Trójtlenek arsenu ATC L01XX27 stosowanie w ciąży kategoria D okres półtrwania 92 godziny wiązanie z białkami osocza nieistotne metabolizm metylacja wydalanie z moczem (60% w ciągu 8 dni) drogi podawania dożylnie thumb|Próbka trójtlenku arsenu w postaci proszku Medyczne zastosowanie trójtlenku arsenu – wykorzystanie trójtlenku arsenu (, tzw. „arsenu” lub „arszeniku”) jako leku przeciwnowotworowego w leczeniu ostrej białaczki promielocytowej. Trójtlenek arsenu ma status leku sierocego; dostępny jest jako preparat farmaceutyczny Trisenox. W kontakcie z wodą tworzy kwas arsenawy, który jest prawdopodobnie właściwą substancją aktywną biologicznie.

Działanie tej substancji polega na hamowaniu proliferacji komórek nowotworowych oraz doprowadzeniu do ich różnicowania lub apoptozy, ale mechanizm działania leku nie jest do końca poznany. Arszenik, ze względu na swoje toksyczne właściwości, od wieków stosowany był jako skuteczna, a przy tym praktycznie niewykrywalna dla zmysłów trucizna. W XX wieku zauważono jego przeciwnowotworowe działanie, jednak próby doustnego podawania zakończyły się niepowodzeniem. Dopiero próby z dożylnym preparatem tej substancji dały pozytywny wynik, szczególnie w leczeniu rzadkiej odmiany nowotworu złośliwego – ostrej białaczki promielocytowej. Terapię tym lekiem wprowadza się po niepowodzeniu leczenia retinoidem i chemioterapią. Leczenie to charakteryzuje się względnym bezpieczeństwem i niewielkimi działaniami ubocznymi. Prowadzone są badania nad znalezieniem innych zastosowań leku.

Historia W XVIII wieku William Withering stwierdził, że trójtlenek arsenu stosowany w małych dawkach wykazuje działanie lecznicze. W tym samym wieku Thomas Fowler sporządził 1% roztwór arszeniku i węglanu potasu, który stosowany był w leczeniu chorób skóry (przede wszystkim łuszczycy) aż do XX wieku. Powstał również lek oparty na bazie arsenu – salwarsan – stosowany w leczeniu kiły, zsyntetyzowany przez Paula Ehrlicha. Został on jednak wyparty przez penicylinę. Związki arsenu były powszechnie wykorzystywane w leczeniu różnych chorób w XIX i na początku XX wieku.

Pierwsze doniesienia o aktywności przeciwnowotworowej trójtlenku arsenu pochodzą z 1878 roku, kiedy to w raporcie Boston City Hospital opisano działanie roztworu Fowlera obniżające poziom leukocytów we krwi u dwóch zdrowych osób i jednego chorego. Trójtlenek arsenu był stosowany w leczeniu białaczki aż do momentu wprowadzenia radioterapii. Powrócił do łask w latach 30. XX wieku, kiedy to pojawiły się pierwsze badania potwierdzające wysoką skuteczność trójtlenku arsenu w leczeniu przewlekłej białaczki szpikowej.

Pod koniec lat 60. XX w. lekarzy pracujących w Akademii Medycznej w Harbin w Chinach wysłano do ośrodka zajmującego się tradycyjną medycyną chińską. Stosowano tam maść na czerniaka, której głównym składnikiem był arszenik. W tamtych czasach arsenał leków przeciwnowotworowych był bardzo ograniczony, wobec czego lekarze zaczęli stosować arszenik. Pierwsze próby opierały się na doustnym podawaniu tej substancji, wykazywała ona jednak silne działanie toksyczne. W marcu 1971 rozpoczęto pierwsze próby, w których arszenik podawano dożylnie. W takiej postaci wykazywał znacznie mniejszą toksyczność. Przez wiele lat tlenek arsenu(III) podawano chorym z różnymi nowotworami, najlepsze efekty uzyskując w leczeniu ostrej białaczki promielocytowej. Spośród pacjentów uczestniczących w pierwszej serii prób w Harbin więcej niż połowa przeżyła 5 lat. Dzięki temu badania rozszerzono na inne ośrodki w Chinach, a następnie zorganizowano je w Sloan-Kettering Memorial Institute w Nowym Jorku. Wyniki badań klinicznych okazały się na tyle korzystne, że w 2000 roku lek uzyskał aprobatę FDA.

Mechanizm działania thumb|Białko antyapoptotyczne Bcl-2 (izoforma 1)

thumb|Czynnik AIF – jedno z „białek śmierci”

thumb|APAF-1 – jedno z „białek śmierci” (na ilustracji związane z ATP)

thumb|Bak – jedno z białek proapoptotycznychCrystal structure of human Bcl-2 family protein Bak. 2YV6.

thumb|Bax – jedno z białek proapoptotycznych

thumb|Czynnik transkrypcyjny NF-κB (na ilustracji powiązany z DNA)

thumb|Kinaza JNK

Mechanizm działania trójtlenku arsenu jest złożony i nie do końca poznany. Ogólnie rzecz ujmując, lek hamuje proliferację komórek nowotworowych oraz doprowadza do ich różnicowania i/lub apoptozy, która przebiegać może w różny sposób, w zależności od zaangażowanych w nią organelli komórkowych i procesów biochemicznych. Trójtlenek arsenu indukuje apoptozę na drodze: oddziaływania z receptorami błony komórkowej (ścieżka zewnętrzna) oddziaływania z mitochondriami (ścieżka wewnętrzna) Pierwsza z tych dróg polega na połączeniu ligandu z receptorem znajdującym się na powierzchni błony komórkowej. Zespolenie tych dwóch cząstek prowadzi do aktywacji wielu różnych genów oraz uwalnia kaskadę białek, charakterystycznych dla procesu apoptozy.

Trójtlenek arsenu oddziałuje również na mitochondria. Jedną z pierwszych zmian w ich strukturze, wywołaną działaniem leku, jest otwarcie megakanałów i wypływ tzw. białek śmierci, przede wszystkim cytochromu C, APAF-1 (czynnik aktywacji proteaz apoptotycznych, ang. apoptotic peptidase activating factor 1), czynnika AIF, białka Smac/DIABLO i endonukleazy z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów do cytozolu. W cytoplazmie powstaje kompleks białek zwany apoptosomem, który uruchamia dalsze procesy prowadzące do apoptozy.

Bez względu na to, czy apoptoza indukowana jest zewnętrznie czy wewnętrznie, zawsze biorą w niej udział kaspazy, których aktywacja nieodwracalnie prowadzi komórkę na drogę programowanej śmierci. Ponadto apoptoza regulowana jest przez białka z rodziny Bcl-2, które działać mogą zarówno pro-, jak i antyapoptotycznie.

Przyczyną występowania ostrej białaczki promielocytarnej jest translokacja genu kodującego receptor kwasu retinowego (RAR α) z chromosomu 17 w pobliże genu PML, znajdującego się na chromosomie 15. Prowadzi to do fuzji genów i powstania produktu PML/RAR α. Białko to hamuje różnicowanie oraz śmierć komórek, w których się znajduje. Trójtlenek arsenu, już w małych stężeniach, powoduje rozpad PML/RAR α, przywracając w ten sposób (częściowo) różnicowanie zmienionych nowotworowo promielocytów. Trójtlenek arsenu aktywuje kinazę JNK, zwaną również kinazą N-końca białka c-jun (ang. c-jun N-terminal kinase) lub kinazą aktywowaną stresem (ang. stress-activated protein kinase – SAPK), należącą do rodziny kinaz MAPK (ang. mitogen-activated protein kinases). Enzymy te mają kluczowe znaczenie dla przekazywania sygnałów w komórce. W normalnych warunkach kinaza JNK aktywowana jest przez fosforylację reszt treoniny i tyrozyny. W badaniach na określonych liniach komórkowych pobranych od chorych z ostrą białaczką promielocytową udowodniono jednak, że wspomniana aktywacja zachodzi również pod wpływem trójtlenku arsenu.

Wydaje się, że aktywacja kinazy JNK prowadzi do fosforylacji zarówno białek antyapoptotycznych (Bcl-2, Bcl-Xl), jak i białek proapoptotycznych – Bax (ang. Bcl-2-associated X protein), Bak (ang. Bcl-2 homologous killer) i Bid (ang. BH3 interacting domain death agonist), czyli de facto do ich uczynnienia. Białka proapoptotyczne zawierają domenę BH3, która odpowiada za ich „śmiercionośną” aktywność. Powodują one powstawanie kanałów jonowych w błonie mitochondrium, czego wynikiem jest wypływ wspomnianych już czynników apoptotycznych do cytoplazmy. Białka antyapoptotyczne zawdzięczają swoje działanie hydrofobowej szczelinie w ich strukturze przestrzennej, która wiąże się z domeną BH3, neutralizując tym samym działanie „śmiercionośnych” białek. W normalnych warunkach o apoptozie komórki decyduje stosunek ilości białek proapoptotycznych do antyapoptotycznych. W przypadku apoptozy indukowanej trójtlenkiem arsenu dużą rolę odgrywają dwa mechanizmy, które powodują zwiększenie ilości białek proapoptotycznych. Pierwszy z nich związany jest z funkcjonowaniem czynnika transkrypcyjnego NF-κB (ang. nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells). Występuje on w cytoplazmie w stanie nieaktywnym, w kompleksie ze specyficznym inhibitorem IκB (IKK). Składa się on z dwóch podjednostek katalitycznych – IKKα i IKKβ oraz z jednostki regulatorowej IKKγ/NEMO. Fosforylacja inhibitora i jego rozpad uwalnia NF-κB, który wędruje do jądra komórkowego i aktywuje geny odpowiedzialne za produkcję białek „życia” (p53, Bcl-2 i inne inhibitory apoptozy). NF-κB chroni również komórki przed apoptotyczną stymulacją z udziałem receptora TNF-α. Trójtlenek arsenu łączy się z cysteiną znajdującą się w pozycji 179 IKKβ, uniemożliwiając tym samym uwolnienie NF-κB. Brak tego białka w cytoplazmie umożliwia indukcję apoptozy drogą zewnętrzną oraz aktywuje kaspazy 3 i 8.

Mechanizm taki zaobserwowano nie tylko w komórkach ostrej białaczki promielocytowej i ziarnicy złośliwej, ale również u pacjentów z zespołem mielodysplastycznym. Drugim mechanizmem zwiększającym ilość białek proapoptotycznych jest obniżenie transkrypcji genu bcl-2. Działanie to zaobserwowano w komórkach HL-60 i NB4 białaczek ludzkich.

W 2003 roku naukowcy japońscy odkryli, że trójtlenek arsenu indukuje apoptozę nie tylko przy pomocy receptora TNF-α. Badania wskazują na to, że lek działa proapoptotycznie również poprzez receptor CD95, który wpływa na aktywację kaspaz 8 i 3. W komórkach szpiczaka trójtlenek arsenu oddziałuje z receptorem APO2/TRAIL, aktywując kaspazy 8 i 9.

Trójtlenek arsenu wpływa również na wewnątrzkomórkowe stężenie glutationu, który jest bardzo ważnym elementem układu oksyredukcyjnego (m.in. usuwa wolne rodniki, redukuje nadtlenek wodoru). Bierze on również udział, razem z peroksydazą i katalazą, w regulacji poziomu reaktywnych form tlenu. Trójtlenek arsenu hamuje peroksydazę glutationu, zmniejszając tym samym jego stężenie w komórce, co prowadzi do wzrostu poziomu wolnych rodników tlenowych. Te z kolei zwiększają przepuszczalność błony mitochondrium, powodując wypływ białek śmierci i rozpoczęcie procesu apoptozy.

Trójtlenek arsenu wpływa również degradująco na polimerazę poli(ADP-rybozy), co w połączeniu z aktywacją kaspaz hamuje naprawę DNA i zatrzymuje cykl komórkowy. To, w jakiej fazie cykl komórkowy zostanie zablokowany, zależy w głównej mierze od białka p53. W komórkach zawierających tzw. typ dziki (niezmutowany) p53 cykl ulega zahamowaniu w interfazie, natomiast w komórkach ze zmutowanym p53 – w fazie G2/M.

thumb|center|Mechanizm działania trójtlenku arsenu. Na ilustracji przedstawiono 4 główne drogi działania terapeutycznego trójtlenku arsenu: A – zewnętrzna ścieżka apoptozy, B – ścieżka mitochondrialna, C – oddziaływanie trójtlenku arsenu na białka rodziny Bcl-2, D – wpływ trójtlenku arsenu na czynnik transkrypcyjny NF-κB

Badania kliniczne Trójtlenek arsenu był badany klinicznie w dwóch otwartych, jednoramiennych badaniach bez grupy kontrolnej, na 52 pacjentach z ostrą białaczką promielocytową, u których wcześniej bez powodzenia stosowano antracykliny i retinoidy. Wyniki tych badań przedstawia poniższa tabela.

+ Tabela 1. Skuteczność trójtlenku arsenu w próbach klinicznych Badaniejednoośrodkowen=12 Badaniewieloośrodkowen=40Dawka trójtlenku arsenu (w mg/kg mc./dobę) 0,16(mediana: 0,06-0,20) 0,15Całkowita remisja 11 osób (92%) 34 osoby (85%)Średni czas do remisji szpiku kostnego 32 dni 35 dniŚredni czas do uzyskania całkowitej remisji 54 dni 59 dni18-miesięczny okres przeżycia 67% 66% n – liczba pacjentów biorących udział w badaniu

Prowadzono również badania nad działaniem trójtlenku arsenu na inne nowotwory. Wykazały one, że lek działa apoptotycznie również na komórki raka płuc (szczególnie w połączeniu z sulindakiem). Udowodniono również skuteczność trójtlenku arsenu w terapii szpiczaka mnogiego, w połączeniu z kwasem askorbinowym i bortezomibem.