血管內皮生長因子與腫瘤血管生成的研究進展＊

宋姍姍 劉明華

(瀘州醫學院藥理學教研室,四川 瀘州 646000)

惡性腫瘤的生長和轉移依賴于血管生成(Angiogenesis)。當腫瘤體積超過2～3mm3后局部缺血缺氧[1],需要產生新的毛細血管以維持腫瘤的生長,豐富的血管可向腫瘤提供足夠的營養物質,清除各種降解產物,腫瘤細胞亦經血管進入血液循環發生血行轉移,否則腫瘤將發生退行性壞死[2]。

腫瘤血管生成是一個多因素調節的復雜過程,自Forkman于1973年提出腫瘤血管生成因子(Tumor angiogenesis factor,TAF)這個概念以來,已陸續發現30余種血管生成因子,如VEGF、堿性/酸性成纖維細胞生長因子(b/a FGF)、血小板衍生內皮生長因子(PD-ECGF)、轉化生長因子-α/β(TGF-α/β)等,其中VEGF是迄今鑒定出來的最強效、最特異的促腫瘤血管生成因子,它的大量表達預示著腫瘤的生長與新生血管的形成。雖然抑制各種促血管生成因子都可以降低腫瘤的生長,但VEGF與其受體 VEGFR仍是抗腫瘤血管生成最主要的靶點[3]。

1 VEGF家族及其受體

VEGF是以二硫鍵連接的寡二聚體糖蛋白,分子量為35～40 kDa。VEGF 是一個細胞因子家族,包括 VEGF-A 、-B、-C、-D、-E和胎盤生長因子(Placenta growth factor,PLGF)等多個成員,而選擇性的剪切VEGF-A的基因,結果得到四種分子的氨基酸數目可變的主要亞型,包括 VEGF-A121、VEGF-A165、VEGF-A189和 VEGF-A206,其中最突出的是VEGF-A165,在血漿循環中被發現并定位于細胞外基質[4,9]。

VEGF主要表達于血管內皮細胞、腫瘤細胞、某些炎癥細胞和間質細胞等,必須同受體結合才能實現其作用,VEGFR有：VEGFR-1(Flt-1)、VEGFR-2(KDR/Flk-1)、VEGFR-3和Neuropilin-1(NRP-1),前三種均為酪氨酸激酶受體,與VEGF結合后引發受體自身酪氨酸磷酸化和酪氨酸激酶活性,激活一系列的信號途徑從而發揮生物學效應。VEGFR-1和VEGFR-2選擇性的表達在血管內皮細胞[5],而VEGFR-3主要表達在淋巴內皮細胞和腫瘤血管細胞。

VEGF及其受體的表達受到很多因素的影響,即：①氧濃度：組織缺氧能提高VEGF mRNA的轉錄水平并增加其穩定性,顯著地上調VEGF的表達。②癌基因和抑癌基因：研究已較為明確的是它們通過調控VEGF誘導的血管形成反應促進腫瘤生長。如Src和Ras等癌基因以及p53、p73和VHL等抑癌基因對VEGF的表達均起著重要的調控作用。③細胞因子和其他介質：許多細胞因子、生長因子和脂質介質都能夠上調VEGF 的表達,如 EGF、TGF-α/β、FGF-2、TNF、胰島素樣生長因子(IGF)、肝細胞生長因子(HGF)、IL-1、IL-2等。 ④激素：許多產生類固醇激素并受激素調節的細胞如腎上腺皮質、黃體和睪丸間質細胞也表達VEGF。⑤腫瘤細胞的密度：當細胞密度達到臨界值時可以通過產生VEGF來啟動新生血管的形成。⑥其他：其他能夠直接或間接地增強VEGF表達或生物活性的因素還有：溶血磷脂酸、腺苷、凝血酶、血小板凝集、酸中毒、切割應激等[6]。了解這些影響因素有助于更好的開發和使用VEGF相關的靶向制劑。

2 腫瘤血管生成的過程及意義

腫瘤新生血管通過以下三個步驟形成：①腫瘤血管生成的啟動：當腫瘤體積＞2 mm3后,腫瘤細胞自發性增殖,導致局部缺血缺氧,刺激血管生成的同時產生多種促血管生成因子,這些因子刺激產生大量蛋白酶,從而降解基膜并形成新生血管的牙胚[7];②血管內皮細胞的增殖和遷移：牙胚周圍的血管內皮細胞在各種促血管生長因子的作用下迅速增殖并穿過牙胚向腫瘤組織定向遷移;③腫瘤新生血管的成熟：新增殖的血管內皮細胞進一步與血管外基質和周圍的間質細胞相互作用,形成完整的血管結構[8-9]。

血管生成的意義主要體現在它是惡性腫瘤細胞生長、增殖、轉移不可或缺的重要條件之一。近年來大量實驗和臨床研究證實：血管化腫瘤的生長速度明顯大于未血管化的腫瘤,并且高血管密度腫瘤的轉移率也明顯高于低血管密度的腫瘤。這些結果均表明：不僅腫瘤的生長是血管生成依賴的,而且腫瘤的轉移同樣是血管生成依賴的[9]。因此,通過干擾腫瘤血管的生成可以抑制腫瘤的生長和腫瘤的轉移。目前,抗腫瘤血管生成已經發展成為治療腫瘤的一種重要方法。

腫瘤組織的血管生成與組織發育或損傷修復過程中的血管生成有明顯不同,有如下特點：①腫瘤血管生成過程存在大量腫瘤細胞產生的促血管生成因子;②腫瘤細胞的增殖總是明顯大于腫瘤血管的增殖;③腫瘤的血管生成是一個不能自我調控無休止的惡性循環過程。認識腫瘤血管生成的這些特性對理解腫瘤血管生成的機制和意義非常重要,因為正是由于腫瘤的血管生成不同于生理及組織損傷條件下的血管生成,抗腫瘤血管生成治療腫瘤才可能具有選擇性和特異性。

3 VEGF與腫瘤血管的生成

血管生成在腫瘤生長、轉移中的重要地位也確定了腫瘤新生血管相關的生長因子對于腫瘤治療及判定預后有重要意義。目前發現VEGF促血管生成的機制包括：(1)VEGF誘導內皮細胞表達整合素-1(Integrin-1)、αv、β3 、β5及其配體,介導內皮細胞遷移和浸潤;(2)VEGF誘導內皮細胞分泌多種組織蛋白酶,降解細胞外基質,介導內皮細胞遷移,誘導新生血管形成。腫瘤組織中的微血管來源有兩種：一種是腫瘤細胞產生的血管內皮生長因子,誘導瘤體生成微血管;另一種是殘存于瘤體的宿主血管逐漸演變為腫瘤血管,即宿主血管的腫瘤化[10]。

目前普遍認為VEGF在腫瘤細胞中的表達至少通過以下三種分子通道：(1)缺氧直接促進VEGF的基因轉錄,并保持VEGF mRNA的穩定性,使腫瘤中的VEGF水平上調;(2)腫瘤自分泌的生長因子,如TGF-α,刺激腫瘤生長的同時引起腫瘤以旁分泌方式分泌 VEGF;(3)癌基因/抑癌基因直接參與VEGF的調控：活化Ras基因的表達可在促進有關組織發生癌變的同時,使該組織新生血管數目增加10倍以上[11]。

4 其他相關生長因子對VEGF與腫瘤血管生成的影響

4.1 堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)

bFGF及其受體在惡性黑色素瘤、卵巢癌和非小細胞肺癌中高水平表達,可誘發血管生成的前期變化,如膠原蛋白的產生和血管樣結構的形成,并最終導致新生血管的生成;還刺激VEGF分泌,并與其有良好的協同作用。在腫瘤血管形成過程中,VEGF能夠刺激內皮細胞分泌bFGF,bFGF又通過自分泌和旁分泌方式增強自身的血管生成活性[12]。

4.2 血管生成素(Angiopoietin)

如同VEGF,血管生成素在血管的生成過程中也發揮重要作用。四種血管生成素都結合Tie-2受體,介導血管穩固化信息。即使存在大量VEGF,Ang-1也可降低血管的漏出;而Ang-2主要表達在包括腫瘤組織在內的激活的血管生成點,表明它可能涉及活化后新生血管的組裝[9]。

4.3 轉化生長因子β(TGF-β)

TGF-β與細胞增殖分化、血管形成和創傷愈合有關。TGF-β的免疫抑制作用具有促進癌細胞生長的作用,這可能與TGF-β能干擾腫瘤特異性細胞毒性T淋巴細胞產生和促進血管及腫瘤基質形成有關[13]。針對TGF-β信號途徑中的異常分子的治療方法可能將有助于改善腫瘤患者的免疫功能,抑制腫瘤的進展。

4.4 其他生長因子

其他相關的細胞因子還包括血小板衍生生長因子(PDGF)、肝細胞生長因子(HGF)、組織因子(Tissue factor,TF)等。PDGF是成纖維細胞、血管平滑肌細胞等細胞的一個強有絲分裂原,可以通過旁分泌作用刺激腫瘤新生血管內皮細胞表達和分泌VEGF,促進微血管外膜細胞的募集,刺激腫瘤血管形成[14]。HGF是由內皮和上皮細胞產生的一種較強的促血管生成因子,目前的研究提示其在腫瘤的發生、侵襲和轉移中具有非常重要的作用。同時它還是一個強效的血管形成刺激因子,在體外能夠刺激內皮細胞的增殖和遷移,體內可刺激新生血管的形成[15]。TF一直被視為是一種凝血起始因子,它參與細胞內信號的傳遞和腫瘤血管生成的調節,并可能與VEGF的表達和患者的生存狀況有關。另外,白細胞介素-8、上皮-嗜中性粒細胞激活肽(ELR-CXC chemokines)亦被發現與血管生成調節有關。

5 以VEGF為靶點的腫瘤治療

5.1 現狀

近年來,抗血管生成逐漸發展成為傳統抗腫瘤治療的一個新的替代或補充療法,許多抑制腫瘤血管形成或以腫瘤血管為靶點的治療方案已經在小鼠腫瘤模型中取得成功。與傳統的放化療相比,這些新方法毒性相對較低,容易做到對腫瘤內皮細胞的高選擇性,并且長時間治療不易產生腫瘤耐藥。

VEGF在腫瘤血管形成中的重要作用使其成為抗腫瘤血管形成治療的靶點之一。相關實驗表明VEGF及其受體的抗體可以阻斷VEGF介導的血管形成效應,有效的抑制小鼠腫瘤的生長,減小瘤體積[9,16]。目前已經有超過20種抗腫瘤血管生成藥物正在進行臨床期的評價,且在所開發的抗腫瘤血管生成藥物中,以各種促血管生成因子或相關受體為靶點的制劑最多。

5.2 存在的問題

在VEGF為靶點的治療已成為治療熱點的同時,該靶點藥物的開發還存在一些問題：(1)大多數的臨床腫瘤病人其腫瘤組織中都存在已形成的腫瘤血管,雖然抗腫瘤血管生成可以抑制新生血管的形成,但是對那些已經形成的腫瘤血管往往無效;(2)目前以VEGF/VEGFR為靶點抑制腫瘤血管生成的藥物療效還偏低,抑制血管生成的有效性還有待提高;(3)腫瘤的血管生成涉及多網絡多環節及多因素,干擾其中任意一方或阻斷血管生成的任一個環節都不能取得滿意的效果;(4)各種腫瘤的性質、起源和定位有明顯的差異,對腫瘤血管生成的影響因素及敏感度亦不相同,因此一種藥物不能對所有的腫瘤都有效;(5)促進血管生成的VEGF等信號因子和它們之間的信號通路研究還不夠深刻,這限制了高特異性靶向藥物的開發。

5.3 展望

Folkman在2007 AACR年會上分析了單用抗血管生成藥物無效的原因：僅阻斷一條或幾條通路會引起其他通路的代償性增強,影響了抗腫瘤血管生成的治療效果。只有通過多靶點多通路的綜合控制才能有效抑制血管生成和腫瘤的生長,并提出合并使用幾種抗血管生成藥物,直接靶向內皮細胞或阻斷血管生成網絡[17]。因此,以VEGF為靶點的制劑研發可以從以下幾個方面展開：(1)更加深入的進行基礎研究。發現多網絡中是否有共同的通路,以達到抑制其一即可控制多網絡,為腫瘤治療尋找更加有效、特異的治療靶點。尤其應該以血管內皮細胞為主要抑制對象,提高選擇性。(2)不同藥物的聯合使用?？梢葬槍Σ煌哪[瘤血管生長因子、抑制因子,通過多靶點多通路的綜合控制而抑制腫瘤的生長和轉移,從而提高抗腫瘤療效。(3)靶向藥物治療與其他療法相加的綜合治療。靶向藥物治療與放化療、手術療法及中藥療法相結合,根據病人個體化差異提出個性化的綜合治療手段,提高治療腫瘤的效果。

1 Folkman J.Role of angiogenesis in tumor growth and metastasis[J].Semin Oncol,2002,29(6 Suppl 16)：15-18.

2 Takayama K,Ueno H,Nakanishi Y,et al.Suppression of tumor angiogenesis and grow th by gene transfer of a soluble form of vascular endothelial growth factor receptor into a remote organ[J].Cancer Res,2000,60(8)：2169-2177.

3 Carmeliet P.Angiogenesis in health and disease[J].Nat Med,2003,9(6)：653-660.

4 Ko rpanty G,Smy th E,Sullivan LA,et al.Antiangiogenic therapy in lung cancer：focus on vascular endothelial growth factor pathway[J].Ex p Biol Med(Maywood),2010,235(1)：3-9.

5 Roth P,Hammer C,Piguet AC,et al.Effects on hepatocellular carcinoma of doxorubicin-loaded immunoliposomes desig ned to target theVEGFR-2[J].J Drug Target,2007,15(9)：623-631.

6 Desai SB,Libutti SK.Tumor angiogenesis and endothelial cell modulatory factors[J].J Immunother,1999,22(3)：186-211.

7 Folkman J.Tumor angiogensis：role in regulation of tumor growth[J].Symp Soc Dev Biol,1974,30(0)：43-52.

8 Jain RK.Molecular regulation of vessel maturation[J].Nat Med,2003,9(6)：685-693.

9 詹啟敏.分子腫瘤學[M].北京：人民衛生出版社,2005,10：325-334.

10 鄂征.癌變機理研究[M].北京：北京出版社,1993,2：222-223.

11 T onini T,Rossi F,Claudio PP.Molecular basis of angiogenesis and caner[J].Oncogene,2003,22(42)：6549-6556.

12 Munro NP,Knowles M A.Fibroblast growth factors and their receptors in transitional cell carcinoma[J].J Urol,2003,169(2)：679-682.

13 Pasche B.Role in transforming growth factors beta in cancer[J].J Cell Physiology,2001,186(6)：153-168.

14 Guo P,Hu B,Gu W,et al.Platelet-derived growth facto r-B enhances glioma angiogenesis by stimulating vascularendothelial growth factor expression in tumor endothelia and by promoting pericyte recruitment[J].Am J Pathol,1997,10(4)：341-347.

15 Zhang YW,Su Y,Volpert OV,et al.Hepatocy te growth factor/scatter mediates angiogenesis throug h positive VEGF and negative thrombospondin 1 regulation[J].Proc Natl Acad Sci,2003,100(22)：12718-12723.

17 許瑞安,陳凌,肖衛東.分子基因藥物學[M].北京：北京大學醫學出版社,2008,9：160-168.