三氧化二砷腎毒性及其防治研究進展

闞 瑞，鐘 瑞，劉 婧，吳志瑰,2，彭財英，陳 鴻，付小梅,2

(1． 江西中醫(yī)藥大學藥學院，江西 南昌 330004；2.范崔生全國名中醫(yī)傳承工作室,江西 南昌 330006)

急性早幼粒細胞白血病(acute promyelocytic leukemia，APL)是急性髓細胞白血病的一種特殊類型，致病因素目前尚不明確。病毒、化學毒物、放射、遺傳等都可能是APL的致病因子。ATO用于治療白血病始于18世紀Flower首創(chuàng)的Flower′s液(1%亞砷酸鉀)，1931年，外國學者用亞砷酸注射劑治療慢性粒細胞白血病(CML)。1971年，韓太云偶然發(fā)現(xiàn)由中藥砒霜、輕粉(氯化亞汞)和蟾酥等配制而成的民間秘方——癌靈注射液可用于治療癌癥。1973年，張亭棟使用癌靈注射液治療白血病取得良好療效。2000年，砷劑注射液作為第一個中藥抗白血病藥物經(jīng)FDA特批上市。ATO已被證明是治療APL最有效的單一藥物，并且在ATO和全反式維甲酸的共同治療后，APL患者的長期生存率已改善到80%～90%。在過去的幾十年里，臨床數(shù)據(jù)顯示使用ATO會導致心毒性、肝毒性和腎毒性[1]，這些不良反應大大限制了ATO的臨床使用。

1 不良反應

ATO在治療APL的過程中發(fā)揮著重要作用，但由于ATO本身的毒性，常會伴隨著不良反應。臨床數(shù)據(jù)表明，ATO使用后會出現(xiàn)食欲不振、惡心嘔吐、關節(jié)肌肉疼痛、牙齦出血、腦血管栓塞等不良癥狀，尤其對心、肝、腎的影響更為顯著[2]。甘戈等[3]通過檢索1994-2007年的《中國期刊全文數(shù)據(jù)庫》，對收集到的27例ATO嚴重不良反應的文獻報道病例進行統(tǒng)計分析，其中導致心、肝、腎功能衰竭的病例占總病例的23.2%、10.71%、5.38%。并且隨著年齡的增長，并發(fā)心、肝、腎毒的幾率會增加，加重砷積累而引起的疾病。單獨使用ATO或與其他藥物聯(lián)用均會引起心、肝、腎毒性。

ATO誘導的心臟毒性具有濃度依懶性，低劑量時細胞凋亡占優(yōu)勢，高劑量會引起細胞壞死。心臟毒性表現(xiàn)為心悸、胸悶等現(xiàn)象，包括竇性心動過速、心律不齊，心電圖顯示T波改變、ST-T變化、Q-T間期延長、傳導阻滯等。

肝臟是ATO主要的代謝器官，在代謝過程中極易對肝功能造成損害。肝毒性主要表現(xiàn)為堿性磷酸酶，血紅膽素升高，尿常規(guī)異常，黃疸，肝區(qū)疼痛等現(xiàn)象。ATO會誘導腎臟產生病變，用藥7～8 d可能會出現(xiàn)不同程度的水鈉潴留，出現(xiàn)浮腫、胸腔、腹腔積液等現(xiàn)象，嚴重者會導致腎衰竭。ATO在臨床應用中表現(xiàn)出來的毒性反應的特點是作用范圍廣、安全范圍小、劑量不易控制等，嚴重限制了其在不同年齡段、不同身體狀況人群中的使用，因而一定程度上阻礙了砷劑的臨床使用。

2 機制

在眾多學者的努力下，人們對ATO所產生的腎毒性的作用機制已有了初步的認識，但是其詳細的致毒機制還未明確。目前，學者們認為As2O3的致毒機制是多方面的，主要有氧化應激機制、細胞凋亡、DNA甲基化等。

2.1 氧化應激機制氧化應激是As2O3中毒的重要機制之一，研究發(fā)現(xiàn)，砷通過干擾機體的氧化從而引發(fā)機體的氧化應激反應，損傷DNA修復途徑，誘導DNA突變，擾亂DNA修復酶PTMs(轉錄后修飾酶)，破壞蛋白質酪氨酸磷酸化，導致細胞癌變。脂質過氧化過程中引發(fā)的氧化應激機制是砷中毒的主要機制之一。脂質過氧化與中毒、腫瘤等多種疾病有關。在脂質過氧化過程中會產生多種自由基和非自由基產物，可以引起細胞功能紊亂，對機體造成傷害[4]。三價的砷化物通過血液積蓄在體內多個臟器中，并進行了甲基化接著進一步形成以二甲基胂(DMA)為主的多種砷的代謝產物，這些代謝產物增加可以產生多種活性氧(ROS)自由基。另外，DMA還可以先與GSH反應，再與O2反應形成過氧化物和自由基。分布于腎臟中的砷代謝產物都會不同程度引起自由基和過氧化物增多，從而造成氧化損傷。

2.2 誘導細胞凋亡機制As2O3誘導細胞凋亡是其抗癌作用發(fā)揮的機制之一，但同時也是其致毒機制之一。砷中毒后，抑制線粒體的呼吸功能，會造成ATP的損失和產生ROS，改變細胞信號的傳導和基因的表達，促進細胞凋亡、誘導細胞分化、抑制細胞增殖[5-6]。研究表明，砷中毒會使腎小管上皮細胞和腎小管腫脹、變性、壞死[7]。半胱氨酸蛋白水解酶-3(caspase-3)是細胞凋亡調控蛋白，在細胞凋亡中末階段被激活發(fā)揮作用，caspase-3的水解底物是天冬氨酸，天冬氨酸被稱為細胞凋亡的“執(zhí)行者”，As2O3與調控caspase-3的基因級聯(lián)反應有關，導致細胞凋亡，產生腎毒性[8]。

2.3 DNA甲基化機制傳統(tǒng)的毒理學認為砷的甲基化是機體內降解砷的主要途徑，砷的甲基化可以使機體維持穩(wěn)定狀態(tài)，可以阻止致癌原對基因的損傷，后期的研究結果顯示，砷的甲基化會對細胞DNA的甲基化產生影響，DNA甲基化會導致SAM缺乏、DNMT(DNA胞嘧啶5-甲基轉移酶)基因表達減少，抑制Tet(ten-eleven translocation family enzymes)蛋白以及CTCF(轉錄因子)在DNMT和TET基因啟動子上的異常結合，降低5-hmC(5-羥甲基胞嘧啶)的水平。近年來的研究表明，As2O3的長期使用會使砷在腎臟中積累，并且代謝轉化為多種甲基化砷的代謝產物，這些代謝產物會加重致癌原對DNA的損害，導致細胞毒性[9]。

2.4 其他毒性機制

2.4.1影響免疫系統(tǒng)機制 As2O3在應用于治療白血病過程中，可能會有黏附分子和黏附分子整合素等細胞因子產生，這些細胞因子會使24得白細胞黏附滯留在肺循環(huán)中，從而使白細胞從血液滲入肺部器官組織，加重炎癥反應[10]。另外，還有研究表明[11]，As2O3可以促進APL細胞分化，從而使白細胞數(shù)目迅速增加到之前的幾十倍以上，因而可能會導致高白細胞血癥。

2.4.2基因組損傷機制 亞砷酸鹽本身是一種弱致突變劑，已知它能增強其他致癌物的致突變性，這可能是因為它具有抑制這些致癌物引起的DNA損傷修復能力。研究表明，亞砷酸鹽通過干擾DNA修復基因的表達水平和DNA修復蛋白的催化活性，影響堿基切除修復(BER)、核苷酸切除修復(NER)、DSB修復(DNA雙鏈斷裂修復)、ICL修復(DNA橫向交聯(lián)修復)、DDR信號(DNA損傷應答信號)、細胞周期檢查點調節(jié)以及損傷細胞凋亡，這些因素共同削弱DNA的修復能力，損害基因的完整性。As2O3在機體內引起DNA甲基化的改變也會對DNA的修復產生影響。DNA的代謝與DNA的甲基化會使用相同的甲基供體，造成細胞內甲基供體含量降低，導致基因組DNA低甲基化，對基因的表達產生干擾，造成基因異常表達，誘導細胞癌變。最近研究表明，非編碼RNA(ncRNA)在表觀遺傳學中的調控作用越來越重要，ncRNA包括小干涉RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)以及長鏈非編碼RNA(lncRNA)，其中miRNA在砷致癌過程中起重要作用。miR-145可以靶向調控NER基因ERCC1與ERCC2在修復DNA損傷時的作用[12]。

2.4.3組蛋白H4K16乙?；较抡{機制 組蛋白翻譯后修飾可以調控大多數(shù)與細胞生命進程相關基因的表達，有研究發(fā)現(xiàn)，As2O3能夠使UROtsa細胞的組蛋白H4K16位賴氨酸乙酰化水平降低，但其組蛋白乙酰轉移酶hMOF的表達并未受影響，正常表達的hMOF會形成一個鋅指結構，而As2O3會與這個結構上的C2HC部位結合，因而降低了該酶的活性，下調了組蛋白H4K16乙?；?，最后產生了細胞毒性。實驗中最終也發(fā)現(xiàn)，過度表達hMOF可以增強細胞對As2O3的抵抗力，這一結果也可為解決As2O3表觀遺傳學毒性機制做一參考。

2.4.4微量元素不平衡 近期研究發(fā)現(xiàn)，硒攝入不足，銅、鉻過量，銅鋅比高，導致機體內微量元素的不平衡也可能是導致砷中毒的原因之一。在砷化區(qū)環(huán)境介質中，砷、銅、鉻的含量和銅鋅比高于正常區(qū)域，硒的含量低于正常區(qū)域；隨著砷中毒程度的加重，砷、銅、鉻的含量和銅鋅比逐漸升高，硒濃度逐漸降低[13]。

As2O3具有極其廣泛的作用范圍以及繁雜多樣的致毒機制，其復雜的作用機制可能會發(fā)生系統(tǒng)、整體間相互作用，而現(xiàn)有研究較多專注于其作用于分子、細胞或少部分組織器官層面，缺乏較為系統(tǒng)和全面的致毒機制研究和分析。

3 ATO腎毒性的防治

通過對砷劑所致心肝腎毒性機制的逐步研究，一些解毒藥物也慢慢被發(fā)現(xiàn)，藥物與砷劑聯(lián)合治療APL，減少了不良反應的發(fā)生也提高了患者的長期生存率。

3.1 抗氧化劑治療氧化應激機制是As2O3致毒的主要機制，As2O3所致的心、肝、腎毒性大都是由氧化應激引起，因此抗氧化劑的使用是減輕砷中毒的重要措施。

褪黑素是松果體產生的一種胺類激素，已證明具有抗炎和抗氧化活性。研究表明，褪黑素能夠減輕機體內的ROS和RNS水平，提高抗氧化酶的活性，達到治療砷中毒的目的[14-15]。白藜蘆醇是一種多酚類化合物，可以降低血管內皮素誘導的心臟毒性和腎臟毒性。白藜蘆醇能夠顯著清除ROS，抑制血管氧化損傷，并能通過促進血管代謝顯著降低腎臟中砷的積累。在使用As2O3前，以白藜蘆醇預防其毒性反應，可以有效的減輕其對心臟和腎臟的毒副作用。有研究表明，白藜蘆醇可以作用于Nrf2-HO-1通路以及hERG-HSP70/90復合體蛋白，減輕氧化應激對心臟損害以及hERG 鉀離子通道異常所引起的心電圖異常反應，另外，它還能清除自由基以及減少肝臟部位的砷積累[16]。異甘草酸鎂(MgIG)是用堿異構催化從甘草中提取的第四代甘草酸劑，目前它在臨床治療中被用作肝保護劑，MgIG顯著激活As2O3介導的肝組織中Keap1和Nrf2的表達。MgIG給藥是保護肝臟免受As2O3誘導毒性的有效治療方法。MgIG能夠維持肝臟中的Nrf2水平，保護抗氧化的防御系統(tǒng)，減輕氧化應激，防止As2O3誘導的肝損傷[17]。

3.2 抑制細胞凋亡由線粒體功能障礙而引起的細胞凋亡是砷致毒機制之一，所以解砷毒就需要通過改善線粒體功能而抑制細胞凋亡。研究顯示抗壞血酸是臨床上使用的治療砷中毒的另一抗氧化劑，在治療APL的過程中，使用維生素類藥物可以減輕As2O3的毒性。左旋維生素C(L-AA)與As2O3聯(lián)用可以改變線粒體的功能和結構，恢復ATP酶的活性，減少細胞凋亡比例[18]。研究表明，二硫蘇糖醇(DTT)可以消除As2O3對線粒體的影響，防止As2O3誘導的細胞凋亡，使用低濃度的DTT可以減輕砷暴露對人體的影響[19]。

3.3 拮抗砷與巰基結合硒作為人體必需的微量元素，不僅具有維持人體免疫功能、增強代謝解毒和降低心血管疾病發(fā)生的作用，還具有拮抗砷、鎘、汞、鎳等有毒化合物對機體的損傷的作用。砷的致毒機制之一就是砷進入人體后，可與含有巰基的酶結合，影響細胞活性，對體積造成損傷。砷和硒皆可與巰基結合，進行補硒治療可以拮抗砷與巰基的結合，抑制砷產生毒性，從而起到解毒的作用。

驅砷治療主要是采用驅砷劑——巰基絡合劑進行治療，驅砷劑中的二巰基與砷結合，解除砷與蛋白質和酶的結合，恢復蛋白質和酶的生理功能，二巰基與砷結合后的產物從尿中排出。二巰基丙磺鈉(DMPS)是目前治療砷中毒的首選藥物，其解毒能力強，毒副作用小，同時對鉻、毒鼠強等中毒也有解毒作用[20]。驅砷劑經(jīng)尿排出會加重腎臟的負擔，對腎造成損傷，所以，在進行驅砷治療時結合血液灌注治療會減輕腎臟的損害。

3.4 增強機體免疫力海爾福口服液是由茯苓、銀花、甘草等10種中藥經(jīng)現(xiàn)代方法精制而成的中藥制劑，是目前臨床上用于治療砷中毒的主要中藥藥物。研究表明，海爾?？诜褐泻形?，并且能夠提高機體免疫力，這可能是其治療砷中毒的主要原因[21]。銀杏葉提取物(GBE)中含有銀杏黃酮苷類和萜烯內酯類等活性成分，GBE可以提高免疫器官指數(shù)和增加T淋巴細胞數(shù)量，調節(jié)T淋巴細胞亞群平衡，從而增強免疫功能。在燃煤砷中毒的大鼠中，銀杏葉能夠減輕腎臟損害，改善免疫功能[22]。

3.5 改良藥物劑型納米藥物是一種比常規(guī)化療更安全、更有效的癌癥治療方法，特別是腫瘤微環(huán)境和正常組織的區(qū)別經(jīng)常被用于刺激反應藥物遞送系統(tǒng)，以控制治療藥物在靶部位的釋放。將As2O3制備為pH敏感型脂質體以及包覆聚丙烯酸，協(xié)同遞送As2O3以達到治療效果并且能夠減少不良反應對患者身體健康的影響[23]。

亞砷酸持續(xù)緩慢靜脈輸注法是As2O3在應用于治療白血病時，針對砷劑在體內濃度難以控制，通過多方面科學手段相協(xié)調，很大程度解決了砷濃度與細胞分化/凋亡這二者之間不平衡的關系，使得砷劑療效不減弱的前提下，更加精準的控制了As2O3的釋放，大大的減弱了其毒性，減少了APL中高白細胞血癥等毒性反應。

3.6 聯(lián)用As2O3毒性拮抗藥物研究者們在As2O3的大量臨床實例中發(fā)現(xiàn)，其心臟離子通道機制、誘導凋亡機制以及氧化應激機制等給患者帶來了大量毒副作用，是影響砷劑應用的主要障礙[24]。

心臟毒性是主要毒性反應之一，當As2O3的心臟離子通道機制被發(fā)現(xiàn)后，就嘗試把鈣通道阻滯劑(如維拉帕米)、鉀通道激動劑(苦參堿和氧化苦參堿)、線粒體輔酶(輔酶Q10)等多種心臟保護劑與As2O3聯(lián)用，并取得了一定進展。

《本草綱目拾遺》中記載：“解吡毒劉霞裳云：凡人食吡垂死者，用南天竹四兩，擂水服之立活。此方劉在松江府署親試驗者。無鮮者。即用干子一二兩煎湯服，亦可”。南天竹根、莖、葉、果實提取物能夠抑制細胞凋亡，南天竹中的總生物堿也被證明能有效降低As2O3對小鼠心臟、腎臟、肝臟的損傷[25]。丹參中的主活性成分之一丹酚酸B也被發(fā)現(xiàn)與As2O3聯(lián)用有增效減毒的奇效。

4 總結

砷劑有效降低了APL的死亡率，治療其他惡性腫瘤亦有較好療效，但是其毒副作用的報道也日益增加。ATO所致的腎毒性的機制目前還未十分明確，ATO的使用會誘導心、肝、腎毒性同時出現(xiàn)，缺少統(tǒng)一全面的對其致毒機制的深入認識。

很多中藥可以與砷劑聯(lián)用在治療APL的過程中發(fā)揮很好的效果，但是這些中藥成分發(fā)揮作用的物質基礎還未明確，也需要研究者們進行實驗來進一步揭示藥物與疾病之間的關系。