中国有古话：彼之砒霜，吾之蜜糖。
在记载中，砒霜常以剧毒之物——鹤顶红出现，少许即可夺命。在北宋的《开宝本草》中，砒霜首次以药物出现。等到现代，我国科学家发现砒霜竟能用于制服癌症中的一霸——白血病，可谓是患者的“蜜糖”、治疗的福音。
近日， 由中科院过程工程所马光辉研究员和魏炜研究员、北京大学马丁教授、 南方医科大学李玉华教授 联手，对于砒霜治疗白血病的疗法进行了创新性续写[1]。
他们发现CD71可以作为白血病的治疗靶点，并利用CD71的配体——铁蛋白作为载体，成功装载三氧化二砷（也就是砒霜）药物，显著提高三氧化二砷药物在多种白血病治疗中的靶向性，有效抑制白血病进展。
文章发表在《自然》子刊上。
论文首页截图
白血病是一种严重威胁人类健康的血液系统恶性肿瘤，无论患者是成人还是儿童，生存几率都极低。 据国际癌症组织统计，2020年全球因白血病死亡人数超过30万，我国有6万人死于白血病[2,3]。
目前，白血病可分为急性淋巴性白血病（ALL）、急性骨髓性白血病（AML）、慢性淋巴细胞性白血病（CLL）与慢性骨髓性白血病（CML）等类型，而 化疗仍是治疗各类型白血病的首选，临床已经建立起针对不同类型白血病的标准化疗方案。
其中， 三氧化二砷药物（ATO）是治疗急性早幼粒细胞白血病（APL，属于AML的一种）的一线抗肿瘤药物，三价砷（AsⅢ）能够促使白血病细胞凋亡[4,5] 。
然而，当前临床使用的 ATO注射剂，其脱靶效应和毒副作用不可忽视，而且吸收效率在其它白血病类型中更为受限[6,7]。因此，如何在不自损八百的情况下将“鹤顶红”灌给白血病细胞，提高ATO对于各种类型白血病的疗效，是个亟待解决的重点问题。
于是研究者们便想到，既然直接注射时ATO药物在体内容易“迷路”，那就 构建一个载体把ATO药物打包装好，靶向送到白血病细胞面前，来个“送货上门”。
那么接下来就来看看，研究者们是如何做到的。
既然是送货上门，首先得搞清收货地址，也就是白血病细胞上的靶点。
通过收集大量临床外周血和骨髓样本，研究者们发现， 一种名为CD71的受体在许多类型的白血病细胞上特异性高表达（阳性率>90%）。也就是说， 可以将CD71作为治疗白血病的可靠标志物、潜在的药物靶点。
a.收集健康人和各类型白血病患者的临床外周血和骨髓样本.;b.健康人；e.AML；h.ALL;k.CML
有了白血病细胞的门牌号，该挑选合适的包裹了。研究者们选用铁蛋白（Fn）作为包裹ATO药物的载体，这是一种在人体内用于储存铁离子（Fe）的主要蛋白质。选择Fn的理由也很充分[8-12]：
①它 能够形成一个大约8nm的内部空腔结构，足以装载ATO药物；
②它 是CD71的配体，能够实现与不同类型的白血病细胞的靶向结合；
③ 具有耐高温特性（60℃）等。
有了这些特性，再加上 Fe-Fn的亲和性、Fe-AsⅢ的亲和性，研究者们成功用铁蛋白构建出稳定的ATO药物载体—— As@Fn（Fn：As=1：200）。 As@Fn能够靶向结合于白血病细胞后被内吞，由溶酶体“拆开快递”，将包裹于铁蛋白中的ATO药物释放出来，靶向杀伤白血病细胞。
As@Fn载体构建
另外，研究者们在多种白血病细胞系（NB4：APL；K562：CML；Nalm6：ALL；RPMI8402：ALL；THP-1：AML；Jurkat：ALL；MOLT-4：ALL；U937：AML）中观察到， 白血病细胞的CD71表达量与As@Fn的细胞毒性呈正相关，可以作为临床预测As@Fn治疗效益的指标。
研究者们还用患者来源的白血病细胞检测了As@Fn的结合能力。通过流式细胞术发现， As@Fn总是能够特异性地结合于不同类型的白血病细胞， 对正常细胞的影响微乎其微，而且细胞毒性明显强于现有的ATO药物。
多种白血病细胞系（图a、b）以及患者来源的细胞系（图e、f、g、h），As@Fn都能够发挥良好的细胞毒性，并且可以将CD71作为疗效预测指标
为给As@Fn的临床应用铺路，他们利用小鼠模型对As@Fn的靶向性、疗效等进行了进一步评估。
将As@Fn通过静脉注射的方式向HL-60白血病小鼠模型给药后， 和直接注射ATO药物相比，As Ⅲ 在小鼠的脑、肺、心、肝、脾、肾等器官中的分布显著下降，进一步说明As@Fn 明显改善ATO药物的靶向性，降低其毒副作用。
另一方面， As@Fn 的血液半衰期是ATO药物的近11倍（107.4min vs.10.1min)。这给了As@Fn充足的时间找到靶点CD71，将药物有效送到白血病细胞家门口。而且与直接静脉注射ATO药物相比， 注射As@Fn后白血病细胞中的三价砷积累量确实更多（外周血：12% vs. 65%；骨髓：17% vs. 69%)。
As@Fn靶向性提高，对其它器官组织的损伤明显减小
不仅如此，研究者们还用人源性肿瘤组织异种移植小鼠模型（PDX）再次证明， As@Fn的适应证不局限于急性早幼粒细胞性白血病，而且疗效优于现有的联合治疗以及单独使用ATO药物治疗。
研究者们 用ALL患者来源的细胞系构建小鼠模型，从小鼠骨髓和脾脏中获得白血病母细胞用于体外评价，并将它们分为四个治疗组：PBS对照组、临床常用的ALL治疗方法（长春新碱+地塞米松联合治疗）组、ATO治疗组、As@Fn治疗（5mg kg -1 ）组。
从体外实验来看，与之前的研究结果相符，小鼠白血病细胞的 CD71阳性率高达95%； 与As@Fn特异性结合力强，K D 值达18.05nM， B max 达127×10 −19 mol cell –1 。与ATO药物相比，As@Fn能够将白血病细胞 对As Ⅲ 的吸收效率提高4倍， 且细胞毒性更强（IC 50 值降低成ATO药物的三分之一） 。
从体内实验来看，与其它组相比， 在35天之前As@Fn组的白血球数值增加明显得到抑制，随后缓慢增加；而且As@Fn组小鼠的 体重变化稳定，脾脏肿大减少。在第6周时，其它三组小鼠均已死亡，而 As@Fn治疗组小鼠在6周后仍有75%存活。
和现有ATO药物相比，As@Fn在适应证上突破了限制
（图b、c、d、e：体外实验结果；图f、g、h、i：小鼠体内实验结果）
总体而言，李玉华等人确定了CD71作为治疗白血病的有效靶点，并针对此靶点成功设计出ATO药物的靶向载体——As@Fn，显著改善当前ATO药物直接静脉注射的靶向性不佳、毒副作用等问题。同时，As@Fn还将ATO药物的适应症从急性早幼粒细胞性白血病扩展到多种类型白血病。
研究者们表示，虽然此次研究仍为临床前研究，但 由于铁蛋白是人体内的天然组分，再加上ATO也是已批准药物，As@Fn走向临床应用的道路并不会远，具有较好临床转化潜力。另外， 铁蛋白的特性意味着它也许还能同时装载不同的白血病药物，利用药物的协同作用达到抗白血病的目的。
古有神农尝百草，今有科学验真理。从“枯草”青蒿素治疗疟疾，到“鹤顶红”砒霜治疗白血病，到底是武林秘籍还是土门偏方，中国科学家们还会为我们带来怎样的精彩解读，以及创新性续写呢？拭目以待！
参考文献：
[2]Lhermitte, L. et al. Automated database-guided expert-supervised orientation for immunophenotypic diagnosis and classifcation of acute leukemia. Leukemia 32, 874–881 (2018).
[3]https://gco.iarc.fr/today/home
[4]Lo-Coco, F. et al. Retinoic acid and arsenic trioxide for acute promyelocytic leukemia. N. Engl. J. Med. 369, 111–121 (2013).
[5]Zhang, X. W. et al. Arsenic trioxide controls the fate of the PML-RARα oncoprotein by directly binding PML. Science 328, 240–243 (2010).
[6]Chen, H. M. et al. Lipid encapsulation of arsenic trioxide attenuates cytotoxicity and allows for controlled anticancer drug release. J. Am. Chem. Soc. 128, 13348–13349 (2006).
[7]Qian, C. et al. Suppression of pancreatic tumor growth by targeted arsenic delivery with anti-CD44v6 single chain antibody conjugated nanoparticles. Biomaterials 34, 6175–6184 (2013).
[8]Douglas, T. et al. Synthesis and structure of an iron(III) sulfde–ferritin bioinorganic nanocomposite. Science 269, 54–57 (1995).
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[10]Wang, W. et al. Dual-targeting nanoparticle vaccine elicits a therapeutic antibody response against chronic hepatitis B. Nat. Nanotechnol. 15, 406–416 (2020).
[11]Meldrum, F. C., Heywood, B. R. & Mann, S. Magnetoferritin: in vitro synthesis of a novel magnetic protein. Science 257, 522–523 (1992).
[12]Meldrum, F. C., Wade, V. J., Nimmo, D. L., Heywood, B. R. & Mann, S. Synthesis of inorganic nanophase materials in supramolecular protein cages. Nature 349, 684–687 (1991).
本文作者 | 张艾迪