腫瘤血管供應(yīng)模式及其分子機(jī)制

綜述 審校1.南華大學(xué)醫(yī)學(xué)院湖南衡陽41001.湖南省人民醫(yī)院耳鼻喉科

腫瘤的生成、轉(zhuǎn)移與腫瘤新的血管生成息息相關(guān),腫瘤血管生成也一直成為人們認(rèn)識(shí)腫瘤生長進(jìn)程及進(jìn)行腫瘤治療的一個(gè)重要途徑。1971年,外科醫(yī)生Folkman首次提出了腫瘤生長依賴血管新生的假說。最初對(duì)腫瘤新生血管的認(rèn)識(shí)只是一個(gè)機(jī)械的解剖學(xué)概念。而當(dāng)前的研究發(fā)現(xiàn),腫瘤的血管新生完全是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,其中包括細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)之間不斷地相互作用、傳導(dǎo)信號(hào),進(jìn)而遷移、增殖、伸展并管腔形成等。隨著對(duì)腫瘤本質(zhì)認(rèn)識(shí)的逐步深入,分子靶向治療在治療腫瘤方面發(fā)揮的作用愈加重要,通過抑制腫瘤血管生成來阻止腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移合乎邏輯,相關(guān)藥物研究也隨之蓬勃發(fā)展。然而近幾年來的臨床實(shí)踐卻不盡如人意,這提示當(dāng)前對(duì)腫瘤血管生成的分子生物學(xué)了解還不夠。本文就現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的腫瘤主要供血模式做一綜述。

1 內(nèi)皮依耐性血管

內(nèi)皮依賴性血管是目前一類較為經(jīng)典的腫瘤血管生成方式,它是一類內(nèi)皮化血管,即血管內(nèi)壁由分化成熟的內(nèi)皮細(xì)胞存覆,腫瘤細(xì)胞不參與血管壁的構(gòu)成,包括出芽式血管生成、套入式血管生成[1]。

1.1 出芽式血管生成

出芽式血管生成是指在已經(jīng)存在的血管上以出芽的方式生出內(nèi)皮細(xì)胞排列圍成的血管,也可認(rèn)為是一種血管從頭生成過程,其血管起源于已存在的內(nèi)皮細(xì)胞,正常成體的血管內(nèi)皮細(xì)胞處于相對(duì)靜止的狀態(tài),只有0.01%的血管內(nèi)皮細(xì)胞在特定條件下發(fā)生分裂增殖,更新速度也極為緩慢(250～300天)[2]。然而當(dāng)周圍組織微環(huán)境的平衡被打破后,在促血管生成因子的作用下,一些靜止的血管內(nèi)皮細(xì)胞被激活,其增殖周期可短至幾天,原有的血管基底膜和細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular matrixc,ECM)發(fā)生局部降解和重構(gòu),內(nèi)皮細(xì)胞通過ECM定向遷移至新部位并隨之增殖和分化,最終形成新的ECM及管腔結(jié)構(gòu)[3]。

在這些過程中,內(nèi)皮細(xì)胞及其周圍組織受到多種調(diào)節(jié)因素的影響?，F(xiàn)認(rèn)為基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinases,MMPs)是ECM重構(gòu)最重要的蛋白水解酶,在腫瘤血管生成中發(fā)揮作用的主要是MMP-2、MMP-9、MMP-14。 MMPs可使血管基底膜發(fā)生重構(gòu),從而允許內(nèi)皮細(xì)胞出芽;同時(shí)降解細(xì)胞外膠原,釋放被膠質(zhì)束縛的血管生成因子,增強(qiáng)其生物利用度[4];MMPs介導(dǎo)的降解膠原還可使新生出芽的內(nèi)皮細(xì)胞與重構(gòu)的ECM之間重新發(fā)生選擇性相互作用[5]。在一些腫瘤研發(fā)領(lǐng)域,Yu等[6]通過小鼠肺癌皮下移植瘤模型發(fā)現(xiàn)MMP-9的高表達(dá)與微血管密度(Microvessel density,MVD)增高相關(guān),提示MMP-9參與腫瘤血管生成過程。ECM的降解與重構(gòu)為新生血管打通了道路,隨后內(nèi)皮細(xì)胞在相關(guān)因子的引導(dǎo)下通過重構(gòu)的ECM發(fā)生定向遷移。誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞遷移的主要因子有血小板源性生長因子(Platelet derived growth factor,PDGF)和趨化因子(Chemokines,CSCL)等。PDGF由內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)并通過旁分泌形式發(fā)揮作用[7]。一些腫瘤研究中發(fā)現(xiàn),PDGF高表達(dá)者其MVD均較高,且PDGF高表達(dá)預(yù)示著較差的預(yù)后[8]。趨化因子中的CXC家族成員 CXCL1、CXCL2、CXCL3、CXCL5、CXCL6、CXCL7、CXCL8(IL-8)也可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移[9]。CXCL2敲除小鼠肺癌血管較野生型較少;其手術(shù)標(biāo)本中的CXCL5水平與MVD呈現(xiàn)直接相關(guān)性[10]。

血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖是新生血管形成的核心環(huán)節(jié),發(fā)生定向遷移的內(nèi)皮細(xì)胞在各種生長因子的誘導(dǎo)下進(jìn)行增殖,為新生血管提供細(xì)胞數(shù)量的積累。誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞增殖最重要的因子是血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)。VEGF通路是目前在血管生成過程中證據(jù)最多,作用最明確的信號(hào)通路。VEGF是一種血管內(nèi)皮細(xì)胞特異性絲裂原,能特異性促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞分裂增殖,該家族中包括5種 VEGF成員,即 VEGF-A、VEGF-B、VEGFC、VEGF-D、VEGF-E。近年來研究中發(fā)現(xiàn),腫瘤細(xì)胞分泌VEGF-A,與內(nèi)皮細(xì)胞表面的受體VEGFR-2結(jié)合后發(fā)揮其血管新生的作用效應(yīng)[7]。在大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),VEGF過表達(dá)可引起小鼠移植瘤MVD增高,而抑制VEGF信號(hào)則導(dǎo)致腫瘤血管生成及腫瘤生長均受到抑制[11]。VEGF高表達(dá)于人類多種腫瘤,一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)VEGF的不同亞型在不同病理類型的腫瘤中的表達(dá)量及其對(duì)預(yù)后的影響存在差異:Nakashima等[12]發(fā)現(xiàn)VEGF-C是鱗癌的危險(xiǎn)因素,VEGF-A則是腺癌的危險(xiǎn)因素。VEGF的表達(dá)受低氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-α)誘導(dǎo)上調(diào);腫瘤內(nèi)部相對(duì)低氧環(huán)境刺激腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生和釋放HIF-α,HIF-α作為啟動(dòng)因子促進(jìn)下游的VEGF表達(dá),激活VEGF通路[13]。近年來另有研究發(fā)現(xiàn):成纖維細(xì)胞生長因子(Fibroblast growth factor,FGF)可不依賴VEGF而直接與內(nèi)皮細(xì)胞表面受體結(jié)合發(fā)揮內(nèi)皮細(xì)胞增殖作用[14];另外其他一些因子也被報(bào)道在腫瘤血管生成過程中具有調(diào)節(jié)作用,如血小板源性生長因子(PDGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(Transforming growth factorβ,TGF-β)、血管生成因子(Angiopoietin,Ang)等[3],但機(jī)制還未確切清楚。

1.2 套入式血管生成

與出芽式血管生成完全不同,套入式血管生成是在已有的血管管腔內(nèi)形成大量的跨血管組織微柱,導(dǎo)致原有的血管腔被分割,形成新生血管。這一過程中內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)目增加很少或不增殖,并且無基底膜降解,形成血管的速度快、消耗能量更經(jīng)濟(jì),因此其過程在幾小時(shí)甚至幾分鐘內(nèi)就可完成[15]。目前證明幾乎存在的所有正常器官和惡性腫瘤中均可發(fā)現(xiàn)套入式血管生成模式。有研究提示:在晚期由于腫瘤需要更高的血管密度,腫瘤內(nèi)部的血管生成可轉(zhuǎn)為以套入式血管生成為主[16]。

套入式血管生成包括以下幾個(gè)連續(xù)性過程:(1)兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)皮細(xì)胞膜逐漸靠攏并發(fā)生接觸形成內(nèi)皮間連接;(2)接觸面的細(xì)胞膜變薄,并在細(xì)胞間質(zhì)產(chǎn)生的壓力下出現(xiàn)小孔,孔狀結(jié)構(gòu)逐漸增大,形成穿過管腔的通道;(3)由成纖維細(xì)胞和周細(xì)胞組成的間充質(zhì)細(xì)胞會(huì)形成柱狀間隙和血管組織結(jié)構(gòu);(4)柱狀間隙結(jié)構(gòu)直徑增大,內(nèi)皮細(xì)胞回縮,形成兩支獨(dú)立的分支血管;(5)最后通過動(dòng)靜脈分化過程形成功能特化的血管,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)、周而復(fù)始的過程[16]。

目前對(duì)于套入式血管生成的分子調(diào)控機(jī)制尚不十分清楚,但有些因素的作用已逐漸顯現(xiàn)出來。近年來研究發(fā)現(xiàn)力學(xué)刺激可誘發(fā)一系列針對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的生理、病理反應(yīng),通過微柱生成新的血管也是其中之一。關(guān)于血管內(nèi)皮細(xì)胞如何將力學(xué)機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的及細(xì)胞之間的分子信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制尚未完全清楚,但發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞基因?qū)αW(xué)刺激做出反應(yīng)后,能引起 PECAM-VE-cadherin-βcatenin-VEGFR 信號(hào)通路的表達(dá),增強(qiáng)套入式血管生成[17]。Ivanka等[18]在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),阻斷Notch信號(hào)通路導(dǎo)致雞胚絨毛尿囊中的血管床中大量微柱形成,因而指出Notch信號(hào)通路在套入式血管生成中起到重要作用。

套入式血管生成模式對(duì)腫瘤抗血管生成治療提出新的問題,因?yàn)槟壳芭R床上抗新生血管療法主要針對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,雖可抑制出芽式血管生成,但對(duì)套入式血管生成難以奏效,以上這些信號(hào)分子均可成為治療腫瘤的潛在靶點(diǎn)。

2 募集內(nèi)皮祖細(xì)胞的血管生成

最新的研究結(jié)果表明,骨髓來源的內(nèi)皮祖細(xì)胞(Endothelial progenitor cells,EPCs)在生理性和病理性血管生成中發(fā)揮作用。EPCs可分化為成熟的血管內(nèi)皮細(xì)胞并募集到腫瘤局部,粘附、插入到周圍血管內(nèi)參與血管新生。與成熟血管內(nèi)皮細(xì)胞相比,EPCs作為血管內(nèi)皮細(xì)胞的前體細(xì)胞,具有遲發(fā)性高增值潛能。在一般腫瘤血管生成的條件下,腫瘤只動(dòng)員局部臨近的內(nèi)皮細(xì)胞,使內(nèi)皮細(xì)胞以出芽方式形成腫瘤血管。然而,當(dāng)腫瘤不能從局部動(dòng)員內(nèi)皮細(xì)胞時(shí),骨髓中的EPCs可能是腫瘤血管壁細(xì)胞的主要來源[19]。

EPCs需要多種趨化因子的作用下才能募集、定向遷移到靶組織,參與血管新生。目前認(rèn)為,VEGF可直接提高EPCs的運(yùn)動(dòng)和遷移,并可作用于EPCs,使EPCs本身分泌MMP-9,促進(jìn)EPCs的增殖和遷移[20]。有研究表明基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(SDF-1)與EPCs表面的趨化因子受體4(CXCR-4)結(jié)合后可改變其細(xì)胞極性促進(jìn)募集[21]。另外SDF-1/CXCR-4信號(hào)通路可通過蛋白激酶B磷酸化途徑使得VEGF表達(dá)上調(diào),在腫瘤內(nèi)部可通過該途徑促進(jìn)EPCs募集和血管新生[22]。除此之外,胎盤生長因子(Placental growth factor,PLGF)、FGF、雌激素等都對(duì)EPCs有動(dòng)員和募集作用[23]。現(xiàn)今大多數(shù)的學(xué)者認(rèn)為,部分腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞來源于EPCs,然而也有學(xué)者并不認(rèn)同,可能因?yàn)椴煌哪[瘤類型對(duì)EPCs血管生成依賴程度并不一致,如有的腫瘤如惡性膠質(zhì)瘤、胃癌等對(duì)EPCs血管生成依賴較明顯,但是黑色素瘤卻沒表現(xiàn)出對(duì)EPCs血管生成的依賴性[24]。

總之,目前對(duì)于骨髓分化的PECs在腫瘤血管生成中的作用還有許多困惑,如到底是何種因素在誘導(dǎo)EPCs向腫瘤募集中起主要作用;EPCs具體參與腫瘤血管生成的那一階段;在腫瘤組織如何分布及其分子調(diào)控機(jī)制。因此,盡管以EPCs作為腫瘤抗血管藥物的新靶點(diǎn)似乎有廣闊的前景,但合理有效地應(yīng)用到臨床實(shí)踐還必須克服很多瓶頸,如確定依賴EPCs血管生成的腫瘤類型、EPCs向腫瘤募集的途徑及機(jī)制等,這些方面還要做大量的研究。

3 非內(nèi)皮依賴性血管生成——血管生成擬態(tài)

血管生成擬態(tài)(Vasculogenic mimicry,VM)是近十幾年來發(fā)現(xiàn)的一種不同于經(jīng)典的內(nèi)皮細(xì)胞依賴的腫瘤微血管結(jié)構(gòu)、是高侵襲性腫瘤為滿足自身的血供,通過自身變形和細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)而形成的一種類似血管樣的通道。VM的特點(diǎn)可概括如下:①CD34染色陰性,PAS染色陽性[25];②管道內(nèi)壁沒有血管內(nèi)皮細(xì)胞[26];③由細(xì)胞外基質(zhì)界定的微循環(huán)管道;④VM和腫瘤微血管相通,其內(nèi)有血液流動(dòng)供應(yīng)細(xì)胞生長。自1999年Mantiotis首次在惡性黑色素瘤中提出這種血供模式后,相繼已在喉鱗狀細(xì)胞癌[27]、卵巢癌[28]、肝癌[29]、乳腺癌[30]、惡性膠質(zhì)瘤[31]等多種腫瘤組織中發(fā)現(xiàn)VM的存在。

VM的形成機(jī)制比較復(fù)雜,涉及的信號(hào)通路較多,現(xiàn)今研究的重點(diǎn)過程大致有三個(gè)中心環(huán)節(jié):①腫瘤細(xì)胞高表達(dá)MMP類物質(zhì),MMP是VM形成經(jīng)典信號(hào)通路 VE-cadherin、EphA2/P13K/MMPs/Laminin-5γ2中的下游分子,MMP活化后可促進(jìn)EMC中的成分層黏連蛋白5γ2(Laminin-5γ2)水解成片段,這些片段沉積于腫瘤外環(huán)境中為VM形成提供空間結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上腫瘤細(xì)胞還分泌一些ECM(Ⅳ型膠原、PAS陽性物質(zhì))參與構(gòu)成VM的基底膜樣結(jié)構(gòu)[32];②腫瘤細(xì)胞分泌細(xì)胞粘附分子促進(jìn)VM管壁腫瘤細(xì)胞之間的粘附是VM形成的必要條件,鈣粘連蛋白(VE-cadherin)是一種內(nèi)皮特異性的鈣依賴跨膜蛋白,介導(dǎo)細(xì)胞之間的互相粘附。上皮細(xì)胞激酶(EphA2)是酪氨酸激酶的受體蛋白,作為VE-cadherin的下游因子,EphA2與VE-cadherin關(guān)系密切,兩者共同聚集在細(xì)胞與細(xì)胞之間的黏附點(diǎn),促進(jìn)了構(gòu)成VM周圍腫瘤細(xì)胞彼此之間的粘附[33];③腫瘤細(xì)胞出現(xiàn)多潛能胚胎細(xì)胞表型,或出現(xiàn)多種與內(nèi)皮細(xì)胞表型有關(guān)的基因表型可能是VM模擬血管變形的重要分子基礎(chǔ)。Mantiotis等[34]運(yùn)用cDNA微陣列技術(shù)對(duì)高、低侵襲性人黑色素瘤細(xì)胞進(jìn)行基因分析,結(jié)果顯示了有210個(gè)基因存在差異性表達(dá),且高侵襲性黑色素瘤能同時(shí)表達(dá)包括內(nèi)皮細(xì)胞、造血干細(xì)胞等細(xì)胞表型的特異性基因。由此可見腫瘤細(xì)胞在VM形成過程中能通過模仿內(nèi)皮細(xì)胞基因表型與生物學(xué)行為,發(fā)生了向內(nèi)皮細(xì)胞塑形的過程。

除發(fā)現(xiàn)VM并不是由單一的血管內(nèi)皮依賴性血管這種“正常的血管”構(gòu)成的,還有學(xué)者描述了馬賽克血管(Masaic vessels,MV)這種模式,即由瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞相間排列在腫瘤血管壁上,共同圍成血管腔,它可能是一種獨(dú)立的腫瘤血供方式,也可能是VM和經(jīng)典血管生成方式間的一種過渡形式?？梢酝茰y(cè)內(nèi)皮依賴性血管、血管擬態(tài)現(xiàn)象在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中可能是相互關(guān)聯(lián)、相互轉(zhuǎn)化、相互調(diào)節(jié)的。

4 腫瘤干細(xì)胞與腫瘤新生血管的關(guān)系

隨著腫瘤研究的不斷深入,目前腫瘤生物學(xué)的研究中最具吸引力的理論之一是腫瘤干細(xì)胞(Carcinoma stem cell,CSCs)的假說,該理論認(rèn)為腫瘤中存在一小部分具有干細(xì)胞特性的癌細(xì)胞,其擁有自我更新、分化潛能和侵襲能力等方面的可誘導(dǎo)性和可逆性,可謂之腫瘤干細(xì)胞可塑性。成體細(xì)胞的可塑性是生物體內(nèi)普遍存在的現(xiàn)象,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種成體干細(xì)胞在特定條件下可定向分化為內(nèi)皮祖細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞參與血管新生。那么,腫瘤干細(xì)胞是否也可轉(zhuǎn)化為血管內(nèi)皮細(xì)胞參與腫瘤血管新生呢?基于高侵襲性腫瘤具有多能的、胚胎樣表型的研究結(jié)果,Shen等[35]的研究提示在某些條件的誘導(dǎo)下,腫瘤干細(xì)胞有可能向血管內(nèi)皮細(xì)胞方向分化,其機(jī)制可能為:腫瘤干細(xì)胞能沿著SDF-1濃度梯度趨化至高表達(dá)SDF-1的器官形成轉(zhuǎn)移灶,通過改變局部微環(huán)境(如上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化)以有利于后續(xù)血管新生[36]。

也有報(bào)道指出,腫瘤干細(xì)胞在VM形成過程中可能也扮演了一定的角色。Yao等[37]認(rèn)為腫瘤微環(huán)境決定了腫瘤干細(xì)胞的可塑性,從而使腫瘤細(xì)胞模仿血管管道而形成VM。這具有重要的臨床意義,如針對(duì)腫瘤干細(xì)胞可塑性特定的分子,將會(huì)是有效地抑制VM形成和腫瘤血管生成。

總之,隨著對(duì)腫瘤供血模式研究的深入,人們逐步認(rèn)識(shí)到關(guān)于腫瘤血管生成的方式還有許多未解之謎。上述關(guān)于腫瘤血管供血模式的認(rèn)識(shí),提示了這些腫瘤生成方式可能獨(dú)立地出現(xiàn)在特定部位,也可能隨著腫瘤的進(jìn)展而交錯(cuò)更替,還可能因腫瘤的類別形成不同的血管生成方式,但均是腫瘤通過篩選而獲得的一種適應(yīng)機(jī)體環(huán)境的最佳生成方式。這解釋了為什么目前抗血管生成治療并不能完全阻斷腫瘤血管生成。根據(jù)腫瘤不同的血供模式,設(shè)計(jì)出針對(duì)不同靶點(diǎn),探索多靶點(diǎn)聯(lián)合用藥,將是今后研究的重點(diǎn)方向。

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