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肿瘤血管生成 暨南大学附属第一医院外科潘运龙 血管生成 angiogenesis angiogenesis 一词始见于1900年一篇讨论肾上腺生长的论文 作者鲁道夫 斯特纳 RudolfSteiner 发表在 约翰霍普金斯医院报告 上 angio 指血管 genesis 指起源 血管发生 vasculogenesis 胚胎血管生成学说表明 造血干细胞沿血管排列发展为血岛 血岛中心的细胞发育为血细胞 而血岛周围的细胞发展为内皮细胞 近期的肿瘤实验动物模型证明了类似的过程 即骨髓中的造血干细胞通过循环 积聚 融合形成新血管 血管发生对人类肿瘤的作用还不清楚 多数学者对此机制是否可以作为肿瘤治疗的靶目标尚持保留态度 血管生成 angiogenesis 血管生成是肿瘤新生血管形成的关键因素 血管生成包括以下几个步骤 小血管内皮细胞的激活 细胞外基质的降解 细胞在基质中迁移 增殖 内皮细胞组建为中空管道 管道最终吻合形成新的毛细血管 缺氧 hypoxia 肿瘤生长依靠于邻近血管 最终获得氧供 直到超过一定体积发生缺氧为止 继发缺氧可上调一系列促血管新生因子的表达来诱导肿瘤血管新生的发生 如DNA转录及稳定mRNA 缺氧诱导产生的转录因子HIF1 可继发调节DNA转录 这些因子是内皮细胞生长和存活的高度特异性因子 其中包括VEGF bFGF TGF和TNF 而VEGF和bFGF被认为是血管新生过程的最重要介质 古希腊伟大的思想家 科学家亚里士多德 Aristole 公元前384 前322 在他的著作 PartsOfAnimals 中详细地记录了从鸡蛋到小鸡孵出期间鸡胚的血管发展情况 1868年 希斯 His 1831 1904 作了可能是人类早期对鸡胚血管发育最为详尽的研究 1863年病理学家魏尔啸 Virchow 1821 1902 在他的著作 DieKrankhaftenGreschwulste 中描述了肿瘤具有丰富的血管的现象 20世纪40年代 一些研究人员已经认识到肿瘤可诱导血管生成 但他们认为是一种炎性反应 是肿瘤生长的副作用 外科医生也经常注意到肿瘤周围丰富的血管 但这一现象被简单地认为是已有血管的扩张 20世纪60年代 格瑞布莱特 Greenblatt 夏比克 Shubik 等提提出了肿瘤可产生可溶性促血管生成物质的假设 将血管生成作为理论提出并探讨其治疗意义是哈佛大学福克曼 Folkman 教授的杰出贡献 In1971FolkmanpublishedaseminalpaperintheNewEnglandJournalofMedicine proposingthehypothesisthatalltumorgrowthisangiogenesis dependent Thisfoundedthefieldofangiogenesisresearchandopenedafieldofinvestigationnowpursuedbyscientistsinmanyfieldsworldwide Folkman slaboratorypurifiedthefirstangiogenicproteinfromatumor discoveredthefirstangiogenesisinhibitorsandinitiatedclinicaltrialsofantiangiogenictherapy Today angiogenesisinhibitorshavereceivedFDAapprovalintheU S forcancerandforthetreatmentofmaculardegenerationandarealsoapprovedin27othercountries LargelybecauseofFolkman sresearch thepossibilityofantiangiogenictherapyisnowonafirmscientificfoundation notonlyinthetreatmentofcancer butofmanynon neoplasticdiseasesaswell DNA双螺旋结构的发现人之一 诺贝尔奖获得者沃森 Watson 则将 血管生成之父 福克曼 Folkman 教授与达尔文相提并论 血管生成研究的历史是一个典型的科学家契而不舍地探索 最后获得广泛认同的历史 1961年福克曼因服兵役到美国海军医院作研究工作 被要求的工作是找出红细胞的代用品来解决航空母舰上备血的问题 在实验中 福克曼意外地观察到移植到小鼠的肿瘤在生长过程中 周围必会有新生小血管来滋养肿瘤 没有足够的血供 肿瘤的体积只能维持在较小的尺寸 1971年 福克曼在总结自己和前人观察基础上大胆地提出了肿瘤血管生成的理论 即 肿瘤生长和转移都依赖于血管生成 抗血管生成可起到治疗肿瘤的作用FolkmanJ Tumorangiogenesis Therapeuticimplication NEnglJMed 1971 285 1182 1186 1973年研究人员首次从脐静脉分离培养内皮细胞成功 1979年 福克曼等建立了毛细血管内皮细胞长期培养 内皮细胞培养的成功极大地促进了血管生成的研究 此后 一系列的血管生成模型相继出现 如经典的鸡胚绒毛尿囊膜 chickchorioallantoicmembrane CAM 模型 角膜移植模型 皮下基质胶 Matrigel 模型等 20世纪70年代末 研究人员逐渐认识到肿瘤的血管网是新生的血管 对血管生成进行定性定量是可能的 但大多数人仍然认为这些新生的血管是由于肿瘤坏死产物引起的炎性反应 甚至是机体对肿瘤的防御反应 并且 一部分研究人员认为肿瘤的血管会和伤口的血管一样逐渐成熟 不可能成为治疗的靶点 有意思的是 在肿瘤血管生成领域的很多重要发现都出乎人们的意料 TNP 470是人类发现的第一种特异性地抑制血管内皮细胞生长的物质 也是第一个进入临床实验的抗血管生成药物 TNP 470的发现是科学史上又一个 偶然 的例子 福克曼实验室的英格勃 Ingber 在一次培养内皮细胞时 偶然发现细胞被真菌污染 引起内皮细胞的退化 细胞培养被污染是研究人员经常会遇见的事情 但英格勃没有简单地扔掉细胞 而是推测真菌中可能含有抑制血管生长的物质 最终从真菌中纯化得到了TNP 470 1991年 魏德纳 Weidner 福克曼等发现乳腺癌中微血管密度越大 预后越差 第一次报道了血管生成与肿瘤预后的关系 此后陆续在膀胱癌 前列腺癌 肺癌 黑色素瘤等肿瘤中发现了这种相关性 早在1977年 许格贝克 Sugarbaker 等就观察到除去原发肿瘤将导致转移部位肿瘤的迅速生长 1994年 福克曼实验室的欧瑞里 O Reilly 从荷有Lewis肺癌的小鼠尿中分离到一种纤维蛋白溶酶原的剪切片断 命名为angiostatin 该物质可完全抑制小鼠皮下移植Lewis肺癌的肺转移 以类似的方法 欧瑞里等在1997年又发现了endostatin 1998年 在美国媒体的推波助澜下 福克曼的影响达到了颠峰 1998年5月3日星期天的 纽约时报 在头版报道了福克曼等人在angiostatin和endostatin方面的研究成果 报道引用了两位权威人士的话 诺贝尔奖获得者沃森 Waltson 说 福克曼将在两年内征服肿瘤 美国国家癌症研究所主任克劳斯勒 Klausner 说 angiostatin和endostatin是抗癌药物中最令人振奋的发现 目前研究发现血管生成所涉及的疾病领域已远不止肿瘤一种 还包括风湿性关节炎 Crohns病 银屑病 糖尿病视网膜病变 动脉粥样硬化 先兆子痫 子宫内膜异位 Alzheimer氏病 肥胖症等 促进血管生成对于心血管疾病 器官移植 伤口愈合也有重要意义 血管生成理论在应用上已分成了抑制血管生成 治疗性血管生成 therapeuticangiogenesis 两大领域 肿瘤抗血管生成治疗临床应用 一 血管生成抑制剂1基质金属蛋白酶抑制剂 TIMPs TIMPs可以与金属蛋白酶的锌指结构结合而抑制其活性 从而防止细胞外基质的降解和基底膜的破坏 抑制肿瘤血管生成 2直接抑制内皮细胞的药物沙利度胺 曾用名为反应停 在临床试验中疗效最显著的就是应用于多发性骨髓瘤的治疗 3抑制促血管生成因子的药物Bevacizumab 商品名 avastin 是一种单克隆抗体 于2004年2月26日获得FDA批准上市用于一线治疗晚期结直肠癌 这是首个VEGF抑制剂 Hurwitz等对900多名已转移且未经治疗的结直肠癌患者进行临床试验发现 同时接受Bevacizumab联合IFL方案 5 FU Leucovorin CPT211 化疗的患者 与只接受化疗的患者相比 其中位生存期平均延长5个月 Bevacizumab是用于抗VEGF抗体治疗癌症的一个成功的例子 2004年2月被FDA批准为转移性直结肠癌的一线用药 4抑制整合蛋白分子的药物整合蛋白 integrin 是细胞粘附分子 具有粘附 移动及信号转导功能 二 传统细胞毒化疗药物传统化疗以直接杀伤肿瘤细胞为目标 最近几年来发现某些化疗药物在低剂量 长时间接触中可选择性的抑制血管内皮细胞的功能 这称之为小剂量化疗和抗血管生成化疗 根据Miller等在2001年提出的筛选有实际意义抗血管生成化疗药物的筛选标准 已被证实的抗血管生成化疗药物主要有环磷酰胺 紫杉醇 长春新碱 优氟定和羟基喜树碱等 针对VEGF治疗肿瘤的策略 1VEGF反义寡核苷酸使用VEGF反义寡核苷酸抑制VEGF的表达 目前还处于试验阶段 Hotz等给裸鼠胰腺移植人类胰腺肿瘤 试验组用VEGF基因的反义寡核苷酸AS23 VEGF基因的cDNA 行腹膜内注射 10mg kg d 对照组给予安慰剂注射 共观察14周后行尸体解剖 并以抗CD231染色法检查肿瘤血管密度 试验结果发现 与对照组相比 试验组原发肿瘤体积小 P 0 01 血管新生明显减少 P 0 01 远处转移少 P 0 01 对照组有50 的裸鼠有腹水 腹水中的VEGF浓度均很高 而试验组中无一例出现腹水 2VEGF受体反义寡核苷酸VEGF受体的反义核苷酸可抑制VEGF受体表达 从而阻断VEGF的信号转导通路 Kamiyama等用VEGFR22的反义核苷酸治疗胃癌 首先将人类胃癌细胞注入裸鼠的结肠系膜内 待成瘤后 一组腹腔内注射VEGFR22反义寡核苷酸 另一组注射生理盐水 每天1次 共7次 治疗结束14d后开腹检查 与对照组相比 VEGFR22反义寡核苷酸治疗组肿瘤结节内血管密度少 腹膜转移结节少 表明VEGFR22反义核苷酸治疗可抑制血管新生而显著抑制肿瘤转移 3中和血循环中的VEGF近年来 研究者将中和循环中已存在的VEGF方法应用于临床 并取得了成功 3 1抗VEGF抗体靶向VEGF的单克隆抗体可以特异性地与VEGF相结合 Bevacizumab是一个靶向VEGF的重组人源性单克隆抗体 3 2可溶性VEGF受体由于VEGFR 1与VEGF有着很强的亲和力 因此有研究以可溶性VEGFR 1中和循环中的VEGF治疗肿瘤 3 3VEGFTrapVEGFTrap是一种血管生成抑制剂 是将人VEGFR21和VEGFR22的细胞外区一部分融合到人免疫球蛋白G的Fc片段上而构成 因此它能与循环中的VEGF结合 VEGFTrap作为一种引诱蛋白质 能够防止VEGF结合到人体中的天然受体VEGFR21和VEGFR 2上 它与循环中VEGF的亲和力比VEGF单克隆抗体与VEGF的亲和力高100 1000倍 4抗VEGFR抗体抗VEGFR抗体可同VEGF竞争性地与VEGFR细胞外的Ig区结合 阻断下游的信号转导 目前这方面的研究还处于动物试验阶段 但近年来报道有增多趋势 Klement等用长春瑞宾或DC101 抗VEGFR22抗体 治疗移植了恶性胶质细胞瘤的SCID小鼠 发现两者都可以使肿瘤缩小 分别缩小41 和47 而两者联合则可以进一步使肿瘤缩小65 5酪氨酸激酶抑制剂酪氨酸激酶抑制剂可以抑制VEGFR细胞内的酪氨酸激酶区 使下游的信号转导终止 SU5416与SU6668是VEGFR 2的小分子酪氨酸激酶抑制剂 多个试验表明单药SU5416或SU6668治疗可在异体移植肿瘤中显示出生物学活性 肝癌抗血管生成治疗乳腺癌的抗血管生成治疗一个对43个独立研究机构研究结果进行的meta分析发现 乳腺癌肿瘤的高微血管密度与乳腺癌患者的生存时间密切相关 特别是对于淋巴结阴性的病例 人内皮抑素 endostatin 乳腺癌的抗血管生成治疗已经进入 期临床 胃肠道肿瘤的抗血管生成治疗贝伐单抗在CRC中的临床应用贝伐单抗是通过基因工程将鼠抗原结合区与人IgG1稳定区相结合的针对VEGF A的人源化单克隆抗体 Hruwitz等的研究具有里程碑式的重要意义 不仅是因为标准细胞毒治疗加上贝伐单抗带来了临床益处 而且因为它证实了在实验中提出的血管生成概念 抗VEGF治疗给CRC病人带来了临床益处 肿瘤微血管构筑表型异质性 肿瘤间质中新生微血管的密度 形态 结构 组成 及其随肿瘤演进在瘤组织内的三维分布可统称为 肿瘤微血管构筑表型 tumormicrovasculararchitecturephenotype T MAP 肿瘤血管生成不仅与成年正常组织 如卵巢黄体形成 和创伤愈合中的血管生成有明显不同 而且与慢性炎症血管生成也存在差别 这种差异性包括新生血管结构的成熟度 血供特性 形态 内皮细胞增殖活性和基底膜特点 内皮细胞的分子遗传学改变 构筑异质性 启动细胞和因子 血管形成参与情况 淋巴管生成情况 血管生成相关性病变及结局等 有些作者将这类差异性称为 肿瘤血管异质性 实际上 肿瘤血管异质性不仅表现为肿瘤血管与非肿瘤新生血管的差异性 还应包括不同肿瘤之间 同种肿瘤不同个体之间 同一肿瘤不同区域和发生与演进阶段之间的血管差异性 肿瘤微血管具有结构紊乱和功能不全的特性 一般认为 肿瘤的血管具有多样性但缺乏特异性 这是肿瘤病理诊断与鉴别诊断时一般不重视血管的主要原因 实际上 不同肿瘤的间质血管具有一定特点 在同类型肿瘤不同分化演进阶段 肿瘤血管常呈现相对特征的表现 人们对肿瘤演进的研究更多地注意瘤细胞异型性和异质性 对肿瘤血管生成也只是集中于研究血管生成因子调控作用和微血管密度的临床意义 而对于经常观察到的肿瘤微血管异质性和意义缺乏充分认识 在分子机制方面更是缺乏深入研究 有研究者注意到了肿瘤的微血管构筑 发现它在癌前病变与癌之间 原发瘤与转移瘤之间存在差异 另一方面 抗癌药治疗的过程对微血管构筑也有明显影响 提示后者在肿瘤学上有重要意义 瑞典卡罗林斯卡医学院8日宣布 将2007年诺贝尔生理学或医学奖分别授予两名美国人马里奥 卡佩基 奥利弗 史密斯和一名英国人马丁 埃文斯 以表彰他们在 基因靶向 技术方面的突出贡献 诺贝尔奖评审委员会发布的公报说 三位科学家 在涉及胚胎干细胞和哺乳动物 重组方面有着一系列突破性发现 为 基因靶向 技术的发展奠定了基础 在 基因靶向 技术的帮助下 科学家可以使小鼠体内的特定基因丧失功能 此类 基因敲除 试验可以帮助人们了解基因在胚