砷劑，主要成分為三氧化二砷（As2O3），在祖國醫藥中被稱(chēng)為砒石。幾世紀以前
，砷劑就被人們用來(lái)治療牛皮癬、風(fēng)濕癥、白血病、梅毒、痔瘡等。目前臨床上砷
劑的應用主要限于用有機砷治療錐蟲(chóng)病或三氧化二砷作牙髓失活劑。哈爾濱醫科大
學(xué)首先報道了靜脈滴注As2O3治療復發(fā)的急性早幼粒細胞白血?。ˋPL）達到很高的
完全緩解率后，上海血液研究所發(fā)現As2O3可誘導APL細胞凋亡和部分分化。近年來(lái)
，國內外對砷劑與腫瘤的研究發(fā)展很快，發(fā)現砷劑對惡性淋巴系統疾病、紅白血病
甚至實(shí)體瘤有令人振奮的治療效果?，F就其生化作用及對腫瘤的誘導凋亡作用作一
綜述。

1　砷的生化作用

砷作為微量元素，存在于正常人體內。其化學(xué)形式可分為三價(jià)砷(無(wú)機砷)和五價(jià)砷
(有機砷)，它們在體內的相互轉換和代謝決定著(zhù)砷的毒性作用。三價(jià)砷毒性較大，
易在體內蓄積，主要經(jīng)胃腸道緩慢排泄;而五價(jià)砷則相對毒性較低，蓄積傾向低，
主要經(jīng)腎臟較快排泄。進(jìn)入人體后的三價(jià)砷在肝臟內還原發(fā)生甲基化，形成一甲胂
酸(MMA)或二甲胂酸(DMA)，從而被解毒。

砷是一種細胞原漿毒，細胞內的相鄰巰基是三價(jià)砷的主要化學(xué)受體。應用含巰基的
還原型谷胱甘肽可阻斷砷劑的毒性作用。含大量巰基的還原型角蛋白結合砷劑的量
為含較少巰基的氧化型角蛋白結合砷劑量的十倍。砷劑與酶分子內的巰基作用后可
抑制其活性。受影響的重要酶系統有丙酮酸氧化酶、丙酮酸脫氫酶、磷酸酯酶、細
胞色素氧化酶、脫氧核糖核酸聚合酶、白介素1β轉化酶（ICE）等，從而直接影響
了細胞的代謝過(guò)程、染色體結構、核分裂等。

線(xiàn)粒體是對砷劑作用最敏感的細胞器，三價(jià)砷消耗了線(xiàn)粒體內親水的巰基后，干擾
了線(xiàn)粒體內的離子平衡以及NAD(P)H的氧化，從而干擾了線(xiàn)粒體的能量代謝，引起
細胞功能的紊亂。砷劑是否對正常細胞有毒性作用取決于劑量，如As2O3治療APL有
效血濃度及體外研究其對腫瘤細胞作用的有效濃度均在0.1μM～2.0μM，實(shí)驗表明
As2O3在此濃度下對造血干細胞影響甚小[1]。

2　砷劑對腫瘤細胞的誘導凋亡作用

與正常細胞不同，腫瘤細胞生長(cháng)失控，分化或凋亡受阻。近年來(lái)研究表明砷劑既可
誘導腫瘤細胞凋亡、部分分化，也可抑制其增殖。多項研究表明誘導凋亡為其殺傷
腫瘤細胞的主要機制。

2.1　開(kāi)放MPT，活化caspase家族

研究表明，細胞凋亡發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節不在細胞核而在細胞質(zhì)。雖然凋亡細胞呈現一
系列的特征性形態(tài)學(xué)變化，但這些改變僅僅是細胞凋亡的結果。凋亡細胞在被誘導
產(chǎn)生特征性形態(tài)學(xué)改變和DNA降解之前，一個(gè)最普遍的變化是線(xiàn)粒體膜功能的改變
即線(xiàn)粒體的通透性改變(permeability transition，PT)，這是調節凋亡的中心環(huán)
節。線(xiàn)粒體通透性轉運孔道(MPT)是位于線(xiàn)粒體內外膜之間的多蛋白復合體，至少
包括胞質(zhì)的己糖激酶、外膜的PBR、外室的肌酸激酶、內膜的ANT及基質(zhì)的親環(huán)蛋白
D（cyclophilin D）等。MPT通過(guò)調節線(xiàn)粒體基質(zhì)中的Ca2＋、pH和電荷，維持線(xiàn)粒
體內環(huán)境穩定，保證氧化磷酸化通路通暢，對凋亡控制具有重要作用。砷劑與巰基
結合后，導致MPT開(kāi)放，線(xiàn)粒體跨膜電位(△ψm)下降或消失，繼之呼吸鏈脫偶聯(lián)，
谷胱甘肽耗竭，活性氧類(lèi)（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生及對誘導凋亡非
常重要的蛋白酶活化物的釋放，包括細胞色素C(Cyto-C)和凋亡誘導因子(AIF)， 
Cyto-C和 AIF均可激活caspase，caspase可誘導凋亡。

caspase即半胱氨酸蛋白酶家族。在NB4（一種APL細胞系），U937及SH?SY5Y成神
經(jīng)細胞瘤等細胞系中均可見(jiàn)As2O3等砷劑誘導的凋亡相關(guān)的caspase激活[2，3]。根
據其在細胞凋亡中的作用可分為始動(dòng)(上游)caspase(caspase2，8，9，10)和效應
(下游)caspase(caspase3，6，7)兩大類(lèi)。前者在凋亡誘導信號作用下結合特異輔
因子而活化，并進(jìn)一步活化后者。而caspase抑制劑(Z?VAD，fmk等)可阻止砷劑誘
導的凋亡。因而caspase的活化級聯(lián)形式是砷劑誘導凋亡的重要通路。綜上所述，
砷劑引起的MPT開(kāi)放和△ψm破壞是決定細胞生存與否的關(guān)鍵，而caspase是砷劑誘
導凋亡的下游效應物，其活化可誘導細胞凋亡。

2.2　改變細胞內氧化還原狀態(tài)

細胞內ROS的產(chǎn)生和抗氧化代謝的平衡往往是決定細胞生存與否的關(guān)鍵。蛋白的氧
化作用可能是改變核基因轉錄的重要步驟，氧化作用通過(guò)基因轉錄改變細胞的表型
以便進(jìn)一步啟動(dòng)凋亡的發(fā)生，且凋亡的最后階段需要氧化過(guò)程的參與，如細胞膜蛋
白的氧化能開(kāi)放離子通道間接地導致細胞皺縮，通過(guò)組蛋白的氧化修飾作用導致染
色體結構的改變。砷劑可使細胞內ROS生成增多是由于：（1）MPT開(kāi)放，線(xiàn)粒體內
氧化呼吸鏈受阻，致ROS外漏。（2）活化黃素蛋白依賴(lài)的超氧化物酶（如NADPH氧
化酶），使H2O2產(chǎn)生增多，后者可通過(guò)從線(xiàn)粒體釋放Cyto-C，活化caspase-3并裂
解多聚ADP核糖多聚酶(PARP)而介導凋亡（PARP在DNA受損時(shí)可識別并結合到DNA斷
裂處被激活而參與DNA的修復，是細胞凋亡中第一個(gè)被鑒定為由caspase-3降解的D
NA修復酶）；又可通過(guò)與線(xiàn)粒體巰基形成復合物而降低GSH的活性等途徑使ROS清除
減少。故砷劑可通過(guò)改變細胞內的氧化還原狀態(tài)誘導凋亡。但將細胞培養于氧濃度
低于10ppm不可能產(chǎn)生ROS的條件下，仍可發(fā)生凋亡，故這可能只是機制之一。

2.3　快速調變PML?RARα融合蛋白的亞細胞定位

APL細胞特征性染色體易位t(15;17)導致早幼粒細胞白血病基因(PML)和維甲酸受體
α基因(RARα)融合，表達PML-RARα融合蛋白。通過(guò)轉基因小鼠實(shí)驗可證實(shí)PML-R
ARα融合蛋白是APL發(fā)病的主要分子基礎。體外研究表明，PML-RARα融合蛋白既阻
斷APL細胞的分化，也使APL細胞凋亡受阻。早期認為砷劑通過(guò)降解此蛋白而誘導A
PL細胞凋亡，稱(chēng)之為維甲酸受體信號通路[4]。正常血細胞中野生型PML與RARα等
共定位于核體(PODs)中。大多數APL細胞因PML-RARα與PML形成異二聚體而使PODs
結構解體，阻止細胞分化及抑制凋亡。砷劑使PML， PML-RARα重新共定位于PODs
并快速降解之。該現象與APL細胞凋亡以及二硫鍵還原劑二硫蘇糖醇(DTT)抑制NB4
細胞凋亡與抑制PML-RARα快速降解在時(shí)相上均有一定的相關(guān)性，被認為是砷劑治
療APL的機制之一。但有實(shí)驗顯示[5]，在PML－小鼠(不含PML基因的小鼠)，As2O3
同樣能抑制細胞增殖及誘導凋亡，且其誘導凋亡效應不僅見(jiàn)于A(yíng)PL細胞，還可見(jiàn)于
非霍奇金淋巴瘤細胞、慢性淋巴細胞白血病細胞及某些正常細胞，故其誘導凋亡機
制是非特異性的，維甲酸受體信號通路并非是砷劑誘導凋亡的惟一機制。

2.4　抑制Bcl-2基因

Bcl-2基因即細胞淋巴瘤/白血病-2基因是研究最早的與凋亡有關(guān)的基因[6～9]，是
一種凋亡抑制基因，又稱(chēng)長(cháng)壽基因，是維持癌細胞無(wú)限制生長(cháng)的主要基因。Bcl-2
家族包括Bcl-2、Bax、Bcl-X、Bcl-w、Bak、Bad、A1 、NR-13和Mcl-1，其中Bax、
Bak、Bcl-Xs是促凋亡因子，其余為抗凋亡因子。Bcl-2對細胞周期無(wú)明顯影響，而
對細胞死亡的干擾有選擇性，阻止了細胞死亡的最后途徑，包括核苷酸內切酶對D
NA的降解。Bax是Bcl-2的一種同源蛋白，Bax既可以形成同聚體，又可與Bcl-2形成
異二聚體，Bax蛋白與Bcl-2蛋白的比值影響著(zhù)細胞受到刺激后發(fā)生凋亡的比率。目
前認為，Bcl-2家族促凋亡因子和抗凋亡因子的相對表達水平至少部分決定了細胞
對凋亡信號的反應性。大量實(shí)驗表明，Bcl-2與Bcl-X l能夠抑制MPT開(kāi)放和維持線(xiàn)
粒體△ψm，進(jìn)而抑制Cyto_C和AIF從線(xiàn)粒體釋放入胞漿并阻斷了ROS的生成，增加
胞內GSH含量并促進(jìn)其向核內轉移，即有細胞內抗氧化作用。在砷劑誘導的NB4、U
937及B細胞白血病細胞系LyH7細胞凋亡中Bcl-2表達下調[10]。在1.0μM As2O3誘
導NB4細胞凋亡時(shí)[11],CPP32（caspase3）被激活和降解PARP，同時(shí)Bcl-2不僅在m
RNA水平而且在蛋白質(zhì)水平均被下調；而在1.0μM As2O3誘導惡性淋巴性白血病細
胞凋亡過(guò)程中既無(wú)CPP32激活又無(wú)Bcl-2調變，提示砷劑誘導的凋亡中Bcl-2發(fā)揮的
作用各異。有實(shí)驗表明，2.5μM As2O3[12]使肝癌細胞系Hep201Bcl-2表達明顯下
降，而凋亡的促進(jìn)因子Bax的表達明顯增加，兩種基因表達比例發(fā)生變化。又有報
道，10μM As2O3處理人肝癌QGY-7701、QGY-7703細胞48小時(shí)后其Bcl-2基因表達明
顯下降，Bax和Fas基因表達明顯增強，Bax蛋白與Bcl-2蛋白比值增加。對Bax、Bc
l-Xl等基因是否表達各報道不同[13～15]。Bcl-2的過(guò)度表達可抑制砷劑誘導的凋
亡相關(guān)現象，而通過(guò)反義技術(shù)使Bcl-2下調可抑制細胞增殖及促進(jìn)凋亡。綜上所述
，砷劑可通過(guò)對Bcl-2基因的抑制誘導某些腫瘤細胞的凋亡。但As2O3并不影響惡性
淋巴瘤細胞及某些成神經(jīng)細胞瘤細胞系Bcl-2（Bcl-Xl）的表達，提示Bcl-2可能不
是參與誘導以上細胞凋亡的主要中介。

2.5　抑制NF-κB的活化

核轉錄因子NF-κB（nuclear factor-κB）是1986年首先于B細胞中發(fā)現的一種結
合于免疫球蛋白κ輕鏈增強子上的核蛋白[16]。在正常情況下，NF-κB與其抑制物
IκBα結合，存在于細胞漿中，IκBα遮蔽著(zhù)NK-κB的基因定位序列（NLS），NF
-κB的生物學(xué)活性不表現出來(lái)。當細胞受到外界因素（包括細菌或病毒感染、炎癥
細胞因子、TNF、LPS、紫外線(xiàn)照射、電離輻射）等刺激時(shí)，IκBα將發(fā)生磷酸化并
迅速降解，NF-κB就被釋放、激活并轉入細胞核內調控一系列的基因表達。其中，
NF-κB在腫瘤細胞中發(fā)揮著(zhù)重要的抗凋亡作用，因此，抑制腫瘤細胞NF-κB的活性
將引起腫瘤細胞的凋亡，從而抑制腫瘤的生長(cháng)。有研究表明[17]，As2O3可強烈抑
制HTLV-1和HTLV-2（human T-cell leukemia virus type 1,2）細胞的IκBα磷酸
化，使NF-κB不能進(jìn)入細胞核中，即抑制了NF-κBN的活化。啟動(dòng)子為NF-κB依賴(lài)
性的抗凋亡蛋白Bcl-X1的表達也因此而下調?！鳓譵下降及Cyto-C的釋放導致casp
ase-3激活，進(jìn)而誘導了HTLV-1和HTLV-2這兩種對大多數凋亡誘導劑有抵抗作用的
細胞發(fā)生凋亡?？梢?jiàn)，抑制NF-κB的活性也是砷劑誘導腫瘤細胞凋亡的機制之一。

2.6　使胞質(zhì)Ca2＋濃度升高

Zhang等[18]發(fā)現以As2O3處理胃癌細胞系MGC803時(shí)，胞質(zhì)Ca2＋濃度升高與MGC803
細胞凋亡呈平行關(guān)系，且兩者對As2O3呈時(shí)間、劑量依賴(lài)性。推測砷可能通過(guò)以下
機制改變胞質(zhì)Ca2＋濃度：（1）由于膜表面的Bcl-2相關(guān)蛋白具有陽(yáng)離子選擇性通
道的功能，Bcl-2能在內質(zhì)網(wǎng)、細胞核和線(xiàn)粒體水平影響Ca2＋的亞細胞分布。因而
，砷等凋亡信號對Bcl-2的抑制作用使Ca2＋通道開(kāi)放，胞質(zhì)Ca2＋濃度升高；（2）
細胞內ROS活性升高及砷劑直接作用于細胞內鈣離子轉位酶的巰基均可使胞內外Ca
2＋平衡失控；（3）線(xiàn)粒體△ψm下降使得Ca2＋吸收逆轉，導致Ca2＋由線(xiàn)粒體轉
移至胞質(zhì)。內質(zhì)網(wǎng)及線(xiàn)粒體內Ca2＋耗竭可直接或通過(guò)加強線(xiàn)粒體內氧化應激而導
致細胞凋亡，而且，鈣離子本身作為一種凋亡信號，可調節鈣離子敏感的關(guān)鍵酶如
蛋白激酶、磷脂酶、核酸內切酶及谷氨酰氨轉移酶等誘導凋亡。

細胞凋亡與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展是當前研究的熱點(diǎn)，探討砷劑對腫瘤的誘導凋亡作用
很有意義，將為砷劑應用于臨床提供堅實(shí)的理論基礎

閱讀：  2016-05-10 17:09:03