三氧化二砷抗肿瘤作用机制研究进展

冉 伶 刘文君

成都大学医护学院，四川成都 610017

三氧化二砷（AS2O3）是中药砒霜的重要有效部分。近年来，三氧化二砷被广泛的应用与血液系统尤其是急性早幼粒细胞性白血病的治疗，其缓解率高，近几年其也被研究用于治疗多种实体瘤，同样具有良好的效果。其抗肿瘤的作用机制比较复杂，现综述如下。

1 抑制肿瘤细胞增殖

阻滞细胞周期是三氧化二砷抑制肿瘤生长的重要机制之一。三氧化二砷通过影响细胞周期，抑制其增殖、迁移。阻滞K562细胞G1期细胞向S期细胞转化进程，造成G1期细胞增多，S期细胞减少，从而使得G2/M期细胞相对增多。G2/M期细胞增多是细胞受损的普遍反应[1]，也是细胞凋亡的一种表现。此外，Park等[2]证实，三氧化二砷＜5 μmol/L能够使G1期和G2/M期细胞增加，S期细胞减少。王酉等应用三氧化二砷诱导人肝癌SMMC-7721细胞凋亡的实验中也获得了同样的结果。并且Park等[3]研究发现，三氧化二砷可通过调节细胞G2及G2/M期转换的一些关键调控蛋白，如cyclin B的表达，使细胞生长停滞在G2/M期。cyclin D类蛋白是和细胞周期密切相关的蛋白[4]，凌跃新等研究表明，在2 μmol/L三氧化二砷作用下，胆囊癌cyclin D蛋白表达明显受抑制，且cyclin D mRNA翻译明显受抑，且三氧化二砷是通过抑制cyclin D启动子的表达而抑制其表达。

2 诱导肿瘤细胞凋亡及调控凋亡基因

细胞凋亡是由基因编码调控的细胞主动自杀过程，又称程序性细胞死亡，既是生物体维持自身稳定和平衡的一个重要机制，也是消除异常增殖细胞的理想途径。也有研究表明，三氧化二砷对其他恶性血液病及实体瘤细胞具有明显的抑制生长及促进凋亡作用，但促进凋亡的机制不明，目前仍然处于起步阶段[5]。现在已知报道三氧化二砷作用于肿瘤细胞并诱导凋亡的机理主要为，原浆毒作用，降低线粒体跨膜电位，下调Bcl-2和降低Bcl-2/bax比值及活化Caspase等。

细胞凋亡是一个多基因参与的复杂的生命过程，其中Bcl-2基因家族是哺乳动物细胞中调节凋亡的重要调控基因，担负着重要的调控作用。Bcl-2通过抑制氧化应激引起的凋亡，影响细胞内钙流和释放，抑制线粒体cytC释放，使caspase无法活化，从而发挥抗凋亡的作用[6]。有实验证实，三氧化二砷的作用随着caspase-3的活化和Bcl-2/bax比值的下调，且具有时效性，据此推测，三氧化二砷可能通过下调Bcl-2/bax基因的表达，使线粒体膜PT通道开放，释放Cyto-C、AIF、钙离子等凋亡激发因子，与Apaf-1结合后激发外源性Caspase凋亡通路，活化Caspase-3，使细胞走向凋亡[7]。针对Bcl-2蛋白的抗凋亡药物靶标设计，已经成为诱导肿瘤细胞凋亡或提高肿瘤细胞对化疗敏感性的一种新策略问题。

P53是重要的凋亡调节基因，其表达水平的变化与凋亡的发生发展密切相关。P53在多种肿瘤中存在基因突变，被认为是多基因变化的基础。野生型P53抑制细胞转化，是一种抑癌基因，而突变型P53则诱使细胞转化、癌变，与恶性肿瘤的进展和预后有明显的关系。突变和野生型P53蛋白相结合，形成的这种寡聚蛋白不能结核DNA，使得一些癌变基因转录失控导致肿瘤的发生。有研究表明，三氧化二砷具有诱导K562细胞产生凋亡的活性，可以明显下调Bcl-2和突变型P53蛋白的表达，其机制可能通过抑制Bcl-2基因以及突变型P53基因表达与蛋白合成水平，从而导致凋亡发生。

3 诱导肿瘤细胞分化

诱导分化疗法是一种治疗恶性肿瘤的新方法，三氧化二砷用于诱导白血病细胞的分化期理论基础是白血病细胞丧失了正常分化的能力，表现为分化障碍及失控性增殖，利用三氧化二砷可以使白血病细胞部分或全部恢复分化潜能，转变为正常细胞或者导致细胞凋亡，从而达到治疗白血病的目的。因而，诱导分化疗法的主要特点是选择性诱导白血病分化成熟后自然死亡，而对正常的细胞没有明显的毒副反应。三氧化二砷可诱导K562细胞产生不完全分化，组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACI）能够抑制组蛋白乙酰化酶（HAT）活性，阻断由于去乙酰化紊乱而导致的基因表达受抑制而诱导肿瘤细胞分化。推测HDACI能够和三氧化二砷协同抑制慢性粒细胞白血病细胞株K562细胞的增殖。有研究发现，三氧化二砷对白血病细胞NB4细胞有剂量依赖性双向效应，高浓度可诱导细胞凋亡，低浓度长时间作用可诱导细胞部分分化，在其小剂量时，三氧化二砷可通过降解融合蛋白PML/RARa，使得前骨髓细胞克服它们的成熟障碍继续分化下去[8]。也有研究说明三氧化二砷能有效降低细胞中Bcl-2的表达，这可能也是三氧化二砷诱导白血病的另外的机制。Guillemin等[9]的研究表明低浓度的三氧化二砷与环腺苷酸类似物8-CPT-CAMP和8-CI-CAMP之间在诱导APL细胞分化方面有显著的协同作用，提示其诱导细胞分化的机制可能与环磷酸腺苷蛋白激酶路径的激活有关。

4 抑制肿瘤新生血管的生成

肿瘤的生长与新生血管的形成有密切关系，血管生成在肿瘤发生发展中至关重要。Tan等[10]用大鼠肝细胞癌为模型，进行三氧化二砷抑制肿瘤血管新生的演剧，显示经三氧化二砷干预后的肿瘤组织中微血管密度明显减低。

有新研究发现，三氧化二砷能促进肿瘤血管内皮细胞的凋亡，干扰内皮细胞和肿瘤细胞之间的相互促进的环式作用，从而诱导内皮细胞凋亡，抑制肿瘤的新生血管生成，抑制肿瘤血管内皮细胞生长的机制与其影响凋亡相关蛋白有关。三氧化二砷可抑制内皮细胞高表达的Bcl-2，而Bcl-2蛋白表达的减少，使得肿瘤血管处于缺氧环境，减少了连续的营养供应，使肿瘤生长受限，诱导Bax构象改变，从而促进内皮细胞凋亡，血管平滑肌细胞（VSMCS）的凋亡率增高，最终使得肿瘤细胞凋亡，其凋亡率可高达30%。Westem印迹结果显示，三氧化二砷作用后的VSMCS的Bcl-2蛋白表达及内皮细胞的凋亡且具有时间、浓度和效应依赖性的特点。另外许多其他基因的异常表达和调控也参与了三氧化二砷诱导的VSMCS的凋亡，如P53、C-myc、Fas及其相关基因。

三氧化二砷对肿瘤血管生成的调控因子也有重要作用。血管内皮细胞生长因子（VEGF）是目前知道的作用最强的促血管生长因子，VEGF的生物学效应是可通过与血管内皮细胞膜上的受体VEGFR-1（Flt-1）和VEGFR（KDR/Flk-1）实现的。三氧化二砷可以作用于VEGF，可以通过抑制肿瘤细胞内VEGF mRNA及VEGF蛋白的表达而抑制肿瘤细胞的VEGF表达，随着三氧化二砷浓度的增加，VEGF表达更低，呈现剂量依赖性。Liu等[11]发现三氧化二砷可以抑制裸鼠肝细胞癌移植瘤的生长，并且抑制瘤细胞中VEGF蛋白表达。对实体瘤的生长呈同样结果，用三氧化二砷治疗实体瘤，在肿瘤组织生长缓慢，血管密度减少的同时，肿瘤细胞的VEGF的表达下降，血管密度减低。而Kimura等认为转录因子HIF-1调控VEGF的表达，而HIF-1的活性主要取决于HIF-1α蛋白的稳定性，活性氧（ROS）的增加可迅速降解HIF-1α蛋白，三氧化二砷可通过诱导肿瘤细胞产生ROS[12]，ROS作为第2信使激活下游的信号通路，抑制细胞增殖并诱导细胞发生凋亡。

三氧化二砷可作用于基质金属蛋白酶（MMP），MMP是一类特异的蛋白水解酶类，能降解细胞外基质，肿瘤血管则通过MMP使内皮细胞向周围组织侵入。VEGF、MMP-2和MMP-9在血管新生过程中也有调控关系。VEGF促进内皮细胞增殖，并促进内皮细胞表达MMP-2或MMP-9降解细胞外基质，而内皮细胞增生，细胞外基质降解构成了血管新生的两个基本环节。有研究提示，血管生成素-2和VEGF在肝细胞癌的过表达可增加MMP-2和MMP-9的水平，抑制VEGF表达几乎完全抑制了MMP 的表达[13]。可见MMP和VEGF之间关系密切，在促进肿瘤血管的生成上具有协同效应。

5 下调端粒酶活性

端粒酶是一种特殊的核糖核蛋白多聚酶，其结构为RNA和蛋白质的复合物，其中的RNA成分是端粒合成的模板，其蛋白质成分是一种逆转录酶，因此，端粒酶的活化可以弥补复制造成的端粒缩短。端粒-端粒酶学说认为，大多数的肿瘤细胞均有端粒酶活性的显著升高，肿瘤细胞在其复制过程中，尽管其端粒不断缩短，甚至比相应的正常组织更短，但由于细胞在恶变过程中发生了端粒酶的再激活，因此仍表达端粒酶活性。由于持续存在高水平的端粒酶活性，细胞的端粒长度随着细胞的不断分裂仍保持相对的稳定，使得细胞成为一种永生化的状态，因此，端粒酶的活化与肿瘤的发生密切相关，是一种新型的肿瘤标志物，是多种肿瘤细胞无限增殖的重要径路，因而端粒酶成为肿瘤诊断的标志物和肿瘤治疗的靶点。

急性白血病普遍表达端粒酶活性，与白血病的发生发展有密切的关系。端粒酶活性增高提示体内存在失控性增殖的肿瘤细胞，与白血病病情转变密切相关。端粒酶活动度分析提示，初诊及复发时候急性淋巴细胞和急性粒细胞白血病患者均表现出较高的端粒酶活性，骨髓增生异常综合征转变为急性白血病或慢性白血病急性变后，端粒酶的活性较原来明显增加。急性白血病在不同阶段，其端粒酶水平表达不完全一样，复发和难治性急性白血病的端粒酶活性明显高于缓解及恶性程度低的急性白血病，并且，端粒酶活性越高，患者的治疗效果及预后越差，存活率越低。研究发现，白血病患者经过三氧化二砷治疗后，获得临床血液及骨髓细胞学缓解，同时端粒酶活性较原来明显降低。研究提示，三氧化二砷抑制白血病及实体瘤细胞增殖和诱导凋亡过程中端粒酶活动度下调，并且阻滞细胞周期在G2/M期，细胞周期蛋白和凋亡相关蛋白表达改变等[14]，有资料证实，K562细胞需要较大剂量的三氧化二砷才能出现生长抑制，三氧化二砷治疗急性白血病实际上下调端粒酶的活性，即三氧化二砷调节端粒酶活性是其抗肿瘤的重要途径。

综上所述，三氧化二砷抗肿瘤的机制比较复杂，它可以通过抑制肿瘤细胞增殖， 诱导肿瘤细胞凋亡及调控凋亡基因， 诱导肿瘤细胞分化， 抑制肿瘤新生血管的生成， 下调端粒酶活性等机制发挥抗肿瘤作用，也可能为多种方式的共同作用，也可能还有很多未知的途径。但与此同时，Au等[15]报道，在三氧化二砷治疗白血病的同时诱发实体瘤，长期应用三氧化二砷是否可致畸，可致基因突变，也成为新的关注问题。因此，在对三氧化二砷的研究中，应该从临床和基础上均加强三氧化二砷对抗肿瘤机制的研究，应用现代生物学新技术从新角度出发去探索新的机制，为三氧化二砷的应用提供理论依据。

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