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1、 作者：周志毅作者：周志毅抗癌抗癌药物紫杉醇的天然物紫杉醇的天然提取与分离技提取与分离技术1.紫杉醇是什么？有什么作用？ 2.紫杉醇发现历程？ 3.紫杉醇怎么获得？紫杉醇简介紫杉醇化学式：【化学名称】 5，20-环氧-1，2，4，7，10，13-六羟基紫杉烷-11-烯- 9-酮-4，10-二乙酸酯-2-苯甲酸酯-13（2R，3S）- N-苯甲酰-3-苯基异丝氨酸酯 【分子式】 C47H51NO14 【分子量】 853.92 【物理性质】 白色结晶体粉末。无臭，无味。不溶于水，易溶于氯仿、丙酮等有机溶剂。理化性质理化性质纯品紫杉醇外观为白色结晶体粉末用于临床的药用紫杉醇一般为注射用制剂生生物物活
2、活性性紫杉醇是红豆杉属植物中的一种复杂的次生代谢产物, 也是目前所了解的惟一一种可以促进微管聚合和稳定已聚合微管的药物。同位素示踪表明，紫杉醇只结合到聚合的微管上，不与未聚合的微管蛋白二聚体反应。细胞接触紫杉醇后会在细胞内积累大量的微管，这些微管的积累干扰了细胞的各种功能，特别是使细胞分裂停止于有丝分裂期，阻断了细胞的正常分裂。通过-临床研究，紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。动物细胞的有丝分裂中心体年 代进 展1958 NCI开始大规模植物药研发筛选1967 发现紫杉醇抗癌活性1968 从红豆杉中分离出紫杉醇1971 完成结构鉴定
3、1977 发表作用机制1983 临床试验1985 临床II期1991 临床III期1992 FDA批准上市紫杉醇的研发过程50年代，Hartwell 及其同事着重研究了抗癌制剂鬼臼毒素及其衍生物的应用。同时，一系列寻找天然抗肿瘤成分的研究导致了像长春花碱、长春新碱及秋水仙碱等一系列具有代表性的抗癌药物的产生。1971年，美国科学家Wanj及其同事从欧洲短叶红豆杉(Taxus brevifolia)中分离得到一种具有细胞毒性的新二萜类化合物，命名为紫杉醇(Taxol)，药理实验证明，它具有广谱抗癌作用，但由于其天然含量极低，故而在当时并未引起人们的注意。19771977年，年，Horwit.ZH
4、orwit.Z博士发现其抗博士发现其抗癌机理在于能够与动物细胞有丝癌机理在于能够与动物细胞有丝分裂期间产生的微管蛋白结合，分裂期间产生的微管蛋白结合，促进微管蛋白聚合装配成微管二促进微管蛋白聚合装配成微管二聚体，从而抑制细胞中微管的正聚体，从而抑制细胞中微管的正常生理解聚，使细胞有丝分裂停常生理解聚，使细胞有丝分裂停止在止在G2G2期及期及M M期，使细胞自然凋亡，期，使细胞自然凋亡，从而阻止了癌细胞的快速繁殖从而阻止了癌细胞的快速繁殖紫杉醇最早由太平洋红豆杉的树皮中分离。38 000棵紫杉树中方可分离提纯得到紫杉醇约 25kg。对于成树：树皮树叶树根树干种子心材。固相萃取法沉淀法 膜分离法离
5、子交换法药物作用靶点法色谱法超临界流体萃取法预处预处理理紫杉醇的粗提取紫杉醇的粗提取从天然植物的树皮、枝叶等组织中粗提取紫杉醇得到紫杉浸膏紫杉浸膏紫杉浸膏紫杉浸膏是为了接下来的精制做准备的。日本学者对紫杉醇提取的溶剂种类进行了详细的研究，结果表明：在乙酸乙酯、乙醚、丙酮、甲醇、乙烷、异丙醇、乙酸乙酯-甲醇、乙酸乙酯-二氯甲烷、乙酸乙酯-丙酮、乙酸乙酯-乙醚等溶剂中，以乙酸乙酯-丙酮（体积比1:1）混合溶剂提取效果最好，所得浸膏仅为植物干重的7.7%，紫杉醇的含量高达浸膏的0.084%，而用甲醇提取所得的浸膏为植物干重的20.98%，紫杉醇的含量为浸膏的0.027%，尚需要多次抽提才能得到紫杉醇
6、含量较高的浸膏现在看来利用乙酸乙酯-丙酮（1:1）一次便可以使紫杉醇提取量高于以往常用溶剂所能得到的量，这就为后续分离纯化工作带来很大的方便，由于乙酸乙酯-丙酮（1:1）的价格与甲醇的价格相当，且可以回收利用，因此，这一方法是较为经济合理的。但是浸膏都是在原材料干燥粉碎后直接用有机溶剂反复浸提的，故浸膏中除了目标物质紫杉醇外，还存有大量的色素，蜡质及其有着和紫杉醇一样的碳骨架的类似物，这些杂质的存在都为后续的去杂提纯增加了相当的难度。沉淀法沉淀法（precipitationprecipitation）沉淀法是沉淀法是利用某种利用某种沉淀剂沉淀剂使使需要需要提取的药物或杂提取的药物或杂质在溶液中
7、的溶解度降低而形成雾定型固体的过质在溶液中的溶解度降低而形成雾定型固体的过程。沉淀法的优点是设备简单，成本低，原材料程。沉淀法的优点是设备简单，成本低，原材料易得，在产物浓度越高的溶液中沉淀越有利，收易得，在产物浓度越高的溶液中沉淀越有利，收率越高。沉淀一般只能达到初步纯化的目的，技率越高。沉淀一般只能达到初步纯化的目的，技术较为成熟，在大规模生产中被广泛应用。术较为成熟，在大规模生产中被广泛应用。紫杉醇在己烷溶液中能产生沉淀，这个性质可以用来提取紫杉醇。可以在粗提的浸膏中添加己烷，石油醚或轻汽油等非极性溶剂将紫杉醇沉淀析出，非极性杂质则残留于母液中被除去，从而得到纯度较高的紫杉醇。但是，沉淀
8、过程中生成的沉淀非常细微，即使使用也很难全部回收，导致了紫杉醇的较大损失。膜分离法膜分离法 膜分离法在近些年也开始用于分离紫杉醇烷类化合物。膜分离法（membrane separation）是利用具有一定选择性、透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化，是人类最早应用的分离技术之一。 1994年，美国科学家Carver等人采用平板式、中空纤维式和管式膜组件，对超滤膜和反渗透膜在紫杉醇烷类物质的分离过程中应用进行了研究，结果表明：采用膜分离法可以进一步粗浓缩提取过程所得的浸膏，可以使紫杉醇烷类物质的浓度提高5倍左右。这种方法的优点是在提取过程中使紫杉醇的活性损失减至最小。超超滤滤膜膜超超滤膜，是一种
9、孔径膜，是一种孔径规格一致，格一致，额定孔径范定孔径范围为0.001-0.02微米的微米的微孔微孔过滤膜。在膜的一膜。在膜的一侧施以适施以适当当压力，就能力，就能筛出小于孔径的溶出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于分子，以分离分子量大于500道道尔顿、粒径大于、粒径大于220纳米的米的颗粒。粒。超超滤膜是最早开膜是最早开发的高分子分离的高分子分离膜之一，在膜之一，在60年代超年代超滤装置就装置就实现了工了工业化化。超滤膜的工业应用十分广泛，已成为新型化工单元操作之一。用于分离、浓缩、纯化生物制品、医药制品以及食品工业中；还用于血液处理、废水处理和超纯水制备中的终端处理装置。反渗透膜反渗透膜反
10、渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。早期的色谱纯化紫杉醇工艺是采用多根硅胶层析柱串联的一种操作，但是因为硅胶对紫杉醇的不可逆吸附造成了巨大的损失，使得紫杉醇的回收率很低，仅为0.004%左右。近年来，随着色谱技术的进步，不断有新的色谱技术被引入到紫杉醇的分离提取过程中来。除了高速液相色谱法（HPLC，其中包括正相-HPLC、反相-HPLC）外，还有薄层色谱法（TLC）、胶束电动毛细管色谱法（MECC）和高
11、速逆流色谱法（HSCCC）等。色色谱谱法法HPLC流程示意图各种类型的HPLC和TLC的共同缺点是负载量小，不适于日常大量的样品处理，仅能达到半制备的规模水平。高效液相色谱是色谱法的一个重要分支，以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。该方法已成为化学、医学、工业、农学、商检和法检等学科领域中重要的分离分析技术。HSCCC是最有望成为一种大规模制备生产紫杉醇的方法。这种方法的主要优点是：具有较高的样品负载量，分离周期短，操作简便，由于这种色谱法本身无固体
12、载体，避免了分离样品与固体表面产生化学反应而变性或不可逆吸附造成的样品损失。不足之处在于紫杉醇和紫杉醇类似物cephalomannie不能完全分离开，大约有一半左右的二者混合物需要经过HPLC或者TLC再次分离才可以得到紫杉醇纯品。MECCMECC虽然具有分离效率高、溶剂消虽然具有分离效率高、溶剂消耗小、速度快等优点，但是其处理耗小、速度快等优点，但是其处理量小，操作复杂的缺点限制了其应量小，操作复杂的缺点限制了其应用范围，目前只用于分析检测。用范围，目前只用于分析检测。超超临临界流体萃取（界流体萃取（SFESFE）超临界流体萃取是一种新型萃取分离技术。它利用超临界流体作为萃取剂，从液体或者固
13、体中萃取出特定成分，已达到分离目的。如何进行超临界流体萃取？用哪种超临界流体？什么是超临界流体？图为纯流体的典型压力-温度图，图中线AT表示气-固平衡的升华曲线，线BT表示液-固平衡的熔融曲线，线CT表示气-液平衡的饱和液体的蒸汽压曲线，点T是气-液-固三相共存的三相点。将纯物质沿气-液饱和线升温，当到达图中的C点时，气-液的分界面消失，体系的性质变得均一，不再分为气体和液体，故C点称为临界点。改点处对应的温度和压力分别称为临界温度和临界压力。图中高于临界温度和临界压力的阴影区域属于超临界流体状态。超临界流体的特性密度超临界流体具有可压缩性，其密度随压力增的而增大，在适当的压力下，相当于流体的
14、密度。黏度 超临界流体的黏度极小，相当于气体的黏度，具有良好的传递性和快速移动的能力。扩散力超临界流体具有较大的自扩散能力，是液体的100倍，因此比液体传质好，并具有良好渗透能力。溶解性超临界流体对于不同的溶质，在不同的温度压力下，气溶解度不同。选择性超临界流体具有提取不同物质的特性，对于不同的组分，超临界流体可以再不同温度，压力，夹带剂下单独提取。导热性临界点附近，物质的导热率对温度和压力的变化十分灵敏，自然对流容易产生。超临界流体固体萃取工艺流程 在萃取这一步工艺中，超临界流体作为溶剂进入萃取器，在固体颗粒固定床的入口均匀分布，然后流经固体固定床并溶解固体中得待萃取物质。超临界流体经过固定
15、床的流动方向可以自上而下，也可以自下而上。萃取物和溶剂分离的工艺步骤实在分离器中完成的。含有溶质的超临界流体离开萃取器后进入分离器，与溶质分离后的超临界流体溶剂返回进入萃取器，循环使用。Tips:还包括处理液体的多级逆流超临界流体萃取，此处不做展开。 溶剂的循环是很关键的步骤，一般有两种方式，分别为压缩机循环方式和泵循环方式。在压缩机循环方式中，超临界状态的溶剂首先通过改变其状态与溶质分离，然后调节温度和压力成为气态气态，再由压缩机增压至萃取的压力条件，经调温至萃取温度后，再次进入萃取器。在泵循环方式中，超临界状态的溶剂还是首先改变其状态达到分离溶质的目的，然后调节温度和压力成为液态液态，再由
16、泵加压至萃取压力，再调温至萃取温度，返回萃取器。两种方法各有优缺点。溶剂的循环溶剂的循环下面以复旦大学的下面以复旦大学的实验设备为例，例，讲解解CO2超超临界流体萃取的原理及其界流体萃取的原理及其设备。CO2和修饰剂分别由CO2泵和修饰剂泵打入各泵的锥形腔体中，再经流体混合其按设定的比例混合后，流入萃取器中的集流腔。在达到萃取设定的温度和压力后，萃取器开始萃取。动态萃取时，超临界CO2流体经限流管流入甲醇收集瓶后减压排放，流体带出的萃取所得物则溶于收集液中。实验结果经实验后的HPLC色谱分析可以看出SFE法可以高效的分离出紫杉醇，且效率高于传统的使用各种有机溶剂的提取方法，具有高效，周期短，废渣无残留，能最大程度保证各组分原有活性，不产生三废，绿色环保等诸多优点。被剥皮的野生被剥皮的野生红红豆杉豆杉人工培植的紫杉醇幼苗江苏无锡有中国最大的紫杉醇培植基地Thank you Thank you
