蛋白二聚体之间存在动态平衡。紫杉醇可使二者之间失去这种动态平衡，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝，抑制了细胞的分裂和增值，使癌细胞停止在G2期和M期，直至死亡，进而起到抗癌作用。
进一步的研究还发现紫杉醇还可调节体内的免疫功能，通过作用于巨噬细胞，导致癌坏死因子ＴＮＦ－α受体的减少以及ＴＮＦ－α的释放，还可促进白细胞介素ＩＬ－１等及干扰素ＩＦＮ－α、ＩＮＦ－β的释放，对癌细胞起杀伤或抑制作用。
3中国的红豆杉资源开发研究存在的问题及对策
3.1开发研究存在的问题
3.1.1资源严重不足
可利用的野生资源十分有限，而人工繁殖栽培的目前也有限，难于满足生产需要。但靠人工扦插繁殖栽培扩大红豆杉栽培资源看来已是目前最迅速、最有把握的紫杉醇资源发展之路。但由于未充分论证而盲目发展，或未选择最适当生境，或利用的扦插材料没有利用开发价值(紫杉醇含量太低)，或未对栽培环境内红豆杉材料的紫杉醇监测，使发展的红豆杉资源