砷剂对肿瘤细胞的诱导凋亡作用

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1、砷剂对肿瘤细胞的诱导凋亡作用作者：宋铁芳[关键词]肿瘤细胞砷剂，主要成分为三氧化二砷（As2O3），在祖国医药中被称为砒石。几世纪以前，砷剂就被人们用来治疗牛皮癣、风湿症、白血病、梅毒、痔疮等。目前临床上砷剂的应用主要限于用有机砷治疗锥虫病或三氧化二砷作牙髓失活剂。哈尔滨医科大学首先报道了静脉滴注As2O3治疗复发的急性早幼粒细胞白血病（APL）达到很高的完全缓解率后，上海血液研究所发现As2O3可诱导APL细胞凋亡和部分分化。近年来，国内外对砷剂与肿瘤的研究发展很快，发现砷剂对恶性淋巴系统疾病、红白血病甚至实

2、体瘤有令人振奋的治疗效果。现就其生化作用及对肿瘤的诱导凋亡作用作一综述。1　砷的生化作用砷作为微量元素，存在于正常人体内。其化学形式可分为三价砷(无机砷)和五价砷(有机砷)，它们在体内的相互转换和代谢决定着砷的毒性作用。三价砷毒性较大，易在体内蓄积，主要经胃肠道缓慢排泄;而五价砷则相对毒性较低，蓄积倾向低，主要经肾脏较快排泄。进入人体后的三价砷在肝脏内还原发生甲基化，形成一甲胂酸(MMA)或二甲胂酸(DMA)，从而被解毒。砷是一种细胞原浆毒，细胞内的相邻巯基是三价砷的主要化学受体。应用含巯基的还原型谷胱甘肽可阻

3、断砷剂的毒性作用。含大量巯基的还原型角蛋白结合砷剂的量为含较少巯基的氧化型角蛋白结合砷剂量的十倍。砷剂与酶分子内的巯基作用后可抑制其活性。受影响的重要酶系统有丙酮酸氧化酶、丙酮酸脱氢酶、磷酸酯酶、细胞色素氧化酶、脱氧核糖核酸聚合酶、白介素1β转化酶（ICE）等，从而直接影响了细胞的代谢过程、染色体结构、核分裂等。线粒体是对砷剂作用最敏感的细胞器，三价砷消耗了线粒体内亲水的巯基后，干扰了线粒体内的离子平衡以及NAD(P)H的氧化，从而干扰了线粒体的能量代谢，引起细胞功能的紊乱。砷剂是否对正常细胞有毒性作用取决于剂

4、量，如As2O3治疗APL有效血浓度及体外研究其对肿瘤细胞作用的有效浓度均在0.1μM～2.0μM，实验表明As2O3在此浓度下对造血干细胞影响甚小[1]。2　砷剂对肿瘤细胞的诱导凋亡作用与正常细胞不同，肿瘤细胞生长失控，分化或凋亡受阻。近年来研究表明砷剂既可诱导肿瘤细胞凋亡、部分分化，也可抑制其增殖。多项研究表明诱导凋亡为其杀伤肿瘤细胞的主要机制。2.1　开放MPT，活化caspase家族研究表明，细胞凋亡发生的关键环节不在细胞核而在细胞质。虽然凋亡细胞呈现一系列的特征性形态学变化，但这些改变仅仅是细胞凋亡的

5、结果。凋亡细胞在被诱导产生特征性形态学改变和DNA降解之前，一个最普遍的变化是线粒体膜功能的改变即线粒体的通透性改变(permeabilitytransition，PT)，这是调节凋亡的中心环节。线粒体通透性转运孔道(MPT)是位于线粒体内外膜之间的多蛋白复合体，至少包括胞质的己糖激酶、外膜的PBR、外室的肌酸激酶、内膜的ANT及基质的亲环蛋白D（cyclophilinD）等。MPT通过调节线粒体基质中的Ca2＋、pH和电荷，维持线粒体内环境稳定，保证氧化磷酸化通路通畅，对凋亡控制具有重要作用。砷剂与巯基结合后

6、，导致MPT开放，线粒体跨膜电位(△ψm)下降或消失，继之呼吸链脱偶联，谷胱甘肽耗竭，活性氧类（reactiveoxygenspecies，ROS）产生及对诱导凋亡非常重要的蛋白酶活化物的释放，包括细胞色素C(Cyto-C)和凋亡诱导因子(AIF)，Cyto-C和AIF均可激活caspase，caspase可诱导凋亡。caspase即半胱氨酸蛋白酶家族。在NB4（一种APL细胞系），U937及SHSY5Y成神经细胞瘤等细胞系中均可见As2O3等砷剂诱导的凋亡相关的caspase激活[2，3]。根据其在细胞凋亡

7、中的作用可分为始动(上游)caspase(caspase2，8，9，10)和效应(下游)caspase(caspase3，6，7)两大类。前者在凋亡诱导信号作用下结合特异辅因子而活化，并进一步活化后者。而caspase抑制剂(ZVAD，fmk等)可阻止砷剂诱导的凋亡。因而caspase的活化级联形式是砷剂诱导凋亡的重要通路。综上所述，砷剂引起的MPT开放和△ψm破坏是决定细胞生存与否的关键，而caspase是砷剂诱导凋亡的下游效应物，其活化可诱导细胞凋亡。2.2　改变细胞内氧化还原状态细胞内ROS的产生和抗氧

8、化代谢的平衡往往是决定细胞生存与否的关键。蛋白的氧化作用可能是改变核基因转录的重要步骤，氧化作用通过基因转录改变细胞的表型以便进一步启动凋亡的发生，且凋亡的最后阶段需要氧化过程的参与，如细胞膜蛋白的氧化能开放离子通道间接地导致细胞皱缩，通过组蛋白的氧化修饰作用导致染色体结构的改变。砷剂可使细胞内ROS生成增多是由于：（1）MPT开放，线粒体内氧化呼吸链受阻，致ROS外漏。（2）活化黄素