砷類化合物在抗腫瘤方面的應(yīng)用思考

孫適然 程志強(qiáng)

（中日友好醫(yī)院，北京 100029）

1967年Rosenberg發(fā)現(xiàn)順鉑有抗癌活性，開啟了研究重金屬類化合物抗癌活性這一新思路，應(yīng)用重金屬類藥物對惡性腫瘤進(jìn)行內(nèi)科治療得到了重視。1971年，從民間藥方中得到啟示，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)研制出癌靈一號[主要成分為砒霜（三氧化二砷）和少量輕粉（氯化亞汞）]以治療急性早幼粒細(xì)胞白血病，療效顯著，從而開啟了砷類化合物在血液腫瘤治療方面的先河。此后，砷類化合物又被進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)體腫瘤的治療當(dāng)中。與此同時，對其抗腫瘤機(jī)制的研究也在不斷進(jìn)行，其中研究較多的藥理學(xué)機(jī)制之一即是水通道蛋白（aquaporin，AQP）對其轉(zhuǎn)運(yùn)入真核細(xì)胞內(nèi)過程的作用。AQP作為真核細(xì)胞膜上重要的通道蛋白之一，在正常人體內(nèi)起著轉(zhuǎn)運(yùn)水分子等中性小分子物質(zhì)的生理作用，而在藥理學(xué)方面，其在介導(dǎo)抗腫瘤藥物的吸收及促使上述藥物藥理作用的發(fā)揮方面起著舉足輕重的作用，但同時，AQP的某些型別卻會抑制抗腫瘤藥物的藥效，甚至加速腫瘤惡性生物學(xué)行為的演化，也正因如此，近年對AQP家族的研究較為深入，也取得了豐富的研究成果。本文先概述了AQP轉(zhuǎn)運(yùn)砷類化合物的分子機(jī)制，再進(jìn)一步探討AQP對惡性腫瘤行為學(xué)及其與砷類化合物藥效發(fā)揮之間的關(guān)系，并提出了可能的治療靶點(diǎn)，以期對臨床應(yīng)用砷類化合物進(jìn)行腫瘤內(nèi)科治療有參考、指導(dǎo)價值。

1 AQP轉(zhuǎn)運(yùn)砷類化合物的分子機(jī)制

Khairul等[1]在研究大鼠體內(nèi)砷類化合物的沉積及排除途徑的過程中發(fā)現(xiàn)，AQP家族是大鼠細(xì)胞攝取砷類化合物的重要介導(dǎo)蛋白。而在Hoonjan等[2]對急性早幼粒細(xì)胞白血病的治療機(jī)制的研究中提出，AQP 3、7、9三個型別是以三氧化二砷為代表的三價砷類化合物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的基礎(chǔ)。同時期的Liu等[3]則在蟾蜍體內(nèi)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了AQP10亦有相似的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)砷類化合物的能力。

Koller等[4]在他們的研究中提出，無機(jī)的砷類化合物進(jìn)入有機(jī)體后可轉(zhuǎn)變?yōu)楹榈挠袡C(jī)物——單甲基砷（MMA）及二甲基砷（DMA）。此外，Chow等[5]提出，AQP9是細(xì)胞攝取MMA，并得以使后者發(fā)揮抗腫瘤作用的基礎(chǔ)，而這種“超越”通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)特異性的現(xiàn)象產(chǎn)生的可能原因是，在腫瘤微環(huán)境及肝臟等組織器官內(nèi)的pH下，三價的砷元素以其水化物，即氫氧化砷[As（OH）3]的形式存在于細(xì)胞外液及組織間隙中，而這種小分子的中性粒子與水及甘油分子極為相似，故產(chǎn)生了AQP9可以介導(dǎo)砷類化合物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的可能。MMA及DMA的轉(zhuǎn)運(yùn)方式與此類似。巧合的是，原本僅在肝、脾、肺、腎及脂肪組織中表達(dá)率較高的AQP[6]，在白血病的病態(tài)細(xì)胞系（如NB4細(xì)胞系）表面存在過表達(dá)現(xiàn)象，從而使得這些細(xì)胞對于砷類化合物的細(xì)胞毒性更為敏感，而這則與臨床所觀察到的砷類化合物較高的腫瘤細(xì)胞特異性殺傷能力相符合。Calamita等[7]在其研究中發(fā)現(xiàn)，敲除了人肺腺癌細(xì)胞系的AQP3基因后，該細(xì)胞系對于三價砷類化合物的敏感性有了明顯的下降，而這也表明，AQP家族是介導(dǎo)砷類化合物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，使其進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用的重要條件。在Liu等[3]的研究中，進(jìn)一步提示了在人類細(xì)胞膜上所發(fā)現(xiàn)的AQP家族的13個型別中，AQP9轉(zhuǎn)運(yùn)砷類化合物的能力最高，其次是AQP7，而AQP3、10的轉(zhuǎn)運(yùn)效力則相對較弱。

2 AQP對惡性腫瘤行為及藥物效應(yīng)的影響

如前所述，砷類化合物主要通過AQP3、7、9、10在人體內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化及被轉(zhuǎn)運(yùn)入目標(biāo)腫瘤細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮其抗腫瘤作用。除此之外，有部分AQP家族成員還可以促進(jìn)砷類化合物發(fā)揮其藥理作用；但與此同時，另一部分AQP家族成員卻可通過促進(jìn)腫瘤細(xì)胞行為學(xué)的進(jìn)一步惡變等方式抑制砷類化合物發(fā)揮其藥理作用。故在應(yīng)用砷類化合物進(jìn)行惡性腫瘤治療的同時，針對其余AQP家族成員進(jìn)行相應(yīng)的增強(qiáng)或者抑制，則會對整體的化療方案甚至預(yù)后起到更加深遠(yuǎn)的影響。

2.1 非腫瘤特異性的影響 硒為原子序數(shù)緊隨砷之后的一大元素，砷類化合物在制備過程當(dāng)中經(jīng)常會混雜有硒所形成的雜質(zhì)。同時，硒亦作為惡性腫瘤預(yù)防及治療的重要藥物成分而在 近年得到了關(guān)注[8]。由于原子序數(shù)的相近，使得硒在人體內(nèi)所形成的具有藥理學(xué)意義的化合物與砷也極其相似：硒在有機(jī)體內(nèi)得以跨膜運(yùn)輸?shù)耐ǖ赖鞍滓酁锳QP9，而其在體內(nèi)的主要有效形式為甲基硒酸，其質(zhì)子化后的中性分子形式也是其得以通過AQP9進(jìn)行跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)的化學(xué)基礎(chǔ)。由于大多數(shù)腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞基質(zhì)及腫瘤所處的微環(huán)境呈酸性，在這種環(huán)境下，甲基硒酸更易形成質(zhì)子化的中性分子，進(jìn)而相比于正常細(xì)胞更易通過AQP9被跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，并在細(xì)胞內(nèi)富集，從而體現(xiàn)出其腫瘤細(xì)胞的特異性殺傷能力。但由于砷類化合物與甲基硒酸共同通過AQP9進(jìn)行跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)，若同時應(yīng)用兩類藥物，則會出現(xiàn)明顯的相互競爭性抑制作用。故在應(yīng)用砷類化合物作為化療藥物時，應(yīng)當(dāng)盡量減少其中含硒雜質(zhì)的混入。而在化療過程中，可以通過序貫應(yīng)用兩類制劑的方式避開二者的競爭性抑制作用，使得二者能夠各自達(dá)到較為理想的治療效果。

2.2 對消化道惡性腫瘤特異性的影響 砷類化合物另一個重要的臨床應(yīng)用領(lǐng)域即是消化道腫瘤的治療，尤以在結(jié)直腸癌治療方面的應(yīng)用最廣。作為正常人體吸收水分子的重要載體，AQP在正常消化道上皮細(xì)胞膜表面即常規(guī)表達(dá)。而當(dāng)這一部分細(xì)胞發(fā)生惡變以后，某些型別的AQP明顯上調(diào)表達(dá)，如在胃癌組織中，AQP1、3、4、5、11即可見明顯高表達(dá)[9]；而在結(jié)直腸癌的組織樣本中，也發(fā)現(xiàn)了AQP1、3、5的表達(dá)上調(diào)[10]。不難發(fā)現(xiàn)，對于三價砷類化合物有轉(zhuǎn)運(yùn)效力的AQP3位列其中，而這也是后者有抗結(jié)直腸癌效能的原因之一。然而，由于AQP3對于砷類化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)效能不強(qiáng)（見前述），故易受如雜質(zhì)及體內(nèi)其他分子的競爭性抑制等因素的干擾，故提高砷類化合物在結(jié)直腸癌微環(huán)境中的富集作用是今后應(yīng)用其治療結(jié)直腸癌的一大研究方向。

與促進(jìn)抗腫瘤藥物藥效發(fā)揮相反，AQP的某些型別本身對結(jié)直腸癌的惡性生物學(xué)行為甚至有促進(jìn)作用。AQP1是近年來研究較多的一個方面，Derward等[11]在體外培養(yǎng)的結(jié)腸癌細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用了AQP1特異性抑制劑后，二者的遷移特性被大幅度抑制，而對照組的腫瘤細(xì)胞仍能發(fā)生較明顯的遷移現(xiàn)象。由此他們指出，AQP1在結(jié)直腸惡性腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移過程中起到了重要的作用。其可能機(jī)制是AQP1被抑制后，腫瘤細(xì)胞內(nèi)的凈流體流量下降，從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的遷移動力受到抑制，最終抑制了遷移。目前，腫瘤轉(zhuǎn)移是一些非組織特異性化療藥物藥效下降的原因之一，而對于砷類化合物等在結(jié)直腸腫瘤微環(huán)境中濃度要求較高的化療藥物來說，這一瓶頸顯得更為突出。通過Hilary等的試驗反映出，通過抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞AQP1的活性甚至表達(dá)對于抑制其遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，進(jìn)而增加砷類化合物的局部藥物聚集是未來的一個藥物發(fā)展方向。

影響砷類化合物對于結(jié)直腸癌治療作用的另一個瓶頸即是后者過快的增殖。Zhang等[12]在四種結(jié)腸癌細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)，AQP5均呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài)，且細(xì)胞系的增殖速率與AQP5的表達(dá)量呈現(xiàn)正相關(guān)。而在12例結(jié)腸癌患者的病理標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)，腫瘤灶內(nèi)AQP5均處于高表達(dá)甚至過表達(dá)狀態(tài)，而在周圍的正常結(jié)腸黏膜內(nèi)，AQP5基因幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。從而總結(jié)出AQP5是結(jié)直腸癌增殖過程重要的參與蛋白，且在結(jié)腸癌細(xì)胞膜上呈現(xiàn)腫瘤特異性表達(dá)。AQP5并不像之前所提及的AQP一樣承擔(dān)著中性小分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，而是介導(dǎo)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，其下游激活蛋白則是Ras/ERK通路。通過抑制AQP5的表達(dá)，有望抑制腫瘤的快速增殖，從而能更大程度地發(fā)揮包括砷類化合物在內(nèi)的各類化療藥物的作用效果，最終達(dá)到進(jìn)一步增效減毒的目的。

2.3 對乳腺惡性腫瘤特異性的影響 Arif等[13]在其關(guān)于雌激素對于ER（+）乳腺癌細(xì)胞生物學(xué)行為的研究中發(fā)現(xiàn)，前者促進(jìn)后者增殖及發(fā)生組織浸潤及淋巴轉(zhuǎn)移的重要途徑之一，即是通過上調(diào)乳腺癌細(xì)胞膜表面AQP3的表達(dá)水平。而AQP3則可通過FGF-2介導(dǎo)的信號通路最終促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移。同樣，在敲除了AQP3基因后，ER（+）乳腺癌細(xì)胞的侵襲性有了較明顯的減弱。由此可見，阻斷AQP3或者競爭性抑制其活性可能成為未來ER（+）乳腺癌治療的一個方向。作為AQP3轉(zhuǎn)運(yùn)的底物，砷類化合物在這一方向上有著極大的應(yīng)用前景，如將后者結(jié)合于阻斷劑或競爭性抑制劑上，則有可能提高后者的分子靶向性。

Rodrigues等[14]對于AQP5在乳腺癌細(xì)胞生物學(xué)行為介導(dǎo)中的作用進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，AQP5亦能促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖及淋巴轉(zhuǎn)移，其具體機(jī)制與其在結(jié)直腸癌的增殖與遷移中的作用大致相同，并且其在乳腺癌細(xì)胞膜上的表達(dá)情況亦達(dá)到了可作為生物標(biāo)志物的水平。Wei等[15]對于三陰性乳腺癌的生物學(xué)行為進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，通過AQP1可以對其預(yù)后進(jìn)行初步的評估，即腫瘤細(xì)胞AQP1基因表達(dá)程度越高，預(yù)后相對越差，而其具體機(jī)制由之后Jian的研究團(tuán)隊闡明[16]，AQP1通過ER刺激并激活腫瘤灶內(nèi)的血管內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)而誘導(dǎo)血管生成，最終表現(xiàn)為促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖及轉(zhuǎn)移。李英彬和孫圣榮[17]則提到，AQP4表達(dá)水平的下降可以通過ERK/E-Cadherin通路抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖。類比其在結(jié)直腸癌治療中的可能應(yīng)用前景，對于AQP1、4、5的阻斷亦將可能成為乳腺癌治療的發(fā)展方向。

2.4 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤特異性的影響 由于血腦屏障的限制，砷類化合物在全身給藥后幾乎不能進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）發(fā)揮相應(yīng)的抗腫瘤藥理作用，而目前由砷元素所制備的抗腫瘤藥物進(jìn)行鞘內(nèi)注射，則會對神經(jīng)軸索產(chǎn)生不可逆的損傷，故砷類化合物在現(xiàn)階段尚未應(yīng)用于CNS腫瘤的治療。但是，隨著化療藥物劑型的不斷改良，及腫瘤組織特異性的不斷提高，砷類化合物也將有可能應(yīng)用于CNS腫瘤治療。

由于CNS內(nèi)存在腦脊液循環(huán)，所以，AQP在CNS的細(xì)胞膜表面存在常規(guī)表達(dá)，但其以AQP4為主要表達(dá)蛋白。Schiera等[18]在針對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的腫瘤祖細(xì)胞及由其分化而來的惡性腫瘤細(xì)胞膜蛋白組成的研究中發(fā)現(xiàn)，祖細(xì)胞膜表面AQP9的表達(dá)量即較正常組織細(xì)胞表達(dá)量為多，而當(dāng)逐漸分化成為具有侵襲力的惡性腫瘤細(xì)胞后，AQP9的表達(dá)量更是呈現(xiàn)出明顯的增加，甚至是過表達(dá)；而與此同時，作為正常細(xì)胞表面常規(guī)表達(dá)的AQP4，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞胞膜表面則呈現(xiàn)出低表達(dá)甚至是無表達(dá)的狀態(tài)。另外，AQP1在腫瘤細(xì)胞膜上亦呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài)，與其在乳腺癌發(fā)展中的作用類似，AQP1在CNS腫瘤灶中也有促進(jìn)血管生成，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移的作用。AQP9表達(dá)量增加的發(fā)現(xiàn)，為砷類化合物在未來應(yīng)用于CNS腫瘤的治療找到了較為明確的應(yīng)用依據(jù)。而另一方面，類比于結(jié)直腸癌，對于CNS腫瘤，阻斷或降低AQP1活性亦將可能抑制其體內(nèi)轉(zhuǎn)移的發(fā)生；與乳腺癌相反，誘導(dǎo)AQP4增加表達(dá)，則可能對誘導(dǎo)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞回復(fù)成正常細(xì)胞或者促進(jìn)其凋亡起到輔助作用。

2.5 對其他腫瘤特異性的影響 AQP與白血病細(xì)胞對于砷類化合物的敏感性的關(guān)系已于前文討論，在此不做贅述。

Warth等[19]發(fā)現(xiàn)AQP4也在非小細(xì)胞肺癌，尤其是肺腺癌組織中的表達(dá)量呈現(xiàn)明顯的下降，且其下降程度越大，腫瘤的預(yù)后也越差。而De Ieso和Yool[20]也發(fā)現(xiàn)了與前述3種腫瘤相似的由AQP1所介導(dǎo)的肺癌轉(zhuǎn)移能力增加的現(xiàn)象。

Bründl等[21]在對于人類前列腺癌細(xì)胞系細(xì)胞胞膜表面蛋白種類的研究中發(fā)現(xiàn)，AQP3在高級別的前列腺癌細(xì)胞中呈現(xiàn)表達(dá)的缺失，且隨著腫瘤的發(fā)展、級別的升高，缺失的程度也逐漸增加。而Chen等[22]則指出，AQP9在雄激素依賴性及非依賴性的前列腺癌細(xì)胞表面的表達(dá)則與后者的增殖狀況密切相關(guān)，且前者的表達(dá)量越高，后者的增殖則越明顯。因而，與目前砷類化合物在急性早幼粒細(xì)胞白血病治療中的作用相似，其在前列腺癌未來治療方面的能力也有待探索。

Peng等[23]在體外肝細(xì)胞肝癌細(xì)胞系內(nèi)發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞膜表面的AQP3較正常肝細(xì)胞為高，而AQP9則較正常肝細(xì)胞減少。由于砷類化合物進(jìn)入體內(nèi)后都會經(jīng)過肝臟進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，故砷類化合物在肝癌細(xì)胞內(nèi)應(yīng)當(dāng)存在較為明顯的富集，這也為其在肝細(xì)胞肝癌的治療方面的研究提供了方向。

Chetry等[24]在其研究中提出，AQP1、4在卵巢癌細(xì)胞膜表面的表達(dá)越高，則后者的預(yù)后越差；相反，AQP3、10的高表達(dá)則與后者的較理想預(yù)后相關(guān)；而AQP2、9與卵巢癌的預(yù)后關(guān)系不大。Sato等[25]在針對卵巢腫瘤細(xì)胞系的研究中發(fā)現(xiàn)，AQP5是卵巢腫瘤增殖的重要參與蛋白之一。這些證據(jù)提示，AQP家族在卵巢癌中所起到的作用與在前文所提及的其他類型腫瘤細(xì)胞中的作用大致相同。同時也表明，砷類化合物在卵巢癌的治療方面的研究也可以有所進(jìn)展。

3 總結(jié)

砷類化合物在腫瘤內(nèi)科治療領(lǐng)域中的應(yīng)用價值近年來得到了廣泛關(guān)注。其中，針對水通道蛋白家族對砷類化合物藥效發(fā)揮作用的研究是一大熱點(diǎn)。對于多數(shù)腫瘤細(xì)胞來說，細(xì)胞表面AQP3、9型的表達(dá)可以介導(dǎo)砷類化合物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，從而為后者針對該類腫瘤的治療提供了可能。而AQP1、5則與大多數(shù)腫瘤細(xì)胞的增殖及轉(zhuǎn)移相關(guān)，導(dǎo)致砷類化合物在腫瘤灶內(nèi)的濃聚程度被削減，故抑制腫瘤細(xì)胞的AQP1、5的活性甚至阻斷其表達(dá)可能是未來含砷化療方案增效劑的發(fā)展方向。AQP4在部分腫瘤中隨著后者惡性程度的增加而發(fā)生了表達(dá)水平的下降，因此，誘導(dǎo)其重新表達(dá)對于腫瘤的治療亦可能產(chǎn)生一定的輔助作用。硒雖然具有與砷相似的抗腫瘤作用，但二者在體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)方式的相似，使得二者存在競爭性抑制現(xiàn)象，故二者在應(yīng)用時可以考慮序貫使用以更大程度地增加藥效。