【血管生成研究的文献综述7700字】

血管生成研究的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u64血管生成研究的文献综述 1147231.1血管生成概述 179421.2血管生成参与的生理病理过程 2306051.3血管生成的主要分子机制 6235411.4血管生成相关治疗的临床应用 823531.5血管生成与动脉生成 1017615参考文献 111.1血管生成概述血管生成是指从原有的血管系统中生成新的血管的过程[14]，通常是在VEGF的诱导下发生的。在各种生理和病理条件下，包括发育、伤口愈合、癌症、年龄相关视网膜黄斑变性、早产儿视网膜病变等，都扮演着关键角色[15]。血管生成的基本步骤如图1.2所示，主要包括尖端细胞的选择，毛细血管基底膜的酶降解、尖端细胞的伪足形成和定向迁移，茎细胞的增殖、尖端细胞的融合、管腔的形成、血管修剪和周细胞的稳定，在这个过程中，内皮细胞扮演着不可或缺的角色[16]。简而言之，缺氧等刺激诱导组织产生大量的VEGF，暴露在最高VEGF浓度下的内皮细胞被选择成为尖端细胞。在成为尖端细胞的同时，通过NOTCH等信号通路抑制其相邻的ECs成为尖端细胞的能力[17]，并促使其成为茎细胞。毛细血管基底膜中的细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）在蛋白酶的作用下发生降解，使得尖端细胞可以从基底膜中脱离，具备了向外迁移的能力。尖端细胞顺VEGF浓度梯度延伸出大量的丝状伪足引导血管萌芽的方向，并且沿伪足生长的方向迁移，而其后的茎细胞大量增殖，以延长血管萌芽。当两个及以上的发育中的血管萌芽的尖端细胞聚集在一起时，会发生融合并形成管腔，形成具有单层内皮的新的毛细血管，使得组织灌注恢复，改善缺氧从而减少VEGF的分泌。新生的毛细血管通过周细胞补充，ECM沉积，剪切应力和其他与血流、血压相关的机械力作用最终稳定下来。图1.2VEGF引导下的血管生成[14]。A.暴露在最高VEGF浓度下的内皮细胞成为尖端细胞(绿色)，低氧组织以淡蓝色圆形表示。B.尖端细胞通过延伸大量的丝状伪足引导血管萌芽的方向。C.正在发育的新生血管通过茎细胞(紫色)的增殖而延长。D.两个发育中的新生血管的尖端细胞融合并形成一个管腔。E.流经新生毛细血管的血液使组织灌注恢复，改善缺氧状态从而减少VEGF的分泌。F.新生的毛细血管通过周细胞(红色)补充、ECM(灰色)沉积、剪切应力和其他与血流和血压相关的机械力作用来稳定。1.2血管生成参与的生理病理过程血管生成参与机体的多种生理病理过程，包括发育等生理过程以及癌症、早产儿视网膜病变（Retinopathyofprematurity，ROP）、类风湿性关节炎、动脉粥样硬化等病理过程[15,18]。在一些疾病中，血管生成是过度的或者异常出现的血管生成可以导致不良后果（如图1.3）。最为人们所熟知的是肿瘤、银屑病、关节炎和失明[19-22]，许多常见疾病如肥胖、哮喘、动脉粥样硬化和传染病也被证明与其相关[23-25]，一些先天性或遗传性疾病也可引起异常的血管生成。与此相对，血管生长的异常不足不仅可以导致心脏和大脑缺血[23]，也能导致神经退化，高血压、先兆子痫、呼吸窘迫、骨质疏松症等[23,26-27]（如图1.4）。图1.3以异常或过度血管生成为特征或由其引起的疾病[18]。任何组织的生长都离不开血流带来的氧和营养物质，肿瘤组织生长异常迅速，对于氧和营养物质的需求更甚，故有学者提出假说，抑制血管生成以阻止肿瘤从血流中获得氧和营养物质可能是治疗癌症的一种策略[28]。在肿瘤血管生成中，环境和遗传因素共同作用，构成了复杂的调控网络。促血管生成和抗血管生成分子可以从肿瘤细胞、内皮细胞、基质细胞、血液中分泌，可能随着肿瘤的生长、消退和复发而改变，也可能因肿瘤类型和肿瘤部位的不同而出现差异[29]。肿瘤血管是由原已存在的血管以发芽或套叠式血管生成的方式形成的。从血管壁脱落或从骨髓动员而来的循环内皮前体细胞也可参与肿瘤的血管生成[30-31]。目前已知有各种分子参与了这些不同的血管生长机制，其中VEGF和血管生成素（Angiopoiet，Ang）家族的成员起着主导作用[32]。在经过大量研究证实抗血管生成治疗对肿瘤治疗有益之后，抗血管生成治疗的相关药物如贝伐珠单抗、阿柏西普已被批准应用于临床肿瘤治疗[33]。在动脉粥样硬化中，血管生成的出现会导致斑块的不稳定性增加[34]，多数动脉粥样硬化患者的急性心血管事件是由动脉粥样硬化斑块破裂或侵蚀形成的血栓栓塞引起的[35]。研究显示，斑块血管生成和斑块内出血（IntraplaqueHemorrhage,IPH）是不稳定病变的重要因素[37-38]。斑块血管生成是对斑块中氧气需求增加的生理反应，但会通过促进IPH和炎症介质的流入而产生不利影响。视网膜是一种复杂的神经血管组织，由至少两种类型的胶质细胞、七种类型的神经元和视网膜内不同水平的毛细血管中精确分级的内皮细胞网络组成[39-40]。高氧导致视网膜血管系统的闭塞，而缺氧促进血管生长和增殖[40-41]。动物研究表明在机体发育过程中暴露于高浓度的氧气时，视网膜中VEGF的产生急剧停止[42-43]。这导致毛细血管脱落和周围视网膜血管的闭塞。当恢复到常氧条件时，局部VEGF的产生显著上调，促使大量新生血管形成。然而这些新血管是异常且易渗漏的，并且经常错误地定位于视网膜前间隙，失去了原有的丛状、分层的特征，并最终引起顽固性纤维化，从而导致视网膜脱离和失明。这些研究解释了ROP的复杂机制，ROP是一种发生于早产儿的致盲性疾病，是世界各地儿童失明的主要原因。这些婴儿的视网膜血管发育不完全，对VEGF的水平敏感，暴露于高浓度的氧气（几十年前临床上治疗早产儿的一种常见做法）会导致如上文所述在动物模型中一样的不受控制的新血管形成。人类视网膜血管的发育始于妊娠第四个月，并从视网膜中央向外周发展，到胚胎40周左右发育完全。早产儿在高氧的刺激下，正常的视网膜血管发育被迫停止，缺乏氧合和营养的无血管视网膜在发育的32-34周左右变得代谢活跃和缺氧。在ROP动物模型和人类模型中，已经证明视网膜缺血在新血管形成之前驱动VEGF的产生，从而驱动疾病的异常血管生成阶段[44]。在心脏中，某些病理条件如动脉粥样硬化或尿毒症引起血管适应性受损、毛细血管新生减少，这些结构变化导致心肌细胞和毛细血管之间的不匹配，毛细血管之间的距离过长，这损害了心肌组织的血液和氧气供应，再加之微动脉病变，最终导致心肌纤维化[23]。在动物实验中，心图1.4以血管生成不足或血管退化为特征或由其引起的疾病[18]。脏间质成纤维细胞早在大鼠肾次全切除术诱导的肾衰竭后2周就被激活。大约在术后8-12周后出现毛细血管稀疏和动脉改变[45]。缺血性心脏及下肢疾病中，由于大血管的阻塞，导致局部组织的血流供应中断，迫切地需要形成新的血流通道来供应组织的血流和氧需求[46]。最近的研究表明，新冠肺炎患者肺部的解剖学研究显示肺部血管内血栓形成且有微血管病变存在[27]，这与其他呼吸窘迫综合征患者的病变一致。出乎研究者意料的是，新冠肺炎患者肺组织中新血管的生长量是流感患者肺中的2.7倍。针对血管生成在不同疾病中的特征，抗血管生成及促血管生成治疗在相关疾病的治疗中被研究和使用（见下文1.4）。1.3血管生成的主要分子机制血管生成的起始通常是细胞因子刺激的结果，常见的细胞因子主要包括VEGF、FGF、EGF等[47]。这些分子通过结合ECs表面的受体，激活ECs中的下游通路，通过促存活，促迁移、增殖等多种途径促进血管生成。还有许多其他的分子被证明可以调节ECs向血管生成表型的转换，包括趋化因子、细胞因子、脂质介质、激素和神经肽等。血管生成最显著的激活因子是VEGF。血管内皮生长因子受体2（vascularendothelialgrowthfactorreceptor2，VEGFR2）是介导血管生成信号的主要受体，而血管内皮生长因子受体1（vascularendothelialgrowthfactorreceptor1，VEGFR1）主要被认为是竞争性受体[48]。80多年前，已有学者提出假设，肿瘤细胞通过释放血管生长刺激因子诱导新血管生长的能力促进自身的生长和增殖[49-50]。与此同时，有人提出，一种可扩散性因子不仅与正常视网膜血管的发育有关，还与增殖性糖尿病视网膜病变和其他疾病的病理性新生血管相关[51]。直到大约30年前，在血管生成中发挥重要作用的VEGF，才被鉴定、分离和克隆出来[52]。VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E和胎盘生长因子（placentalgrowthfactor，PLGF），其中VEGF-A是该家族中最早被发现的成员，同时也是被研究最深入的，通常文献中出现的VEGF即指代VEGF-A。下面，主要从VEGF促血管生成的过程以及血管生成中的各个环节涉及的分子进行综述。缺氧是血管生成的重要刺激因素。在各种生理或病理条件下，局部的氧供应不足，低氧信号通过缺氧诱导因子上调许多血管生成相关的基因，其中VEGF的上调可能是最显著的，可在几分钟内达到三十倍之多。目前VEGF的拮抗剂已被批准用于抗血管生成治疗，VEGF用于促血管生成治疗正在评估中[53]。单个VEGF等位基因的缺失导致胚胎血管缺陷[54-55]，VEGF水平降低仅25%即可引起脊髓的血供不足，导致运动神经元变性[55]。PLGF通过结合其受体VEGFR1增强血管生成，但仅限于病理条件下，而PlGF的抑制或阻断对生理性血管发育是没有不利影响的[56-58]。它在一定程度上通过VEGFR1和VEGFR2之间独特的交互作用来增强VEGF驱动的血管生成[59]。VEGF-B在血管生成中的作用仍有待确定。VEGF-C、VEGF-D和血管内皮生长因子受体3（vascularendothelialgrowthfactorreceptor3，VEGFR3）信号转导是淋巴管生成的中心分子机制。VEGF-E仅结合并激活VEGFR2，其促进内皮细胞生长和存活的活性与VEGF-A相似，但对血管通透性的影响略低于VEGF-A[60]。ECs在受到VEGF刺激后必须经历尖端细胞-茎细胞选择才能进行血管出芽，在这个过程中Notch信号通路发挥重要作用[17]。在VEGF刺激下，Notch配体Delta样配体4（Delta-like4，Dll4）在尖端细胞中表达上调。尖端细胞释放的Dll4与邻近细胞的Notch受体结合，邻近细胞接受Dll4传递的Notch信号，VEGFR2的表达下降，与此同时，Notch信号引起抑制性受体VEGFR1水平增加，使得这些细胞接受VEGF信号的能力下降，无法成为尖端细胞，而是作为茎细胞存在。同时，茎细胞在Notch信号激活后，Dll4表达下调，而另一种Notch配体Jagged1则表达上调，茎细胞释放的Jagged1可以拮抗Dll4的作用，故而尖端细胞接收极少的Dll4信号，允许VEGFR2高表达，VEGFR1低表达，得以继续保持尖端细胞的特性，在VEGF的作用下引导血管出芽[17]。EC是一种薄而脆弱的细胞，但ECs形成的管道系统却可以稳定而有效地将血液运送到身体的各个部位，它们的寿命长达数年，而且一旦被触发，能够协调有序地迅速发出血管萌芽。薄而脆弱的ECs能够具备这样的特性，部分可能归因于血管壁内的细胞之间以及与管腔内外的细胞之间的沟通。ECs能够感知血流和血压的改变，并与内部细胞骨架和外部ECM动态地相互作用。在静止血管中，粘附连接中的VE-cadherin以及紧密连接中的claudins和连接附着分子1（JunctionalAdhesionMolecule1，JAM-1）为血管内皮提供机械强度和紧密性，并建立通透性屏障。这些分子不仅作为内皮细胞物理连接的基础，而且还传递内皮存活、凋亡和其他细胞行为的关键信号[61]。ECs在血管出芽过程中进行迁移时，这些连接处会短暂地溶解，而当ECs聚集到新的血管中，这些连接处又会重新建立，打破这个循环可以破坏肿瘤中的血管生成[62]。VEGF及其下游Ang-2可以溶解，而Ang-1则可以加固这些连接处，后者在脓毒症、炎症、损伤、中风和癌症中具有治疗潜力[63]。ECM提供了ECs和其他细胞之间必要的接触，从而防止血管塌陷。在静止的血管中，周细胞和ECs嵌在同一基底膜中。血管细胞间的I型胶原和弹性蛋白间质为血管壁提供弹性和强度。ECM还能够调控血管萌芽的形成。当ECs迁移形成血管萌芽时，这个基质网络被酶解，并且其成分也发生了改变，ECM中出现新的成分（如胶原IV）或成分结构发生改变（纤维状胶原变为单体胶原）[64]。此外，在血管萌芽的周围，纤维连接蛋白、纤维蛋白等成分形成的暂时性ECM，为引导ECs到达它们的目标提供了支持。整合素（integrin）是血管壁细胞表面的受体，接受来自某些ECM成分的信号，整合素在细胞内外双向传递信号，使得血管壁细胞与ECM协调以形成新的生血管[65-66]。整合素的抑制剂能够抑制病理条件下的血管生成，故而该分子在很长一段时间内被认为具有促进血管生成的功能，然而基因敲除研究显示，整合素通过抑制VEGF和VEGFR2介导的EC存活，或通过介导血小板反应蛋白（thrombospondin，TSP）和其他血管生成抑制剂（如肿瘤抑素，内皮抑素，血管抑素）的抗血管生成活性来抑制血管生成。血管萌芽期间ECM的重塑需要蛋白酶的破坏，包括基质金属蛋白酶（matrixmetalloproteinase，MMP）、纤溶酶原激活物（如尿激酶纤溶酶原激活物及其抑制剂PAI-1）等，研究发现这类分子也具有促进血管生成的作用。随着研究的深入，越来越多的分子在血管生成这个过程中被认识，这些分子在血管生成中的作用大多是通过调节上述分子实现的。迄今为止，VEGF仍然被认为是血管生成最显著的激活因子，且针对VEGF的疗法在血管生成相关临床治疗中的应用最广。1.4血管生成相关治疗的临床应用血管生成参与多种生理病理过程，在一些疾病（如肿瘤、动脉粥样硬化）中，血管生成对于患者的预后是有害的，在临床上，抑制血管生成通常是治疗这些疾病的策略之一。血管生成是肿瘤生长所必需的，且血管生成活跃的肿瘤容易发生转移。在动脉粥样硬化中，血管生成是造成斑块稳定性下降，易出血破裂的重要原因[34]，。而在另一些疾病中，血管生成却是被期待的，比如缺血性心脏及下肢疾病，大血管的阻塞造成局部组织的缺血缺氧，缺血区的组织亟待新的血管形成提供血流。目前临床上针对血管生成的疗法最主要还是集中在肿瘤领域，20世纪70年代，JudahFolkman提出假说，抗血管生成可能是治疗癌症和其他疾病的一种策略[28]，阻断肿瘤细胞的血流供应，从而使其缺血缺氧以及缺乏养分，最终坏死，是抗血管生成治疗肿瘤的基本原理，这一假说引起了学者们极大的热情，并对该领域产生了重大推动作用，随后体外和动物实验提示了使用抗血管生成疗法抗肿瘤治疗的有效性。相关的药物被研发用于抗VEGF，且已经过FDA的批准[33]，用于临床肿瘤治疗。随着抗血管生成疗法的广泛使用，其中存在的问题也逐渐被意识到，包括出血、高血压、蛋白尿等临床症状，也包括学者们在研究中发现的血管生成替代途径被激活等分子变化。肿瘤血管中癌细胞的存在易化了肿瘤的转移，且对于抗血管生成治疗的方案设计有显著影响。与正常组织的血管相比，肿瘤组织的血管杂乱、弯曲，宽度不等，分支过多，这可能归因于促血管生成和抗血管生成分子的平衡失调[67]，这种异常的血管分布使得肿瘤组织内部某些区域氧供不足，甚至由此引发酸中毒[68-69]。这些因素又加重了促血管生成和抗血管生成分子的平衡失调，并选择了更恶性和更具转移性的癌细胞，降低了治疗效果。此外，部分对缺氧失去凋亡反应的细胞在缺氧环境中发生优势性生长，使肿瘤对抗血管生成治疗的反应更加不明显[69]。抗血管生成也被应用于ROP的治疗性研究中，人体视网膜血管在胚胎40周左右成熟，在此之前，毛细血管ECs受到高浓度氧的刺激，就会发生细胞损伤、导致毛细血管闭塞，局部出现缺血缺氧，血管生成相关因子浓度增加，刺激纤维血管组织异常增生，影响视力，严重者甚至失明。早产儿在生后视网膜血管尚未发育完全，而且早产儿的呼吸系统尚未成熟，难以满足机体的供氧需求，为了维持生命体征的稳定通常需要氧疗，促使了ROP的发生。在预防和治疗策略上，谨慎使用氧疗，防止正常的血管生成被高氧抑制[70]是最重要的预防手段。此外，临床试验表明，眼内注射中和VEGF的药物在治疗新生血管形成和预防与ROP晚期相关的并发症方面是有效的[22,71]，视网膜病变中的VEGF抑制降低了这些婴儿的视力丧失发生率[72]。这在临床常用的激光或冷冻疗法消融非血管化视网膜以消除缺血性周围视网膜细胞中VEGF的释放[73]之外，为ROP的抗VEGF药物治疗开辟了可能性。在缺血性心脏及下肢疾病中，局部组织的血流供应中断对于新生血管的需求使得学者们致力于研究促血管生成治疗的可行性。人类临床试验检验了VEGF在多种情况下作为治疗的有效性，也包括慢性肢体缺血，治疗效果并不理想[74-76]，可能是由于VEGF造成的血管渗漏和血管的不稳定性增加。在这些疾病中，小血管形成的同时，大血管的建立也同样重要，所以除了血管生成，还涉及像动脉生成这样的血管新生机制。1.5血管生成与动脉生成在出生后，血管生成是指从原有的血管系统中生成新的血管的过程，而动脉生成指的是已存在的小动脉发生解剖转变，管腔面积和管壁厚度增加，形成功能性侧支动脉[77]。血管生成和动脉生成的有序协调产生了一个由动脉、毛细血管和静脉组成的分级的血管网络，为在全身有效地输送氧气和营养物质提供了基础[78]。骨骼肌中小动脉的生长是由预先存在的毛细血管募集平滑肌细胞形成的[79]。术语“动脉生成”用于表示：（1）在出生后发生的动脉树的延伸[80]；（2）缺血损伤后，原生微血管侧支动脉转变为功能动脉，随后血流恢复[81-85]。这些“自然旁路”的生长由一系列复杂的机制控制，诱导血管壁细胞的增殖和迁移以及血管壁重塑的过程。因此，动脉侧支动脉的结构扩张是一种主动行为，而不是由血压改变引起的被动扩张[86-88]。血管生成和动脉生成是由不同的初始触发因素引发的。在组织扩张过程中，例如在生长的肿瘤中以及在缺血组织中，毛细血管的适应性生长是作为对缺氧的反应而开始的[89-91]。作为缺氧反应的介质，缺氧诱导因子-1（Hypoxiainduciblefactor1，HIF-1）[92]上调包括VEGF在内的多种血管生成相关分子的表达，触发毛细血管的形成。然而在动脉生成中，缺氧却并不是必要的。在C57小鼠中，核磁共振成像显示，充分氧化的组织中发生了侧支动脉的生成[93]。另有研究显示，在兔下肢缺血模型中，未检测到HIF-1及其下游的VEGF表达的上调[94]。动脉生成最初的触发因素是力学变化，如血流增加后出现在侧支动脉内的剪切力改变[95]。这种剪切力的改变是由于动脉闭塞导致的连接上下游分支（相对于闭塞点）的已存在小动脉的巨大压力差促成的。血管生成的与动脉生成的分子机制也存在差异。如前所述，血管生成的分子机制主要是VEGF家族及其他细胞因子作用于内皮细胞，由配体-受体作用激发下游通路。在动脉生成中，最初能够感知到流体剪切应力（Fluidshearstress，FSS）的只是ECs，但血管壁重塑的过程却是由包括平滑肌细胞在内的多种血管壁细胞完成的，故FSS必须由ECs转化为能够到达血管壁其他细胞的分子信号。这种转化首先涉及ECs的激活，FSS的传感器可能是ECs表面的整合素，此外还有酪氨酸激酶受体和离子通道[96-98]。细胞骨架可能通过将信号传递到细胞核而具有中间功能[99]。据报道，大量基因受其启动子中剪切应力响应元件（shearstressresponsiveelements，SSRE）的控制，FSS对这些基因表达的显著影响已被证实[100-102]，这些基因包括内皮趋化因子、粘附分子和生长因子。在这些因子的作用下，血液中的单核细胞附着在侧支动脉的ECs上，导致局部炎症反应的发生[103]。研究表明，后续发生的基质溶解，平滑肌细胞活跃增殖与活化的巨噬细胞[104]，单核细胞趋化蛋白-1[105]，肿瘤坏死因子-α，FGF[103]以及粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子[106]等相关。血管生成和动脉生成并不是孤立存在的，同为新血管形成的重要方式，在机体的多种生理病理过程中，二者是并存的。侧支动脉的生成多发生于大动脉闭塞后，此时局部缺血缺氧，是故动脉生成的同时通常伴随着血管生成。血管生成的后期，部分毛细血管形成后募集周细胞，血管被肌层覆盖，从而具备粘弹性和舒缩特性的过程其实也就是动脉生成。参考文献[1] 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