水溶性紫杉醇類前藥的研究進展

逯海龍，楊金誠，劉曉紅*

水溶性紫杉醇類前藥的研究進展

逯海龍1，楊金誠2，劉曉紅2*

本文簡要介紹了廣譜抗癌藥物紫杉醇的發展歷史，紫杉醇具有良好的抗腫瘤活性，但其水溶性差影響了臨床應用，開發水溶性紫杉醇前體藥物具有重要意義。本文分類介紹了高分子和水溶性有機鹽兩種紫杉醇前藥策略。

紫杉醇;前藥;合成；水溶性

0 引言

紫杉醇(Paclitaxel,PTX)是從太平洋紅豆杉樹的樹皮中分離出的一種天然產物。Wani和Wall于1963年首次從美國西部森林的太平洋紅豆杉(Pacific Yew)樹皮和木材中分離到了紫杉醇的粗提物。1971年，Wani和Wall同McPhail[1-2]合作，通過X-射線衍射等手段，確證了粗提物活性成分的確切化學結構-一種骨架為三環二萜的化合物，具體結構為5β,20-環氧-1,2α,4,7β,10β,13α-六羥基紫杉烷-11-烯-9-酮-4,10-二乙酸酯-2-苯甲酸酯-13[(2′R,3′S)-N-苯甲酰-3-苯基異絲氨酸酯](圖1)，分子量853.92，分子式為C47H51NO14，并將其命名為紫杉醇(Taxol)。紫衫醇具有良好的抗癌活性，成為繼阿霉素和順鉑后的第三代抗腫瘤藥物，相繼被FDA批準用于治療卵巢癌、乳腺癌、肺癌、前列腺癌等癌癥[3]。

紫杉醇的作用機制是促進微管聚合，并能穩定已聚合微管[4]。實驗表明，紫杉醇只作用于聚合的微管，不與未聚合的微管相互作用。紫杉醇被腫瘤細胞攝取后，微管在胞內大量積累，有絲分裂停止，腫瘤細胞增殖被阻斷。紫杉醇最初主要用于治療乳腺癌和卵巢癌，Ⅱ～Ⅲ期臨床研究表明，其對肺癌、大腸癌、黑色素瘤、頭頸部癌、淋巴瘤、腦瘤也有廣譜的療效。

圖1 紫杉醇結構

紫杉醇的不足之外：一是來源有限，分離效率低，在人工半合成未成功前，臨床應用極大受限；二是水溶性極差(約0.25 μg/mL)，給藥困難，阻礙了紫杉醇初期的研究和應用。目前，通過半合成的方式，紫杉醇的來源問題已得到了有效解決[5]。但水溶性問題尚沒有理想的解決方案。市售處方以無水乙醇與聚氧乙烯蓖麻油(Cremphor EL)的等體積混合溶液來提高紫杉醇的溶解度，注射給藥時，仍需要以5%葡萄糖液或生理鹽水稀釋[6]。而聚氧乙烯蓖麻油降解時，使機體釋放組胺，患者使用后，會產生面紅、心跳過速、呼吸困難等嚴重過敏反應[7-8]。為提高紫杉醇的水溶性，降低其不良反應作用，研究者對紫杉醇的2′-OH，7-OH 衍生化，增加親水性基團，改善水溶性；或通過功能化片段的嵌合，在腫瘤組織高氧、低pH值或特異性的酶作用下，釋放出紫杉醇。

1 水溶性紫杉醇前藥

目前，增加紫杉醇水溶性的前體藥物主要包括兩種：水溶性高分子類前藥和有機酸堿鹽類前藥。

1.1 水溶性高分子前藥 水溶性高分子負載的紫杉醇前藥，是近年來的研究熱點。將水溶性高分子聚合物與紫杉醇共價鍵結合，可以獲得優良的藥動性能：如緩慢釋放，提高藥物穩定性，減緩降解，減少排出，實現紫杉醇在血液中的長循環，同時，通過EPR效應，增強其在實體瘤中的蓄積作用。載體高分子在體內易降解，可以被水解吸收，或者排出體外，從而改善藥效。

1.1.1 聚乙二醇(PEG)類紫杉醇前藥 目前研究者已合成了多種類型的PEG類紫杉醇前藥，PEG通過羧化后的羧基或氨基酸與紫杉醇結合。PEG是獲得FDA批準的藥用合成聚合物之一，其具有直鏈型結構，有良好的水溶性和生物相容性，無毒、無抗原性，當PEG被連接到藥物分子上時，增加了藥物的水溶性，并可對藥物分子進行柔性的包裹，通過減少藥物與體內介質相互作用，減緩藥物降解速度，實現緩控釋作用。基于上述特點，早在1996年，Greenwald等[9]合成了一系列的紫杉醇-PEG水溶性前體藥物(圖2)，探討了其聚合物分子量(6 000～40 000，含紫杉醇)與其溶解度的關系，當分子量約為40 kDa，載藥量約為4%，體內循環的半衰期大于前藥水解的半衰期。在其體內活性實驗中，該類型紫杉醇前藥延長了P-388處理的小鼠的壽命。Xin等[10]合成了紫杉醇類PEG前藥PTX-ANG-PEG-NP，提高了母藥通過血腦屏障等向腫瘤組織傳遞的效率，其抗神經膠質瘤活性明顯優于原藥紫杉醇，靜脈注射劑量為100 mg/kg時，無顯著血液、肝臟、腎臟及腦組織急性毒性。

Zhang等[11]通過3步反應合成了(α-Fmoc-ε-Boc-lysine)-PEG-PTX前藥。該類前藥穩定性良好，系統性毒性較低，載藥能力強(36%)，并可在體內達到緩釋效果，(α-Fmoc-ε-Boc-lysine)-PEG-PTX最大耐受劑量可達120 mg/kg，高于已有的制劑，同時在體內也表現出較原藥紫杉醇更優秀的抗腫瘤活性，具有良好的臨床開發前景。

Desai等[12]對紫杉醇2′-位的羥基以丁二酸酯化，另一端羧基與聚乙二醇結合，得到2′-酯基紫杉醇前體藥物，分子量達5 000，該藥物大大提高了原藥在水中的穩定性，其半衰期長達74 d。

圖2 紫杉醇-PEG水溶性前體藥物

Lu等[13]發現，紫杉醇-丁二酸-PEG5000前藥在水中具有良好的溶解性和穩定性，在MCF-7人乳腺癌細胞中的攝取優于聚乙二醇-聚乳酸紫杉醇前藥，利用體內造影技術可見，該前藥在腫瘤組織的聚集程度明顯優于紫杉醇原藥注射。10 mg/kg母藥當量給藥條件下，小鼠體重無明顯下降，增加劑量至15 mg/kg時，前藥明顯優于紫杉醇原藥給藥。Gu等[14]合成了聚乙二醇-聚丙烯酸-紫杉醇前藥，載藥量最高可達42.8 wt%，前藥在pH=7.4的磷酸緩沖鹽中可以自組裝成單分散膠束，MTT法測試前藥對HeLa子宮頸癌細胞株和A549肺癌細胞株IC50值，分別為0.18、0.9 μg PTX/mL，較市售制劑活性有較大提高。Arpicco等[15]以末端氨基修飾不同聚合度的NH2-mPEG，并以丁二酸為原料合成了分子量5～20 kDa的紫杉醇前藥，但其在MCF-7人乳腺癌細胞和HT-29人結腸癌細胞中只表現出了弱于紫杉醇的細胞毒性。Zou等[16]合成了新型紫杉醇-聚乙二醇-磷酸酯類前藥，并在其紫杉醇-磷酸酯結構單元中加入了酸敏感和還原敏感的單硫鍵片段，實現了53 wt%的高載藥量，其水中溶解度也達到了0.68 mg/mL，在腫瘤組織酸性環境中，該前藥的釋放速度明顯優于紫杉醇原藥。經測試，前藥對人卵巢癌細胞株OVCAR-3、小鼠單核巨噬細胞白血病細胞株raw 264.7的細胞毒性較原藥提高了5～8倍。

PEG、PLA等聚合物紫杉醇前藥通常可以改善紫杉醇的水溶性和生物利用度，但其在體內快速水解釋放出紫杉醇，難以達到理想的母藥組織分布效果。Tam等[17]發現，其對7-OH修飾的聚乳酸前藥具有更好的穩定性，對A549人肺癌細胞株的IC50值達2.3 nM，與紫杉醇相當。在對小鼠給藥時，前藥對小鼠體重影響較紫杉醇小。為改善紫杉醇制劑在小鼠肺中的有效分布，Luo等[18]利用點擊化學的方法，合成了PEG600-2000的雙紫杉醇前藥，其在體外磷酸鹽緩沖液中的半衰期超過了72 h，同時，對B16-F10小鼠黑色素瘤細胞株和LL/2Lewis肺癌細胞株的活性較市售紫杉醇制劑均有下降。Greenwald等[19]首次通過對7-位羥基修飾，將PEG-紫杉醇前藥的溶解度提高到0.1 mmol/mL，在低聚條件下的PE/PEG(聚合度350/750)，溶解度仍明顯高于原藥。以HPLC法分析該類藥物，保留時間與紫杉醇差別不大。

Feng等[20]合成了紫杉醇2′-OH與氨基酸成酯后連接PEG鏈(圖3)，應用MTT法測定高分子對MCF-7、PG-49、L1210腫瘤細胞株的細胞毒性。與原型藥物紫杉醇相比，PEG高分子的水溶性與體外活性均有提高。

圖3 PEG-AA-Taxol 前體藥

1.1.2 HPMA類前藥 1975年，研究者將聚馬來酸(HPMA)與小分子藥物進行共價結合，但前藥迅速水解無法控制母藥的釋放。在HPMA與母藥之間增加氨基酸或寡肽接片段，可有效調節原藥的釋放速率，達到了更好的效果。PNU166945[21]是紫杉醇-HPMA通過組織蛋白酶可裂解的肽 (GLY-PHE-LEU-GLY)間接結合成酯的前體藥物(圖4)，其水溶性達到了原藥的20 000倍，PNU166945在體內經酸和酶作用水解釋放紫杉醇，其Ⅰ期臨床研究結果表明，水溶性及抗腫瘤活性均增加，但是由于低劑量時即表達了較強的神經毒性，目前臨床試驗已終止[22]。

圖4 PNU166945結構圖

1.1.3 紫杉醇-聚谷氨酸(PG)前藥 CT-2103是多聚谷氨酸鹽紫杉醇前藥[23]，也是在紫杉醇2′-OH與聚谷氨酸(PG)成酯(圖5)。PG是一個優良水溶性的聚谷氨酸高分子載體，多羧基結構與紫杉醇成酯可提高載藥量。PG在體內可被降解，安全吸收。谷氨酸鈉鹽還降低了紫杉醇的神經毒性，因此前藥的使用劑量也得到了有效提高。2006年，PG-TAX和放療被臨床用于協同治療食管癌和胃癌，效果顯著。

圖5 CT-2103結構圖

2011年，Eldar-Boock等[24]合成了功能化的聚谷氨酸鏈可溶性紫杉醇前藥，對4T1腫瘤細胞IC50值為0.04。近年來聚谷氨酸類紫杉醇前藥研究進展迅速，PG-TAX已有2個Ⅲ期臨床研究(非小細胞肺癌，卵巢癌)和4個Ⅱ期臨床研究(非小細胞肺癌：與放射和卡鉑結合，與培美曲塞結合，與前列腺和轉移乳腺癌結合及與卡培他濱結合)[25-26]。

透明質酸(HA)是細胞間質的主要成分之一，對細胞的增殖和遷移有重要影響，在腫瘤組織中，HA可以激活激酶信號通路，調節腫瘤組織血管生長[27]，一些腫瘤細胞還存在高表達的HA受體如CD44、RHAMM等，因此，HA在前藥分子改善水溶性、增強靶向性等方面應用廣泛[28]。Luo等[29]合成了紫杉醇-透明質酸(HA)軛合的高分子化合物(圖6)，紫杉醇與透明質酸以丁二酸-酰腙-己二酸-酰腙的酸敏感鍵連接，在增強其水溶性和穩定性的同時，HA可以與腫瘤細胞中高表達的CD44受體結合，提高了母藥的靶向性。

水溶性樹枝狀大分子聚酰胺-胺(PAMAM)[30]易于官能團化修飾，可控制聚合度，是合成水溶性前藥的理想材料之一，其生物安全性[31]近年也得到了證實。Satsangi等[32]設計將紫杉醇與PAMAM以可被組織蛋白酶B斷裂的GFLG四肽連接，合成了前藥PGD，評價其對異種移植人源乳腺癌細胞小鼠的體內活性，在組織蛋白酶B高表達的模型中，PGD顯示了良好的細胞毒性，而低濃度組織蛋白酶B模型中的結果則相反。PGD給藥2～3周后，腫瘤體積與原型藥物紫杉醇單獨給藥對比減小34%～48%。

圖6 HA-paclitaxel Bioconjugates

1.2 有機酸、堿、鹽類 與高分子前藥相比，紫杉醇的有機酸、堿、鹽類前藥主要提高了其溶解度及穩定性[33-34]。Nicolaou等[35]對紫杉醇2′-羥基修飾合成了2′-(N-甲基吡啶乙酸鹽)紫杉醇(圖7)。其在固體和水溶液中表現了較高的穩定性，固態下可穩定存在30 d以上。生理環境中緩慢降解，在磷酸緩沖液(PBS)或醋酸銨緩沖液中，該化合物也能穩定存在，但在人血漿中(37 ℃條件下)會迅速降解為紫杉醇。2′-(N-甲基吡啶乙酸鹽)紫杉醇對人淋巴瘤、轉移性黑色素瘤、宮頸癌細胞表現出了較好的細胞毒性，具有較好的應用前景。

圖7 Nicolaou′s taxol-2′-methylpyridinium acetates

Kingston等[36]對紫杉醇的7-位羥基和2′-位羥基進行修飾(圖8)，與鄰苯二甲酸酐反應，再用陽離子交換樹脂中和反應，改進了其水溶性和穩定性。以M109小鼠測定其生物活性。

圖8 Kingston′s sodium taxol-2′-phthalate

Hostetler等[37]合成了紫杉醇的甲基化、酰基化、磷酸鹽衍生物(圖9)，通過提高其水溶性，促進藥物吸收，紫杉醇的磷酸鹽衍生物的水溶性較原藥顯著提高。

圖9 Hostetler′s taxol-2′or 7-phosphate

Lee等[38]等合成了一系列7-位羥基和2′-位羥基與葉酸/谷氨酸成酯的前藥化合物，體外細胞毒性實驗選取了A-549 肺癌細胞、MCF-7 乳腺癌細胞和HT-29結腸癌細胞為對象，該類藥物延長了小鼠的壽命，但活性低于紫杉醇原藥。

de Groot等[39]合成了紫杉醇的2′-氨基甲酸酯和碳酸酯前體藥物(圖10)，使其體內穩定性大大提高；測試了前藥對7個人類腫瘤細胞系的體外活性，并選取了其中活性較好的化合物進一步開展體內活性研究。

圖10 de Groot′s taxol-2′carbamates

2 展望

紫杉醇具有獨特的作用機制及廣譜的抗癌活性[40-41]，但其水溶性差的特點影響了臨床應用。設計、合成、開發新的紫杉醇類前體藥物，改善其水溶性，對多種惡性腫瘤的治療具有重要的意義。

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Development of water-solubable taxol prodrug

LU Hai-long1,YANG Jin-cheng2,LIU Xiao-hong2*

(1.Ningxia Food & Drug Administration,Yinchuan 750001,China;2.Shenyang Pharmaceutical University,Shenyang 110016,China)

This paper briefly introduces the development history of anti-cancer drug paclitaxel widely used in clinics,which has remarkable anti-tumor activity but has very poor water solubility.To improve its poor solubility,different prodrug strategies have been developed by many research groups.We discuss both macro-molecular and organic-salts strategies of paclitaxel prodrugs that are currently used to make taxol more effective.

Paclitaxel;Prodrug;Synthesis;Water solubility

2016-08-31

1.寧夏食品藥品審評認證中心，銀川 750001；2.沈陽藥科大學，沈陽 110016

*通信作者

10.14053/j.cnki.ppcr.201612031