Abstract The therapeutic effect of arsenic trioxide (As2O3 ) in the treatment of acute promyelocytic leukemia (APL) was evaluated among 15 APL patients at relapse after all-trans retinoic acid (ATRA) induced and chemotherapy maintained complete remission (CR). As2O3 was administered intravenously at the dose of 10 mg/d. Clinical CR was achieved in nine of 10 (90%) patients treated with As2O3 alone and in the remaining five patients treated by the combination of As2O3 and low-dose chemotherapeutic drugs or ATRA. During the treatment with As2O3 , there was no bone marrow depression and only limited side effects were encountered. Pharmacokinetic studies, which were performed in eight patients, showed that after a peak level of 5.54 μmol/L to 7.30 μmol/L, plasma arsenic was rapidly eliminated, and the continuous administration of As2O3 did not alter its pharmacokinetic behaviors. In addition, increased amounts of arsenic appeared in the urine, with a daily excretion accounting for approximately 1% to 8% of the total daily dose administered. Arsenic contents in hair and nail were increased, and the peak content of arsenic could reach 2.5 to 2.7 μg/g tissue at CR. On the other hand, a decline of the arsenic content in hair and nail was observed after withdrawal of the drug. We conclude that As2O3 treatment is an effective and relatively safe drug in APL patients refractory to ATRA and conventional chemotherapy.

Recent clinical studies in China showed that As 2 O 3 is an effective and relatively safe drug in the treatment of acute promyelocytic leukemia (APL). We found previously that As 2 O 3 can trigger apoptosis of APL cell line NB4 cells, which is associated with downregulation of bcl-2 gene expression and modulation of PML-RARα chimeric protein. To further understand the mechanisms of this alternative therapy for APL, we investigated in this report the effects of a wide range of concentrations of As 2 O 3 on cultured primary APL cells, all-trans retinoic acid (ATRA)-susceptible (NB4 cells) and ATRA-resistant (MR2 subclone) APL cell lines. The results indicated that As 2 O 3 had dose-dependent dual effects on APL cells: inducing preferentially apoptosis at relatively high concentrations (0.5 to 2 μmol/L) and inducing partial differentiation at low concentrations (0.1 to 0.5 μmol/L). The rapid modulation and degradation of PML-RARα proteins, which was induced by As 2 O 3 at 0.1 to 2 μmol/L, could contribute to these two effects. Bone marrow and peripheral blood examination showed that myelocyte-like cells, probably as a result of partial in vivo differentiation, and degenerative cells increased after 2 to 3 weeks of continuous in vivo As 2 O 3 treatment when leukemic promyelocytes decreased. In conclusion, combination of induction of apoptosis and partial differention could be the main cellular mechanisms of As 2 O 3 in the treatment of APL, and PML-RARα could play an important role in determining the specific effects of As 2 O 3 on APL cells.