三氧化二砷對組織纖維化的作用及機制研究進展

支鳳楠，沈秀蕓，劉 冰，蔣雅楠，

（1.哈爾濱醫(yī)科大學藥學院藥理學教研室，黑龍江省生物醫(yī)藥工程重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，心血管藥物研究教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省醫(yī)學科學院北方轉化醫(yī)學研究合作中心，黑龍江 哈爾濱 150081）

砷毒性是威脅全球健康的重要因素之一。長期以來，印度、巴基斯坦和墨西哥等國家地區(qū)的居民常因飲用含砷地下水而導致砷蓄積中毒［1-3］。急性砷中毒主要表現為惡心、嘔吐、腹痛和嚴重腹瀉等癥狀，慢性砷中毒會導致多種系統(tǒng)疾?。?］。三氧化二砷是最具代表性的砷化合物之一，其對急性早幼粒細胞白血病和肝癌等療效顯著［5-6］。近年研究發(fā)現，三氧化二砷與多種組織纖維化密切相關。纖維化是一種修復或反應性過程，其主要特征是過量的纖維結締組織的形成和沉積導致組織和器官的結構重塑［7］。目前的研究表明，多種通路參與纖維化的發(fā)生、發(fā)展過程，如轉化生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）/Smad信號通路和Wnt信號通路等［8-9］。本文綜述三氧化二砷對不同組織纖維化的作用（表1）及機制，以期為三氧化二砷毒性防治和臨床合理用藥提供新思路。

1 三氧化二砷對心肌纖維化的作用及機制

三氧化二砷在臨床應用時有一定的不良反應，而心臟毒性是其中最嚴重的不良反應之一，主要表現為心律失常（如長QT間期綜合征，尖端扭轉型室性心動過速等），嚴重時可誘發(fā)心源性猝死［10-12］。心肌纖維化可干擾心臟正常的電生理功能，誘發(fā)多種心律失常［13-14］。目前已有研究表明三氧化二砷可以調控多種信號通路誘導心肌纖維化。初文峰等［15］發(fā)現，三氧化二砷可通過促進豚鼠心肌成纖維細胞分泌TGF-β1誘導心肌纖維化，加重長QT間期綜合征，并伴有離子通道相關蛋白HERG和Kir2.1表達下調，而應用TGF-β/Smad抑制劑LY-364947可緩解三氧化二砷誘導的心肌纖維化和心律失常（表1）。另一項研究表明，大鼠隔天iv給予三氧化二砷0.4，0.8和1.6 mg·kg-1，連續(xù)2周，均可誘發(fā)心肌纖維化，其作用是通過激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/糖原合酶激酶 3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）/鋅指轉錄因子 Snail信號通路，促進內皮向間充質轉化并且使膠原蛋白（collagen，Col）Ⅰ、ColⅢ、基質金屬蛋白酶（matrix metalloprotein，MMP）2和MMP9等促纖維化基因表達（表1）［16］。一項薈萃（Meta）分析發(fā)現，砷對TGF-β信號轉導通路具有雙向調節(jié)作用。低濃度砷（≤5 μmol·L-1）可以增加心和肝等器官及多種細胞（包括心肌成纖維細胞和HL-60等細胞）中TGF-β1的表達，而高濃度砷（＞5 μmol·L-1）具有抑制其TGF-β1表達的趨勢，說明高濃度砷可抑制纖維化，低濃度砷可以誘導纖維化。在體實驗結果顯示，低劑量砷（＜5 mg·kg-1）可上調心臟等組織中TGF-β1的表達，由于三氧化二砷等含砷化合物具有較高毒性，高劑量砷（≥5 mg·kg-1）的作用尚不明確［17］。臨床上，三氧化二砷注射液（亞砷酸）靜脈給藥的劑量為成人 10 mg·d-1，兒童每天0.16 mg·kg-1，砷血漿峰濃度約為 6.85 μmol·L-1［18-19］。推測三氧化二砷給藥期間，絕大部分時間的血藥濃度＜5 μmol·L-1，提示臨床治療劑量很可能誘發(fā)心肌纖維化。

2 三氧化二砷對腎纖維化的作用及機制

腎纖維化可導致腎結構改變，血液供應減少，最終導致腎功能衰竭［20］。近年研究發(fā)現，三氧化二砷可影響腎纖維化，但其對腎纖維化的作用仍存在爭議。一方面，Chang等［21］研究發(fā)現，腎皮質/近端小管細胞用亞砷酸鈉0.1和10 μg·L-1處理60 d，可促進上皮-間充質轉化導致腎纖維化（表1），表現為纖維化標志物ColⅠ、TGF-β、α平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）、MMP2和MMP3表達增加。另一方面，Maghmomeh等［22］研究發(fā)現，SD大鼠ig給予三氧化二砷（3.5 mg·kg-1，21 d）可以改善順鉑誘發(fā)的腎纖維化，表現為腎TGF-β1和α-SMAmRNA水平及羥脯氨酸含量降低，其作用與阻斷Hedgehog信號，降低Shh，Smo和PtchmRNA表達水平以及GLI家族鋅指蛋白1和2表達水平有關。在體研究中，三氧化二砷（3.5 mg·kg-1）為高劑量，而離體研究中亞砷酸鈉（0.1和10 μg·L-1）為低劑量，這提示砷可能存在劑量依賴性的雙重調控作用。而且，在體水平實驗還受其他因素影響，無法與離體水平實驗結果完全相同。因此，三氧化二砷對腎纖維化的作用差異可能與給藥劑量有關，仍需進一步研究。

表1 三氧化二砷對組織纖維化的作用

3 三氧化二砷對肺纖維化的作用及機制

肺纖維化是正常的肺泡組織被損壞或膠原蛋白過度沉積導致的結構異常［23］。一項研究表明，SD大鼠iv給予三氧化二砷0.4 mg·kg-1，連續(xù)14 d，可以減輕博來霉素誘導的肺纖維化，使肺間質組織變薄，膠原蛋白沉積減少，α-SMA表達減少，E鈣黏蛋白表達增多，其作用機制與三氧化二砷上調miR-98表達、進而抑制miR-98的靶基因信號轉導與轉錄激活因子3表達水平有關［24-26］。另一項研究表明，三氧化二砷（10和20 μmol·L-1）可以抑制TGF-β1誘導的人肺成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化，使α-SMA和ColⅠ mRNA和蛋白表達下調［27］。然而，最新研究表明，亞砷酸鹽（8 mmol·L-1，48 h）通過上調長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）H19 的表達誘導巨噬細胞M2極化，并通過增加c-Myc誘導肺纖維化［28］。并且三氧化二砷還可以通過促進miR-21表達、降低磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）表達、促進Akt磷酸化，進而增加糖酵解相關蛋白的表達，最終導致肺纖維化［29］。而高濃度三氧化二砷（50 μmol·L-1，24 h）可通過激活絲裂原活化蛋白激酶及促進活性氧的產生，誘導肺成纖維細胞凋亡［30-31］。以上研究結果表明，三氧化二砷對纖維化的作用受給藥劑量的影響。

4 三氧化二砷對肝纖維化的作用及機制

肝纖維化是三氧化二砷肝毒性的主要表現之一［32-33］。活化的肝星狀細胞是肝纖維化發(fā)展的中心環(huán)節(jié)，也是細胞外基質產生的主要原因［34-35］。SD大鼠飲用含亞砷酸鈉的水溶液（30 mg·L-1，12個月）可激活TGF-β/Smad通路，促進α-SMA、ColⅠ和纖連蛋白表達，導致肝纖維化［36］。與此相似，在C57BL/6J小鼠和肝星狀細胞中，三氧化二砷均能通過上調過氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferator activated receptor alpha，PPARα）誘導肝星狀細胞的活化進而誘導肝纖維化［37］。也有研究發(fā)現，三氧化二砷（2 μmol·L-1，4 h）可誘導肝星狀細胞細胞中早幼粒細胞白血病蛋白的泛素化，進而促進肝纖維化的發(fā)生發(fā)展［38］。三氧化二砷也可促進LX-2細胞中miR-21表達，抑制PTEN表達，并促進重組人精氨酸酶1的激活，進而促進巨噬細胞M2極化和促纖維化細胞因子的分泌，導致肝纖維化［39］。因此，臨床應用三氧化二砷時應密切監(jiān)測肝功能，早期預防肝纖維化。

5 三氧化二砷對其他組織纖維化的作用及機制

三氧化二砷也可以影響血管纖維化、骨髓纖維化和皮膚纖維化。研究表明，飲用含亞砷酸的水（50 mg·L-1，90 d）可誘導Wistar大鼠血管纖維化和血管重構，表現為羥脯氨酸/總膠原水平增加、膠原纖維的增殖以及主動脈壁和膠原外膜的厚度增加，其作用是通過激活血管緊張素Ⅱ1型受體和TGF-β通路［40］。因此，在臨床應用三氧化二砷時應關注血管損傷。

原發(fā)性骨髓纖維化是一種骨髓增殖性腫瘤［41］。研究表明，沙利度胺、三氧化二砷、地塞米松和抗壞血酸聯(lián)合應用對原發(fā)性骨髓纖維化有療效，三氧化二砷通過促進細胞凋亡和抑制細胞再生機制抑制血管內皮生長因子的產生而發(fā)揮作用，而沙利度胺可通過消耗細胞內的谷胱甘肽增強三氧化二砷活性［42］。然而，另有研究結果表明，在臨床應用三氧化二砷治療急性早幼粒細胞白血病時會引起骨髓纖維化［43］。2項研究均是臨床觀察結果，前者研究提示聯(lián)合用藥可能達到增效減毒的目的，而后者研究中所談及的三氧化二砷引起骨髓纖維化的作用僅是在1例患者治療過程中觀察到的結果，因此，三氧化二砷是否可以引起骨髓纖維化仍有待深入研究。

皮膚纖維化是一種常見的纖維化疾病，以成纖維細胞增生和細胞外基質的過度沉積為特征，包括硬皮病和肥厚性瘢痕等［44］。研究表明，BALB/c小鼠每周5 d ip給予三氧化二砷（5 mg·kg-1）可以改善次氯酸誘導皮膚纖維化，表現為皮膚中ColⅠ、肌成纖維細胞標志物α-SMA表達和磷酸化Smad2/3下調［45］。而在細胞水平上，人皮膚細胞給予5 μmol·L-1三氧化二砷24 h，可抑制TGF-β1誘導的成纖維細胞向成肌纖維細胞的分化和活性氧的積累而減輕皮膚纖維化，其機制與抑制紅細胞衍生核因子2樣蛋白2和Smad2/3途徑并且增加血紅素加氧酶1的表達有關［46］。但目前對皮膚纖維化的研究相對較少，仍需進一步探索。

6 三氧化二砷對非編碼RNA的調控作用

lncRNA在多種組織器官功能異常中發(fā)揮關鍵作用［47-49］。近年研究發(fā)現，三氧化二砷的心臟毒性和抗腫瘤作用與調控lncRNA有關。在心臟中，三氧化二砷可通過調控lncRNA鉀電壓門控通道亞家族Q成員1重疊轉錄物1（potassium voltage-gated channel subfamily Q member 1 overlapping transcript 1，KCNq10T1）/KCNQ1通路誘導長QT間期綜合征［50］。其也可抑制心臟lncRNA核富集的轉錄物 1（nuclear paraspeckle assembly transcript 1，NEAT1）表達，而過表達lncRNA NEAT1可通過抑制miR-124/NF-κB信號通路緩解三氧化二砷誘導的心肌細胞損傷［51］。三氧化二砷可通過調控lncRNA對肝癌、膀胱癌和乳腺癌產生作用。三氧化二砷可通過促進lncRNA母系表達基因3（maternally expressed gene 3，MEG3）表達，進而抑制肝細胞癌的上皮間質轉化過程［37］。其也可促進肝癌細胞lncRNA編程調節(jié)因子（egulator of programming，ROR）表達，而敲減lncRNA ROR可緩解三氧化二砷誘導的肝癌細胞凋亡［52］。對于膀胱癌，三氧化二砷可通過促進lncRNA含有6B反義RNA1的卵巢腫瘤結構域表達進而誘導膀胱癌細胞氧化損傷［53］。三氧化二砷還可通過下調lncRNA Dicer酶1反義RNA1（DICER1 antisense RNA 1，DICER1-AS1）表達抑制乳腺癌細胞增殖［54］。三氧化二砷所調控的lncRNA中有些已被證實與纖維化相關。lncRNA KCNQ10T1與心肌纖維化、腎纖維化和肝纖維化相關［55-57］。lncRNA NEAT1與肝纖維化、肺纖維化和腎纖維化有關［58-61］。lncRNA MEG3可介導肝纖維化、腎纖維化和肺纖維化［62-64］。lncRNA ROR可促進心肌纖維化［65］。上述研究提示lncRNA在三氧化二砷調控纖維化過程中發(fā)揮重要作用。

7 結語

目前研究表明，三氧化二砷對多種組織纖維化均有影響，其作用與劑量和給藥時間相關，臨床常用劑量具有誘導多組織纖維化的風險，但作用機制仍未完全闡明，且臨床上尚無防治三氧化二砷誘導纖維化的有效藥物。有研究表明，三氧化二砷可通過調控環(huán)狀RNA抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展［66-67］。但環(huán)狀RNA在三氧化二砷誘導的纖維化中的作用機制還有待闡明。深入揭示藥物對非編碼RNA的調控作用也有助于預測三氧化二砷聯(lián)合用藥，實現增效減毒的目的，促進臨床合理用藥。