喜树碱(CPT)为一种吡咯喹啉细胞毒性生物碱，是除紫杉醇之外，研究最多的天然抗肿瘤药物之一。主要来源于我国特有的植物珙桐科植物喜树(Camptotheca acuminate Decne)，1966年由Wall等人首次从我国引种的喜树杆中分离得到。1967-1970年，研究者发现该生物碱在体外对Hela细胞、L1210细胞及啮齿类动物显示出较强的抗肿瘤活性，引起人们的极大关注。研究表明其对胃癌、直肠癌和白血病等多种恶性肿瘤均有一定的疗效。但是由于该生物碱易产生恶心、呕吐、腹泻、脱发等副作用，并且其水溶性差，制成水溶性的钠盐后抗肿瘤活性降低等原因，使得喜树碱的临床研究于20世纪70年代中后期几乎停滞不前。直至1985年，Hsiang等人发现喜树碱及衍生物是以拓朴异构酶(topoⅠ)为作用靶点抑制DNA的合成而发挥抗癌作用的机理后，才又一次引起人们的广泛关注，许多衍生物应运而生，成为抗癌领域研究的新热点，如下图(图1)是已批准用于临床或处于临床研究的喜树碱类抗肿瘤药物。
图1 已用于临床或处于临床研究的喜树碱类抗肿瘤药物
喜树碱的结构和性质
喜树碱分子由A、B、C、D、E五个环骈合而成，A、B环为喹啉环，C环为吡咯环，D环为吡啶酮，E环为一个具有S型手性碳的α-羟基内酯。分子结构呈高度不饱和态，五环之间有连续的共轭体系，使得喜树碱具有强烈的天然荧光。喜树碱对光、热敏感，光照射喜树碱溶液，其吸光度降低，光越强，吸光度下降越多，避光则十分稳定，加热可使喜树碱分解。
喜树碱是一种特殊的、中性的生物碱，不溶于酸，难溶于一般的有机溶剂，与酸不容易成盐。也不溶于水，可溶于吡啶、氯仿、甲醇、二甲亚砜等少数溶剂，在浓硫酸中溶解呈黄绿色。室温下经稀碱处理，容易开环成水溶性羧酸盐，酸化则又重新内酯化成环。在缓冲介质中，内酯环于开环羧酸盐之间存在动态平衡，PH>7.4时以开环的羧酸盐为主，PH<4 .5时以内酯形式为主(如图2)。
图2 喜树碱内酯与开环羧酸盐之间的动态平衡
通过对CPT环7、9、10、11位的结构改造(CPT的结构及各碳原子编号见下图3)，可得到拓扑替康(topotecan)、伊立替康(irinotecan，CPT-11)、勒托替康(lurtotecan)、羟基喜树碱(hydroxycamptothecin，HCPT)等抗肿瘤活性更好的、毒副作用更低的喜树碱类抗肿瘤药物。
图3 CPT的结构及各碳原子编号
喜树碱类抗癌药物的作用机制
DNA拓扑异构酶是广泛存在于生物体内的一类必需酶，通过调节超螺旋、连锁、去连锁以及核酸解离作用，影响DNA拓扑结构，其主要分为拓扑异构酶Ⅰ (TopoisomeraseⅠ，TopoⅠ)与拓扑异构酶Ⅱ (TopoisomeraseⅡ，TopoⅡ)。相比Topo Ⅱ抑制剂，TopoⅠ抑制剂疗效高，抗瘤谱广，已成为设计新型抗肿瘤药物的重要靶酶。同时，多种肿瘤细胞如结肠癌、宫颈癌、卵巢癌等的TopoⅠ含量大大高于正常组织，且在S期肿瘤细胞中活性大幅提高，因此抑制TopoⅠ的药物可选择性抑制增殖期肿瘤细胞DNA复制，具有较好的选择性。试验证明TopoⅠ是CPT及其类似物的主要靶点。
CPT可使正常解离的TopoⅠ和DNA链的共价化合物保持稳定。随着可裂解复合物的形成，抑制了最初由TopoⅠ介导的DNA裂解和重新链接反应。S期DNA复制时形成的复制叉(replication fork)与已断裂的DNA链冲突造成不可逆的复制叉阻滞、双链DNA断裂和可逆的可解裂复合物转变为不可逆的复合物，从而导致细胞死亡。然而CPT并不能在TopoⅠ所有切割位点捕获可裂解复合物。研究显示CPT要产生药效，必须CPT、TopoⅠ、DNA三者同时具备。
已上市或有望上市喜树碱类抗癌药物概述
自从发现喜树碱具有拓扑异构酶Ⅰ抑制作用以来，人们一直致力于寻找高效、低毒的喜树碱衍生物，至今，已经有一系列半合成和全合成的喜树碱衍生物出现并进入临床应用或临床试验阶段。
羟基喜树碱(HCPT)
图4 羟基喜树碱的结构式
羟基喜树碱是上个世纪70年代我国科学家自主研制的抗肿瘤药物，因其可靠的临床疗效而受到人们广泛的关注。大量研究表明，HCPT对胰腺癌、前列腺癌、原发性肝癌、胃癌、膀胱癌、直肠癌、头颈部上皮癌、白血病等恶性肿瘤均有较好的疗效，具有抗瘤谱广且无交叉耐药性等优势。HCPT是一种黄色粉末或结晶性粉末，熔点为272~273℃，不溶于水，极微溶于甲醇和无水乙醇，易溶于稀碱溶液。该分子为五环结构，分子结构呈高度不饱和态，存在连续的共轭系统。
60年代末，我国研究者对喜树中的活性成分进行了较为全面的研究，发现10-羟基喜树碱(HCPT)抗癌活性高而毒性低。经过系统的药理、毒理和代谢研究后推荐临床应用，证明此药确是一种较好的抗癌药，国内自70年代开始生产，一直沿用到今天，对多种恶性肿瘤有效，目前除应用于消化道肿瘤、肺癌、生殖系统肿瘤外，对白血病等其他肿瘤也有良好治疗作用。羟基喜树碱静脉注射后在血液中的清除过程呈双相曲线，第一个快速下降的生物半衰期为4.5分钟，第二个半衰期约为29分钟。给药后一小时，胆囊、小肠内维持浓度最高，其次为癌细胞，其次为骨髓、胃、肺、肾等器官。静脉注射的HCPT主要从胆汁排泄，通过大便排出体外，24小时总排出量为39%，从大便中排出29.6%，尿中不到9%，48小时共排出61%，大便中排出量为48%，HCPT静脉给药后随着时间延长，血药浓度逐渐降低，胆汁和大便中排出明显升高，癌细胞中浓度分布24小时内保持稳定水平。目前美国、日本以及欧洲都有广泛的研究。
伊立替康(Irinotecan，CPT -11)
图5 伊立替康的结构式
伊立替康(Irinotecan，CPT -11)是细胞毒类药物新家族成员，喜树碱类中上市的新药物之一。CPT-11由日本第一制药公司研制开发，1987年开始Ⅰ期临床试验。为了明确其治疗实体瘤的价值，在全球范围内开展了大量的研究。大规模Ⅲ期临床试验表明，它是治疗转移性结直肠癌的有效药物，对氟尿嘧啶耐药病例仍有效。1994年首先在日本上市，是一种前体药，经羧酸酶转化为SN38，即7-乙基-10-羟基喜树碱。SN38是伊立替康的活性代谢物，其抑制拓扑酶Ⅰ的活性远大于伊立替康。伊立替康在血浆中的AUC为36.8±3.5%，SN38的AUC为64±3.4%，SN38的血浆蛋白结合率大于90%。一次静脉注射后，SN38的血浆半衰期为10.2h左右，伊立替康对转移性结直肠癌有效，对经5-Fu治疗过的结直肠癌病人也有效。
目前，该药已获得美国FDA和欧盟的共同批准，在全球100多个国家上市，它是美国FDA 40多年来继氟尿嘧啶(5-FU)以后再次批准用于转移性结直肠癌一线治疗的化疗药。该药于2001年3月在中国上市。而作为国内首仿厂家 — 恒瑞医药已经成为国内伊立替康(艾力)的最大生产厂家，2012年恒瑞首批注射用伊立替康(艾力)成功进入美国，并通过美国分销商的平台销往美国各大医院。就在2015年恒瑞医药生成的伊立替康(艾力)在日本通过审批认证，获准在日本销售。另外伊立替康也应用于胃癌、食管癌、非小细胞肺癌的多种癌症，临床试验正在进行中，就已得出的阶段性观察结果来看，有很好的临床适用前景，值得密切关注。
拓扑替康(Topotecan，TPT)
图6 拓扑替康的结构式
拓扑替康是由Smithkline Beecham开发上市的一种水溶性半合成喜树碱衍生物，在9位上有一个稳定的碱性侧链。于1996年在美国率先上市。拓扑替康在人血浆中的AUC占总药量(内酯 + 羟酸盐)的33％，血浆蛋白结合率低于20％，比报道过的其它喜树碱衍生物都低，这可能正是使拓扑替康易于进入脑脊液的原因，血浆中未现活性代谢物。肾脏排泄是该药消除的主要途径，注射30分钟后25～40％的药物以原形由肾脏排泄。拓扑替康的最终半衰期为3.3h左右，在所有已知半衰期的喜树碱衍生物中是最短的。口服的生物利用率为30±3.7％。用于其他化疗药无效的卵巢癌的治疗。在小细胞肺癌和非小细胞肺癌中拓扑替康对以前未经治疗的病人均有一定疗效，而对顺铂耐药的小细胞肺癌(SCLC)也有抗瘤作用。FDA已批准拓扑替康用于二线治疗小细胞肺癌(SCLC)和卵巢癌。
鲁比替康(Rubitecan，9-NC)
图7 鲁比替康的结构式
鲁比特康是美国一创业公司Super Gen公司现正在全力开发中的一个半合成喜树碱衍生物。鲁比替康最早是由日本Yakult本社于80年代初在研究喜树碱衍生物过程中合成的，它是一个半合成的喜树碱衍生物。然而可能是由于开发能力有限和(或)决策判断有误等原因，虽然Yakult本社申请了日本专利(5951288)，但却未在其它国家也同时申请专利保护，更没有对它进一步研究，鲁比替康后由美国Stehlin癌症研究基金会在全球申请了一个合适工业化生产的制备方法专利(WO9907709)，并且将其世界权益转让给了美国一家创业公司SuperGen公司，然后经SuperGen公司全力开发。人体试验已经证实其对绝大多数实体瘤和血癌有效，可口服，无心、肺、肝、肾和神经毒性，故被誉为第二代拓扑异构酶抑制剂。鲁比特康最大长期耐受剂量为1.5mg/m^2，在此剂量下，其主要副作用仅为轻度骨髓抑制和膀胱炎等 ，而停药或减量用药即可逆转。其临床适应症为胰腺癌、乳腺癌等实体瘤和慢性骨髓细胞白血病。2004年SuperGen向美国FDA递交NDA申请，并且FDA已接收，但遗憾的是2005年SuperGen基于数据不够有效和完整，主动撤回了鲁比替康的NDA，2006年从欧洲EMA (European Medicines Agency)撤回了MAA (Marketing Authorization Application)的申请。
9-氨基喜树碱 (9-aminocamptothecin，9-AC)
图8 9-AC的结构式
9-氨基喜树碱是由IDEC公司开发的一种水溶性的喜树碱衍生物，在喜树碱的9位上有一个氨基，现正处在Ⅲ期临床阶段。主要剂量依赖性毒性反应是中性粒细胞减少，血小板减少症较少一些。其它毒性反应包括贫血、乏力、恶心、呕吐、腹泻、脱发和粘膜炎。9-氨基喜树碱无肺毒性，不引起出血性膀胱炎。在Ⅱ期临床研究中，注射氨基喜树碱治疗难治性复发淋巴瘤有效率为25％，治疗难治性乳腺癌有效率为17％，非小细胞肺癌有效率11％，以前曾治疗过的结肠直肠癌的病人有一定疗效。
另外DX-8951f、GG211、CKD-602、ST1481、BNP-1350、BN80915等喜树碱衍生物新药，都还在进一步研究和开发中，希望能够获得更多疗效好，毒副作用小的喜树碱类抗肿瘤药物。
结语
在20世纪60年代初天然产物喜树碱的发现为一类经典的有潜力的抗癌药物提供了先导结构。高效的分离技术和全合成、半合成技术的发展为各种化学先导化合物优化方案创造了基础。随着高效、水溶性的同类物伊立替康、拓扑替康相继被研制开发出来并投入市场，多种喜树碱化合物在临床中被证明对癌症非常有效，特别是用于结直肠癌、子宫癌和肺癌等。
而喜树碱的作用机制和拓扑异构酶Ⅰ的确定是喜树碱及其衍生物得以进一步研究开发的里程碑，DNA Topo I作为重要的细胞核内酶，在生物体内发挥至关重要的作用。众多实验研究表明以它作为靶酶设计的抗肿瘤药物，不仅活性高，而且选择性好，对于癌症化疗具有重要的意义。喜树碱是Topo I的特异性抑制剂，因此喜树碱及其衍生物的开发利用发展潜力巨大，好的疗效、好的药物安全性和更方便的给药方法可望出现，与其它药物的联合使用可望在治疗中取得更加瞩目的成果。
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