Meer wetenschapsnieuws van de TU Delft Colofon DI-Archief
Taxol uit de boom melken
DOOR MAARTEN VAN DER SANDEN De strijd tegen
verschillende vormen van kanker kent vele wegen. Eén daarvan is het gebruik van het taxol als
medicijn tegen eierstok- en borstkanker. De behandeling is echter zeer duur en de winning van het celdelingsremmend middel is niet eenvoudig. Taxol wordt nu nog geëxtraheerd uit de gemalen bast van de Taxus brevifolia, een boom die hoofd- zakelijk in de Verenigde Staten voorkomt. Alleen, voor één kilo taxol is zo ’ n 9.000 kilo schors nodig! In Europa komt de
Taxus baccata in de Cultuurtuin van de TU DELFT. Deze boom produceert baccatin III, een stof die na semisynthese geschikt is voor het afremmen van bepaalde soorten kanker.
Taxus baccata veel meer voor. Baccatin iii, de werkzame stof uit de Taxus baccata, moet nu nog een semi-synthese ondergaan om het biologisch actief te maken. Op dit ogenblik wordt veel onderzoek verricht naar het mogelijk volledig kunstmatig fabriceren van taxol. Aan de TU DELFT heeft deeltjestechnoloog dr.ir. Jan Marijnissen met zijn collega dr. Rein Roos uit Frankrijk
gewerkt aan een andere
winningsmethode. Volgens beide onderzoekers is het in elk geval mogelijk
taxusbomen te
Aardelektrisch veld
Dr. Rein Roos onderzoekt de relatie van
atmosferische elektriciteit, biologie en menselijke activiteiten. In deze grafiek wordt de invloed van de zon op verschillende elektrische processen bij het aardoppervlak over een periode van iets meer dan een dag weergegeven. Roos ontwikkelde de Electrically Charged Aërosol Monitor (ECAM) waarmee hij op zo n drie meter hoogte metingen doet aan kleine geladen aërosol deeltjes (KGAD), die voornamelijk bestaan uit water en terpenen. Ze worden ’s nachts geproduceerd door de lokale vegetatie. Op de eerste dag nam hij bij zonsopgang een stijging waar van het aantal KGAD. Als gevolg van de elektrostatische afstoting van de aarde blijven de KGAD een tijdje stationair op een hoogte van enkele meters hangen. Het zonlicht zorgde voor een thermische opdrift waardoor de deeltjes zich naar boven bewogen en er al voor het
middaguur een steile piek ontstond. De KGAD konden niet meer worden gemeten met apparatuur op de grond. De onderzoeker vermoedt dat KGAD bijdroegen aan het genereren van de wolken die die middag ontstonden. De variaties in de curven van de temperatuur en het zonlicht worden
veroorzaakt door wolken. De tweede dag nam Roos geen piek van KGAD waar, hij zoekt de oorzaak daarvoor in de grote verspreiding van pollen op die dag. De pollen gedragen zich als fibers in een filter en vangen de KGAD op. Ze worden daardoor negatief geladen en blijven in het aardelektrisch veld zweven. Uit Engels onderzoek blijkt dat pollen daardoor afstanden tot zo’n 800 kilometer in het aardelektrisch veld kunnen afleggen.
Het aardelektrisch veld (+7 meter) was ’s ochtends negatief door de aanwezigheid van de KGAD. ’s Middags draaide het veld om en werd de curve
«melken» met behulp van elektrospraying.
Marijnissen en Roos werken al jaren samen op het gebied van elektrosprayen. De Delftenaar houdt zich meer in het lab bezig met het ontwikkelen van modellen en toepassingen van het
elektrosprayen terwijl Roos meer in het veldonderzoek zit. Al meer dan tien jaar verricht hij onderzoek op een gebied dat hen
uiteindelijk bracht op het idee om de taxus-bomen onder spanning te zetten en de taxol (eigenlijk een merknaam) gewoon uit de boom te «melken».
Roos, werkzaam aan de Franse Ecole National Supérieure d’ingenieur du Mans, Université de Maine in Le Mans, doet
onderzoek naar het aardelektrisch veld. Hij probeert veranderingen van het aardelektrisch veld te relateren aan veranderingen in het weer, bijvoorbeeld het ontstaan van regen en onweer. Het
uiteindelijk doel van eerdere experimenten was aantonen dat planten heel veel aërosolen laten vrijkomen bij een sterk aardelektrisch veld.
‘Ik heb in mijn eigen huis in Frankrijk, midden op het platteland, een eigen lab gebouwd’, vertelt Roos. ‘Wat ik toen ook heb gezien, is dat net voor of tijdens een onweersbui het aardelektrisch veld heel erg sterk wordt. Dikke wolken komen geladen aan en het spanningsverschil tussen de aarde en de lucht neemt heel sterk toe. Bomen krijgen dan een grote spanning te verwerken die ze weer kwijt kunnen raken door te sproeien. Uit de scherpe puntjes van de bladeren of de naalden komt vocht met daarin allerlei etherische oliën. Dat geeft bijvoorbeeld een pijnboombos zo’n heerlijke geur na een onweersbui. Later bleek dat op hetzelfde fenomeen te berusten als het elektrosprayen van Jan Marijnissen. Overigens, om de invloed van pollen op de variatie in de
meetresultaten in kaart te brengen, moesten er dagelijks monsters worden genomen en worden opgestuurd naar het Pasteur Instituut in Parijs. Soms was ik er niet en dan was de postbode zo
rommelig omdat KGAD de bovenlaag bereikten van de uitwisselingslaag (tot 3.000 meter). Het
ioniserende effect van het zonlicht op die hoogte (waar zich ook UV-C bevindt) veranderde de lading van negatief naar positief. Het gevolg was dat de dan positief geladen aërosolen weer door de aarde werden aangetrokken. Overigens denkt Roos dat bacteriën in ziekenhuizen mede worden verspreid door elektrostatische velden, veroorzaakt door beelschermen en moderne hoog isolerende materialen, zoals plastics.
[The forgotten pollution, dr. R.A. Roos, 1996 Kluwer Academic Press, Dordrecht. ISBN 0-7923-3917-7 / andre.roos@wanadoo.fr]
vriendelijk om de bemonsteringspotjes te verwisselen en op te sturen.’ Roos promoveerde zeven jaar geleden in Frankrijk op het proefschrift Electrical gas discharges and the influence of airborne pollution. Enkele jaren later verscheen zijn boek Forgotten
pollution, waarin hij beschrijft dat het aantal aërosolen dat in de lucht komt door planten een niet te verwaarlozen hoeveelheid is. Sommige stoffen die vrijkomen bij het sproeien van de bomen blijken toxisch te zijn. Roos: ‘Ik ken een aantal forellenkwekers dat last had van vissterfte of vissen die blind werden door stoffen die uit planten en bomen vrijkomen na een onweersbui.’
Hoogspanning
Op het ogenblik dat Roos bezig was met research naar het aardelektrisch veld en de «Forgotten Pollution» was Marijnissen bezig met zijn onderzoek naar elektrosprayen. Als vrienden spraken ze natuurlijk met elkaar over het onderzoek van beide. Bovendien hoorden ze over de taxolwinning uit de taxusboom. Marijnissen: ‘Dat was zo’n beetje de aanleiding voor ons
experiment. In de achtertuin bij mij thuis zijn we toen in onze vrije tijd begonnen met het bekijken van de mogelijkheid om de
taxusboom die daar staat te laten sprayen door het aanbrengen van een elektrisch veld. Min of meer de boom «melken» dus.’ De onderzoekers probeerden in de achtertuin van Marijnissen een spanning op te bouwen tussen de boom en een elektrode van aluminiumfolie. Ze gebruikten daarvoor een hoogspanningsbron en een petrischaaltje met aluminiumstrip dat onder de naalden werd geplaatst. De boom diende als aarde en op de aluminiumfolie werd de hoogspanning gezet.
Marijnissen: ‘We hebben toen een tak gezocht die vrij recht was. De naalden hebben we boven de strip alminium gelegd.
Vervolgens zetten we een stroommeter in serie met de
spanningsbron. Als we de spanning opvoerden, zag je dat het takje naar de strip werd getrokken en hoorde je gewoon dat er iets uitkwam. Titiktiktiktiktik! Op het aluminium zag je het
spetteren en in de boom kwamen zelfs sapstromen op gang: dat
Dr. J. Marijnissen en dr. R. Roos tijdens een experiment met een Taxus baccata in de Cultuurtuin van de TU Delft.
hoorden we. Er was dus een toevoer in de richting van de naalden. Bevatte het sap dat uit de naalden kwam echter ook het
anti-kankermiddel? De analyse is vrij complex. We weten dat het
vrijgekomen sap niét oplost in water maar wél in alcohol. Op water zag je hele kleine witte puntjes die in alcohol oplosten. Alle
aspecten die we kennen van taxol voldoen daaraan. De
«gemolken» stof moet nog verder worden geanalyseerd. Wat ons betreft lijkt het taxol, maar we willen natuurlijk zekerheid. Een eerste poging om de stof met een massa-spectrometer te
onderzoeken, mislukte omdat die methode ongeschikt bleek voor baccatin iii’, aldus de Delftse onderzoeker. ‘De schade aan de boom is trouwens minimaal gebleken, er is één naaldje verbrand: doordat dat kortsluiting maakte met de aluminiumfolie. De bomen in mijn eigen tuin en ook die van de cultuurtuin van de universiteit in Delft, waar we ook experimenten hebben gedaan, zien er nog prima uit.’
Planten
Marijnissen is van mening dat Roos en hij hebben bewezen dat men op deze manier planten kan aftappen. Nu hebben ze dat gedaan bij de taxusboom, omdat de winning van taxol en de hoge kosten hen maatschappelijk problemen van belang bleken. Maar het is natuurlijk ook denkbaar dat elektrosprayen op andere vormen van plantenleven van toepassing is. Dat laatste is misschien één van de belangrijkste spin-offs van dit onderzoek. Taxol immers is de laatste tijd niet het minst besproken middel tegen enkele specifieke vormen van kanker. Taxol zelf geneest niet, maar het werkt levensverlengend. Bovendien zijn
wetenschappers druk doende het complexe molecuul te
synthetiseren, iets dat overigens nog niet blijkt mee te vallen. Totdat synthese mogelijk is, kan de oplossing van Marijnissen en Roos een uitkomst zijn.
Pasteur
Op dit ogenblik is de bestudering van sappen uit tropische planten zeer actueel. Daarbij gaat het met name om sap dat mogelijk een
medicinale werking heeft. In de film ‘Medicine Man’ heeft Sean Connery dit op het witte doek gebracht. Maar het wordt natuurlijk al eeuwen lang gebruikt door mensen die in gebieden met
taxusbeplanting wonen. Marijnissen: ‘In dit verband hebben Roos en ik onze connecties bij het Louis Pasteur Instituut aangetrokken. We hebben vaker met het Pasteur-instituut samengewerkt om de samenhang vast te stellen tussen allergie, pollen en
luchtverontreiniging. Bovendien hebben ze daar prachtige tropische kassen met planten en bomen die in de koloniale tijd naar Parijs zijn versleept. We hebben in ieder geval onomstotelijk aan de hand van de taxus vastgesteld dat je planten op onze manier kunt aftappen. Daar komt bij dat we uit ervaring weten dat stoffen tijdens het sprayen intact blijven. We hebben eens
enzymen gesproeid en die bleven gewoon intact.’ Taxuswoud
Sprayen is ook een zeer ecologische manier van verzamelen en het eventuele grootschalige gebruik van medicamenten voordat die gesynthetiseerd kunnen worden. Dat geldt min of meer ook nog voor de winning van taxol. In de Ardennen bestaat bijvoorbeeld nog een heel oud taxuswoud. Zulke wouden zijn schaars omdat veel taxusbomen zijn gekapt nadat het vee doodging door het eten van de taxusnaalden. Verschillende farmaceutische industrieën fabriceren taxol uit ingezameld snoeiafval van taxushagen en
taxusbomen. Marijnnissen: ‘Je kunt zo’n taxuswoud sparen en toch gebruiken als we de bomen inderdaad kunnen melken. Een van de grote voordelen van de elektrospray-methode is dat het
«gemolken» product altijd voorhanden is en waarschijnlijk van een constante kwaliteit kan worden gehouden. Daarnaast moeten we toch zwaar inzetten op de winning van sappen uit tropische planten.’
Alleen al in Zuid-Oost-Azië gaat het om 1500 plantensoorten die nu al traditioneel worden gebruikt wegens hun medicinale werking; en daarbij gaat het niet alleen om het winnen van geneesmiddelen voor de behandeling van kanker.
Petrischaaltje met een elektrode van aluminiumfolie waarop door middel van de hoogspanningsbron een spanning van zo’n tien kilovolt is aangebracht. De boom zelf vormt de aarde. Aan de punten van de naalden ontstaat een dusdanig sterk elektrisch veld dat de naalden gaan sproeien. De
afgescheiden vloeistof wordt door het elektrisch veld naar de elektrode in het petrischaaltje
getrokken. Het voordeel van deze methode boven de verwerking van snoeiafval is het feit dat de boom telkens opnieuw kan worden gemolken.
Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Dr.Ir. J. Marijnissen, tel. (015) 278 4368, fax (015) 278 4452, e-mail j.c.m. marijnissen@stm. tudelft.nl .
De opbrengst van de opstelling met het
petrischaaltje: wittige, transparante korreltjes in een soort bimodale verdeling. De grootste korrels zijn ongeveer 0,1 millimeter.
Vloeistof uit de naalden van de Taxus baccata, neergeslagen op de silicium elektrode in de vorm van vele kleine witte naaldjes en puntjes.
Macro-opname van Taylor conus in een opstelling voor het maken van zeer dunne lagen keramisch materiaal uit cobaltacetaat en lithiumacetaat in oplossing met behulp van hoogspanning.
Elektrosprayen
Wanneer een vloeistof langzaam door een injectienaald wordt gedrukt - of door de
huidmondjes van een blad - vormt zich normaliter een bolvormige kop op de naald of het blad, die vervolgens langs de zijkant uitstroomt. Als op injectienaald of blad en de depositieplaat (het alufolie in de opstelling van Roos en Marijnissen) hoogspanning wordt gezet, gebeurt er iets
merkwaardigs met de vloeistof. De ionen bewegen zich naar het vloeistofoppervlak.
Afhankelijk van de lading op de naald of het blad, zijn dat positieve of negatieve ionen. Dit
verschijnsel leidt tot een naar buiten gerichte elektrostatische druk op het vloeistofoppervlak. Als de spanning maar ver genoeg wordt opgevoerd, neemt de druppel de vorm aan van een conus (Taylor Cone). Op dat moment ontstaat het fenomeen elektrosprayen.
In de top van de conus ontstaat daarbij een jet waaruit een grote hoeveelheid kleine tot zeer kleine druppeltjes wordt gegenereerd. Door de lading die de deeltjes bij zich dragen, waaieren ze uit in een ‘spray’. De Britse arts William Gilbert, die als hobby natuurkunde had, beschreef het fenomeen
elektrosprayen al in 1600 in zijn boek «De
Magnete». In de jaren ’60 heeft Sir Geoffrey Taylor de conus die Gilbert zag ook mathematisch
beschreven. Sindsdien heet de conus dan ook Taylor Cone.
Het fenomeen Elektrosprayen is eerder beschreven in Delft Integraal 96.6/97.1, Geavanceerde
verfspuit maakt keramische broccoli.
In Delft Integraal 98.5 verscheen het artikel Wetenschappelijke ‘pas de deux’ verschaft astmalijders lucht.
