砷类化合物在抗肿瘤方面的应用思考

孙适然 程志强

（中日友好医院，北京 100029）

1967年Rosenberg发现顺铂有抗癌活性，开启了研究重金属类化合物抗癌活性这一新思路，应用重金属类药物对恶性肿瘤进行内科治疗得到了重视。1971年，从民间药方中得到启示，哈尔滨医科大学研制出癌灵一号[主要成分为砒霜（三氧化二砷）和少量轻粉（氯化亚汞）]以治疗急性早幼粒细胞白血病，疗效显著，从而开启了砷类化合物在血液肿瘤治疗方面的先河。此后，砷类化合物又被进一步应用于实体肿瘤的治疗当中。与此同时，对其抗肿瘤机制的研究也在不断进行，其中研究较多的药理学机制之一即是水通道蛋白（aquaporin，AQP）对其转运入真核细胞内过程的作用。AQP作为真核细胞膜上重要的通道蛋白之一，在正常人体内起着转运水分子等中性小分子物质的生理作用，而在药理学方面，其在介导抗肿瘤药物的吸收及促使上述药物药理作用的发挥方面起着举足轻重的作用，但同时，AQP的某些型别却会抑制抗肿瘤药物的药效，甚至加速肿瘤恶性生物学行为的演化，也正因如此，近年对AQP家族的研究较为深入，也取得了丰富的研究成果。本文先概述了AQP转运砷类化合物的分子机制，再进一步探讨AQP对恶性肿瘤行为学及其与砷类化合物药效发挥之间的关系，并提出了可能的治疗靶点，以期对临床应用砷类化合物进行肿瘤内科治疗有参考、指导价值。

1 AQP转运砷类化合物的分子机制

Khairul等[1]在研究大鼠体内砷类化合物的沉积及排除途径的过程中发现，AQP家族是大鼠细胞摄取砷类化合物的重要介导蛋白。而在Hoonjan等[2]对急性早幼粒细胞白血病的治疗机制的研究中提出，AQP 3、7、9三个型别是以三氧化二砷为代表的三价砷类化合物跨膜转运的基础。同时期的Liu等[3]则在蟾蜍体内进一步发现了AQP10亦有相似的跨膜转运砷类化合物的能力。

Koller等[4]在他们的研究中提出，无机的砷类化合物进入有机体后可转变为含砷的有机物——单甲基砷（MMA）及二甲基砷（DMA）。此外，Chow等[5]提出，AQP9是细胞摄取MMA，并得以使后者发挥抗肿瘤作用的基础，而这种“超越”通道蛋白转运特异性的现象产生的可能原因是，在肿瘤微环境及肝脏等组织器官内的pH下，三价的砷元素以其水化物，即氢氧化砷[As（OH）3]的形式存在于细胞外液及组织间隙中，而这种小分子的中性粒子与水及甘油分子极为相似，故产生了AQP9可以介导砷类化合物跨膜转运的可能。MMA及DMA的转运方式与此类似。巧合的是，原本仅在肝、脾、肺、肾及脂肪组织中表达率较高的AQP[6]，在白血病的病态细胞系（如NB4细胞系）表面存在过表达现象，从而使得这些细胞对于砷类化合物的细胞毒性更为敏感，而这则与临床所观察到的砷类化合物较高的肿瘤细胞特异性杀伤能力相符合。Calamita等[7]在其研究中发现，敲除了人肺腺癌细胞系的AQP3基因后，该细胞系对于三价砷类化合物的敏感性有了明显的下降，而这也表明，AQP家族是介导砷类化合物跨膜转运，使其进入细胞内发挥作用的重要条件。在Liu等[3]的研究中，进一步提示了在人类细胞膜上所发现的AQP家族的13个型别中，AQP9转运砷类化合物的能力最高，其次是AQP7，而AQP3、10的转运效力则相对较弱。

2 AQP对恶性肿瘤行为及药物效应的影响

如前所述，砷类化合物主要通过AQP3、7、9、10在人体内进行生物转化及被转运入目标肿瘤细胞内发挥其抗肿瘤作用。除此之外，有部分AQP家族成员还可以促进砷类化合物发挥其药理作用；但与此同时，另一部分AQP家族成员却可通过促进肿瘤细胞行为学的进一步恶变等方式抑制砷类化合物发挥其药理作用。故在应用砷类化合物进行恶性肿瘤治疗的同时，针对其余AQP家族成员进行相应的增强或者抑制，则会对整体的化疗方案甚至预后起到更加深远的影响。

2.1 非肿瘤特异性的影响 硒为原子序数紧随砷之后的一大元素，砷类化合物在制备过程当中经常会混杂有硒所形成的杂质。同时，硒亦作为恶性肿瘤预防及治疗的重要药物成分而在 近年得到了关注[8]。由于原子序数的相近，使得硒在人体内所形成的具有药理学意义的化合物与砷也极其相似：硒在有机体内得以跨膜运输的通道蛋白亦为AQP9，而其在体内的主要有效形式为甲基硒酸，其质子化后的中性分子形式也是其得以通过AQP9进行跨细胞膜转运的化学基础。由于大多数肿瘤细胞的细胞基质及肿瘤所处的微环境呈酸性，在这种环境下，甲基硒酸更易形成质子化的中性分子，进而相比于正常细胞更易通过AQP9被跨膜转运，并在细胞内富集，从而体现出其肿瘤细胞的特异性杀伤能力。但由于砷类化合物与甲基硒酸共同通过AQP9进行跨细胞膜转运，若同时应用两类药物，则会出现明显的相互竞争性抑制作用。故在应用砷类化合物作为化疗药物时，应当尽量减少其中含硒杂质的混入。而在化疗过程中，可以通过序贯应用两类制剂的方式避开二者的竞争性抑制作用，使得二者能够各自达到较为理想的治疗效果。

2.2 对消化道恶性肿瘤特异性的影响 砷类化合物另一个重要的临床应用领域即是消化道肿瘤的治疗，尤以在结直肠癌治疗方面的应用最广。作为正常人体吸收水分子的重要载体，AQP在正常消化道上皮细胞膜表面即常规表达。而当这一部分细胞发生恶变以后，某些型别的AQP明显上调表达，如在胃癌组织中，AQP1、3、4、5、11即可见明显高表达[9]；而在结直肠癌的组织样本中，也发现了AQP1、3、5的表达上调[10]。不难发现，对于三价砷类化合物有转运效力的AQP3位列其中，而这也是后者有抗结直肠癌效能的原因之一。然而，由于AQP3对于砷类化合物的转运效能不强（见前述），故易受如杂质及体内其他分子的竞争性抑制等因素的干扰，故提高砷类化合物在结直肠癌微环境中的富集作用是今后应用其治疗结直肠癌的一大研究方向。

与促进抗肿瘤药物药效发挥相反，AQP的某些型别本身对结直肠癌的恶性生物学行为甚至有促进作用。AQP1是近年来研究较多的一个方面，Derward等[11]在体外培养的结肠癌细胞系中发现，在应用了AQP1特异性抑制剂后，二者的迁移特性被大幅度抑制，而对照组的肿瘤细胞仍能发生较明显的迁移现象。由此他们指出，AQP1在结直肠恶性肿瘤细胞的转移过程中起到了重要的作用。其可能机制是AQP1被抑制后，肿瘤细胞内的净流体流量下降，从而导致肿瘤细胞的迁移动力受到抑制，最终抑制了迁移。目前，肿瘤转移是一些非组织特异性化疗药物药效下降的原因之一，而对于砷类化合物等在结直肠肿瘤微环境中浓度要求较高的化疗药物来说，这一瓶颈显得更为突出。通过Hilary等的试验反映出，通过抑制结直肠癌细胞AQP1的活性甚至表达对于抑制其远处转移，进而增加砷类化合物的局部药物聚集是未来的一个药物发展方向。

影响砷类化合物对于结直肠癌治疗作用的另一个瓶颈即是后者过快的增殖。Zhang等[12]在四种结肠癌细胞系中发现，AQP5均呈现高表达状态，且细胞系的增殖速率与AQP5的表达量呈现正相关。而在12例结肠癌患者的病理标本中发现，肿瘤灶内AQP5均处于高表达甚至过表达状态，而在周围的正常结肠黏膜内，AQP5基因几乎处于静止状态。从而总结出AQP5是结直肠癌增殖过程重要的参与蛋白，且在结肠癌细胞膜上呈现肿瘤特异性表达。AQP5并不像之前所提及的AQP一样承担着中性小分子的跨膜转运，而是介导跨膜信号转导，其下游激活蛋白则是Ras/ERK通路。通过抑制AQP5的表达，有望抑制肿瘤的快速增殖，从而能更大程度地发挥包括砷类化合物在内的各类化疗药物的作用效果，最终达到进一步增效减毒的目的。

2.3 对乳腺恶性肿瘤特异性的影响 Arif等[13]在其关于雌激素对于ER（+）乳腺癌细胞生物学行为的研究中发现，前者促进后者增殖及发生组织浸润及淋巴转移的重要途径之一，即是通过上调乳腺癌细胞膜表面AQP3的表达水平。而AQP3则可通过FGF-2介导的信号通路最终促进乳腺癌细胞发生转移。同样，在敲除了AQP3基因后，ER（+）乳腺癌细胞的侵袭性有了较明显的减弱。由此可见，阻断AQP3或者竞争性抑制其活性可能成为未来ER（+）乳腺癌治疗的一个方向。作为AQP3转运的底物，砷类化合物在这一方向上有着极大的应用前景，如将后者结合于阻断剂或竞争性抑制剂上，则有可能提高后者的分子靶向性。

Rodrigues等[14]对于AQP5在乳腺癌细胞生物学行为介导中的作用进行研究后发现，AQP5亦能促进乳腺癌细胞的增殖及淋巴转移，其具体机制与其在结直肠癌的增殖与迁移中的作用大致相同，并且其在乳腺癌细胞膜上的表达情况亦达到了可作为生物标志物的水平。Wei等[15]对于三阴性乳腺癌的生物学行为进行研究时发现，通过AQP1可以对其预后进行初步的评估，即肿瘤细胞AQP1基因表达程度越高，预后相对越差，而其具体机制由之后Jian的研究团队阐明[16]，AQP1通过ER刺激并激活肿瘤灶内的血管内皮细胞，进而诱导血管生成，最终表现为促进乳腺癌细胞的增殖及转移。李英彬和孙圣荣[17]则提到，AQP4表达水平的下降可以通过ERK/E-Cadherin通路抑制乳腺癌细胞的增殖。类比其在结直肠癌治疗中的可能应用前景，对于AQP1、4、5的阻断亦将可能成为乳腺癌治疗的发展方向。

2.4 对中枢神经系统肿瘤特异性的影响 由于血脑屏障的限制，砷类化合物在全身给药后几乎不能进入中枢神经系统（central nervous system，CNS）发挥相应的抗肿瘤药理作用，而目前由砷元素所制备的抗肿瘤药物进行鞘内注射，则会对神经轴索产生不可逆的损伤，故砷类化合物在现阶段尚未应用于CNS肿瘤的治疗。但是，随着化疗药物剂型的不断改良，及肿瘤组织特异性的不断提高，砷类化合物也将有可能应用于CNS肿瘤治疗。

由于CNS内存在脑脊液循环，所以，AQP在CNS的细胞膜表面存在常规表达，但其以AQP4为主要表达蛋白。Schiera等[18]在针对胶质母细胞瘤的肿瘤祖细胞及由其分化而来的恶性肿瘤细胞膜蛋白组成的研究中发现，祖细胞膜表面AQP9的表达量即较正常组织细胞表达量为多，而当逐渐分化成为具有侵袭力的恶性肿瘤细胞后，AQP9的表达量更是呈现出明显的增加，甚至是过表达；而与此同时，作为正常细胞表面常规表达的AQP4，在胶质母细胞瘤细胞胞膜表面则呈现出低表达甚至是无表达的状态。另外，AQP1在肿瘤细胞膜上亦呈现高表达状态，与其在乳腺癌发展中的作用类似，AQP1在CNS肿瘤灶中也有促进血管生成，进而促进肿瘤转移的作用。AQP9表达量增加的发现，为砷类化合物在未来应用于CNS肿瘤的治疗找到了较为明确的应用依据。而另一方面，类比于结直肠癌，对于CNS肿瘤，阻断或降低AQP1活性亦将可能抑制其体内转移的发生；与乳腺癌相反，诱导AQP4增加表达，则可能对诱导胶质母细胞瘤细胞回复成正常细胞或者促进其凋亡起到辅助作用。

2.5 对其他肿瘤特异性的影响 AQP与白血病细胞对于砷类化合物的敏感性的关系已于前文讨论，在此不做赘述。

Warth等[19]发现AQP4也在非小细胞肺癌，尤其是肺腺癌组织中的表达量呈现明显的下降，且其下降程度越大，肿瘤的预后也越差。而De Ieso和Yool[20]也发现了与前述3种肿瘤相似的由AQP1所介导的肺癌转移能力增加的现象。

Bründl等[21]在对于人类前列腺癌细胞系细胞胞膜表面蛋白种类的研究中发现，AQP3在高级别的前列腺癌细胞中呈现表达的缺失，且随着肿瘤的发展、级别的升高，缺失的程度也逐渐增加。而Chen等[22]则指出，AQP9在雄激素依赖性及非依赖性的前列腺癌细胞表面的表达则与后者的增殖状况密切相关，且前者的表达量越高，后者的增殖则越明显。因而，与目前砷类化合物在急性早幼粒细胞白血病治疗中的作用相似，其在前列腺癌未来治疗方面的能力也有待探索。

Peng等[23]在体外肝细胞肝癌细胞系内发现其细胞膜表面的AQP3较正常肝细胞为高，而AQP9则较正常肝细胞减少。由于砷类化合物进入体内后都会经过肝脏进行生物转化，故砷类化合物在肝癌细胞内应当存在较为明显的富集，这也为其在肝细胞肝癌的治疗方面的研究提供了方向。

Chetry等[24]在其研究中提出，AQP1、4在卵巢癌细胞膜表面的表达越高，则后者的预后越差；相反，AQP3、10的高表达则与后者的较理想预后相关；而AQP2、9与卵巢癌的预后关系不大。Sato等[25]在针对卵巢肿瘤细胞系的研究中发现，AQP5是卵巢肿瘤增殖的重要参与蛋白之一。这些证据提示，AQP家族在卵巢癌中所起到的作用与在前文所提及的其他类型肿瘤细胞中的作用大致相同。同时也表明，砷类化合物在卵巢癌的治疗方面的研究也可以有所进展。

3 总结

砷类化合物在肿瘤内科治疗领域中的应用价值近年来得到了广泛关注。其中，针对水通道蛋白家族对砷类化合物药效发挥作用的研究是一大热点。对于多数肿瘤细胞来说，细胞表面AQP3、9型的表达可以介导砷类化合物的跨膜转运，从而为后者针对该类肿瘤的治疗提供了可能。而AQP1、5则与大多数肿瘤细胞的增殖及转移相关，导致砷类化合物在肿瘤灶内的浓聚程度被削减，故抑制肿瘤细胞的AQP1、5的活性甚至阻断其表达可能是未来含砷化疗方案增效剂的发展方向。AQP4在部分肿瘤中随着后者恶性程度的增加而发生了表达水平的下降，因此，诱导其重新表达对于肿瘤的治疗亦可能产生一定的辅助作用。硒虽然具有与砷相似的抗肿瘤作用，但二者在体内转运方式的相似，使得二者存在竞争性抑制现象，故二者在应用时可以考虑序贯使用以更大程度地增加药效。