肿瘤血管生成的分子机制

中国急救复苏与灾害医学杂志 2008年2月第3卷第2期 肿瘤在其发生发展过程中可分为两个阶段，当肿 瘤体积小于1mm3时，主要依靠渗透获得营养,即血管 前期(prevascularphase),为无血管生长期；当肿瘤体积 大于1mm3时，主要依靠血管生成获得营养，即血管期 (vascularphase)。肿瘤血管生成是肿瘤生长、侵袭和转 移的的重要条件[1]，是肿瘤学的研究热点。长期以来，肿 瘤血管生成一直被认为是无血管的肿瘤组织刺激邻近 宿主血管床新生来为自身供血。然而，近年来关于肿瘤 血管生成的机制，又有了新的发现：来自骨髓的成血管 细胞形成血管生发中心；共选择作用；血管生成拟态； 马赛克血管。这些肿瘤血管化的方式可能共存于某一 肿瘤中，也可能只存在于特定的肿瘤或宿主环境中，最 终形成新的血管，为肿瘤的生长提供营养。本文就肿瘤 血管形成方式及其分子机制作一综述。 1971年Folkman提出肿瘤需在可扩散化学信号调 节下促进血管形成以满足自身生长的需要[2]。最初描述 血管生成的机制是出芽式血管生成 (sproutingangio- genesis)：肿瘤血管生成时，在血管生成因子和细胞因 子的刺激作用下，处于静息状态的血管内皮细胞降解 基底膜，侵入细胞外基质，形成条索并增生，最后形成 新的毛细血管状结构。这个过程中最重要的因子是血 管内皮细胞生长因子(vascularendothegrowthfactor, VEGFs)，特别是VEGF-A。VEGF-A可使邻近的毛细 血管舒张，通透性增加，血浆蛋白特别是纤维蛋白原从 血管中渗出，辅助内皮细胞迁移并形成管状结构； VEGF-A还可诱导内皮细胞增殖，增加金属蛋白酶和 纤溶酶原的活性，降解细胞外基质以利于内皮细胞迁移[3-5]。 不同于出芽式生长的另一种血管生成方式是套入 式血管生成(intussusceptiveangiogenesis)，即通过间 质柱状结构插入已有血管的内腔，导致原有血管腔的 分割和新生血管的形成。1986年Caduff等首次在新生 幼鼠肺毛细血管床内观察到套入式血管生成，后来证 实其也存在于多数器官形成、组织修复、肿瘤血管形成 过程。在鸡胚尿囊膜肿瘤模型中，一侧的膜可以和对侧 的膜形成连接，由纤维母细胞和血管旁细胞组成的间 充质细胞将两个血管隔开。形成的两个血管间有胶原 或纤维蛋白等细胞外基质聚集。套叠式血管生长相对 于出芽生长更快更经济，内皮细胞不需要增生，只需要 容积变大，变长变薄。这种机制广泛存在，大多数肿瘤 通过这种方式快速形成血管[6,7]，也可见于组织形成分 支和再塑形[6]。 套入式血管生成的分子机制目前并不清楚，但是 切应力和血流速度增加起着重要作用。切应力可以被 内皮细胞感受并且由血小板内皮细胞黏附分子-1 (plateletendotheliam cellularadhesion molecule-1, PECAM-1)传导到细胞内部，使转化生长因子 β1 (transforminggrowthfactor-β1,TGF-β1)、内皮型一氧 化氮合酶（endothelialnitricoxidesynthase,eNOS）和黏 附分子的表达增加。在鸡胚尿囊膜中，PDGF-β促进套 入式血管生成，而抗PDGF-β抗体抑制该种血管生成 和血管旁细胞聚集。促红细胞生成素也是通过该种血 管生成在鸡胚尿囊膜中促进内皮细胞的增殖，转移和血管 生成的[8]。 在胚胎发育过程中，在卵黄囊，脏胸膜等不同部位 都可以找到造血细胞和内皮细胞的共同前体-成血管 细胞。VEGFR2阳性前体细胞在获得CD34,CD133和 VE-cadherin后形成成血管细胞，成血管细胞又可分化 为内皮细胞。在成人组织中，成血管细胞是由多能干细 胞分化而来，在VEGF-A的刺激下，多能干细胞可以在 体外分化为内皮细胞，也可以分化为间充质干细胞，后 者可分化为血管旁细胞，脂肪细胞，肌原细胞和软骨细胞[9,10]。 成血管细胞形成血管生成中心是指肿瘤组织分泌 2 成血管细胞形成血管生成中心 1 血管生成 基金项目：武警医学院院级课题资助（WY2005-4） 作者单位：300162 天津，中国人民武装警察部队医学院病理学教 研室 作者简介：刘燕青,硕士，讲师，主要研究方向为肿瘤病理学 ·综 述· 肿瘤血管生成的分子机制 刘燕青 齐丽莎 刘亚敏 【中图分类号】 R730.23 【文献标识码】 A 【文章编号】 1673-6966(2008)02-0117-04 117· · CHINAJOURNALOFEMERGENCYRESUSCITATIONANDDISASTERMEDICINEFebruary2008,Vol3,No.2 的促血管生成因子动员骨髓中的循环内皮前体细胞 (circulatingendothelialprecursors,CEPs)，并且引导他 们到达肿瘤局部直接参与肿瘤血管的形成。CEPs是在 VEGF-A和/或Ang-1的作用下被激活和聚集的，后 二者的区别是 Ang-1的作用相对微弱但作用持久。 CEPs在循环中聚集也依赖于金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinases,MMP-9)诱导的可溶性配体的释 放，它可以使内皮细胞增殖，迁移，还可以促进CEPs进 入外周血液循环[11,12]。CEPs在肿瘤血管生成中的重要 性已经在Id蛋白突变鼠中得到证实[13]。Id1+/-Id3+/-的双 突变鼠发育过程中，VEGF-A诱导的CEPs迁移与增殖 受到损害，继而导致血管形成障碍并抑制肿瘤演进。在 致死量照射的Id1+/-Id3-/-并且由野生型CEPs重组的小 鼠中，肿瘤的生长情况和对照组一样。大部分的内皮细 胞都是Id3+。而且在野生型小鼠中，CEPs聚集于肿瘤 血管的作用可以完全被抗VEGF-2而不是VEGF-1的 抗体抑制。但是，VEGF-1阳性的造血干细胞和祖细胞 可以聚集到肿瘤血管并且参与CEPs合并入内皮组织[13]。 CEPs聚集于肿瘤血管的范围取决于肿瘤种类，移植于 小鼠皮下的淋巴瘤中占90%，而神经母细胞瘤中只占 5%[12,14]。另外CEPs的聚集对肿瘤的转移也必不可少： 在淋巴瘤中，第二天时，大部分的肿瘤血管是由CEPs 分化来的，而在第十四天只有 50%的肿瘤血管是由 CEPs分化来的[13]。对肿瘤血管来说，CEPs可能是非常 有效的携带血管生成抑制因子的工具，把携带VEG- FR2和GFP的逆转录病毒的CEPs导入小鼠，在这些 小鼠中，神经母细胞瘤的生长速度明显减慢，这证明了 CEPs可以用于抗血管形成治疗[14]。来自于小鼠胚泡内 细胞群的胚胎干细胞可以替代CEPs传递抗血管生成 分子[15]。 发生于脑和肺等高度血管化组织中的许多肿瘤可 以通过另一种机制血管化，Holash等[16]把其命名为共 选择作用。在早期阶段，脑肿瘤高度血管化，血管和正 常血管有相似的表型。肿瘤细胞围绕在血管周围，并没 有出现出芽式生长。这就可以解释为什么早期通过核 磁共振成像很难发现神经胶质瘤[17]。被包绕的内皮细 胞合成Ang2和它的受体Tie2。Ang2结合Tie2，抑制 Ang1的活性，诱导血管旁细胞从内皮细胞上分离，增 加内皮细胞的凋亡。Ang2的活化导致肿瘤血管数量的 大规模减少和血管直径的增大。血管的减少导致缺氧， 这又会上调肿瘤细胞VEGF-A的表达。结果，在肿瘤 的周围就会有显著的血管生成[16,17]。在肿瘤中心，肿瘤 细胞以套袖状围绕着残存的血管。 共选择作用依赖于肿瘤发生的位置。例如，鼠的乳 腺癌细胞只有在注入脑组织后才以共选择的方式血管 化，分别转移到肺和脑的Lewis肺癌和黑色素瘤只有 部分以共选择方式血管化[16,18]。 另一些人有提出了一种与上述的机制相反的脑肿 瘤血管形成机制。肿瘤细胞或是注入脑的以出芽的方 式立即生成缺少血脑屏障的血管。内皮细胞上的Ang2 和VEGFR2都有所增加，但并没有发现血管退化[24]。肿 瘤细胞和新生的内皮细胞以套袖排列的方式围绕在 VEGFR2阳性的血管周围并且以VEGFR2侵犯其他脑 组织。肿瘤细胞结合在富含层粘连蛋白、胶原4、粘蛋 白的膜上以利于转移[19,20]。 大部分的抗肿瘤血管生成分子很难杀灭这些套袖 排列的肿瘤细胞[20,21]。只有非常强效的抗肿瘤血管形成 分子，如能够完全抑制血管退行的高剂量的 VEGF- Trap，才能杀死这些肿瘤细胞套袖[22]。 有假说认为，肿瘤细胞可以定位于肿瘤血管壁上[23]。 这些细胞可以通过活化自然杀伤（NK）细胞来穿入肿 瘤内部。最近，Chang等[24]更详尽的描述了这种机制并 把它命名为马赛克血管。通过使用转染了GFP的肿瘤 细胞证实结肠肉瘤的异位（卵巢蒂）或常位（盲肠）的移 植物中，15%的血管都是马赛克血管，占全部血管表面 积的4%。这些血管都是有功能的，因为他们可以灌流 入荧光凝集素。马赛克血管的肿瘤细胞要穿透管腔并 暂时留在血管壁上。能够活化MMP-2的促肿瘤血管 生成因子，如FGF-2或VAGF-A可以促进血管基底膜 的降解利于肿瘤细胞的穿入以增加马赛克血管的 数量[24,25]。 1999年美国Iowa’s大学的Maniotis等[26]研究人眼 葡萄膜的黑色素瘤微循环时发现了一种与经典的肿瘤 血管生成途径完全不同的、不依赖内皮细胞的全新的 肿瘤血管生成模式。Maniotis等认为在葡萄膜黑色素瘤 中，黑色素瘤细胞通过自身变形并与细胞外基质相互 作用模仿血管壁结构形成可输送血液的管道系统，从 而重建肿瘤的微循环，并在某个环节与宿主血管相连 使肿瘤获得血液供应，并将这个过程命名为血管生成 拟态(vasculogenicmimicry,VM)。该血管管道的特点是 管道内没有血管内皮细胞衬覆，肿瘤细胞模仿机体血 管生成而形成瘤细胞条索并围成管道，而血液则在这 3 共选择作用 4 马赛克血管 5 血管生成拟态 118· · 中国急救复苏与灾害医学杂志 2008年2月第3卷第2期 无内皮细胞的管道中流动。该管道外周是一层厚薄不 一的PAS阳性物质构成的基底膜[27]。这些PAS阳性管 道与周边的正常血管联系紧密，且部分管道呈vWF、 CD34和VEGFR-2等内皮细胞标记物染色阳性。在透 射电镜下，可见血管通道由内衬的薄层基板构成血管 壁，但没有内皮细胞。基板上可见侵袭性强和失去分化 能力的肿瘤细胞，管腔里面可观察到红细胞。只有侵袭 性强的肿瘤细胞才能表达内皮细胞受体或促血管生成 因子，而且内皮细胞标记物的特异性表达是否阳性要 视肿瘤类型而定。 形成VM的高度恶性的黑色素瘤分化程度低，其 基因表达呈现一种多能性、胚胎样的表型。Bittner等用 cDNA微阵列研究6000个基因在高度和低度恶性的 黑色素瘤细胞中的差异表达，结果显示高度恶性的黑 色素瘤细胞上调表达许多内皮细胞、上皮细胞、外周细 胞、纤维母细胞、造血细胞、肾、神经、肌肉和其他细胞 祖细胞表型有关的基因，其中有些基因如 TIE1和 CD34等与胚胎干细胞有关。相反，除黑色素瘤细胞黏 附分子(melanomacelladhesionmolecule,MCAM)外，其 他黑色素瘤细胞特异性标志基因则下调表达。如黑色 素瘤表面抗原MLANA基因表达下调22倍，与黑色素 细胞分化相关的酪氨酸激酶的活化基因MITF表达下 调34倍，编码酪氨酸酶(tyrosinase,TYR)和酪氨酸酶相 关蛋白1(tyrosinase-relatedprotein-1,TYRP1)基因表达 也分别下调37和100倍[28]。 VE-钙黏蛋白是一种介导细胞与细胞间互相黏附 的Ca2+依赖性跨膜蛋白，现认为高度恶性黑色素瘤细 胞也表达VE-钙黏蛋白，并在VM中也起到非常重要 作用[29]。PI3-K主要结构包括调节亚单位P85和水解亚 单位Pll0，抑制其活性能够可逆地抑制黑色素瘤VM 管道样结构形成。此酶的激活能活化大量下游效应分 子，是VM形成中不可缺少的枢纽性信号分子。活化的 PI3-K催化 4,5-二磷酸肌醇 (PIP2)磷酸化形成 3,4,5-三磷酸肌醇(PlP3)从而发挥激活细胞信号转导 的作用。PI3-K通路可以激活膜I型基质金属蛋白酶 (MT1-MMP)的活性，活化的MT1-MMP与基质金属蛋 白酶2的前体(pro-MMP2)和TIMP2形成复合体后水 解pro-MMP2形成有活性的MMP2。 研究表明除恶性黑色素瘤外，在炎性乳癌、卵巢 癌、肝癌、前列腺癌、黑色素瘤、横纹肌肉瘤、滑膜肉瘤、 间皮肉瘤、骨肉瘤组织中均发现了VM的存在[30-34]。 随着对肿瘤血管生成研究的深入，逐步认识到肿 瘤血管生成的机制尚有许多未知领域。根据肿瘤血管 形成的不同方式，设计出针对不同靶点的药物是今后 抗肿瘤血管生成研究的方向。 [1] CarmelietP，JainRK.Angiogenesisincancerandother diseases.Nature,2000，407(6801)：249-257． [2] FolkmanJ.Tumorangiogenesis:therapeuticimplicatio- tions.NEnglJMed,1971(21);285:1182-1186. 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