三氧化二砷治疗恶性实体瘤机制
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体外实验发现，高浓度的ATO通过诱导凋亡使人乳腺癌细胞很快发生死亡。在低浓度时，ATO则会上调乳腺上皮分化标记物ICAM-1（CD54），诱导肿瘤细胞出现分化表型，同时细胞培养物在形态学上显得更加有组织。标准的细胞毒性分析显示，ATO增强淋巴因子依赖的杀伤细胞对乳腺癌细胞的溶胞作用，说明ATO在体内可能发挥着调动改良抗肿瘤免疫监视的作用(Baj， Arnulfo et al.)。
低浓度（1mM）的ATO不影响细胞生存和微管网络，但与抗微管药物泰素（Paclitaxel）同时作用于神经母细胞瘤SK-N-SH细胞时，ATO拮抗泰素的抑制细胞增殖效应，同时泰素诱导的细胞凋亡也明显减少。在体外，高浓度ATO (10-200mM)导致浓度依赖性的对微管蛋白聚合的抑制作用，该作用在与泰素合用时依然存在。分光分度计和分光荧光计的检测显示ATO与微管蛋白SH基团相作用，不更改与微管蛋白结合的泰素的化学计量。4mM的ATO显著抑制细胞色素C从线粒体释放（Carre， M.， G. Carles， et al.）。
当雌激素与其靶组织上的受体（ER）结合时变成一个强力的促有丝分裂原，这是乳腺癌发病的重要机理之一，高剂量的ATO能显著地降低两种ER阳性的乳腺癌细胞系MCF7和T47D，而低剂量的ATO则显著地抑制雌激素受体-α（ER-alpha）的表达，却不影响雌激素受体-β的表达。在ATO的作用消失24小时后，ER-α的表达完全恢复。通过利用一个受ER控制的报道基因发现，ATO有力地抑制17β-雌二醇（E2）所激发的转录激活，而且，ATO终止E2介导的雌激素相关基因pS2转录诱导。这说明ATO特异性地抑制ER-α的表达和信号传导，将ATO与其它治疗联合可能是一种合理的治疗ER-α阳性乳腺癌的方法（Chen， G. C.， L. S. Guan， et al.）。
几篇文章报道在接受ATO治疗时出现QT间期延长或者室性心律不齐。在动物实验中使用常规动作电位记录技术发现，ATO的确依赖性地延长几内亚猪乳头肌的动作电位周期（APD），伴有起搏频率的迟缓。非胃肠给药则延长几内亚猪心肌QT间期和APD，在临床静脉注射时，ATO的上述作用是剂量依赖性的。说明ATO对心脏复极化有直接的作用，接受治疗的病人应避免同时使用其它延长QT间期药物或其它利于延迟心脏复极化的情况（Chiang， C. E.， H. N. Luk， et al.）。
ATO处理会导致U937细胞的凋亡，伴有caspase 3的活化（表现为32 kDa的非活化形式的降低和PLC-γ蛋白水解裂解片段的上升）。广谱caspase抑制剂z-VAD-fmk抑制这一诱导凋亡，证明ATO诱导凋亡的作用和caspase的活化有直接的联系。ATO诱导的凋亡伴随细胞色素C的释放、cIAP1的下调和Akt的失活，而Bcl-2的过度表达抑制caspase 3的活化，并不抑制Akt，从而削弱ATO诱导凋亡的作用。另外，活性氧化物的生成可促发ATO所诱导的凋亡，抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）则起相反作用，与NAC同时给药时，Akt的去磷酸化、caspase 3的活化、cIAP1的下调均受到显著阻滞。这说明ATO能通过失活Akt相关细胞存活途径、产生活性氧化物导致细胞损害，是ATO诱导凋亡的重要机制（Choi， Y. J.， J. W. Park， et al.）。
体内外实验显示ATO能增强人宫颈癌细胞对电离辐射的敏感性。ATO与电离辐射联合具有协同效应，减少克隆源性存活（clonogenic survival），促进人宫颈癌异种移植瘤的消退。用ATO预处理肿瘤细胞也协同性增强放射诱导的细胞凋亡，活性氧化物的产生和线粒体膜电位的丧失致使caspase 9、caspase 3活化，最终细胞凋亡。ATO单独使用时不改变细胞周期，但与电离辐射联合时则增长G2/M细胞周期分布（Chun， Y. J.， I. C. Park， et al.）。
ATO是治疗急性早幼粒细胞性白血病（APL）的有效药物，但对其它类型的白血病效果不佳。尽管ATO对APL细胞的作用与PML/RAR-α融合癌基因产物的降解有关，但有证据显示PML/RAR-α表达并不是对砷剂敏感的唯一介质。事实上，PML/RAR-α外源性表达并不能使非APL白血病细胞对ATO敏感。在对ATO耐药的细胞系NB4亚克隆中，PML/RAR-α蛋白仍然被ATO所降解。而所有ATO耐药克隆的谷胱甘肽（GSH）含量均呈高水平，在予ATO同时耗竭GSH可显著地抑制这些耐药细胞的生长，膜联蛋白V染色和TUNEL分析证实了这一凋亡的协同诱导；同时这些细胞在予ATO处理时，不能像对ATO敏感的细胞那样积聚ROS，但若同时予以丁硫堇（buthionine sulfoximine）处理则会逆转这一情况。但其它恶性肿瘤细胞未显示ATO敏感性与GSH含量之间有明确联系，不管它们对砷剂单独给药反应如何（Davison， K.， S. Cote， et al）。
ATO抑制人宫颈癌SiHa细胞生长，并导致G2-M阻滞和细胞凋亡。RT-PCR和Western印迹分析显示，ATO可能通过抑制HPV16 E7表达、减少c-myc表达来诱导SiHa细胞凋亡。然而，Bcl-2过度表达的SiHa细胞对ATO诱导凋亡有一定抵抗性，可能与上述两种机制受阻有关。不过，高浓度ATO能下调Bcl-2表达、轻微抑制病毒基因表达，从而逆转其耐药性（Deng， Y.， C. Lin， et al）。
ATO按5 mg/(kg.d) 腹腔内给药能显著抑制BALB/C裸鼠体内人鼻咽癌异体移植瘤的生长，抑制率达75.4%。镜下观察到明显的ATO诱导的细胞分化，表现为肿瘤细胞的角质化，细胞核/细胞浆比率下降，胞浆细胞器增加，胞浆内张力原纤维丰富；桥粒和micro-processes更加多见；增殖细胞核抗原（PCNA）表达显著降低（Du， C. W.， D. R. Li， et al.）。
在予以8 mg/kg ATO注射剂腹腔内注射24小时后，A/J小鼠体内的SCK瘤和C3H小鼠体内的FSaII瘤的血流供应显著减少。在体外ATO能增加肿瘤细胞的热敏性，由于这一机制，予ATO处理能显著增强41.5-42.5摄氏度的高温热疗所致的细胞生长延迟效应。免疫组化染色显示，在予ATO给药2-6小时后，肿瘤组织内几种黏附分子和TNF-α表达水平明显增高（Griffin， R. J.， S. H. Lee， et al.）。
ATO通过毒性损伤和诱导凋亡双重途径抑制口腔鳞癌细胞生长。经ATO作用后，western 印迹试验检测发现两种舌鳞癌细胞系OSC-19、Tca8113的凋亡信号传导因子caspase-3、PARP发生酶切激活，线粒体跨膜电位明显下降，细胞周期G2/M期阻滞，且与凋亡产生同步。ATO与巯基交联，引起线粒体膜PT孔开放，导致线粒体跨膜电位下降和促凋亡因子细胞色素C与凋亡诱导因子（AIF）的释放，是其发挥凋亡诱导效应的启动因素，进一步引起caspase-3途径的激活及其下游底物PARP的降解可能是ATO诱导口腔鳞癌细胞凋亡的关键途径之一1。微管单体经ATO处理后，三价砷即与其GTP结合部位巯基Cys-12、Cys-213交联，使GTP结合点失活，阻止由GTP诱导的微管聚合和形成2，从而将肿瘤细胞阻滞于G2/M期。
ATO对除Caki-1细胞系以外的所有肾细胞癌细胞系（ACHN， A498， Caki-2， Cos-7， 及Renca）具有增殖抑制作用，诱导G1/G2-M细胞周期阻滞，其IC50大约为2.5-10mM。A498细胞经ATO（2.5mM）处理后，CDK2、CDK6、细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白E、细胞周期蛋白A的水平下降。尽管p21蛋白没有增加，ATO能显著地增强p21与CDK2的粘合。而且，由于Rb蛋白磷酸化不足，CDK2、CDK6相关激酶活性减弱。ATO（10mM）也诱导A498细胞凋亡，这一作用与Bcl-(XL)、caspase-9、caspase-3、 caspase-7等蛋白质改变及线粒体跨膜电位丧失有关（Hyun Park， W.， Y. Hee Cho， et al）。
两种胃癌细胞系AGS和MKN-28在ATO（0.1到100mM）作用24到72小时后生长均受到抑制，其中AGS细胞更为敏感。ATO诱导的AGS细胞凋亡呈浓度与时间依赖型，作用4小时后，p53蛋白水平显著上升。如与p53反义寡核苷酸共同作用时，ATO诱导的细胞内p53过度表达和凋亡受到抑制。ATO的不同代谢产物作用不一，其17 kDa肽链增强caspase-3活性，85 kDa裂解产物增加PARP的裂解，这些作用均与细胞凋亡的诱导平行。三肽caspase抑制剂zVAD-fmk和caspase-3特异性抑制剂DEVD-fmk只能部分抑制ATO诱导的caspase-3活性增加和细胞凋亡（Jiang， X. H.， B. C. Wong， et al）。
HepG2细胞经ATO作用后，caspase-3活性、促有丝分裂蛋白激酶（MAPKs）家族[包括细胞外信号调节激酶（ERK）和c-jun氨基末端激酶（JNK），p38 MAP激酶除外]活性增高，同时细胞凋亡显著增加。然而，抑制上述激酶并不能抑制ATO所致细胞凋亡。添加N-乙酰半胱氨酸（NAC）或联苯基三价碘（diphenyleneiodonium，DPI）能有效地防止细胞凋亡，显著地降低ATO诱导的caspase-3活化，但是NAC和DPI都不能影响ERK或JNK活化。可诱导氮氧化物合酶（iNOS）抑制剂GED（Guanidinoethyldisulfide dihydrochloride）和2-乙基-2-硫代假尿嘧啶核苷（ETU）能抑制ATO诱导凋亡的活性。这说明ATO诱导的caspase所调节的凋亡包含一种产生氧化应激的机制，但ATO激活的一些应激反应信号途径可能并不是凋亡过程的主要决定因素（Kang， S. H.， J. H. Song， et al）。
ATO显著地抑制六种胶质瘤细胞系（U373， U87， U251， GB1， A-172， 和T98G）的增殖，呈剂量依赖型，其IC50<2mM，这样的浓度在临床上使用是安全的。2mM的ATO使所有这些细胞的细胞周期在G2/M期阻滞。U-373-MG细胞经2mM的ATO作用后，在电子显微镜下观察到细胞的自我吞噬作用（II型细胞程序性死亡），而不是细胞凋亡（I型细胞程序性死亡）。Caspase抑制剂不能停止ATO诱导的细胞死亡，此外，与生病期A1自噬抑制剂合用时，ATO诱导凋亡的抗癌作用得以加强（Kanzawa， T.， Y. Kondo， et al）。
在对四种肝细胞癌细胞系HLE、HLF、HuH7和HepG2的试验中，低剂量ATO（1-3 mM）对HLE、HLF、HuH7细胞生长产生浓度依赖型抑制。2mM的ATO 使HLE细胞的凋亡，这一过程是通过线粒体途径caspase-3活化来完成，受caspase-8活化和Bid切断调节。实验发现，ATO与GSH合成抑制剂丁硫堇（BSO）有协同抑制细胞生长的作用，即便在对ATO较为不敏感的HepG2细胞也是如此。HLE细胞经两种药物一起作用后，其细胞内GSH水平较任一种单独作用后下降更为显著，而且经2’，7’-双乙酸双氯双氟荧光素检测发现活性氧化物的产生显著增高（Kito， M.， Y. Akao， et al）。
在一项定量肿瘤灌流研究中，用甲基胆蒽诱导BALB/c小鼠产生局部进展性纤维肉瘤，ATO按10mg/kg腹腔内注射，2-6小时后产生优先性的肿瘤组织血管闭塞，导致肿瘤组织中心部分大量坏死，这一现象在予同一肿瘤每周给药时呈可重复性。正常皮肤、肌肉和肾脏相对不受ATO影响（Lew， Y. S.， S. L. Brown， et al）。基于以上现象，试将ATO（10 mg/kg）与分级放射治疗（fractionated radiation）（30 Gy）联合用于同一肿瘤，结果放疗和ATO单独使用都只能延缓肿瘤生长几天，而两者联用是肿瘤生长延迟超过一个月，局部肿瘤治愈达55%。在肿瘤对治疗反应增强的同时，铷摄取法显示肿瘤组织血流呈持续性下降。当用药后血供开始下降，肿瘤组织中肿瘤坏死因子-α的产生立即呈10倍增加（Lew， Y. S.， A. Kolozsvary， et al）。
将人鼻咽癌CSNE-1细胞系种植在严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠皮下形成异体移植肿瘤，予ATO按1 mg/kg和5 mg/kg腹腔内给药，能诱导CSNE-1细胞凋亡。5 mg/kg的ATO还诱导癌细胞分化，减少PCNA表达，抑制肿瘤生长。实验中肿瘤生长抑制率达76.02%，组织病理学研究未发现肾脏毒性，但肝脏和心脏有一些病理改变。剂量为10 mg/kg时，ATO对小鼠产生致死性（Li， D.， C. Du， et al）。
经3-(4，5-二甲基噻唑-2-烃基)-2，5-联苯四唑溴化物分析显示，ATO抑制多种人实体瘤细胞系的生长，包括非小细胞肺癌细胞系（H460， H322， H520， H661）、卵巢癌细胞系（SK-OV-03， A2780）、子宫颈癌HeLa细胞系、乳腺癌MCF-7细胞系，其IC50在3-14mM之间。流式细胞计数分析显示ATO导致时间依赖性的细胞周期G2/M期阻滞，用Wright-Giemsa染色和4'，6-二脒-2-苯基吲哚-二盐酸盐染色显示细胞被阻滞于有丝分裂期。体外实验显示，在不影响GTP与β-微管蛋白结合的情况下，ATO显著地促进微管蛋白聚合。免疫细胞化学和EM研究显示，ATO处理过的MCF-7细胞的细胞微管网发生改变，形成微管聚合。和大多数抗微管蛋白药物类似，ATO导致细胞周期蛋白B1的上调、p34(cdc2)/ 细胞周期蛋白B1激酶的活化和Bcl-2磷酸化。而且，caspase-3和caspase-7的活化、聚ADP-核糖多聚酶和β-连环蛋白（一类细胞骨架蛋白）的裂解只发生在ATO诱导的有丝分裂细胞，而不发生于分裂间期细胞，提示ATO诱导有丝分裂停滞是凋亡途径激活的必要条件之一。另外，ATO对两种MCF-7亲代细胞有相似的抑制作用：P-糖蛋白过度表达的MCF-7/ADM细胞、多药耐药蛋白（MRP）过度表达的MCF-7/VP-16细胞（耐药指数分别为2.3/1.9）。同样，ATO对亲代卵巢癌A2780细胞、微管突变的紫杉醇耐药细胞系PTx10/PTx22（耐药指数分别为0.86/0.93）抑制作用相似，提示其微管蛋白聚合和G2/M期阻滞作用与紫杉醇截然不同（Ling， Y. H.， J. D. Jiang， et al）。
ATO对三种人胰腺癌细胞系（HPAF， MiaPaCa-2和PANC-1）的增殖起时间-剂量依赖的抑制作用，同时癌细胞发生凋亡，在细胞形态上产生相应的改变，包括缩小的胞浆、membrane blebbing和核浓缩。亚丙基碘化物DNA染色显示G0/G1期细胞比例上升，TUNEL分析证实ATO导致DNA裂解。Western印迹分析表明经ATO作用后caspase-3发生活化（Li， X.， X. Ding， et al）。
ATO处理三种人非雄激素依赖前列腺癌细胞系（PC-3， DU-145， and TSU-PR1）。在体内试验中，PC-3细胞同位接种于严重联合免疫缺陷小鼠。对于这三种细胞系高浓度ATO诱导细胞凋亡，低浓度ATO则抑制细胞生长。p38抑制剂或dominant-negative JNK的过度表达都不能防止ATO所致的细胞死亡，与caspase-3抑制剂的部分保护作用相比，抗氧化剂N-乙酰-L-半胱氨酸对ATO诱导的细胞凋亡可产生显著的保护作用，消除p38，JNK，和caspase-3的活化及ROS的产生。产生ROS是ATO诱导凋亡作用增强的治疗靶点之一（Maeda， H.， S. Hori， et al）。
SW480，DLD-1，和COLO201三种结肠癌细胞系，在ATO作用下均出现呈浓度依赖的细胞生长抑制。细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）的浓度与这些细胞对ATO的敏感性呈负相关。其中，SW480细胞在相对低浓度（2mM）ATO作用下出现凋亡，这一进程能被N-乙酰半胱氨酸所阻止，而丁硫堇则能增强ATO这一作用。2',7'-双乙酸双氯双氢荧光素（H2DCF-DA）检测显示在ATO作用后，活性氧化中间产物逐渐增加。Western blot、酶活性、凋亡抑制分析显示，caspase-3在凋亡中起“执行者”的作用。密度梯度离心法将黏着的凋亡SW480细胞和中间层细胞分离，Western blot分析显示它们的caspase-3呈活化型，其线粒体跨膜电位没有丧失。SW480细胞Bcl-2蛋白的过度表达不能阻止ATO所致的细胞凋亡（Nakagawa, Y.， Y. Akao， et al）。
三种肝细胞癌起源的细胞系SK-Hep-1、HepG2、和HuH7。对HuH7细胞，1/2mM的ATO导致呈时间和剂量依赖的增殖抑制效应；而对SK-Hep-1和HepG2细胞，ATO分别在2mM和4mM时产生此效应。流式细胞计数分析细胞周期显示出现亚G1期细胞，证实ATO诱导产生细胞凋亡。这些细胞对ATO的敏感性与细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）的浓度及GSH合成强度呈负相关。L-丁硫堇（BSO）耗竭细胞内GSH后，相对耐药的细胞对ATO敏感性可得以恢复（Oketani, M.，K. Kohara，et al）。
和急性前髓细胞性白血病（APL）细胞相似，神经母细胞瘤（NB）细胞被认为阻滞于分化早期，高度恶性的肿瘤细胞无法自发成熟。在体外试验中，APL和NB细胞都能被维甲酸（RA）诱导分化，在体内可能也是如此。在体外经浓度约为1mM的ATO处理72小时后，NB细胞存活数减少。ATO处理6种不同细胞系3天，其IC50在1.5到5之间，其中最敏感的是一种来自化疗耐药肿瘤的SK-N-BE(2)细胞。与RA（1和3mM）联用时，对诱导细胞死亡显示出非一贯的附加效应。ATO对NB细胞的作用包括诱导凋亡途径（Bcl-2表达减少和caspase-3活化），但没有诱导细胞分化的明确证据。体内试验中，裸鼠体内异种移植的NB细胞减少，但在试验浓度下没有达到完全缓解。ATO与现有治疗用药联合对高危的NB患者可能是一种治疗手段（Ora, I., L. Bondesson, et al）。
三种膀胱移行细胞癌细胞系NTUB1，NTUB1/P (顺铂耐药)，和NTUB1/As (As2O3耐药)。微量细胞培养四唑分析可确定这三种细胞对顺铂和ATO的敏感性。为了研究丁硫堇（BSO）对ATO的调节效应，将两者同时给药或贯序给药，用中位效应分析法评价。结果显示CDDP与ATO有明显的交叉耐药性。BSO能显著地增加ATO对这三种细胞的毒性，显示出两者联用时的协同效应。在给予3mM的BSO时，NTUB1、NTUB1/P和NTUB1/As对ATO的敏感性分别增加3、7.4和8.4倍。在NTUB1和NTUB1/As细胞，发现BSO浓度与细胞内谷胱甘肽含量之间呈现显著的剂量依赖关系(P = 0.05)，而NTUB1/P细胞则未显示此关系(P = 0.1)。（Pu, Y. S., T. C. Hour, et al.）单用ATO处理时细胞凋亡的程度远低于与非毒性浓度（最高10mM）的BSO联用时，主要作用包括亚G1期细胞部分的增加和核小体DNA的裂解，其机制是活性氧化产物的产生、线粒体膜电位的丧失和caspase-3的活化。
碱性单细胞凝胶电泳分析（Comet分析）显示ATO能显著地导致小鼠细胞内DNA损伤（Saleha Banu, B., K. Danadevi, et al）。
头颈部肿瘤中对ATO最敏感的PCI-1细胞系，经ATO处理3天后产生有效的G2/M细胞周期阻滞。G2/M细胞周期阻滞时，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21呈时间依赖性增加，对细胞周期调节蛋白的分析显示ATO（2mM）不改变CDK2、CDK4、CDK6、细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白E和细胞周期蛋白A的稳态水平，但使cdc2和细胞周期蛋白B1的蛋白水平减低。此外，ATO显著地增强p21和cdc2的结合，cdc2激酶的活性呈时间依赖性减低（Seol, J. G., W. H. Park, et al.）。
低浓度（1mM）的ATO不影响细胞生存和微管网络，但与抗微管药物泰素（Paclitaxel）同时作用于神经母细胞瘤SK-N-SH细胞时，ATO拮抗泰素的抑制细胞增殖效应，同时泰素诱导的细胞凋亡也明显减少。在体外，高浓度ATO (10-200mM)导致浓度依赖性的对微管蛋白聚合的抑制作用，该作用在与泰素合用时依然存在。分光分度计和分光荧光计的检测显示ATO与微管蛋白SH基团相作用，不更改与微管蛋白结合的泰素的化学计量。4mM的ATO显著抑制细胞色素C从线粒体释放（Carre， M.， G. Carles， et al.）。
当雌激素与其靶组织上的受体（ER）结合时变成一个强力的促有丝分裂原，这是乳腺癌发病的重要机理之一，高剂量的ATO能显著地降低两种ER阳性的乳腺癌细胞系MCF7和T47D，而低剂量的ATO则显著地抑制雌激素受体-α（ER-alpha）的表达，却不影响雌激素受体-β的表达。在ATO的作用消失24小时后，ER-α的表达完全恢复。通过利用一个受ER控制的报道基因发现，ATO有力地抑制17β-雌二醇（E2）所激发的转录激活，而且，ATO终止E2介导的雌激素相关基因pS2转录诱导。这说明ATO特异性地抑制ER-α的表达和信号传导，将ATO与其它治疗联合可能是一种合理的治疗ER-α阳性乳腺癌的方法（Chen， G. C.， L. S. Guan， et al.）。
几篇文章报道在接受ATO治疗时出现QT间期延长或者室性心律不齐。在动物实验中使用常规动作电位记录技术发现，ATO的确依赖性地延长几内亚猪乳头肌的动作电位周期（APD），伴有起搏频率的迟缓。非胃肠给药则延长几内亚猪心肌QT间期和APD，在临床静脉注射时，ATO的上述作用是剂量依赖性的。说明ATO对心脏复极化有直接的作用，接受治疗的病人应避免同时使用其它延长QT间期药物或其它利于延迟心脏复极化的情况（Chiang， C. E.， H. N. Luk， et al.）。
ATO处理会导致U937细胞的凋亡，伴有caspase 3的活化（表现为32 kDa的非活化形式的降低和PLC-γ蛋白水解裂解片段的上升）。广谱caspase抑制剂z-VAD-fmk抑制这一诱导凋亡，证明ATO诱导凋亡的作用和caspase的活化有直接的联系。ATO诱导的凋亡伴随细胞色素C的释放、cIAP1的下调和Akt的失活，而Bcl-2的过度表达抑制caspase 3的活化，并不抑制Akt，从而削弱ATO诱导凋亡的作用。另外，活性氧化物的生成可促发ATO所诱导的凋亡，抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）则起相反作用，与NAC同时给药时，Akt的去磷酸化、caspase 3的活化、cIAP1的下调均受到显著阻滞。这说明ATO能通过失活Akt相关细胞存活途径、产生活性氧化物导致细胞损害，是ATO诱导凋亡的重要机制（Choi， Y. J.， J. W. Park， et al.）。
体内外实验显示ATO能增强人宫颈癌细胞对电离辐射的敏感性。ATO与电离辐射联合具有协同效应，减少克隆源性存活（clonogenic survival），促进人宫颈癌异种移植瘤的消退。用ATO预处理肿瘤细胞也协同性增强放射诱导的细胞凋亡，活性氧化物的产生和线粒体膜电位的丧失致使caspase 9、caspase 3活化，最终细胞凋亡。ATO单独使用时不改变细胞周期，但与电离辐射联合时则增长G2/M细胞周期分布（Chun， Y. J.， I. C. Park， et al.）。
ATO是治疗急性早幼粒细胞性白血病（APL）的有效药物，但对其它类型的白血病效果不佳。尽管ATO对APL细胞的作用与PML/RAR-α融合癌基因产物的降解有关，但有证据显示PML/RAR-α表达并不是对砷剂敏感的唯一介质。事实上，PML/RAR-α外源性表达并不能使非APL白血病细胞对ATO敏感。在对ATO耐药的细胞系NB4亚克隆中，PML/RAR-α蛋白仍然被ATO所降解。而所有ATO耐药克隆的谷胱甘肽（GSH）含量均呈高水平，在予ATO同时耗竭GSH可显著地抑制这些耐药细胞的生长，膜联蛋白V染色和TUNEL分析证实了这一凋亡的协同诱导；同时这些细胞在予ATO处理时，不能像对ATO敏感的细胞那样积聚ROS，但若同时予以丁硫堇（buthionine sulfoximine）处理则会逆转这一情况。但其它恶性肿瘤细胞未显示ATO敏感性与GSH含量之间有明确联系，不管它们对砷剂单独给药反应如何（Davison， K.， S. Cote， et al）。
ATO抑制人宫颈癌SiHa细胞生长，并导致G2-M阻滞和细胞凋亡。RT-PCR和Western印迹分析显示，ATO可能通过抑制HPV16 E7表达、减少c-myc表达来诱导SiHa细胞凋亡。然而，Bcl-2过度表达的SiHa细胞对ATO诱导凋亡有一定抵抗性，可能与上述两种机制受阻有关。不过，高浓度ATO能下调Bcl-2表达、轻微抑制病毒基因表达，从而逆转其耐药性（Deng， Y.， C. Lin， et al）。
ATO按5 mg/(kg.d) 腹腔内给药能显著抑制BALB/C裸鼠体内人鼻咽癌异体移植瘤的生长，抑制率达75.4%。镜下观察到明显的ATO诱导的细胞分化，表现为肿瘤细胞的角质化，细胞核/细胞浆比率下降，胞浆细胞器增加，胞浆内张力原纤维丰富；桥粒和micro-processes更加多见；增殖细胞核抗原（PCNA）表达显著降低（Du， C. W.， D. R. Li， et al.）。
在予以8 mg/kg ATO注射剂腹腔内注射24小时后，A/J小鼠体内的SCK瘤和C3H小鼠体内的FSaII瘤的血流供应显著减少。在体外ATO能增加肿瘤细胞的热敏性，由于这一机制，予ATO处理能显著增强41.5-42.5摄氏度的高温热疗所致的细胞生长延迟效应。免疫组化染色显示，在予ATO给药2-6小时后，肿瘤组织内几种黏附分子和TNF-α表达水平明显增高（Griffin， R. J.， S. H. Lee， et al.）。
ATO通过毒性损伤和诱导凋亡双重途径抑制口腔鳞癌细胞生长。经ATO作用后，western 印迹试验检测发现两种舌鳞癌细胞系OSC-19、Tca8113的凋亡信号传导因子caspase-3、PARP发生酶切激活，线粒体跨膜电位明显下降，细胞周期G2/M期阻滞，且与凋亡产生同步。ATO与巯基交联，引起线粒体膜PT孔开放，导致线粒体跨膜电位下降和促凋亡因子细胞色素C与凋亡诱导因子（AIF）的释放，是其发挥凋亡诱导效应的启动因素，进一步引起caspase-3途径的激活及其下游底物PARP的降解可能是ATO诱导口腔鳞癌细胞凋亡的关键途径之一1。微管单体经ATO处理后，三价砷即与其GTP结合部位巯基Cys-12、Cys-213交联，使GTP结合点失活，阻止由GTP诱导的微管聚合和形成2，从而将肿瘤细胞阻滞于G2/M期。
ATO对除Caki-1细胞系以外的所有肾细胞癌细胞系（ACHN， A498， Caki-2， Cos-7， 及Renca）具有增殖抑制作用，诱导G1/G2-M细胞周期阻滞，其IC50大约为2.5-10mM。A498细胞经ATO（2.5mM）处理后，CDK2、CDK6、细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白E、细胞周期蛋白A的水平下降。尽管p21蛋白没有增加，ATO能显著地增强p21与CDK2的粘合。而且，由于Rb蛋白磷酸化不足，CDK2、CDK6相关激酶活性减弱。ATO（10mM）也诱导A498细胞凋亡，这一作用与Bcl-(XL)、caspase-9、caspase-3、 caspase-7等蛋白质改变及线粒体跨膜电位丧失有关（Hyun Park， W.， Y. Hee Cho， et al）。
两种胃癌细胞系AGS和MKN-28在ATO（0.1到100mM）作用24到72小时后生长均受到抑制，其中AGS细胞更为敏感。ATO诱导的AGS细胞凋亡呈浓度与时间依赖型，作用4小时后，p53蛋白水平显著上升。如与p53反义寡核苷酸共同作用时，ATO诱导的细胞内p53过度表达和凋亡受到抑制。ATO的不同代谢产物作用不一，其17 kDa肽链增强caspase-3活性，85 kDa裂解产物增加PARP的裂解，这些作用均与细胞凋亡的诱导平行。三肽caspase抑制剂zVAD-fmk和caspase-3特异性抑制剂DEVD-fmk只能部分抑制ATO诱导的caspase-3活性增加和细胞凋亡（Jiang， X. H.， B. C. Wong， et al）。
HepG2细胞经ATO作用后，caspase-3活性、促有丝分裂蛋白激酶（MAPKs）家族[包括细胞外信号调节激酶（ERK）和c-jun氨基末端激酶（JNK），p38 MAP激酶除外]活性增高，同时细胞凋亡显著增加。然而，抑制上述激酶并不能抑制ATO所致细胞凋亡。添加N-乙酰半胱氨酸（NAC）或联苯基三价碘（diphenyleneiodonium，DPI）能有效地防止细胞凋亡，显著地降低ATO诱导的caspase-3活化，但是NAC和DPI都不能影响ERK或JNK活化。可诱导氮氧化物合酶（iNOS）抑制剂GED（Guanidinoethyldisulfide dihydrochloride）和2-乙基-2-硫代假尿嘧啶核苷（ETU）能抑制ATO诱导凋亡的活性。这说明ATO诱导的caspase所调节的凋亡包含一种产生氧化应激的机制，但ATO激活的一些应激反应信号途径可能并不是凋亡过程的主要决定因素（Kang， S. H.， J. H. Song， et al）。
ATO显著地抑制六种胶质瘤细胞系（U373， U87， U251， GB1， A-172， 和T98G）的增殖，呈剂量依赖型，其IC50<2mM，这样的浓度在临床上使用是安全的。2mM的ATO使所有这些细胞的细胞周期在G2/M期阻滞。U-373-MG细胞经2mM的ATO作用后，在电子显微镜下观察到细胞的自我吞噬作用（II型细胞程序性死亡），而不是细胞凋亡（I型细胞程序性死亡）。Caspase抑制剂不能停止ATO诱导的细胞死亡，此外，与生病期A1自噬抑制剂合用时，ATO诱导凋亡的抗癌作用得以加强（Kanzawa， T.， Y. Kondo， et al）。
在对四种肝细胞癌细胞系HLE、HLF、HuH7和HepG2的试验中，低剂量ATO（1-3 mM）对HLE、HLF、HuH7细胞生长产生浓度依赖型抑制。2mM的ATO 使HLE细胞的凋亡，这一过程是通过线粒体途径caspase-3活化来完成，受caspase-8活化和Bid切断调节。实验发现，ATO与GSH合成抑制剂丁硫堇（BSO）有协同抑制细胞生长的作用，即便在对ATO较为不敏感的HepG2细胞也是如此。HLE细胞经两种药物一起作用后，其细胞内GSH水平较任一种单独作用后下降更为显著，而且经2’，7’-双乙酸双氯双氟荧光素检测发现活性氧化物的产生显著增高（Kito， M.， Y. Akao， et al）。
在一项定量肿瘤灌流研究中，用甲基胆蒽诱导BALB/c小鼠产生局部进展性纤维肉瘤，ATO按10mg/kg腹腔内注射，2-6小时后产生优先性的肿瘤组织血管闭塞，导致肿瘤组织中心部分大量坏死，这一现象在予同一肿瘤每周给药时呈可重复性。正常皮肤、肌肉和肾脏相对不受ATO影响（Lew， Y. S.， S. L. Brown， et al）。基于以上现象，试将ATO（10 mg/kg）与分级放射治疗（fractionated radiation）（30 Gy）联合用于同一肿瘤，结果放疗和ATO单独使用都只能延缓肿瘤生长几天，而两者联用是肿瘤生长延迟超过一个月，局部肿瘤治愈达55%。在肿瘤对治疗反应增强的同时，铷摄取法显示肿瘤组织血流呈持续性下降。当用药后血供开始下降，肿瘤组织中肿瘤坏死因子-α的产生立即呈10倍增加（Lew， Y. S.， A. Kolozsvary， et al）。
将人鼻咽癌CSNE-1细胞系种植在严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠皮下形成异体移植肿瘤，予ATO按1 mg/kg和5 mg/kg腹腔内给药，能诱导CSNE-1细胞凋亡。5 mg/kg的ATO还诱导癌细胞分化，减少PCNA表达，抑制肿瘤生长。实验中肿瘤生长抑制率达76.02%，组织病理学研究未发现肾脏毒性，但肝脏和心脏有一些病理改变。剂量为10 mg/kg时，ATO对小鼠产生致死性（Li， D.， C. Du， et al）。
经3-(4，5-二甲基噻唑-2-烃基)-2，5-联苯四唑溴化物分析显示，ATO抑制多种人实体瘤细胞系的生长，包括非小细胞肺癌细胞系（H460， H322， H520， H661）、卵巢癌细胞系（SK-OV-03， A2780）、子宫颈癌HeLa细胞系、乳腺癌MCF-7细胞系，其IC50在3-14mM之间。流式细胞计数分析显示ATO导致时间依赖性的细胞周期G2/M期阻滞，用Wright-Giemsa染色和4'，6-二脒-2-苯基吲哚-二盐酸盐染色显示细胞被阻滞于有丝分裂期。体外实验显示，在不影响GTP与β-微管蛋白结合的情况下，ATO显著地促进微管蛋白聚合。免疫细胞化学和EM研究显示，ATO处理过的MCF-7细胞的细胞微管网发生改变，形成微管聚合。和大多数抗微管蛋白药物类似，ATO导致细胞周期蛋白B1的上调、p34(cdc2)/ 细胞周期蛋白B1激酶的活化和Bcl-2磷酸化。而且，caspase-3和caspase-7的活化、聚ADP-核糖多聚酶和β-连环蛋白（一类细胞骨架蛋白）的裂解只发生在ATO诱导的有丝分裂细胞，而不发生于分裂间期细胞，提示ATO诱导有丝分裂停滞是凋亡途径激活的必要条件之一。另外，ATO对两种MCF-7亲代细胞有相似的抑制作用：P-糖蛋白过度表达的MCF-7/ADM细胞、多药耐药蛋白（MRP）过度表达的MCF-7/VP-16细胞（耐药指数分别为2.3/1.9）。同样，ATO对亲代卵巢癌A2780细胞、微管突变的紫杉醇耐药细胞系PTx10/PTx22（耐药指数分别为0.86/0.93）抑制作用相似，提示其微管蛋白聚合和G2/M期阻滞作用与紫杉醇截然不同（Ling， Y. H.， J. D. Jiang， et al）。
ATO对三种人胰腺癌细胞系（HPAF， MiaPaCa-2和PANC-1）的增殖起时间-剂量依赖的抑制作用，同时癌细胞发生凋亡，在细胞形态上产生相应的改变，包括缩小的胞浆、membrane blebbing和核浓缩。亚丙基碘化物DNA染色显示G0/G1期细胞比例上升，TUNEL分析证实ATO导致DNA裂解。Western印迹分析表明经ATO作用后caspase-3发生活化（Li， X.， X. Ding， et al）。
ATO处理三种人非雄激素依赖前列腺癌细胞系（PC-3， DU-145， and TSU-PR1）。在体内试验中，PC-3细胞同位接种于严重联合免疫缺陷小鼠。对于这三种细胞系高浓度ATO诱导细胞凋亡，低浓度ATO则抑制细胞生长。p38抑制剂或dominant-negative JNK的过度表达都不能防止ATO所致的细胞死亡，与caspase-3抑制剂的部分保护作用相比，抗氧化剂N-乙酰-L-半胱氨酸对ATO诱导的细胞凋亡可产生显著的保护作用，消除p38，JNK，和caspase-3的活化及ROS的产生。产生ROS是ATO诱导凋亡作用增强的治疗靶点之一（Maeda， H.， S. Hori， et al）。
SW480，DLD-1，和COLO201三种结肠癌细胞系，在ATO作用下均出现呈浓度依赖的细胞生长抑制。细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）的浓度与这些细胞对ATO的敏感性呈负相关。其中，SW480细胞在相对低浓度（2mM）ATO作用下出现凋亡，这一进程能被N-乙酰半胱氨酸所阻止，而丁硫堇则能增强ATO这一作用。2',7'-双乙酸双氯双氢荧光素（H2DCF-DA）检测显示在ATO作用后，活性氧化中间产物逐渐增加。Western blot、酶活性、凋亡抑制分析显示，caspase-3在凋亡中起“执行者”的作用。密度梯度离心法将黏着的凋亡SW480细胞和中间层细胞分离，Western blot分析显示它们的caspase-3呈活化型，其线粒体跨膜电位没有丧失。SW480细胞Bcl-2蛋白的过度表达不能阻止ATO所致的细胞凋亡（Nakagawa, Y.， Y. Akao， et al）。
三种肝细胞癌起源的细胞系SK-Hep-1、HepG2、和HuH7。对HuH7细胞，1/2mM的ATO导致呈时间和剂量依赖的增殖抑制效应；而对SK-Hep-1和HepG2细胞，ATO分别在2mM和4mM时产生此效应。流式细胞计数分析细胞周期显示出现亚G1期细胞，证实ATO诱导产生细胞凋亡。这些细胞对ATO的敏感性与细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）的浓度及GSH合成强度呈负相关。L-丁硫堇（BSO）耗竭细胞内GSH后，相对耐药的细胞对ATO敏感性可得以恢复（Oketani, M.，K. Kohara，et al）。
和急性前髓细胞性白血病（APL）细胞相似，神经母细胞瘤（NB）细胞被认为阻滞于分化早期，高度恶性的肿瘤细胞无法自发成熟。在体外试验中，APL和NB细胞都能被维甲酸（RA）诱导分化，在体内可能也是如此。在体外经浓度约为1mM的ATO处理72小时后，NB细胞存活数减少。ATO处理6种不同细胞系3天，其IC50在1.5到5之间，其中最敏感的是一种来自化疗耐药肿瘤的SK-N-BE(2)细胞。与RA（1和3mM）联用时，对诱导细胞死亡显示出非一贯的附加效应。ATO对NB细胞的作用包括诱导凋亡途径（Bcl-2表达减少和caspase-3活化），但没有诱导细胞分化的明确证据。体内试验中，裸鼠体内异种移植的NB细胞减少，但在试验浓度下没有达到完全缓解。ATO与现有治疗用药联合对高危的NB患者可能是一种治疗手段（Ora, I., L. Bondesson, et al）。
三种膀胱移行细胞癌细胞系NTUB1，NTUB1/P (顺铂耐药)，和NTUB1/As (As2O3耐药)。微量细胞培养四唑分析可确定这三种细胞对顺铂和ATO的敏感性。为了研究丁硫堇（BSO）对ATO的调节效应，将两者同时给药或贯序给药，用中位效应分析法评价。结果显示CDDP与ATO有明显的交叉耐药性。BSO能显著地增加ATO对这三种细胞的毒性，显示出两者联用时的协同效应。在给予3mM的BSO时，NTUB1、NTUB1/P和NTUB1/As对ATO的敏感性分别增加3、7.4和8.4倍。在NTUB1和NTUB1/As细胞，发现BSO浓度与细胞内谷胱甘肽含量之间呈现显著的剂量依赖关系(P = 0.05)，而NTUB1/P细胞则未显示此关系(P = 0.1)。（Pu, Y. S., T. C. Hour, et al.）单用ATO处理时细胞凋亡的程度远低于与非毒性浓度（最高10mM）的BSO联用时，主要作用包括亚G1期细胞部分的增加和核小体DNA的裂解，其机制是活性氧化产物的产生、线粒体膜电位的丧失和caspase-3的活化。
碱性单细胞凝胶电泳分析（Comet分析）显示ATO能显著地导致小鼠细胞内DNA损伤（Saleha Banu, B., K. Danadevi, et al）。
头颈部肿瘤中对ATO最敏感的PCI-1细胞系，经ATO处理3天后产生有效的G2/M细胞周期阻滞。G2/M细胞周期阻滞时，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21呈时间依赖性增加，对细胞周期调节蛋白的分析显示ATO（2mM）不改变CDK2、CDK4、CDK6、细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白E和细胞周期蛋白A的稳态水平，但使cdc2和细胞周期蛋白B1的蛋白水平减低。此外，ATO显著地增强p21和cdc2的结合，cdc2激酶的活性呈时间依赖性减低（Seol, J. G., W. H. Park, et al.）。
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