Die Eibe, Freund und Helfer

von Dr. Gerhard Schilling

Unsere Vorfahren benutzten schon vor 150000 Jahren das Holz der Eibe zur Herstellung von Bögen und Speeren oder bauten später damit ihre Pfahlbauten. Der uns allen bekannte Ötzi (~5200 ad) hatte einen Bogen aus Eibenholz von etwa 180 cm Länge bei sich und auch der Stiel seines Beiles bestand aus diesem Material. Selbst in ägyptischen Gräbern fand man Särge aus Eibenholz. Der Nadelbaum diente Naturvölkern als Allheilmittel, führte aber auch zu zahlreichen Vergiftungen. Die Eibe galt als Lebensbaum und damit als Hüter der Schwelle zwischen Leben und Tod, deshalb wollte Charles Darwin unter so einem Baum begraben werden. Eibenholz besteht aus goldbraunem, häufig gemasertem Kernholz, der gelbliche, orangfarbene Splint setzt sich deutlich davon ab. Der Baum wächst sehr langsam und entwickelt dabei ein Holz von hoher Dichte, das langfasrige Splintholz sorgt für eine hohe Elastizität. Deshalb wurde Eibenholz seit der Jungsteinzeit bis ins Mittelalter für den Bogenbau verwendet (Wikipedia).

Taxol in Taxus brevifolia

Der Eibe würde man heute kaum mehr besondere Beachtung schenken, wäre nicht in der Rinde des Baums eine Substanz entdeckt worden, die das Wachstum von Tumorzellen hemmt und der Pharmaindustrie jährlich Milliardenumsätze beschert. In den 1960er-Jahren hatte das National Cancer Institute (NCI, USA) ein Projekt zum Screening von Substanzen und Extrakten mit antikanzerogener Wirkung auf den Weg gebracht. A. S. Barclay (US Department of Agriculture) nahm dabei auch Proben von der relativ seltenen Pazifischen Eibe (Taxus brevifolia). Und das nicht ohne Grund, denn Eiben waren schon im Altertum für ihre Giftigkeit bekannt. So berichtet Cäsar (De bello gallico VI, 31,5), dass Catuvolcus nach der Niederlage seiner Truppen sich lieber umbrachte, indem er einen Tee aus Eibenbeeren trank, als sich zu ergeben (.....taxo, cuius magna in Gallia copia est, se exanimavit.). M. E. Wall und M. C. Wani isolierten 1971 aus der Rinde das Taxol (1; Abb. 1) und zeigten, dass die Substanz bemerkenswerte zytotoxische Aktivitäten besitzt. Taxol, auch unter dem Namen Paclitaxel bekannt, kommt nur in verschwindend geringen Mengen in der Rinde von T. brevifolia vor (0,014 %). Der Baum wächst entlang der nordamerikanischen Pazifikküste in geringer Dichte unter hohen Nadel- und Hartholzbeständen. Im Laufe von 200 Jahren erreicht er etwa 12 m Höhe und einen Durchmesser von ca. 60 cm. 38000 Bäume mussten für die Isolierung von 25 kg Taxol gefällt werden, um in einer der ersten klinischen Studien 12000 Patienten behandeln zu können. Diese Problematik löste eine heftige Kontroverse aus, denn ein weiterer Einschlag hätte den Eibenbestand an den Rand der Ausrottung gebracht und eine irreparable Schädigung des empfindlichen Ökosystems zur Folge gehabt. Auch der Bestand einer Eulenart, die auf diesen Baum angewiesen ist, wäre vom Aussterben bedroht gewesen.

Die biologische Wirkung

Die Untersuchungen zur Wirkung von Taxol zogen sich über längere Zeit hin, einmal wegen der schwierigen Isolierung, zum anderen wegen des Verdachts, die Substanz wirke lediglich wie Colchicin oder die Vinca-Alkaloide destabilisierend auf die Mikrotubuli. Erst als erkannt wurde, dass Taxol zwar die Mikrotubuli angreift, sie jedoch stabilisiert, nahm das Interesse an Taxol gewaltig zu. Mikrotubuli sind für die Zellteilung unbedingte Voraussetzung, sie nehmen dabei eine zentrale Funktion ein. Es sind röhrenförmige Proteinfilamente, die zusammen mit anderen das Cytoskelett bilden. Im Cytoplasma herrscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen polymerisiertem und depolymerisiertem Tubulin, wobei ständig an- und abgebaut wird. Unerlässlich sind sie für die Ausbildung des Spindelapparats, der sich während der Mitose und Meiose ausbildet. Unter dem Einfluss von Taxol entstehen degenerierte, funktionsunfähige Mikrotubulistrukturen, die behandelte Zelle bildet vielkernige Zellen oder Zellen mit zu kleinen Zellkernen aus. Als Folge davon kann die Signalkaskade für die mit ochondriale Apoptose ausgelöst werden.

Der Run auf Taxane

Die klinische Anwendung von Taxol (1) als einem der effektivsten Cytostatika in der Krebstherapie wäre ohne die Erschließung alternativer Quellen nicht möglich gewesen. Seine Entdeckung löste eine wahre Flut von Untersuchungen bei Taxusgewächsen aus mit dem Ziel, eventuell weitere potente Derivate zur Behandlung anderer Krebsarten zu finden, vor allem aber, um Substanzen in größeren Mengen für eine Halbsynthese von 1 zur Verfügung zu haben. Bisher wurden über 400 taxanähnliche Diterpene isoliert, einige mit interessanter cytostatischer Wirkung (z. B. J. Kobayashi et al.; Med. Res. Rev. 2002, 22, 305). Untersucht wurden alle Teile des Baumes: Nadeln, Rinde, Holz und Wurzeln. 1 wird heute halbsynthetisch aus Baccatin III (2) hergestellt. Die Substanz kann in größeren Mengen (~1g/kg) aus den nachwachsenden Nadeln der europäischen Eibe Taxus baccata gewonnen werden. Eiben sind vor allem in der nördlichen Hemisphäre der Erde verbreitet. Taxane findet man in allen Pflanzenteilen europäischer (T. brevifolia), kanadischer (T.canadensis), chinesischer (T. yunannensis), japanischer (T. cuspidata) oder taiwanesischer (T. sumatrata) Arten. Die daraus isolierten Taxan-Diterpene enthalten entweder das normale, von Taxol her bekannte 6/8/6-Ringsystem, die reorganisierten Strukturen der 11(15?1)-Abeotaxane, 11(15?1), 11(10?9)-Diabeotaxane und 2(3?20)-Abeotaxane, oder transannulare Strukturen von Typ 3,11-Cyclotaxne und 3,8-Secotaxane (Abb. 2).

Von akademischem Interesse: Totalsynthesen

Taxol besteht aus einem Diterpen-Grundkörper mit einem zentralen, achtgliedrigen Kohlenstoffring (B). Die hohe transanulare Spannung derartiger Ringsysteme wird bei 1 zusätzlich erhöht durch die beiden geminalen, nach innen gerichteten Methylgruppen und die Doppelbindung am Brückenkopf des annelieten Rings A (Bredtsche Regel). Die angulare Methylgruppe des transannelierten Rings C komplettiert die komplexen sterischen Verhältnisse. Aber nicht genug damit: Die Peripherie des Moleküls ist dicht besetzt mit zum Teil empfindlichen Sauerstofffunktionen, so dem Oxetanring an Ring C, der sich unter sauren und nucleophilen Bedingungen öffnet, oder der Hydroxylgruppe OH-7, die, wenn nicht geschützt, unter basischen Bedingungen leicht epimerisiert. Schließlich besitzt das Taxolsystem neun und die Seitenkette nochmals zwei stereogene Zentren. Chemiker waren von der einzigartigen und zugleich empfindlichen Struktur des Taxols fasziniert, seine Synthese geriet so zum „Heiligen Gral“ der Naturstoffsynthese. Das Rennen gewann schließlich die Gruppe von K. C. Nicolaou (The Scripps Research Institute La Jolla, Carlifornia), die 1994 die erste Totalsynthese publizierten (Nature 367, 630 – 634; 1994), und im gleichen Jahr publizierte das Team von R. A. Holton eine weitere Synthese. Diese und weitere fünf Synthesen sind wegen der vielen Reaktionsschritte (über 20) und dürftigen Ausbeuten nicht wirtschaftlich nutzbar und eher von akademischem Interesse. Außer der Synthese von Taxol aus Baccatin III (2) ist die Gewinnung aus Pflanzenzellkulturen bedeutsam. Bei T. brevifolia, T. cuspidata, T. canadensis und T.baccata werden bei Zugabe des Pflanzenhormons Methyljasmonat bis zu 23 mg/l Taxane pro Tag mit einem Gehalt von 10 – 20 % Taxol gewonnen. Die Firma Bristol/Meyers/Squibb (USA) verwendet Kalluskulturen von Nadelzellen der Eibe Taxus chinensis zur Produktion von Taxol in einer mit 75000 l weltweit größten Anlage für Pflanzenzellkulturen.

Ein synthetischer Zugang zu Taxol-Vorläufermolekülen

Die Biosynthese von Taxol, die in etwa 19 enzymatischen Schritten verläuft, startet mit dem für Diterpene erforderlichen Geranylgeranyldiphosphat (GGPP), das zum Taxa- 4(5),11(12)-dien (3) zyklisiert wird, dem Vorläufer für alle Taxanmoleküle (Abb. 3). Der danach folgende Einbau der Sauerstofffunktionen
wird von Cytochrom-P450- Monooxygenasen katalysiert. Die Arbeitsgruppe um P. S. Baran hat nun kürzlich gezeigt, dass 3 in praktikablen Syntheseschritten und in Gramm-Mengen zugänglich ist (Nature Chem. 2012, 4, 21- 25). Es ist damit das bisher erste natürlich vorkommende Diterpen, das in großen Mengen und in reiner Form gewonnen werden kann. Vor allem aber ist 3 ein geeignetes Startmolekül zum Aufbau höher oxidierter Vertreter dieser Naturstoffgruppe. Die Synthese für das tricyclische 6/8/6-System wurde so ausgelegt, dass 1. die einzelnen Reaktionsschritte kurz, konvergent und in hohen Ausbeuten verlaufen und 2. die Einführung der Stereozentren mit einer einzigen enantioselektiven Reaktion beginnt und danach die stereochemische Information auf alle anderen Zentren diastereoselektiv übertragen wird. Mit diesem Vorgehen gelingt die Synthese von 3 in nur sieben Stufen (Abb. 4). Noch aber existiert keine Synthese von Taxol, die auf diesen Reaktionsweg aufbauen würde.

Literatur

K.C. Nicolaou, T. Montagon (2008), Molecules that changed the World, Verlag Wiley-VCH

Foto: © Dr. Gehard Schilling