0歲的植物學家亞瑟·貝克萊博士(Arthur S. Barclay),在一棵短葉紅豆杉(Taxus brevifolia)樹下停下了腳步。
今日主角——短葉紅豆杉。圖片:Robert Winslow / Animals Animals
這是1962年夏天,他所受雇的美國農業(yè)部(USDA)在兩年前與美國國家癌癥研究所(NCI)合作,開展了一項雄心勃勃的計劃——每年從超過1000種植物中篩選出那些有潛在抗癌作用的天然藥物。
8月21日,這是一次在美國西北部華盛頓州圣海倫斯山區(qū)看似日常的植物采集。隨行的幾名研究生在多年之后幾乎都忘記了那一天的事,沒有人知道貝克萊博士那天思索了什么。他從那棵約6米高的短葉紅豆杉植株上,取了一些枝條、樹葉和種子,部分做成標本,編號“B-1645”,接著又采集了大約6公斤樹皮,在袋子上編號“PR-4960”。
當時沒有人能預料到,這些樹皮標本會在日后掀起怎樣的波瀾。
他們在這一天所走過的圣海倫斯山是一座活火山,它最近一次噴發(fā)是在2008年,但更著名的一次是在1980年,造成了57人死亡。當然,在故事開始的時候,這里還是平靜的。圖為1980年噴發(fā)前的圣海倫斯山。圖片:Harry Glicken, USGS
長在生態(tài)研究者的天堂
位于北緯45°左右的北美大陸西岸正對著北太平洋暖流,來自海洋的氣流被崛起的海岸山脈阻擋,使得這里成為美國本土降雨量最高的區(qū)域之一。
陽光照進北美紅杉林。圖片:wikimedia
雖然和松、杉、柏等同為裸子植物,相比美國西北海岸動輒超過60米的巨樹群,短葉紅豆杉顯得毫不起眼,其高度只有大約10~15米。它所在的紅豆杉屬(Taxus)一共有約30種植物,廣泛分布于北溫帶,中國能見到的有6種。紅豆杉屬所在的紅豆杉科還包括我們熟悉的一種南方堅果——香榧[fěi],其它的則多是些只會讓植物學家興奮的名字。
相較之下略顯矮小的短葉紅豆杉。圖片:centralcoastbiodiversity.org
紅“果子”與紅樹皮
整個紅豆杉科的植物都是雌雄異株,這意味著需要同時同地存在兩棵以上不同性別的植株才能夠繁殖。溫帶雨林下光照微弱,短葉紅豆杉多萌發(fā)于蔭蔽之地,生長緩慢,材質堅硬。
如果你沒能在果期見到一棵紅豆杉,它甚至可能無法給你留下什么印象。和大部分松柏類的球果不一樣的是,進入果期的紅豆杉雌樹,枝頭上會結滿鮮亮的紅色“杯子”——作為裸子植物,短葉紅豆杉沒有真正的花和果實,那些紅色“小杯子”是由胚珠外的苞片發(fā)育而來的假種皮,種子就被埋在這“杯子”里。
掛著水珠的紅色“小杯子”。圖片:meanderingwa / blogspot
成熟的假種皮紅艷欲滴,多汁而甜,和有花植物所結的果實類似,可以吸引林鳥食用、傳播種子。另外,短葉紅豆杉的樹皮外層容易剝落,泛著暗紫紅色的光澤。
短葉紅豆杉的樹皮。圖片:Walter Siegmund & Justin15w / wikimedia
抗癌藥物紫杉醇的誕生
貝克萊將采集到的標本和樹皮進行處理后寄給了NCI,這些樣品被送到當時的國家癌癥化療服務中心(CCNSC),大約放置了兩年。1964年5月22日,有實驗員發(fā)現,貝克萊采集的那一袋編號為“PR-4960”的樹皮初提產物顯示了明顯的細胞毒性。在當時,這意味著很可能有潛在的抗癌物質。
亞瑟·貝克萊的碩士和博士都畢業(yè)于哈佛大學,最初在美國農業(yè)部的“新作物”研究分支從事植物研究工作。工作第一年他就被派去南非采集植物,不久后又進入美國西南部至墨西哥搜集新型油料作物的種子。到1962年,貝克萊已經是個訓練有素的植物學家,他隨即被派往美國西北海岸參加合作尋找天然藥物的工作。圖片:whale.to
他們對此非常驚訝,在此之前他們經測試過了成千上萬的植物樣品,所獲甚少。同年,得到消息的貝克萊再次回到華盛頓州的群山,這一次他帶回了約14公斤的短葉紅豆杉樹皮,這些樹皮被交給了位于北卡羅來納州的三角研究園區(qū)(Research Triangle Institute),由門羅·沃爾(Monroe E. Wall)和曼蘇克·瓦尼(Mansukh C. Wani)兩位有機化學博士進行研究。
獲得樹皮的沃爾和瓦尼對這些樣品不敢怠慢,他們絞盡腦汁,試圖分離提純其中的活性物質。在20世紀60年代分離技術非常有限的情況下,這是一項如登天般困難的工作。
1966年,他們終于提純到了活性物質的晶體并確定了其分子式。他們根據短葉紅豆杉的英文名“Pacific yew(太平洋紅豆杉)”和拉丁屬名Taxus,將活性物質命名為Paclitaxel(紫杉醇)。到了1971年,通過當時新穎的X光晶體衍射技術和核磁共振,紫杉醇的結構式被確定下來——這是一個有4個環(huán)的二萜[tiē]類化合物,有11個手性中心,結構復雜,在人類開始有目的地合成之前,只有自然界的演化才會產生這樣的分子。
紫杉醇的分子式為C47H51NO14,圖為其結構式。圖片:Calvero / wikimedia
針對紫杉醇的生物活性作用機理研究隨即展開。1977年,NCI確定了紫杉醇對小鼠B16黑素瘤細胞的活性;1979年,紐約葉史學瓦大學(Yeshiva University)的蘇珊·霍沃茲博士(Susan Horwitz) 首次發(fā)現了紫杉醇的作用機理:抑制微管系統的降解。
小貼士
在此有必要解釋下抗癌藥機理:相比正常細胞,癌細胞處于脫分化狀態(tài),進入不停息的分裂和繁殖,因此,抗癌藥物的作用機理一般針對的是細胞的分裂過程;而細胞有絲分裂,需要微管蛋白系統的組裝和降解才能進行。
在紫杉醇之前,已知的天然抗癌藥物主要阻止微管系統的組裝,而紫杉醇能夠抑制微管蛋白的解聚,這就使得癌細胞在有絲分裂形成紡錘體后,卡在中間步驟,無法進一步分裂成兩個細胞,從而使細胞死亡。這是前所未有的發(fā)現。
1984年,NCI開始了紫杉醇的一期臨床試驗;1992年,FDA終于批準紫杉醇作為卵巢癌的治療用藥;1994年,批準為乳腺癌治療用藥;然后是非小細胞肺癌、卡波濟氏肉瘤、膀胱癌、前列腺癌、惡性黑色素瘤……紫杉醇對越來越多癌癥顯示出了臨床有效性,被列入世衛(wèi)組織基本藥物清單,挽救了越來越多絕望的癌癥患者。
人工合成,勢在必行
在此前的1981年,轟轟烈烈的植物天然藥物篩選項目已經結束?;赝@個項目我們可以發(fā)現,NCI和USDA在21年里耗費巨資采集、測試了超過11萬4000份植物提取物——涉及35000份樣品、約15000種植物,這大約是全世界所有高等植物的6%——找到的天然抗癌藥物卻寥寥無幾,到項目結束,甚至還沒有一種藥物進入臨床試驗階段。
紫杉醇是僅存的幾個碩果之一,但在它大放異彩之前,就遇到了一個嚴重的問題:天然來源不足。短葉紅豆杉生長緩慢,含有紫杉醇的內層樹皮只有薄薄一層,提純1千克的紫杉醇需要砍伐2000~4000棵生長超過50年的植株,耗費的人工也是難以計數。這使得實驗難以為繼,紫杉醇價格也絕非一般人所能承受。
因此,人工合成紫杉醇的研究迅速展開。1994年,佛羅里達州立大學的霍爾頓(Robert Holton)和斯克瑞普研究所的尼茨拉歐(Kyriacos Nicilaou)幾乎同時發(fā)表了不同的紫杉醇全合成路徑,但因為全過程多達30多步,產率很低。
其實更有價值的方案在這之前就誕生了。1981年,法國天然產物化學研究所的化學家皮埃爾·波蒂埃(Pierre Potier)從歐洲紅豆杉(T. baccata)的枝葉中發(fā)現了大量存在的紫杉醇類似物10-Deacetyl Baccatin Ⅲ(簡稱10-DAB),1988年他們發(fā)表了從10-DAB出發(fā)合成紫杉醇的路徑;第二年,還是來自霍爾頓的實驗室,發(fā)表了同樣從10-DAB出發(fā)但又不同的半合成路徑。更有意思的是,波蒂埃在探索紫杉醇半合成路徑時發(fā)現,從10-DAB出發(fā),可以合成另一種紫杉醇類似物,它阻止微管蛋白解聚的活性比紫杉醇更高。
霍爾頓(前排右一)和他的團隊。圖片:whale.to
10-DAB大多從歐洲紅豆杉的枝葉中提取,因此這種類似物被命名為Docetaxel(歐洲紫杉醇)。因為來源廣泛,且可以從不停生長的紅豆杉枝葉甚至培養(yǎng)的組織中提取,10-DAB半合成法成為目前紫杉醇類藥物的主要來源。最重要的是,藥物的價格下降到了更多人能夠承受得起的水平。
商業(yè)開發(fā)的犧牲品
事實上從紫杉醇被發(fā)現抗癌作用那一天起,短葉紅豆杉的日子就不再平靜。因為生長極為緩慢,紫杉醇在短葉紅豆杉的樹皮中含量極少,但需求量極大,這注定了短葉紅豆杉和它所生存的溫帶雨林將受到威脅。
在美國,因為環(huán)保運動的傳統,保護短葉紅豆杉的聲浪很快涌動起來。20世紀80年代末,NCI不得不將紫杉醇的開發(fā)權轉讓給了百時美施貴寶制藥公司(Bristol-Myers Squibb),后者和豪瑟化學(Hauser Chemical Research Inc.)試圖推進從短葉紅豆杉樹皮中大規(guī)模提取紫杉醇的事業(yè),但很快遭到了環(huán)保人士的質疑和攻擊。
另一方面如前所述,這條路徑獲得的紫杉醇實在是太過有限,代價又太過巨大。因此當霍爾頓的半合成法問世之后,百時美施貴寶在1992年把霍爾頓半合成方法的專利買下。這也意味著短葉紅豆杉終于從磨刀霍霍的商業(yè)開發(fā)中幸存了下來。
1993年上市的紫杉醇藥劑——從樹皮標本到商業(yè)化的救命藥,人們足足等待了31年。圖片:圖片:whale.to
然而在其它國家,同為紅豆杉屬的植物就沒那么幸運了。中國分布的6種紅豆杉中,喜馬拉雅紅豆杉(T. wallichiana)以及各個變種分布于華東至西南的廣袤區(qū)域,實驗顯示這些紅豆杉的樹皮與枝葉同樣含有紫杉醇及其類似物。盡管有了更廉價的半合成法,但資本不會輕易放過中國山林深處的紅豆杉。
2002年9月,云南省石林縣法院判決的漢德生物紅豆杉制品走私案轟動一時,超過100千克提取的紫杉醇被走私到美國。這背后,是十年里超過百萬棵的野生云南紅豆杉被盜伐或剝皮。更荒唐的是,人們知道了紫杉醇的抗癌作用后,盜伐并將紅豆杉制成水杯、用具,宣稱其抗癌保健功效——但凡對藥物化學略知一二,都能理解未經醫(yī)囑使用紫杉醇制品不但對健康毫無助益,反而有害甚至足以致死;紫杉醇難溶于水,將紅豆杉制成水杯,可以算是無知了。
喜馬拉雅紅豆杉,已經瀕危。圖片:botanypictures.com / Antonie van den Bos
目前,短葉紅豆杉依然被IUCN評價為“近?!?/span>(NT),而中國所有的紅豆杉屬植物都被列入國家一級保護植物名錄(第一批,具有法律效力),盜伐將面臨刑責。
斯人已去,愿紅豆杉長存
直到今天,人類對紫杉醇——這一找到的最著名的植物天然成分抗癌藥物——的研究依然在如火如荼進行著,更多提升紫杉醇進入癌細胞、降低副作用的蛋白載體藥物不斷問世。
盡管所知不多,亞瑟·貝克萊博士的后半生非常平靜。在他掀起癌癥治療領域巨大波瀾的那次植物采集之后,他繼續(xù)受雇于USDA,后續(xù)參與過在智利、哥倫比亞以及其它美洲國家的植物調查和采集。但為疾病所困,他在49歲就提前從USDA退休,于1999年搬到了佛羅里達度過晚年。2003年,71歲,他在奧蘭多去世。
短葉紅豆杉和它親屬的生存狀況,需要更多人的關注。圖為有記錄的北美最大的一株短葉紅豆杉。圖片:americanforests.org
2014年,當我在太平洋的雨霧中走進溫帶雨林時,相比所有其他掛滿了石松和苔蘚的大樹,短葉紅豆杉斑駁紫紅的樹皮第一時間吸引了我。
它足夠美,值得半個多世紀前的那一次駐足。
本文是物種日歷第4年的第348篇文章,來自物種日歷作者@鐘蜀黍。