VEGF通路和Notch通路在肿瘤血管生成中的相互作用及靶向药物的研发.doc

vegf通路和notch通路在肿瘤血管生成中的相互作用及靶向药物的研发2009,vo1.33,no.5199progressinpharmaceuticalsciencesdoi:10.3969/j.issn.10015094.2009.05.002药学进履?综述与专论?2009年$33卷第5期第199页vegf通路和notch通路在肿瘤血管生成中的相互作用及靶向药物的研发原雪.一,郭青龙h(1.中国药科大学江苏省肿瘤发生与干预重点实验室,江苏南京210009;2.江苏先声药物研究有限公司,江苏南京210042)摘要】综述vegf通路和notch通路在肿瘤血管生成中的作用,重点阐述两者的相互作用在肿瘤血管形成中的意义,并概述以这两条信号通路为靶点的抗肿瘤药物研发现状.关键词vegf通路;notch通路;血管生成;抗肿瘤药物中图分类号r963;r979.1文献标识码a文章编号1001-5094(2009)05019905interactionofvegfpathwayandnotchpathwayintumorangiogenesisandthetargetingdrugdevelopmentyuanxue一,guoqinglong1.jiangsukeylaboratoryofcarcinogenesisandintervention,chinapharmaceuticaluniversity,naing210009,china;2.jiangsusimcerepharmaceuticalr&dco.,ltd.,nanjing210042,china)【abstract】thelatestprogressofresearchontheeffectofvegfpathwayandnotchpathwayintumorangiogenesiswasreviewed.theirinteractionintheformationoftumorvasculaturewasemphaticallyintro-duced.thecurrentstudiesandproblemsconcerningblockingthesetwopathwaystodisrupttumorvasculaturewerealsoexplored.【keywords】vegfpathway;notchpathway;angiogenesis;anticancerdrug1971年folkman等(nengljmed)首次提出了肿瘤血管生成理论,后有研究发现,当肿瘤的直径超过12innl后,如果没有血管供给养分,肿瘤就会“饿死”,这说明肿瘤的生长具有血管依赖性.并且,研究人员发现了一些血管生成刺激因子和血管生成抑制因子,它们的相对平衡使得大多数血管处于静息状态,但一些生理条件(如伤口愈合)或病理条件(如肿瘤形成)会打破此种平衡,启动血管生成.血管内皮生长因子(vegf)是最特异和最关键的血管生成刺激因子,几乎参与了生理性和病理性接受日期2008-12-16血管形成的每一步.但有序且功能完好的血管生成还需要许多其它信号通路的参与,notch通路就是其中比较重要的一个,它与vegf通路的相互作用保证了血管形成的正常进行.由于这两条通路对肿瘤赖以生存的血管生成具有非常重要的作用,因此可以作为抗肿瘤治疗的靶点,其相关研究已取得了较大的进展.1vegf通路和notch通路自1983年发现vegf以来,关于它在血管形成通讯作者:郭青龙,教授,博士生导师;研究方向:肿瘤药理学;tel:025?83271055;e?mail:qinglongguohotmail.con200药学进履2o09年第33卷第5期第页中的作用已有比较详细的研究.人的vegf家族包括vegfa,vegfb,vegfc,vegf.d和pigfj,其中vegf-a(通常称为vegf)主要参与肿瘤血管生成的调节.目前已鉴定了3种血管内皮细胞生长因子受体(vegfr),分别命名为vegfr1,vegfr2和vegfr3.vegfr2在参与血管生成的内皮细胞中高表达,vegf的信号主要通过它传导.vegf与vegfr2结合后,vegfr2发生二聚化和磷酸化,激活下游信号通路,刺激内皮细胞增殖,同时诱导内皮细胞迁移,促使血管生成.vegfr1可竞争性结合于vegf,阻止vegf与vegfr2的结合.vegfr3主要参与血管和淋巴管的形成,在许多肿瘤的脉管基质形成中也有重要作用.notch受体在大多数细胞的细胞膜上都有表达,它们在结构上高度保守,参与细胞增殖,分化,并影响器官形成.脊椎动物中存在4种notch受体,即notchl,notch2,notch3和notcm.notch配体为表达于细胞表面的单跨膜蛋白,在哺乳动物中已发现5种,即jaggedl,jagged2,dlll,dll3和dii4.相邻细胞通过notch受体和配体的结合传导信号.当配体结合到notch受体上后,受体会发生两次水解,释放胞内部分(notchintracellulardomain,nicd),这个过程需要两种蛋白酶参与,一种是肿瘤坏死因子一转化酶(tumournecrosisfactor一仅convertingenzyme,tace),另一种是一分泌酶一secretase,也叫早老素(presenilin).释放出来的nicd进人核内,与重组信号结合蛋白jk(rbp-jk)/转录因子c启动子结合因子l(cbf1)结合,激活目的基因(如hes和hey家族)转录,这些目的基因可以调节下游基因的转录j.血管内皮细胞可表达notchl,notcm以及jaggedl,dill和dl14,其中di14具有内皮细胞特异性h】.notch信号对于成熟血管的形成是必需的,它还能调控动静脉的分化j.2vegf通路和notch通路在肿瘤血管生成中的相互作用2.1vegf诱导du4的表达在小鼠和人的肿瘤血管内皮细胞中均能观察到dim的高表达.体外和体内实验显示,vegf可促使d1的mrna和蛋白表达增加-6】.nogueratroise等发现,在肿瘤血管出芽前端的端细胞(2002009,vol33,no.5progresspharmaceuticalsciencescel1)中di14表达升高,而这些地方通常有高浓度的vegf.suchting等在小鼠的眼玻璃体内注射可溶vegfr(svegfr)用以阻断vegf信号,随后发现视网膜血管中dli4表达量下降;而lobov等9在小鼠的眼玻璃体内注射vegf后,视网膜血管中dim表达上升.还有研究显示,阻断肿瘤中vegf表达后,肿瘤内皮细胞中dim的表达也大大降低,这说明d1m在肿瘤血管中的表达需要vegf信号的存在.另有研究表明,缺氧可以诱导多种内皮细胞中dim的表达.这可能是缺氧诱导了vegf通路激活而使dim表达升高,或是通过缺氧诱导因子1一ot(hif1一)和dl14启动子上的缺氧反应元件(hres)直接调节dim的表达,.2.2notch信号影响vegf的生物学效应2.2.1下调vegfr2及其共受体vegf的主要受体是内皮细胞膜上的vegfr2,taylor等在培养的内皮细胞中发现,激活notch通路后,vegfr2的表达下调,内皮细胞的增殖和迁移也下降.suchting等发现,在阻断dim或du4一表达的内皮中均能观察到vegfr2表达上调.过表达的notch4ic(notch4的胞内部分)或hrt1(notch信号下游的一个转录因子)都可以下调vegfr2mrna的表达.由于vegfr2的启动子包括可以被hrt识别的e.box结合元件,所以激活的notch信号通路可能是通过hrt1来抑制vegfr2的表达引.神经素一1(neuropilin一1,nrp.1)可增强vegf与vegfr2的亲和力及vegf介导的趋化作用,为vegfr2的共受体.williams等的实验证明,dim的激活不仅可下调vegfr2,同时也下调nrp.1.而且notch信号诱导的vegfr2和nrp一1的下调使得vegf信号削弱.2.2.2上调vegfr1vegfr1对vegf的亲和力大约是vegfr2的10倍,但vegfr1被vegf激活后酪氨酸激酶磷酸化水平很低,没有明显的促增殖作用.因此,vegfr1可起到防止过多vegf结合到vegfr2上产生过度生物学效应的作用u引.harrington等发现,内皮细胞中du4一notch的激活会导致vegfr1和可溶性vegfr1(sflt1)表达上升.vegfr1与vegfr2竞争结合vegf,这在一定程度上减弱了vegf诱导增殖的作用.虽然2009,vo/.33,no.5201progresspharmaceuticalsciences药学避履notch信号只在相邻细胞间传递,但由于其在邻近细胞诱导产生的sfhl是游离性的,可扩散到其他细胞,并与vegf结合,降低了vegf的浓度,这样notch信号就不仅是影响其邻近的细胞,而是可以影响更多的内皮细胞.2.2.3直接影响vegfr3的表达notch信号对vegfr3的表达也有直接作用.shawber等发现,体外培养的内皮细胞中的notch通路激活后,nicd和csl(cbf一1/suppressorofhairless/lag1)会直接结合到vegfr3启动子上,促进vegfr3的表达,增强vegfr3对vegf.c的响应,有利于内皮细胞的生存.但tammela等副的研究发现,体内notch信号会抑制vegfr3的表达;而vegfr3在出芽血管的内皮细胞中高表达,激活vegfr3则可增强vegf诱导血管生成的能力,且在有vegfr2抑制剂存在的条件下仍然可以诱导血管生成.notch信号缺失会导致vegfr3的过表达以及血管过度出芽,但这可以被vegfr3抑制剂阻断.至于上述两项研究结果为什么出现差异以及notch信号在不同的条件下对vegfr3的作用是否会有所不同还值得进一步研究.3vegf通路和notch通路的相互作用在抗肿瘤药物研究中的意义肿瘤血管的形成由肿瘤细胞在缺氧条件下释放vegf等因子而启动,这时在已有血管上会朝vegf水平高的方向出芽,同时血管增殖延长,形成分枝血管.为肿瘤供氧.研究发现,在出芽的血管中,内皮细胞分为具有不同特性的端细胞和柄细胞(stalkcel1)两种.端细胞在出芽生长的最前端,无增殖活性但有高能动性,vegf诱导它的伪足伸展和定向迁移.每个出芽点只有一个端细胞,而紧邻端细胞的柄细胞具有高增殖性,在vegf的刺激下通过增殖来延长血管.由此可见,vegf在血管出芽中起着趋化端细胞和诱导柄细胞增殖的作用.notch信号是vegf信号的负反馈途径,高浓度的vegf首先作用于端细胞,在端细胞中诱导dll4表达,端细胞上的dl14与邻近细胞的notch受体结合,通过改变邻近细胞vegfr的数量,降低这些细胞对vegf刺激的响应,可防止它们变为端细胞,而使其表现出柄细胞的特征.hellstr6m等研究发现,在小鼠的视网膜中,dl14.notchl信号调节着适量端?综述与专论?2009年第33卷;g5期第201页细胞的形成,而阻断此通路会导致端细胞生成增加;notch信号在端细胞中比较弱,在柄细胞中则较强.claxton等】的研究证明,端细胞中dl14高表达,而阻断dli4或notchl,会增加网状血管密度,导致过量的出芽形成_9.这些都充分说明vegf和notch信号通路是调节血管出芽分枝的两个关键因素,vegf提供刺激信号,deltanotch通路(尤其是dl14)帮助内皮细胞作出正确应答.阻断vegf信号后,由于没有刺激因子,不能诱导出芽,故不能形成新的血管;阻断或者突变notch受体,没有负反馈调节,则会导致内皮细胞过度增殖和迁移,形成功能不全的血管.因而vegf和notch通路都是抗肿瘤血管生成的靶点.第一个被美国fda批准的抗肿瘤血管生成的药物是人源化vegf单抗bevacizumab,后来又有可以抑制vegfr酪氨酸激酶的药物sunitinib和sorafenib等陆续上市,另外还有中和vegfr的抗体和可溶性vegfr等药物正在研究中.临床前和临床研究结果均提示抗vegf通路的治疗方法用于多种肿瘤均有效_2.ridgway等将vegf单抗用于移植瘤,取得了预期的效果,即肿瘤血管密度降低且肿瘤生长受到抑制.u等的研究表明,bevacizumab对表达di14的肿瘤有效,可致肿瘤血管密度下降但仍有大血管残留.但抗vegf通路疗法并非对所有的肿瘤都有效,有些肿瘤病人对此疗法产生耐药,且在临床上还观察到此疗法致异常血管的形成和肿瘤的生长,因此需要寻找新的靶点以更好地阻断血管的生成.研究发现,敲除dl14的一个等位基因可致胚胎死亡j,因为dl14的缺失会导致严重的血管功能不全,而在血管发育中只有在敲除vegf的一个等位基因后才会出现相同的情况(carmeliet等,nature,1996年),这说明dll4.notch通路在血管生成中与vegf一样有非常重要的作用.肿瘤血管中的dl14表达上调,对血管生成至关重要,但对已有血管的作用较小,故阻断dl14比阻断notch通路的副作用小很多j,因而dl14可作为一个治疗肿瘤的药物靶点.ridgway等给多种移植瘤小鼠使用抗dl14单抗yw152f,结果发现,用药小鼠的肿瘤血管密度虽明显增加,但肿瘤的生长速度却明显降低.这是因为抗dll4单抗作用于dll4后,会导致内皮细胞增202药学进展2009年第33卷第5期第页q,殖,虽然增加了肿瘤血管密度,但是大多数新形成的血管是畸形和功能受损的,实际上降低了肿瘤的氧供,延缓了肿瘤的生长.还有实验观察到,阻断du4后,肿瘤的缺氧程度是未被阻断时的7倍.以上研究提供了一种新的抗肿瘤疗法研发思路,即可以通过诱使肿瘤血管异常化来抑制肿瘤生长.抗di14疗法具有低毒和广谱的优势,对于抗vegf疗法敏感或无效的肿瘤均有抑制作用,并且两种疗法联用时具有协同作用训.抗d11疗法和抗gf疗法联用时,没有出现肿瘤耐药现象j.总的来说,阻断du4一notch通路可能成为抗肿瘤血管生成的新途径,它可以使那些对于抗vegf治疗无效或耐药的病人受益.但是,在抗vegf药物的临床研究中发现,由于人体的信号通路比较复杂,当vegf被抑制后,很可能导致肿瘤血管的生长方式从vegf依赖性转变为碱性成纤维生长因子(bfgf)依赖性或血小板源性生长因子(pdgf)依赖性,因此,一些在动物试验中表现突出的抗vegf药物并不能抑制肿瘤的血管生成,此时必须和传统的化疗药物联用才能延长患者的总生存时间.抗di14药物也可能面临同样的问题.有观点认为,这种促使肿瘤血管功能异常,增加肿瘤缺氧程度的抗dl14疗法可能会影响放化疗的效果;但是另一方面,由于该疗法可以促进内皮细胞的增殖,也许会使得放化疗对血管的靶向作用增强l4j.此外,阻断di14后是否会对表达dl14的非血管组织产生影响,停止给药后畸形和功能受损的血管会有哪些变化,这些都值得进一步研究.vegf和dll4在出芽式血管生成中起非常重要的作用,联合用药也显示了较强的作用,但是肿瘤的血管形成除了有典型的出芽方式以外,还发现了一些非出芽方式,包括套叠式,充塞式,马赛克式及内皮祖细胞的参与和血管生成拟态,因此对这些血管生成方式进行深入的研究,开发出相应的联合疗法,将有助于解决目前的血管生成抑制剂不能完全阻断肿瘤血管生成的问题.4结语vegf和notch信号通路在肿瘤血管的形成中具有非常重要的意义,vegf作为血管生成的刺激因子,可启动血管生成,而notch信号通路则发挥负2022009,vo1.33,no.5progressinpharmaceuticalsciences反馈作用,防止血管过度生成,这样的协同作用保证了形成的血管具有一定功能,确保了肿瘤生长的氧供.这种肿瘤血管形成的调控机制的发现为新的抗肿瘤药物开发提供了理论依据.但是这种通过诱使肿瘤血管异常化来抑制肿瘤生长的全新治疗理念应该如何应用于临床还有待于进一步研究.目前,国内研究notch通路和开发相关药物的实验室还较少.笔者所在的课题组主要从事抗血管生成药物作用机制的研究,研究中发现一些临床观测到有确切疗效的药物并不能用现有的体外实验或动物实验模型来解释其机制,提示这些药物的作用机制可能比较新颖,可以通过体外实验考察其作用机制,比如观察其能否下调vegf诱导的人脐静脉内皮细胞(huvec)中notch等基因的变化以及能否阻断du4诱导的huvec中vegfr2下调等,或通过小管形成实验模拟体内血管生成过程来验证这些药物是否是对notch信号通路有作用.笔者认为,未来抗血管生成疗法的研究中,阻断notch通路而致肿瘤血管异常化的治疗方法可能成为一个研究热点,可以开发一些dl14的抗体或针对notch受体水解,释放nicd过程的抑制剂.另外,也应对notch通路抑制剂和vegf通路抑制剂联用增效的分子机制以及notch通路抑制剂和传统放化疗联用是否有协同作用等进行深入研究.参考文献1hicklindj,ellislm.roleofthevascularendotheliagrowthfactorpathwayintumorgrowthandangiogenesisj.jclinoncol,2005,23(5):10111027.2byrneam,bouchier-hayesdj,harmeyjh.angiogenieandcellsurvivalfunctionsofvascularendothelialgrowthfactor(vegf)j.jcellmolmed,2005,9(4):777-794.3sainsonrc,harrisal.anti-du4therapy:canweblocktumourgrowthbyincreasingangiogenesisj.trendsmolmed,2007,13(9):389395.4kerbelrs.tumorangiogenesisj.ne,jmed,2008,358(19):2039-2049.5mailhosc,modlichu,lewisj,eta/.delt,anendothelialspecificnotchligandexpressedatsitesofphysiolo-gicalandtumorangiogenesisj.differentiation,2001,69(2/3):135144.2009,vo/.33,no.5203药学建履6patelns,lijl,generalid,eta1.up-regnlationofdeltalike4ligandinhumantumorvasculateandtheroleofbasalexpressioninendothelialcellfunctionj.cancerres,2005,65(19):86908697.7noguera-troisei,dalyc,papadopoulosnj,et.blockadeofdll4inhibitstumourgrowthbypromotingnon-productiveangiogenesisj.nature,2006,444(7122):1032.1037.8suchtings,freitasc,lenoblef,eta1.thenotchliganddeltalike4negativelyregulatesendothelialtipcellfor-marionandvesselbranchingj.procnatlacadsciusa,2007,104(9):3225.3230.9lobovib,renardra,papadopoulosn.eta1.delta.1ikeligand4(dll4)isinducedbyvegfasanegativeregnlatorofangiogenicsproutingj.procnailacadsciusa,2007,104(9):32193224.1othurstong,nogueratroisei,yancopoulosgd.thedeltaparadox:dll4blockadeleadstomoretumourvesselsbutlesstumourgrowthj.natrevcancer,2007,7(5):327331.11diezh,fischera,winklera,eta1.hypoxia.mediatedactivationofdim-notch?hey2signalinginendothelialprogenitorcellsandadoptionofarterialcellfatej.expcellres,2007,313(1):19.12taylorkl,hendersonam.hughescc.notchactivationduringendothelialcellnetworkformationinvitrotargetsthebasichlhtranscriptionfactorhesr一1anddown.regulatesvegfr一2/kdrexpressionj.microvascres,2002,64(3):372.383.13leongkg,karsana.recentinsightsintotheroleofnotchsignalingintumorigenesisj.b/ood,2006,107(6):2223-2233.14williamsck,lijl,murgam,eta1.up.regulationofthenotchliganddelta.1ike4inhibitsvegf.inducedendo.thelialcellfunctionj.b/ood,2006,107(3):931-939.15shibuyam,claessonwelshl.signaltransductionbyvegfreceptorsinregulationofangiogenesisandlym-phangiogenesisj.expcellres,2006,312(5):549560.16harringtonls,sainsonrca,williamsck,et02.regulationofmultipleangiogenicpathwaysbydl14andnotchinhumanumbilicalveinendothelialcellsj.microvascres,2008,75(2):144?154.17shawbercj,funahashiy,franciscoe,eta1.notchaltersvegfresponsivenessinhumanandmurineendothelial?综述与专论?2009年第33卷第5期第203页cellsbydirectregulationofvegfr-3expressionj.,cfininvest,2007,1l7(11):33693382.18tammelat,zarkadag,wallgarde,eta1.blockingvegfr一3suppressesanogenicsproutingandvascularnetworkformationj.nature,2008,454(7204):656.660.19siekmannaf,covassinl,lawsonnd.modulationofvegfsignallingoutputbythenotchpathwayj.bioessays,2008,30(4):303313.20dufralnej,funahashiy,kitajewskij.notchsignalingregulatestumorangiogenesisbydiversemechanismsj.oneogene,2008,27(38):5132513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