血管生成与肿瘤

第五章血管生成与肿瘤广州医学院生物技术系龚青血管生成(angiogenesis)是指活体组织在已存在的微血管床上芽生出新的以毛细血管为主的血管系统的过程。血管生成可发生在伤口愈合、子宫内膜周期性变化、肿瘤、心肌梗塞后和糖尿病。血管生成过程是受严密调控的过程，该过程处于血管生成激活物或促进因子和其它必需过程（促进血管内皮细胞增殖）与血管生成抑制因子（阻止血管生成过程）的共同调控之下。该调控也被称为“血管生成开关”。肿瘤血管生成是指肿瘤细胞诱导的微血管生长以及肿瘤中血液循环建立的过程。肿瘤血管形成是肿瘤发生、生长和浸润与转移的重要条件。随着对肿瘤发生机制研究的不断深入,肿瘤血管形成在肿瘤发展中的重要地位及抗血管生成治疗肿瘤的作用成为肿瘤治疗的一个全新的领域。血管生成抑制剂有可能成为抗肿瘤的主要药物，并为最终治愈肿瘤提供有效手段。第一节肿瘤血管生成的基本过程血管形成胚胎发育时形成原始血管结构出芽方式继续增生分化出新生血管血管生成Cap基底膜降解、EC迁移、增殖、形成管状结构，基底膜及血流贯通病理的血管生成，特别是肿瘤条件下的血管生成呈持续、失控性的过程。生理条件下严格受控血管血管生成（平衡被打破）（1）原血管基底膜的酶解；（2）内皮细胞的迁移；（3）内皮细胞的增殖；（4）新生毛细血管的成熟器官化构建。肿瘤无血管生成的支持就不能进一步增长血管前期肿瘤生长休眠期，直径1～2mm血管期瘤体积增大,浸润、转移有诱导血管形成的能力。肿瘤血管形成这一过程既受机体神经内分泌因素影响，又受肿瘤细胞和肿瘤基质细胞表达的生长因子调控。肿瘤生长过程一、肿瘤血管形成的特征⑴失控性：肿瘤新生血管出现迅速，生长快，并呈持续性，10%～20%的肿瘤血管内皮细胞始终处于DNA合成状态,这种持续的血管生成是由肿瘤组织血管生成生长因子持续高水平释放造成的。第二节肿瘤微血管形态和生物学特性⑵不成熟性：不规则、窦状壁薄、BM膜厚薄不一、断裂、碎片或缺乏。内皮细胞超微结构中管样小体明显增多，细胞之间连接松散。部分毛细血管壁缺乏内皮细胞。很少进化为成熟的小动脉或小静脉，不具收缩功能，不受神经体液调节。对正常血管有活性的物质对该血管不起作用(乙酰胆碱、血管紧张素Ⅱ、温度）。⑶血管异常生长肿瘤不同区域的血管有不同的形态，反映了肿瘤生长不同时间内微血管变化状态与癌细胞生长、增殖不均匀有关。新生的Cap网直接进入肿瘤中央，呈树状向外分支，随肿瘤长大血管不断地向外延伸，并与外围Cap网相连。血管丰富区——热点新生的Cap从肿瘤外围长入肿瘤中新生的Cap网直接进入肿瘤中央，呈树状向外分支⑷肿瘤中血供与血流速度不同肿瘤中有细胞丰富区、边缘区、半坏死区和坏死区，各区血供不尽相同，半坏死区与坏死区血流明显减少减慢，非坏死区血流速度可以快于正常组织。大肿瘤血流速度的均值低于小肿瘤，在大肿瘤内血管内皮细胞的营养供给少，肿瘤中实际增加的效应血管管径小，血流慢，营养耗尽。⑸癌细胞更新速度快于内皮细胞发生乏氧性坏死在肿瘤周围内皮细胞增生指数为2.2％，肿瘤细胞增生指数为7.3％。同样小鼠瘤细胞22小时更新一代，血管内皮细胞的增殖是50小时更新一代。瘤细胞无氧酵解产生大量H+，使肿瘤中存在着不同程度的低营养、低PH值、低氧的三低细胞群。肿瘤微循环较肿瘤生长表现出低效和相对不足，肿瘤组织特别是中心部位常常因为缺血、缺氧而坏死。⑹血管内皮细胞的异质性是其突出的生物学特性，主要表现在内皮细胞的结构、功能、抗原成分与代谢特点上。在某些器官的肿瘤组织中，其血管内皮细胞仍保留着该器官的抗原性，说明内皮细胞表面抗原来源的部位可能在肿瘤转移时的选择性粘附、体液因子的区域性释放中发挥作用或由这些肿瘤细胞演化为内皮细胞。⑺拟血管生成研究人的黑色素瘤微循环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。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)。血管生成拟态特点为：肿瘤细胞通过自身变形和基质重塑产生血管样通道,通道内无内皮细胞衬覆，通道外基底膜PAS染色为阳性。第三节肿瘤血管形成的影响因素及调控机制肿瘤血管形成是一个复杂的多步骤过程，受多种因子调节，是刺激因素和抑制因素失衡的结果。已经报道的有30多种血管生长因子：bFGFaFGF、VEGF、EGF、HGF、TNF、IL－8、粒细胞集落刺激因子(G－CSF)等。一、促肿瘤血管生成的生长因子㈠血管内皮细胞生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)一种可以促进内皮细胞和血管发生的促有丝分裂因子。1、VEGF的结构：五种异构体：VEGF121、VEGF165、VEGF189、VEGF206、VEGF145，多数组织以其成熟的形式VEGF165表达为主，促进细胞有丝分裂潜能方面VEGF165比VEGFl21更强。5种类型的VEGF具有相同的生物学活性，其中VEGF121和VEGF165以可溶性方式分泌，另外三种VEGF以与细胞表达蛋白多糖结合的形式存在。VEGF/VPF的蛋白家族基本成员包括胎盘生长因子和VEGFB，C，D，E。原来命名为血管通透因子(VPF)。2、VEGF的受体（VEGFR）VEGF选择性的，具有高度亲和性的直接作用于两种Ⅲ型酪氨酸激酶受体：VEGFR-1(flt-1)和VEGFR-2(KDR/flk-1)来发挥作用，VEGFR-2是发挥主要功能的受体。基因打靶技术证实VEGFR-1和VEGFR-2在血管发生中起重要的作用。⑴VEGFR是VEGF促有丝分裂、血管生成和增强通透性效应的主要调节因子。⑵蛋白激酶C作用下VEGFR-2活化使VEGF诱导内皮细胞生长。VEGFR-2的活化具有抗凋亡效应。VEGFR-2在内皮细胞中传输一个促存活的信号可能诱导抗凋亡基因survivin的表达。3、VEGF的作用⑴增加肿瘤血管通透性VEGF增加局部血循环大分子的通透性，血浆蛋白在组织中的沉积，为成纤维细胞和血管内皮细胞的长入提供临时性基质。VEGF/VPF主要靶器官是毛细血管后静脉和小静脉，因这些血管的内皮细胞表面均有VEGFR-1和VEGFR-2，VEGF/VPF与其受体结合，形成有利于大分子渗透的通道。抗VEGF抗体处理后会较少腹水形成和较低的肿瘤微血管渗透性。胶质瘤中VEGFmRNA水平与毛细血管渗透性和血管面积有密切相关性）。⑵VEGF促血管生成的作用①VEGF以旁分泌方式特异地作用于内皮细胞，促其分裂、增殖、趋化。②诱导血管内皮中窗孔和囊状空泡的形成,增加血管通透性，促使血浆蛋白外渗，提供血管生成的基质和肿瘤细胞生长的微环境。③诱导内皮细胞表达和分泌多种蛋白酶,对降解血管基底膜和ECM具有重要的意义。④通过诱导Bcl-2、survivin等抗凋亡分子的表达，抑制内皮细胞凋亡,促进血管的生成。⑤诱导内皮细胞生成和释放bFGF,和增强多种促血管生成因子效应。VEGF的作用过程VEGF是一种促内皮细胞有丝分裂原，肿瘤细胞分泌的VEGF通过旁分泌方式与特异性分布在内皮细胞表面的受体结合，促进血管内皮细胞的增殖、分离和迁移，诱导内皮细胞增加表达组织因子、尿激酶、组织血浆酶原激活剂和基质金属蛋白酶，这些物质可引起凝血、促发纤溶、降解胶原，诱导肿瘤血管形成，新生的肿瘤血管为肿瘤生长提供营养，并间接促进肿瘤细胞的增殖，而且为肿瘤提供了转移的通道，促进肿瘤的恶性进展。肿瘤细胞产生VEGF释放EC表面受体结合EC活化定向迁移管形成攀形成血管建立4、VEGF与肿瘤的相关性研究1.在原发与转移性肿瘤中VEGF过表达的研究已在mRNA和蛋白质水平上。2.研究肿瘤微血管内皮细胞上两种特异性高亲和性受体过表达与肿瘤发生的关系。3.肿瘤血管血浆蛋白、纤维蛋白原渗出与血管外纤维蛋白的交联和沉积，促进肿瘤间质的形成。VEGF抗体的抗血管活性，使肿瘤由于断绝血供而死亡（动物模型中正、反义VEGF抗体的不同结果证明）。目前正在进行人源化的抗VEGF抗体的可行性与安全性研究。⑴VEGF与肿瘤的微血管密度(MVD)增加有关关于各种肿瘤中VEGF的表达及其血管生成作用已有了较多的研究，已知结直肠癌，子宫内膜癌、肝癌等多种肿瘤组织中VEGF呈阳性表达，且表达与MVD呈正相关。结直肠肿瘤MVD明显高于正常粘膜和腺瘤，提示血管生成是结直肠癌发生的早期事件，癌组织中VEGF阳性组MVD值明显高于VEGF阴性组。VEGF与MVD均可作为判断结直肠癌预后的指标。结直肠腺瘤、原位癌、粘膜下浸润癌中MVD逐渐增高，VEGF表达程度与MVD密切相关。胶质瘤中VEGF蛋白阳性染色主要定位于肿瘤细胞的胞浆，内皮细胞也可呈阳性表达。43例星形细胞瘤组织中肿瘤细胞VEGF阳性表达率为77.0%。Ⅰ、Ⅱ级组VEGF阳性表达率和表达强度均显著低于Ⅲ、Ⅳ级组，VEGF表达强度与MVD呈等级正相关，VEGF表达情况和MVD及肿瘤微血管形态可能有助于判断星形细胞瘤的恶性程度。⑵VEGF表达与肿瘤增殖及预后差有关部分肿瘤细胞表面也存在VEGF受体，使瘤细胞产生的VEGF作为一种自分泌生长因子可直接刺激肿瘤细胞增殖。表达KDR/flk-1的胰腺癌细胞系，经VEGF处理后，导致了癌细胞的生长，而用flk-1反义寡核苷酸转染后会明显抑制肿瘤细胞的生长，此结果提示胰腺癌中存在着VEGF受体的自分泌旁分泌促有丝分裂环机制。VEGF表达对于鉴别一些介于良、恶性病变间的病例具有一定的临床价值，VEGF表达与肿瘤分期、分化、肿瘤生长、预后差呈正相关（卵巢癌、鼻咽癌、乳腺癌等）。5、与VEGF作用相关的分子许多因子调节肿瘤细胞上VEGF的表达，同时由肿瘤细胞分泌的VEGF又通过某些机制刺激其他分子的表达。VEGF通过与这些分子的相互作用或协同作用而发挥生理学效应。VEGF主要的作用因素：低氧。其他引起VEGF过表达因子：细胞因子（如EGF、bFGF）、某些激素（如甲状腺球蛋白）及癌基因（如ras、src）与肿瘤抑制基因（如VonHippelLindau蛋白）。㈡碱性纤维母细胞生长因子（bFGF）1、bFGF的分子结构bFGF是由155个氨基酸所组成，其基因位于人类染色体的4q25处，基因长约38kb。bFGF的转录产物有4种，1.2kb、2.2kb、3.7kb和7.0kb，主要表达的是3.7kb和7.0kb，bFGF的基因转录是受其5’的UTR序列的调控，但其转录长度的不同主要是产物中3'UTR的长短所决定的。2、bFGF的生物学功能⑴是一种广谱有丝分裂原(mitogen)，具有广泛的细胞增殖效应。⑵诱导新生血管形成。bFGF作用于新生血管形成过程中的多个环节。bFGF可上调内皮细胞合成和分泌胶原酶、UPA及其受体、整合素等，诱导内皮细胞增生、迁移。⑶bFGF在伤口愈合过程中发挥重要作用。⑷在胚胎的早期发育过程中bFGF也起重要作用。⑸bFGF参与了神经系统的分化与维持。它是对神经细胞有突出作用的多功能生长因子，促进大脑神经元的存活及神经突的生长。⑹bFGF对骨组织的损伤有修复作用，体外实验表明外源性植入bFGF能明显促进骨形成过程。bFGF对软骨细胞既是分裂原又是形态发生因子。⑺体内过度表达的bFGF参与肾小球内皮细胞增殖和细胞外基质积聚，影响肾小球肾炎和和肾小球硬化过程。3、bFGF与肿瘤血管生成bFGF通过2种途径参与肿瘤血管形成⑴通过调节内皮细胞的活性。bFGF穿透内皮细胞释放蛋白水解酶消化ECM，并且bFGF对内皮细胞有趋化性。⑵诱导VEGF的表达及与VEGF的协同作用，VEGF也可诱导内皮细胞生成释放bFGF。同时VEGF体外促血管生成的作用以及诱导纤溶酶原激活物(PA)的能力有赖于内皮细胞产生的bFGF。㈢其它血管生成因子由于这么多促进因子的存在，所以只抑制一个促进因子不足以抑制整个血管生成过程，这也解释了为何抑制肿瘤血管生成过程困难重重的原因。二、缺氧对血管生成的诱导作用VEG