腫瘤血管生成、流體動力學及物質轉運改變的研究進展

趙振江 孫峰 崔建嶺

迄今為止，通過實驗方法對腫瘤血管生成、流體動力學及物質轉運改變的病理生理機制研究都有了較大的進展。了解這些對顯示腫瘤特征的影像學研究及診斷有較大意義。

1 腫瘤血管生成

20世紀70年代初，Forkman提出腫瘤的生長需要豐富的血液供應，并把腫瘤生長分為非血管期及血管期兩個階段［1］。在非血管化的腫瘤細胞增殖初期，由于不伴隨血管的增殖，因而往往導致腫瘤局部繼發性缺氧。因此，缺氧被認為是腫瘤血管生成的始動因素［2］。

1.1 腫瘤血管的生成非常復雜 國內外報道腫瘤血管生成方式主要有內皮依賴性血管、血管生成擬態、馬賽克血管、成血管細胞募集以及共同選擇這幾種。

1.1.1 內皮依賴性血管(endodermis dependent vessel):包括出芽式和套入式血管生成。出芽式血管生成(sprouting angiogenesis，SA)指腫瘤血管起源于宿主原有血管的內皮細胞，通過出芽的方式形成新的腫瘤性毛細血管。其特點是局部血管舒張、通透性升高、內皮細胞增殖，基質在腫瘤血管外側，內皮細胞沉積在血管內側，因內皮細胞間有較大的窗口，使得紅細胞易從血管內漏到腫瘤之間，管道內常有微血栓，腫瘤常有中心壞死。在體內啟動SA是個較為遲緩的過程［2］。

套入式血管生成(intussusceptive angiogenesis，IA)是通過宿主原有或已形成的腫瘤內的毛細血管柱狀結構插入腫瘤內已有血管的內腔，導致原有血管腔的分割和新生血管的形成。這種方式是通過在已有的血管管腔內形成大量的跨血管組織微柱使毛細血管在自身基礎上擴張，這一過程在幾小時甚至幾分鐘內就會出現［3］。IA形成血管的速度比SA更快，無需內皮細胞的增殖，因此人體中大多數腫瘤通過套入式血管生成方式快速形成血管［4］。

1.1.2 血管生成擬態(vasculogenic mimicry，VM):腫瘤細胞通過自身變形和與細胞外基質相互作用，模擬血管壁結構形成可輸送血液的管道系統，并且可與宿主血管相連通使腫瘤獲得血液供應，從而重構腫瘤的微循環。VM的腫瘤特點是:惡性度高、生長迅速、轉移率高、易發生血道轉移，這些可能與血管無內皮細胞襯覆，腫瘤直接與血液接觸有關。最近研究發現VM結構只是一種暫時性的血液供應模式，在內皮依賴性血管長入腫瘤內部之前代替其行使血液供應功能［5］。

1.1.3 馬賽克血管(mosaic blood vessels，MBV):MBV是由瘤細胞和血管內皮細胞相間排列在腫瘤血管壁上，共同圍成腫瘤的血管腔，腫瘤細胞嵌入腫瘤的血管壁，以便活化的自然殺傷細胞穿透并進入腫瘤組織內部。張詩武等［6］通過實驗推測，MBV可能是血管生成擬態和內皮依賴性血管之間的一種過渡形式，由腫瘤細胞構成的血管生成擬態隨著腫瘤組織中內皮細胞的不斷分裂增殖，部分腫瘤細胞逐漸被內皮細胞所代替形成MBV。

1.1.4 成血管細胞募集(angioblasts recruitment):是指腫瘤組織分泌的促血管生成因子動員骨髓中的循環內皮前體細胞(circulating endothelial precursors，CEPs)，引導它們到達腫瘤局部直接參與腫瘤血管的形成。CEPs的激活及聚集依賴于促血管生成因子-A(VEGF-A)和(或)促血管生成素1(Ang1)的作用，在循環中依賴于金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinases，MMP-9)誘導的可溶性配體的釋放［7］。

1.1.5 共同選擇(cooption):是腫瘤細胞以套袖的形式圍繞在腫瘤血管周圍，促進腫瘤血管的生成。被腫瘤細胞包繞的血管內皮細胞能夠合成Ang2和它的受體Tie2。Ang2結合Tie2后活化，能夠促使血管內皮細胞凋亡，使腫瘤血管數量大規模減少，并使腫瘤內血管直徑增大。腫瘤內血管數量減少導致腫瘤缺氧，使得腫瘤細胞VEGF-A的表達上調，最終腫瘤周圍就會有顯著地血管生成［8］。

1.2 腫瘤血管結構及功能的異質性 人體內正常小動脈的管徑由大變小，管壁逐漸變薄。較大的小動脈有完整的三層膜:內皮細胞、薄層纖維組織及少量彈性纖維構成的內膜;平滑肌、彈性纖維和膠原纖維組成的中膜;結締組織構成的外膜。較小的小動脈，內皮外只有一層平滑肌和少量的結締組織;最小的動脈為接近毛細血管的動脈，管壁有環形的平滑肌，舒縮時可以改變血管口徑，對血壓及血流量有重要的調節作用。小靜脈的管壁也分為內膜、中膜和外膜三層。內膜由內皮和內皮下層構成，比動脈內膜薄;中膜也比動脈中膜薄，僅有2～3層平滑肌;外膜由結締組織構成，含有血管和神經。人體中成熟的毛細血管結構包括以下幾個部分:(1)由內皮細胞圍成的血管管腔;(2)管腔外完整的基膜;(3)基膜外的周細胞(pericyte)，又稱為Rouget細胞或壁細胞;(4)毛細血管相互連接構成的網絡結構。

腫瘤新生血管分為:(1)不成熟的無血流灌注的內皮細胞芽;(2)無周細胞及內皮細胞環繞的小的灌注血管;(3)有周細胞環繞的成熟血管［9］。腫瘤血管大多管徑不規則且分支異常，絕大多數是較幼稚的血管或血管芽，參與腫瘤血供的灌注血管(即功能性毛細血管)很少，很難劃分為小動脈、毛細血管或小靜脈。腫瘤血管多呈竇狀、粗細不均、分支紊亂、走形迂曲、管腔不規則，且管壁薄，部分血管缺乏周細胞，內皮細胞間連接松散，盲端與動靜脈吻合［10］。腫瘤很少侵及宿主的動脈、小動脈及平滑肌細胞，而是圍繞在它們及神經器的周圍。故宿主原有結構可對刺激起反應，但新形成的腫瘤血管缺乏平滑肌細胞，不能對刺激起反應。因此，腫瘤血管對刺激的反應依賴于宿主血管與新生血管的比例，這個比例對同種腫瘤的不同部位或不同時間或不同的腫瘤都是不同的［11］。

內皮細胞是血液和組織的屏障，允許水及小分子物質的交換，調節組織與血液的物質交換;是前列腺素(PGI2)的主要合成場所，而PGI2是最強的血小板聚集抑制因子，所以內皮細胞具有抗血栓功能，平衡抗血液凝固纖溶系統和抗血小板機能，維持血液的流動;內皮細胞還能抑制血管周細胞的游走及增殖。

周細胞是一種多能細胞，有多種與收縮有關的蛋白質，可調節血管周徑和曲度，從而調節微循環的灌流量。周細胞和內皮細胞一起構成了微血管和組織間隙的屏障，是維持內環境穩定的重要因素。周細胞和內皮細胞相互作用參與血管形成和創傷愈合，還能和基底膜阻止大分子物質和血內物質的外滲。

絕大多數腫瘤血管都有內皮細胞，但排列松散，形態不規則，細胞表面有許多窗孔，而正常情況下，只有內分泌腺的血管內皮細胞有這種結構。大多數腫瘤血管內皮細胞周圍的周細胞與內皮細胞結合松弛，數量有限，對局部代謝改變不能做出準確的血管反應性調節，不能使血管保持相對靜止而穩定的狀態，導致腫瘤血管內皮細胞始終保持增殖活躍狀態［12］。血管基底膜覆蓋絕大部分腫瘤血管，但與內皮細胞及周細胞僅松散結合，且包含多層結構，這些過多的基底膜結構反映了腫瘤血管不斷重塑的過程。所以盡管腫瘤新生血管的數目增多，但不能形成正常的單層結構，因此腫瘤血管通透性增加并且不具備正常的屏障功能［13］。腫瘤血管結構異常并不意味著所有的腫瘤血管都有構成血管的細胞成分的缺乏，相反卻常有過量的內皮細胞和周細胞參與構建一部分腫瘤血管［12］。但過量的內皮細胞及異常的周細胞可導致扭曲、擴張甚至囊性的血管形成，造成血管結構混亂，通透性增加;此外，由于腫瘤細胞的擠壓，血流阻力增加，引起血液供應減少。由于腫瘤細胞與內皮細胞等氧耗的增加以及伴隨的氧供減少，導致腫瘤內部乏氧［14］。

腫瘤細胞和腫瘤血管的生成是一個不能自我調控的無休止的惡性循環過程。腫瘤細胞的增殖造成腫瘤局部缺血缺氧，缺氧促使腫瘤血管生成，新形成的血管改善了腫瘤細胞的血氧供應，但由于腫瘤細胞無限增殖的特性，新形成的血管進一步促進了腫瘤的增殖而造成新的缺氧。

2 腫瘤血管內的流體動力學改變

腫瘤的生長所需的營養成分靠腫瘤內毛細血管床供給，但因為很多毛細血管床都是有缺陷的，所以會導致腫瘤缺氧或壞死出現［2］。較大的病變(直徑＞10 cm)即便為良性，由于可獲得的血液供應有限，中心部分也常常發生壞死［15］。腫瘤邊緣由于血供豐富，新生血管周圍的腫瘤細胞增殖最為明顯，但腫瘤組織中心的細胞往往增殖緩慢甚至發生缺血壞死［2］。在惡性腫瘤，這種血管分布的規律性更加明顯，惡性腫瘤邊緣區域的血管化程度有高于中心區域的趨勢［15，16］。在惡性腫瘤邊緣區域，腫瘤血管生成因子的作用和宿主小靜脈參與構成腫瘤血管這兩方面的因素造成高度血管化、高血流灌注。惡性腫瘤中心區域造成血管化和血流灌注率低的因素為:(1)腫瘤血管自身的缺陷:主要包括毛細血管內皮細胞缺乏或不完整、外皮細胞缺乏、小動脈缺乏平滑肌細胞支架等，容易導致血管壁的塌陷。(2)腫瘤中心間質內壓增高:由于腫瘤血管的高通透性，水的滲出增加，而又缺乏有效的淋巴回流，導致間質內壓增高，腫瘤的血管內壓由腫瘤表面至深部逐漸降低，以致在深部難以建立有效的微循環血壓［15］。良性腫瘤由于生長緩慢，中心區域壞死較少，灌注較好，所以這種中心-邊緣血流灌注差異較小。

腫瘤組織比正常組織有更高的間質液壓(interstitial fluid pressure，IFP)和流速，高的大分子間質擴散系數［16］。

腫瘤組織的高間質液壓與額外的液體濾過和液體在間質中的逐漸聚集相關，還與腫瘤的低血流量相關。Roh等［17］認為腫瘤間質高壓還與腫瘤大小、良惡性、細胞分化及腫瘤的細胞起源相關，腫瘤越大，惡性者間質壓高。

組織的血流速度與動靜脈壓力差成正比，與血管阻力及血液粘度成反比。(1)動脈側微血管壓在腫瘤及非腫瘤血管系統中相當，腫瘤組織小動脈中的血管壓顯著低于非腫瘤組織的，靜脈側微血管壓腫瘤低于非腫瘤組織，導致腫瘤微血管壓低于非腫瘤組織。(2)血管網的血管阻力是各種不同類型血管數量、分支類型、長度直徑以及血管形態等多方面復雜功能集合的表現。血管阻力與血管長度成正比，與血管直徑的四次方成反比。有學者認為:①在一定的動脈壓下，腫瘤的血管阻力高于正常組織;②正常組織中，從主動脈到外周動脈，血壓由高到低，血壓降落的幅度與血管的血流阻力呈正比。而在腫瘤中，血管阻力是隨著腫瘤的增大及動脈壓力的下降而升高的。(3)血液粘度在大血管(＞500μm)中與血細胞比容呈正比，與流速梯度呈反比。給予低PH值、高溫及高血糖等刺激均可以增加紅細胞硬度，且癌細胞比紅細胞硬度更高，所以均可以增加血液粘度而引起血液短暫淤滯。Wike-Hooley等［18］研究表明腫瘤間質的PH值低于正常組織，是因為腫瘤組織產生質子的速度高于正常組織65%～100%。

3 物質轉運的改變

毛細血管及靜脈的大表面積及結構是物質交換的理想場所。組織的分子彌散系數與組織細胞間隙、糖胺聚糖含量、分子的大小、形態、所帶電荷及它所結合的分子相關。

腫瘤的物質轉運不同于正常組織。(1)正常組織的細胞間質是由血管壁和細胞膜分別構成兩側壁，而在腫瘤中這些結構被破壞或缺失。因此腫瘤的細胞間隙明顯大于相同起源的正常組織，在腫瘤中就有更多的空間進行物質轉運，這樣就相對降低了對分子轉運的抑制。(2)轉運分子越小越易擴散，所以在穩定狀態下，大多數小分子物質對溶質滲透壓梯度影響不大。因正常組織對物質轉運的抵制強于腫瘤，故而大分子物質在腫瘤中更易擴散。

盡管不同的腫瘤其血管生成方式不同，但均是腫瘤細胞通過篩選及一定的病理生理改變從而獲得了一種適應機體內環境的生成方式。腫瘤血管的這些結構及功能的特異性、病理生理改變均為影像學研究及鑒別診斷腫瘤提供了一定的理論基礎。而且腫瘤檢測的有效性和治療都與腫瘤血管內外物質轉運相關。近年來，影像學無創性探測腫瘤血管的方式也越來越多，可檢測腫瘤血管密度、血流量、血容量、滲透性等參數。但是各種方法還有很多的不足，我們需要大量的重復實驗來增加我們的經驗，希望能夠得到更多的數據，定量參數，從而為臨床診斷及治療腫瘤提供更多的幫助。

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