來自森林的禮物— 紫杉醇開發故事

 

■ 投資處/張瀚元




緣起—樹皮中的大發現

1958年,美國農業部與國立癌症研究 所開始合作進行一項天然產物篩選計畫, 目標是採集並篩選35,000種植物以尋找具 有抗癌活性的藥物。1962年,畢業於哈 佛大學、任職於農業部的植物學家巴克 萊(Arthur S. Barclay)和三位研究生一起前 往華盛頓州的聖海倫山區踏查。在Gifford Pinchot National Forest中,他們發現了鮮為 人知的太平洋紅豆杉(學名 Taxus brevifolia Nutt.),自此也展開了一個傳奇性的新藥開 發歷程。

巴克萊與研究生採集了一些樹枝、樹 葉和果實作樣本,並標記為"B-1046", 意即巴克萊的第1046份樣本。他們背回了 15磅的太平洋紅豆杉樹木枝葉後,以船運 將樣本送到了美國國立癌症研究所,再由 承辦的威斯康馨校友研究基金會(WARF)測 試其萃取物。結果發現B-1046樣本具有細 胞毒性,亦即具潛在的抗癌特性。這個結 果促使巴克萊又回到華盛頓州的森林中, 再度對這種珍貴的短葉紅豆杉進行採集。 這次帶回的樣本計有30磅,然而多數的實 驗室卻因擔心這些樹皮有毒而拒絕測試。

1966年,這些來自美國西北部山林的 樹木枝葉被輾轉送到位在東岸的北卡羅來 納三角地研究園區,由分餾與離析實驗室 的首席化學家沃爾(Monroe E.Wall)接手。 不過沃爾並未立刻分析這些樣本,因為他 和同事瓦尼(Mansukh C. Wani)當時正忙於 研究喜樹鹼--另一種可望成為化療試劑的 物質。暫時擱置幾個月以後,沃爾和瓦尼 將太平洋紅豆杉樹皮磨成很細的粉末,再 以乙醇來萃取出其中的有效成份,終於成 功完成植物天然成份的分離提取。

原始提取物經純化後,細胞毒性提高 了l,000倍,沃爾和瓦尼最後分離出了一種 白色晶體的活性成份,收率僅0.014%。 經鑑定,該成份分子式為C47H51NO4,分 子量839。沃爾和瓦尼在當年的美國化學 年會上宣布了此一成果,但由於分子結構 複雜,在兩位植物化學家的執著與耐心、 X射線結晶學和質子核磁共振波譜學等技 術,以及杜克大學化學教授麥克法爾(Andre T. McPhail)的合作投入下,數年後才終 於成功解析了這個複雜的分子結構(參見下 頁圖),並將它命名為「太平洋紫杉醇」 (Paclitaxel)。


對抗癌症的秘密
太平洋紫杉醇分子結構圖


最初太平洋紅豆杉樹皮的粗 萃取物被發現具有抗癌活性,主 要是它能對抗P388鼠白血病細胞 株。早期研究亦發現太平洋紫杉 醇對於某些惡性黑色素瘤、白血 病及惡性肉瘤細胞株具有抗癌作 用。1983年,美國國立癌症研究 所首次展開測試其毒性及抗癌活 性之人體臨床試驗,報告顯示太 平洋紫杉醇對於其他化學治療失 敗的卵巢癌患者可達成30%的緩 解率。雖然平均緩解期僅有四個月,但傳 統上這類患者已無其它有效的治療方法。

此外,研究亦發現太平洋紫杉醇對晚 期乳癌的患者也具有相當的療效。在未接 受過化學治療的晚期卵巢癌患者中,太 平洋紫杉醇與阿樂癌注射液(Cisplatin)合 併使用時,比傳統的標準化療(Cisplatin加 Cyclophosphamide)有更高的緩解率(77%比 62%);同時又有較長的平均存活(36個月比 23個月)。因此太平洋紫杉醇與阿樂癌注射 液的合併使用成為晚期卵巢癌的第一線治 療標準。由於太平洋紫杉醇的治療效果甚 佳,太平洋紅豆杉曾被譽為「二十世紀對 人類貢獻最大的植物」。

近年醫學界進一步研究紫杉醇(taxanes) 成份的作用機制,發現其具有能影 響細胞內微管(microtubules)系統的獨特機 能。一般細胞在進行有絲分裂時會形成大量的微管系統,也就是在細胞分裂過程中 組成紡錘體的線狀構造,當染色體移動 分佈至兩個子細胞後,微管系統便分解消 失,而完成正常的細胞分裂。太平洋紫杉 醇則可阻止微管系統的分解過程,使細胞 被「固定」在分裂的狀態中而死亡(王緯 書,2000)。

換言之,太平洋紫杉醇可視為係一有 絲分裂的抑制劑,可阻斷細胞於其生命週 期中之G2與M期。就此而言,太平洋紫杉 醇與其他影響微管系統的抗癌製劑如秋水 仙素及長春花生物鹼類(vinca alkaloids)藥 物之作用相反。紫杉醇類之作用機制主要 在於穩定微管並抑制其分解,使細胞不能 進行正常細胞週期所必需的微管運動;而 植物鹼類則是抑制微小管的聚合作用,使 紡錘體無法形成,造成有絲分裂停止。

早期太平洋紫杉醇常造成部份患者急 性過敏性休克的副作用,此過敏反應現已可用類固醇、抗組織胺有效預防。副作用 的來源並非紫杉醇本身,而是來自於製劑 添加的助溶劑。由於紫杉醇不溶於水,巴 斯夫化學以環氧乙烷和蓖麻油反應成Cremophor EL,以其與乙醇作為助溶劑才克 服水溶性的問題。然而如此一來,Cremophor 的毒性也導致紫杉醇的給藥劑量相對 受限,因此病患在接受此種劑型治療前須 預先服用類固醇藥物,以減輕上述相關副 作用。

目前太平洋紫杉醇最嚴重的副作用乃 為骨髓抑制而導致之中性白血球過低併 發感染、發燒等現象,不過大多數病患 的白血球會在3週內恢復,同時在搭配化 療前預防用藥下,將給藥時間由傳統24小 時靜脈滴注縮短為3小時,亦可大幅減輕 骨髓抑制的程度(王緯書,2000)。配製輸 注液須以5%葡萄糖輸注液稀釋太平洋紫 杉醇濃縮注射液至濃度0.3~1.2mg/ml,同 時注意溶液勿與PVC裝置、導管或器械接 觸,而應以玻璃容器來配製,避免助溶 劑Cremophor EL將PVC中的肝毒性塑化劑 DEHP(di(2-ethyl-hexyl)phthalate)溶出。


人工合成獲得進展

1971年,太平洋紫杉醇的分子結構被 發表於美國化學會的期刊上,吸引了各界 的目光,包括剛進入史丹佛大學從事天然 有機產物博士後研究的霍爾頓博士(Robert A. Holton)。霍爾頓當時熱衷於尋找具有合 成挑戰性的焦點分子,當他翻閱美國化學 會期刊時,這個具有特殊環結構與眾多官 能基的紫杉醇分子立刻引發了他的興趣。

由於太平洋紅豆杉生長十分緩慢, 直接從樹皮萃取太平洋紫杉醇的產量又 極低,欲製成1公斤的太平洋紫杉醇約需 消耗二至四千棵50~60年生的太平洋紅豆 杉;以治療一個卵巢癌病患所需的2公克 太平洋紫杉醇計算,至少需砍伐2~3棵的 珍貴大樹。當時太平洋紫杉醇不僅價格昂 貴--每公克高達800美金,採伐天然林來萃 取微量的抗癌物質也遭受莫大的自然保育 爭議。因此化學家便積極的研究嘗試利用 人工的方式,以容易取得的化學單元來合 成紫杉醇。

幾年後霍爾頓教授全心地投入了紫杉 醇的有機化學合成研究,不過他並不拘泥 於全合成法,轉而將探索的目光放在其他 合成方法的開發。經過多方尋覓,研究 人員發現紅豆杉的萃取物中除了含有紫 杉醇,亦有濃度甚高的"10-Deacetyl Baccatin III"(10-去乙醯巴卡亭III,簡稱10- DAB),其與紫杉醇的主結構相當類似。 1989年,霍爾頓的研究小組提出了利用10- DAB作為起始物的半合成法,只要不到10 個步驟就可合成紫杉醇,在實驗室中的合 成率高達80%以上。

10-DAB在部份紅豆杉品種的枝葉中含 量可達1,000ppm,是紫杉醇的三倍以上。 從栽培的普通紅豆杉(如觀賞性植物英國紅 豆杉)枝葉中提取10-DAB,透過半合成法 製作紫杉醇,不僅產率較高,亦無須憂心 為了萃取藥物而需犧牲稀有的天然林木。 霍爾頓教授於1992年為這項技術申請了專 利,隨後並轉讓給必治妥施貴寶製藥公司 (Bristol-Myers Squibb)。其後10-DAB半合成法成為紫杉醇製劑生產的主流方式, 由於此法原料主要來自歐洲紅豆杉(Taxus baccata ),故產品一般慣稱為「歐洲紫杉 醇」,以與「太平洋紫杉醇」區別。

1991年,藥業鉅頭必治妥施貴寶公司 獲得美國國立癌症研究所授權開發和生產 紫杉醇,雖然這個授權過程倍受爭議,但 必治妥施貴寶公司隨即又努力不懈地促成 紫杉醇獲准成為卵巢癌的二線用藥,以及 納入乳房癌為適應症。該公司原本計劃從 太平洋紅豆杉樹皮中直接萃取紫杉醇,並 委託Hauser公司執行採集和提煉,但如前 所述,此舉不僅招致生態保育者的攻擊聲 浪,產量亦遠不敷需求。因此很快的必治 妥施貴寶公司就放棄了「太平洋紫杉醇」 的計畫,改以「歐洲紫杉醇」為替代方 案。

以化學方法完全合成紫杉醇最終在 1994年實驗成功,透過共計28個步驟,可 在試管內獲得0.5%的紫杉醇。雖然產率偏 低,但此一成果仍使化學界振奮。未來倘 能縮短合成的步驟,全合成紫杉醇仍具商 業化生產的潛在價值。


製藥業者百家爭鳴

必治妥施貴寶公司在中止了和Hauser 公司的太平洋紅豆杉採集合作契約以後, 轉而委託義大利Indena天然產物公司從 觀賞性植物歐洲紅豆杉的枝葉中提取10- DAB。同時該公司也取得了佛羅里達州 立大學霍爾頓教授的半合成化學方法專 利,轉化10-DAB原料製成紫杉醇,將之 以"Taxol"為商品名投入市場。1995年美國食品藥物管理局(FDA)正式核准其上 市,到了2006年紫杉醇銷售額已高達12億 美元,成為有史以來最為暢銷的抗癌藥(史 清文等 2010),約佔所有抗癌藥物市場的 25%(何政坤 2003)。

義大利Indena公司至今仍是紫杉醇原 料藥的主要生產商;加拿大藥商Phytogen 公司亦隨後進入,於1996年開始紫杉醇 的商業化生產。美國科羅拉多州的NaPro Biotherapeutics公司也大約在同一期間投 入,2003年它與另一家公司Abott Laboratories 之紫杉醇業務同時為澳大利亞製藥公司 Mayne所收購,此集團逐漸成長為全球僅 次於施貴寶的紫杉醇成藥供應商,目前與 美國IVAX公司合作銷售歐洲紫杉醇藥品市 場。Mayne公司擁有位於北美數個的紅豆 杉種植基地和位於科羅拉多州的紫杉醇加 工廠,同時為避免涉及佛羅里達州立大學 的專利方法,該公司也開發出截然不同的 10-DAB半合成紫杉醇新方法。

當時美國癌藥市場幾乎由必治妥施貴 寶公司獨佔,IVAX公司為了不讓施貴寶專 美於前,經過積極的尋覓後,終於在大陸 雲南地區找到大面積的紅豆杉林,並用以 萃取出紫杉醇,獲得FDA核准上市。至此 兩大陣營的專利戰爭一觸即發,名列全球 前五大專利藥廠的必治妥施貴寶公司隨即 控告IVAX公司專利侵權,訴訟期間亦不斷 提出新的專利,企圖阻擋IVAX的紫杉醇藥 劑問世。經過長達兩年半的爭訟,IVAX公 司終於獲得勝訴(洪長春 2007)。

Natural Pharmaceuticals Inc (NPI)於 1999年收購了Hauser公司的癌症業務部門、大部分的智慧財產權和紫杉醇的半成 品庫存,另包括數百萬株的紅豆杉種植合 約。該公司合成紫杉醇的方法相當獨特, 係於紅豆杉原料中切下所有紫杉烷類物質 結構類似的側鏈,使其剩餘單一的胺化合 物,最後再向胺化合物加上一個苯甲醯基 團。據稱此法可獲得比其他公司產率高一 倍的紫杉醇物質,該公司已規劃於中國上 海建設第二個紫杉醇生產基地。

加拿大隨後又有Bioxel公司、Paxis公 司等業者加入戰局,使本產業競爭更趨激 烈。前者聲稱擁有魁北克25萬平方公里私 人和公共土地上的加拿大紅豆杉採集權 利;後者則與加拿大新伯倫瑞克省的紅豆 杉採集公司Chatham Biotec簽訂了原材料供 應合約。Paxis公司為Integrated BioPharma 的子公司,由原Hauser公司創始人Dean Stull所帶領。此外,必治妥施貴寶公司也 不自滿於龍頭的地位,除與Indena公司簽 訂購貨合約,亦積極尋找其他的料源。 2002年它和紐約州的生技公司Phyton合 作,開發以大型發酵罐進行細胞培養來生 產紫杉醇的新技術。

值得注意的是部分藥商亦將注意力轉 移到減輕副作用和定向給藥方面的改善, 如American Pharmaceutical Partners(APP)公 司所研發的新藥Abraxane,其係將紫杉醇 包裹於血清蛋白內,依APP三期臨床試驗 報告顯示,其可使穿透到癌變組織的作用 劑量大為提高(可達傳統劑量的兩倍),目 前FDA已接受此一新藥申請。

Cell Therapeutics公司開發中的Xyotax 則是將紫杉醇與可生物降解的聚谷氨醯胺 多聚體聯接,據稱癌變組織中的血管對此 種複合物具通透性,故該藥物可選擇性地 被捕捉。目前此藥已進入第三期臨床試 驗階段,Cell Therapeutics公司也和NPI及 Bioxel公司簽訂了原料藥供應合約。此外 Sonus Pharmaceuticals公司亦正積極開發新 劑型Tocosol,其以維生素E和表面活性劑 傳送紫杉醇,已進入二期臨床試驗,料源 亦由Indena公司供應。


結語—給我們的啟示

寶島亦有紅豆杉屬(Taxus)植物的同類 樹木,即「臺灣紅豆杉」(學名:Taxus sumatrana (Miq.) de Laub. 亦稱南洋紅豆杉)。 臺灣紅豆杉稀疏地分布在臺灣全島海拔 2000公尺上下的山區,可長成樹高達20公 尺以上、胸高直徑1公尺以上的大喬木, 與檜木類樹木、臺灣杉、香杉及臺灣肖楠 並列為臺灣貴重針葉五木,木材品質為優 異的針一級木。本國學者於民國83年也開 始注意到本土的紅豆杉是否有開發價值, 但此時已比國外的研究足足晚了5年(何政 坤 2003)。

當時為了加強這些珍貴樹木的資源保 育,農委會林業試驗所已開始進行野生臺 灣紅豆杉的調查與枝葉紫杉醇含量的分 析;同時也加以採種育苗,以避免臺灣紅 豆杉母樹基因流失。在分析研究的過程 中,學者發現本土的紅豆杉枝葉也含有相 當的紫杉醇與10-DAB成份,值得進一步探 討育種應用的可能性。研究人員首先自全臺灣採集的天然母樹枝葉樣本中篩選出10- DAB含量較高的品系,再利用扦插繁殖法 加以培育,獲得基因天然母樹完全相同的 營養系苗株。

接著這些營養系苗被移往本島的中低 海拔繼續培育,並進行生長量與10-DAB 含量的檢測試驗,目的在於篩選出適合在 臺灣低海拔區域栽培、枝葉生長量高且10- DAB含量較多的品系(何政坤 2003),以作 為未來商業化應用的基礎。此外理想的商 業化品系可能還須有樹梢耐修剪的特性, 因為有朝一日若要在國內量產臺灣紅豆杉 枝葉以萃取 10-DAB 原料,其栽培方式將 與經營茶園類似,即於本島低海拔地區大 面積栽培優良品系之樹株,並以機械化方 式採收枝葉,方能獲得經濟效益。

經過數年的的努力,農委會林業試 驗所的專家已篩選出一些可符合上述條 件的優良品系,在海拔約700公尺左右的 地區栽植4年後,其枝葉年產量平均每株 約可收成3公斤(乾重約1公斤),可萃取出 10-DAB約1公克;假設每公頃種植一萬株 該種品系,則每年約可生產出10公斤的 10-DAB(何政坤 2003)。目前華盛頓公約大 會(第十三屆第48號提案)已排除紫杉屬相 關物種的種子或花粉、經標記分類名或附 有「人工繁殖」標誌之植株以及藥品成品 之管制(許華欣、方國運 2004),此一決議 對我國紫杉醇產品之進出口乃至相關醫藥 產業之發展亦應有相當助益。

太平洋紫杉醇可說是大自然賜予人類 的無價之寶;它的發現雖屬機緣,但在歷 經無數人的努力後終於成為救人妙藥。紫 杉醇藥物的成功問世絕非偶然,翻開紫杉 醇抗癌藥的開發史,造物者藉由這樣的歷 程治癒了病患,相信也帶給人們莫大的啟 示。


參考資料

王緯書 (2000) 抗癌新藥:太平洋紫杉醇。台灣癌症臨床研究發展基金會。

史清文、李力更、霍長虹、張嫚麗、王於方 (2010) 抗癌藥物紫杉醇研發歷程的思考與分 析。河北醫科大學藥學院石家莊 050017。

何政坤 (2003) 臺灣紅豆杉─抗癌藥物紫杉醇 的另一個家。科學發展 364期 22-29頁。

洪長春 (2007) 天然抗癌物的新尖兵-紫杉 醇。科技發展政策報導第4期 80-83頁。

許華欣、方國運 (2004) 華盛頓公約第十三屆 締約國大會對國內農林產品輸入之影響。行 政院農業委員會林務局保育組 http://www.coa. gov.tw/。

醫藥經濟報 (2005) 世界紫杉醇原料藥市場供 應潛藏過剩危機。慧聰網(轉載) http://info. pharmacy.hc360.com/2005/03/10134627272. shtml









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