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腫瘤、微環境、血管生成、血管內皮細胞代謝與 抑制腫瘤生長和腫瘤血管生成研究概述

發布時間:2020-09-01 08:57:28 | 來源:【藥物研發團隊 2020-9-1】
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腫瘤是指機體在各種致瘤因子作用下,局部組織細胞增生所形成的新生物,因為這種新生物多呈占位性塊狀突起,也稱贅生物。研究發現,腫瘤細胞會出現不同于正常細胞的代謝變化,同時腫瘤細胞自身可通過糖酵解和氧化磷酸化之間的轉換來適應代謝環境的改變。根據新生物的細胞特性及對機體的危害性程度,又將腫瘤分為良性腫瘤和惡性腫瘤兩大類。惡性腫瘤可分為癌和肉瘤,癌是指來源于上皮組織的惡性腫瘤。肉瘤是指間葉組織,包括纖維結締組織、脂肪、肌肉、脈管、骨和軟骨組織等發生的惡性腫瘤。

在醫學上,癌是指起源于上皮組織的惡性腫瘤,是惡性腫瘤中最常見的一類。相對應的,起源于間葉組織的惡性腫瘤統稱為肉瘤。有少數惡性腫瘤不按上述原則命名,如腎母細胞瘤、惡性畸胎瘤等。一般人們所說的“癌癥”習慣上泛指所有惡性腫瘤。癌癥具有細胞分化和增殖異常、生長失去控制、浸潤性和轉移性等生物學特征,其發生是一個多因子、多步驟的復雜過程,分為致癌、促癌、演進三個過程。

腫瘤微環境是指腫瘤的發生、生長及轉移與腫瘤細胞所處的內外環境有著密切關系,它不僅包括腫瘤所在組織的結構、功能和代謝,而且亦與腫瘤細胞自身的(核和胞質)內在環境有關。腫瘤細胞可以通過自分泌和旁分泌,改變和維持自身生存和發展的條件,促進腫瘤的生長和發展。全身和局部組織亦可通過代謝、分泌、免疫、結構和功能的改變,限制和影響腫瘤的發生和發展。

血管生成對惡性實體腫瘤的生長、轉移乃至預后都有著極其重要的意義,是惡性實體腫瘤突破上皮基底膜后進一步生長所必須的。腫瘤中新形成的血管具有其自身獨特的結構特點,表現為管壁不完整,無平滑肌成分,僅由有孔的內皮細胞和片狀的基膜構成。多數學者認為,新生血管的結構特點使惡性腫瘤組織發生遠處轉移成為可能。因此,惡性實體腫瘤中新生血管的定量被認為是一種重要的獨立的預后標志。

腫瘤微環境是一個動態的網絡,它由多種類型的細胞(如腫瘤細胞、血管內皮細胞、成纖維細胞、免疫細胞和周細胞等)以及細胞外成分(如細胞因子、生長因子和細胞外基質等)組成,是以腫瘤細胞、內皮細胞、細胞外基質、免疫細胞、成纖維細胞等共同構成的腫瘤局部病理環境,誘導內皮細胞基因表達朝著有利于血管形成的方向發展,與腫瘤血管生成密切相關,可調節腫瘤血管的生成,影響腫瘤的生長和遷移。

腫瘤血管是腫瘤營養輸送及腫瘤細胞逃逸的通道,腫瘤血管生成是實體腫瘤生長、浸潤和轉移極其重要的標志。抗腫瘤血管生成是一種全新的靶向治療策略,可以最大限度地控制和殺滅腫瘤。與僅作用于腫瘤細胞增殖的藥物不同,抗腫瘤血管生成藥物通過與VEGF特異性結合,阻止其與受體相互作用,發揮對腫瘤血管的多種作用,使現有的腫瘤血管退化,從而切斷腫瘤細胞生長所需氧氣及其他營養物質;使存活的腫瘤血管正常化,降低腫瘤組織間壓,改善藥物向腫瘤組織內的傳送,提高治療效果;抑制腫瘤新生血管生成,從而持續抑制腫瘤細胞的生長和轉移。

抗腫瘤藥物是腫瘤治療的重要手段。盡管抗細胞增殖藥物可以殺死腫瘤細胞,但由于周圍血管的支持,殘存腫瘤細胞仍可獲得血供而得以繼續生長。同時,異常的腫瘤血管使藥物向腫瘤組織內部遞送減少,最終導致抗細胞增殖治療的療效受限。這使得人們重新思考新的腫瘤藥物治療策略,就是要從全局出發,不僅針對腫瘤細胞,更要針對腫瘤微環境,尤其是腫瘤血管生成,全方位地打擊腫瘤。這就是全新的抑制腫瘤細胞增殖和抗腫瘤血管生成聯合的治療策略,簡稱“A+策略”。

顯然,單一作用機制或單一作用靶點的抗腫瘤藥物無法實現“A+策略”的目標,只有多靶點,特別是針對腫瘤生長和腫瘤血管生成關鍵靶點的驅動基因。

因此,深入研究腫瘤、腫瘤微環境、腫瘤血管生成、血管內皮細胞代謝與腫瘤發生、發展的關系,對于腫瘤診療及抗腫瘤藥物開發具有重要意義。

一、腫瘤

實體瘤和非實體瘤的區別

實體瘤和非實體瘤的區別在于:

1、腫瘤形態不同。實體瘤都會形成腫塊,通過肉眼或者CT、磁共振等影像學檢查方法可以看見。非實體瘤主要是造血系統腫瘤,其腫瘤細胞主要存在于血液循環中,肉眼或影像學檢查不可見細胞,細胞涂片在顯微鏡下觀察才可見,當腫瘤細胞侵犯骨頭、淋巴結等部位時也可見到實體的病灶。

2、生長速度不同。實體瘤的生長速度慢于非實體瘤。

3、腫瘤分期方法不同。實體瘤的分期是根據腫瘤擴散的范圍來分期,目前都采用國際上通用的TNM分期系統。非實體瘤不適合用TNM系統來分期,而且都不進行分期,只看血液中腫瘤細胞的比例。

4、治療方法不同。實體瘤可采用手術、放療、藥物治療以及免疫治療、靶向治療等方法,而非實體瘤以藥物治療為主,手術治療幾乎沒有地位。

癌細胞的生物學特征

癌細胞并非入侵的外族,它們與組成人體各個器官的正常細胞同文同種,但不同的是癌細胞基因結構和功能的變化賦予了它們特殊的生物學特征,使它們有別于人體正常細胞。癌細胞具有以下十大生物學特征:

1、生長信號的自給自足

在人體這個迄今為止最為復雜的系統中,倘若一個細胞想要改變其現有狀態(如從靜止到生長分化狀態的改變),必須接收到一系列相關指令,這一過程才能進行。數以萬億計的細胞各司其職,在和諧統一的秩序中維系著人體的健康。到目前為止,科學家在正常細胞中還沒有發現一個例外。

在生物學上,改變細胞狀態的指令被稱之為信號分子,它們多是外源的,即由另一類細胞產生,這也是人體保持自我平衡的重要機制。信號分子通過與靶細胞上相應指令接收器(受體)相結合,細胞狀態改變這一過程得以實施。

在這方面,癌細胞是截然不同的,它們通過種種“奇巧淫技”把自己對外源生長信號的依賴降到了最低限度。首先癌細胞們獲得自己發號施令的能力,也就是說它們可以自行其是的合成生長分化所需的生長信號,無需依賴外源性信號。比如科學家們發現在神經膠母細胞瘤和惡性肉瘤中的癌細胞就分別獲得了合成PDGF(血小板源生長因子)和TGFα(腫瘤生長因子α)的能力。其次癌細胞還會大量表達其表面的信號接收器,這樣就可以富集周圍微環境中的生長信號從而進入生長分化狀態(注:正常情況下,未經富集濃度的生長信號不足以觸發生長分化)。此外癌細胞還會改造它周圍的一些正常細胞成為生長信號的生產工廠供其使用,并招募一些幫兇細胞,如成纖維細胞和內皮細胞來幫助它們生長分化。

2、對抑制生長信號不敏感

平衡是人體系統中最重要的。人體內除了有生長信號外,還存在著生長抑制信號。在細胞分裂的不同階段,都有一些分子如同看家護院的“愛犬”一般時刻檢測這些細胞的“身體狀況”和周邊環境,根據情況來決定細胞的未來的命運:或是繼續生長分化,或是仍然處于靜止期,抑或喪失生長分化能力進入有絲分裂的后期。這樣正常細胞才能保持動態平衡的狀態,進行有序的生長分化。對于癌細胞來說,如果想要擴大自己的地盤,不斷地生長分化,必須逃避這些“愛犬”分子的監控。它們的主要策略就是通過基因突變使得這些“愛犬”分子失去活性,從而實現對抑制生長信號不敏感的目的。

3、規避細胞凋亡

逃避細胞凋亡幾乎是所有類型的癌細胞都具有的能力。負責細胞凋亡的信號分子大體上可以分為兩類:一類如上所述的“愛犬”分子,如一種名叫p53的蛋白就是其中最重要的成員之一;另一類則負責執行細胞凋亡。前者監控細胞內外環境,一旦發現不正常情況足以觸發細胞凋亡,即指揮后者執行。研究證實,DNA損傷、信號分子的失衡以及機體缺氧都有可能觸發細胞凋亡。

細胞凋亡是人體防癌抑癌的主要屏障。在“愛犬”分子眼中,癌細胞就是一種狀態不正常的細胞,而癌細胞逃避細胞凋亡的主要方法就是通過基因突變使p53蛋白失活。統計顯示大約超過50%的人類癌癥中發現p53蛋白的失活。

4、具有無限的復制潛力

在細胞體外培養實驗中,人們觀察到,大多數正常細胞僅有60次左右的分裂能力。科學家已經證實,細胞的分裂能力與染色體末端的一段數千個堿基的序列有關。這段序列稱為端粒,每經歷一個分裂周期,這段序列就會減少50~100個堿基,隨著分裂次數的漸多,端粒變得越來越短,后果就是其無法再保護染色體的末端,染色體也就無法順利復制,進而導致細胞的衰老死亡。

研究結果表明,所有類型的癌細胞都有維持端粒的能力。這種能力主要是通過過量表達端粒酶實現的。端粒酶主要功能是為端粒末端添加所需堿基,以保證端粒不會因復制而縮短。

5、持續的新生血管形成

對細胞來說,血管就是最重要的“糧道”。這個“糧道”對于細胞正常生長并良好地行使其功能是如此重要,以至于一個細胞與其最近的毛細血管的距離不能超過100微米。

通常情況下,在組織形成和器官發生這些生理過程中,血管生成是受到精細調控的,而且這種情況下的血管形成也是暫時的,當上述生理過程結束后,血管生成即會停止。促進和抑制血管生成的信號分子通常處于“勢均力敵”的平衡狀態。

癌細胞獲得持續的新生血管形成能力就是通過打破這種平衡狀態開始的。科學家們在許多類型的腫瘤當中發現,一些促進血管形成的信號分子如VEGF(血管內皮生長因子)FGF(成纖維細胞生長因子)的表達水平都遠高于相應的正常組織對照,而一些起抑制作用的信號分子如血小板反應蛋白-1(thrombospondin-1)β-干擾素(β-interferon)的表達則下降。

6、侵襲和轉移

人體中的正常細胞除了成熟的血細胞外,大多數需要粘附在特定的胞外基質上才能存活并正常行使功能,比如上皮細胞及內皮細胞,一旦脫離細胞的胞外基質則會發生細胞凋亡。將這些細胞粘附在胞外基質或互相粘附在一起的分子稱為細胞粘附分子,它們如同“錨”把船固定在港口一樣發揮著錨定的作用。

E-鈣粘素是目前研究最深入的細胞粘附分子之一。它在上皮細胞中廣泛表達,而在大多數上皮細胞癌中則發現活性的喪失,而喪失的方式有多種多樣,如基因水平上突變導致的失活及蛋白水平上活性區域被降解導致的失活等。科學家們認為E-鈣粘素在上皮細胞癌中發揮著廣泛的抑制癌細胞侵襲和轉移的作用。它的活性的喪失標志著癌細胞的侵襲和轉移功能得到顯著增強。

7、免疫逃逸

無論是固有免疫還是適應性免疫系統在腫瘤清除中都起著重要的作用。而實體腫瘤卻都具有不同的逃逸人體免疫系統監視的功能,從而確保它們不被免疫細胞如T細胞、B細胞、巨噬細胞和自然殺傷細胞的殺傷和清除。   在結腸癌和卵巢癌患者中,那些體內含有大量CTLs和NK殺傷細胞的病人狀況要比缺少這些免疫細胞的病人好得多。而在那些具有高度免疫原性的癌細胞中,它們通常會通過分泌TGF-β或其它免疫抑制因子來癱瘓人體的免疫系統。

8、調控細胞代謝

即便在有氧氣的條件下,癌細胞也會通過調控,使其能量主要來源于無氧糖酵解的代謝方式,這被稱為“有氧糖酵解”。目前已經有研究證實了在神經膠質瘤和其它種類的癌細胞中,異檸檬酸鹽脫氫酶功能上的突變也許和細胞能量代謝方式的改變有關,它能提高細胞中氧化物的含量從而影響基因組的穩定性,還可以穩定細胞中的HIF-1轉錄因子以提高癌細胞的血管生成和浸潤能力。

9、基因不穩定性和易突變

腫瘤復雜的發生過程可以歸根于癌細胞基因的不斷突變。在需要大量基因突變來誘導腫瘤發生時,癌細胞常常會提高其對可誘導基因突變物質的敏感性,從而加快它們基因突變的速度。在該過程中,由于某些穩定和保護DNA的基因發生突變,會顯著提高癌癥的發生幾率。盡管在不同類型的腫瘤中基因突變的種類不同,但均可以發現大量穩定和修復基因組DNA的功能缺失。提示我們腫瘤細胞的一大重要特征就是固有的基因組不穩定性。

10、引發炎癥反應

在過去數十年中,大量的研究證實了炎癥反應(注:主要由固有免疫細胞引起)和癌癥發病機理之間的關系:炎癥反應可為腫瘤微環境提供各種生物激活分子,例如包括生長因子(可維持癌細胞的增殖信號)、生存因子(可抑制細胞死亡)、促血管生成因子和細胞外基質修飾酶(可利于血管生長,癌細胞浸潤和轉移)、以及其它誘導信號[可激活上皮細胞-間充質轉化(EMT)和癌細胞的其它一些特征。此外,炎性細胞還會分泌一些化學物質,其中活性氧(ROS)可以加快臨近癌細胞的基因突變,加速它們的惡化過程。

臨床表現

惡性腫瘤的臨床表現因其所在的器官、部位以及發展程度不同而不同,但惡性腫瘤腫瘤早期多無明顯癥狀,即便有癥狀也常無特異性,等患者出現特異性癥狀時,腫瘤常已經屬于晚期。一般將癌癥的臨床表現分為局部表現和全身性癥狀兩個方面。

1、局部表現

1)腫塊。癌細胞惡性增殖所形成的,可用手在體表或深部觸摸到。甲狀腺、腮腺或乳腺癌可在皮下較淺部位觸摸到。腫瘤轉移到淋巴結,可導致淋巴結腫大,某些表淺淋巴結,如頸部淋巴結和腋窩淋巴結容易觸摸到。至于在身體較深部位的胃癌、胰腺癌等,則要用力按壓才可觸到。

2)疼痛。腫瘤的膨脹性生長或破潰、感染等使末梢神經或神經干受刺激或壓迫,可出現局部疼痛。出現疼痛往往提示癌癥已進入中、晚期。開始多為隱痛或鈍痛,夜間明顯。以后逐漸加重,變得難以忍受,晝夜不停,尤以夜間明顯。一般止痛藥效果差。

3)潰瘍。體表或胃腸道的腫瘤,若生長過快,可因供血不足出現組織壞死或因繼發感染而形成潰爛。如某些乳腺癌可在乳房處出現火山口樣或菜花樣潰瘍,分泌血性分泌物,并發感染時可有惡臭味。

5)梗阻。癌組織迅速生長而造成空腔臟器的梗阻。當梗阻部位在呼吸道即可發生呼吸困難、肺不張;食管癌梗阻食管則吞咽困難;膽道部位的癌可以阻塞膽總管而發生黃疸;膀胱癌阻塞尿道而出現排尿困難等;胃癌伴幽門梗阻可引起餐后上腹飽脹、嘔吐等。

6)其他。顱內腫瘤可引起視力障礙(壓迫視神經)、面癱(壓迫面神經)等多種神經系統癥狀;骨腫瘤侵犯骨骼可導致骨折;肝癌引起血漿白蛋白減少而致腹水等。腫瘤轉移可以出現相應的癥狀,如區域淋巴結腫大,肺癌胸膜轉移引起的癌性胸水等。

2.全身癥狀

早期惡性腫瘤多無明顯全身癥狀。部分患者可出現體重減輕、食欲不振、惡病質、大量出汗(夜間盜汗)、貧血、乏力等非特異性癥狀。此外,約10%~20%的腫瘤患者在發病前或發病時會產生與轉移、消耗無關的全身和系統癥狀,稱腫瘤旁副綜合征,表現為腫瘤熱、惡病質、高鈣血癥、抗利尿激素異常分泌綜合征、類癌綜合征等。

3.腫瘤的轉移

癌細胞可通過直接蔓延、淋巴、血行和種植四種方式轉移至臨近和遠處組織器官。

(1)直接蔓延為癌細胞浸潤性生長所致,與原發灶連續,如直腸癌、子宮頸癌侵犯骨盆壁。

(2)淋巴道轉移多數情況為區域淋巴結轉移,但也可出現跳躍式不經區域淋巴結而轉移至遠處的。

(3)血行轉移為腫瘤細胞經體循環靜脈系統、門靜脈系統、椎旁靜脈系統等播散其他組織器官。(4)種植性轉移為腫瘤細胞脫落后在體腔或空腔臟器內的轉移,最多見的為胃癌種植到盆腔。

檢查

1、腫瘤標記物

雖然腫瘤標記物缺乏特8異性,但在輔助診斷和判斷預后等方面仍有一定價值。主要包括酶學檢查,如堿性磷酸酶,在肝癌和骨肉瘤患者可明顯升高;糖蛋白,如肺癌血清ɑ酸性糖蛋白可有升高,消化系統腫瘤CA19-9等增高;腫瘤相關抗原,如癌胚抗原(CEA)在胃腸道腫瘤、肺癌、乳腺癌中可出現增高,甲胎蛋白(AFP)在肝癌和惡性畸胎瘤中可增高。

2、基因檢測

包括基因表達產物的檢測,基因擴增檢測和基因突變檢測,可確定是否有腫瘤或癌變的特定基因存在,從而做出診斷。

3、影像學檢查

1)X線檢查。包括透視與平片,如部分外周性肺癌、骨腫瘤可以在平片上出現特定的陰影;造影檢查,如上消化道造影可能發現食管癌、胃癌等,鋇灌腸可以顯示結腸癌等;特殊X線顯影術,如鉬靶攝影用于乳腺癌的檢查。

2)超聲檢查。簡單、無創,廣泛用于肝、膽、胰、脾、腎、甲狀腺、乳腺等部位的檢查,并可在超聲引導下進行腫物的穿刺活檢,成功率較高。

3)計算機斷層掃描(CT)檢查。常用于顱內腫瘤、實質性臟器腫瘤、實質性腫塊及淋巴結等的診斷與鑒別診斷。CT檢查分辨率高,顯像清楚,可以在無癥狀情況下發現某些特定器官的早期腫瘤。低劑量螺旋CT可以降低對人體的放射線照射劑量,而圖像清晰程度也能滿足臨床需求,從而可以實現對某些特定部位腫瘤的高危人群進行大面積篩查,如肺癌的早期篩查,已經取得了良好的效果。

(4)放射性核素顯像檢查。根據不同腫瘤對不同元素的攝取不同,應用不同的放射性核素對腫瘤進行顯像。對骨腫瘤診斷的陽性率較高,還可用于顯示甲狀腺腫瘤、肝腫瘤、腦腫瘤等。

5)磁共振(MRI)檢查。與CT相比,對比分辨力更好,沒有骨偽影干擾,并可顯示任何截面,是檢查中樞神經系統和脊髓腫瘤的首選方法。對觀察腫瘤和血管關系、縱隔腫瘤和腫大淋巴結、盆腔腫瘤也有一定價值。

6)正電子發射斷層顯像(PET)檢查。以正電子核素標記為示蹤劑,通過正電子產生的γ光子,重建出示蹤劑在體內的斷層圖像,是一項能夠反映組織代謝水平的顯像技術,對實體腫瘤的定性診斷和轉移灶的檢查準確率較高。

4、內鏡檢查

內鏡檢查是應用腔鏡和內鏡技術直接觀察空腔臟器和體腔內的腫瘤或其他病變,并可取組織或細胞進行組織病理學診斷,常用的有胃鏡、支氣管鏡、結腸鏡、直腸鏡、腹腔鏡、胸腔鏡、子宮鏡、陰道鏡、膀胱鏡、輸尿管鏡等。

5、病理學檢查

病理學檢查為目前具有確診意義的檢查手段。

1)臨床細胞學檢查。包括體液自然脫落細胞檢查,如痰液、尿液沉渣、胸腔積液、腹腔積液的細胞學檢查以及陰道涂片檢查等;黏膜細胞檢查,如食管拉網、胃黏膜洗脫液、宮頸刮片以及內鏡下腫瘤表面刷脫細胞;細針吸取細胞檢查,如用針和注射器吸取腫瘤細胞進行涂片染色檢查等。細胞學檢查取材簡單,應用廣泛,但多數情況下僅能做出細胞學定性診斷,有時診斷困難。

2)病理組織學檢查。根據腫瘤所在不同部位、大小、性質而采取不同的取材方法。空腔臟器黏膜的表淺腫瘤,多在內鏡檢查時獲取組織進行病理學檢查;位于深部或體表較大而完整的腫瘤宜行穿刺活檢;手術時切取部分腫瘤組織進行快速病理學檢查。對色素性結節或痣一般不做切取或穿刺活檢,應該完整切除檢查。各類活檢均有促使惡性腫瘤擴散的潛在可能性,需要在術前短期內或術中施行。

診斷

根據腫瘤發生的不同部位和性質,對患者的臨床表現和體征進行綜合分析,結合實驗室檢查和影像學、細胞病理學檢查通常能做出明確診斷。除了明確是否有惡性腫瘤,還應進一步了解其范圍和程度,以便擬定治療方案和評估預后。但目前仍缺乏理想的特異性強的早期診斷方法,尤其對深部腫瘤的早期診斷更為困難。

分期

對惡性腫瘤的分期有助于合理制定治療方案,正確的評價療效和判斷治療預后。國際抗癌聯盟提出的TNM分期法是目前廣泛采用的分期方法。在TNM分期系統中,T指原發腫瘤,N為淋巴結,M為遠處轉移。

1、T分期(Tumor)代表腫瘤的發展程度可分:

(1)TX:無法找到原發性腫瘤或定義分期;

(2)T0:沒有原發性腫瘤的存在;

(3)Tis:原位癌;

(4)T1-T4:根據腫瘤大小及生長擴散情形。

2、N分期(LymphNode)表示依照淋巴結受到的影響情況分成:

(1)NX:無法確定淋巴結影響分期;

(2)N0:無局部淋巴結轉移的癌細胞;

(3)N1-N3:淋巴結轉移的情形。

3、M分期(Migration)則是根據遠端轉移的情形分成:

(1)MX:無法確定遠端轉移的分期;

(2)M0:沒有遠端轉移發生;

(3)M1:已產生遠端轉移。

不同的T、N、M組合診斷為不同的期別,各種腫瘤的TNM分期標準由各專業會議協定。

有些腫瘤的治療和預后與病理分級或浸潤深度有關,因此也可以采用其他的一些分期方法。

治療

惡性腫瘤有很多種,其性質類型各異、累及的組織和器官不同、病期不同、對各種治療的反應也不同,因此大部分患者需要進行綜合治療。所謂綜合治療就是根據患者的身體狀況、腫瘤的病理類型、侵犯范圍等情況,綜合采用手術、化療、靶向治療、放療、免疫治療、中醫中藥治療、介入治療、微波治療等手段,以期較大幅度地提高治愈率,并改善患者的生活質量。

1.手術治療

理論上,若是以手術完全移除腫瘤細胞,癌癥是可以被治愈的。對早期或較早期實體腫瘤來說,手術切除仍然是首選的治療方法。根據手術的目的不同,可分為以下幾種:

(1)根治性手術治療。由于惡性腫瘤生長快,表面沒有包膜,它和周圍正常組織沒有明顯的界限,局部浸潤明顯,并可通過淋巴管轉移。因此,手術要把腫瘤及其周圍一定范圍的正常組織和可能受侵犯的淋巴結徹底切除。這種手術適合于腫瘤范圍較局限、沒有遠處轉移、體質好的患者。根據切除范圍不同分為瘤切除術、廣泛切除術、根治術和擴大根治術。

(2)姑息性手術治療。腫瘤范圍較廣,已有轉移而不能作根治性手術的晚期患者,為減輕痛苦,維持營養和延長生命,可以只切除部分腫瘤或作些減輕癥狀的手術,如造瘺術、消化道短路等手術。晚期腫瘤可以做腫瘤的大部切除,降低瘤負荷,為以后的放、化療或其他治療奠定基礎。如晚期卵巢癌可姑息性切除大部分卵巢腫瘤,化療后進行二次手術,切除殘留病灶,可明顯延長患者生存期。

(3)診斷性手術治療。通過不同的手術方式獲得腫瘤病理學檢查的標本,如穿刺取材或術中切取小塊組織等。對深部的內臟腫物,需要開胸、開腹或開顱檢查,術中病理檢查證實后,則立即進行治療性手術。

(4)預防性手術治療。用于癌前病變,防止其發生惡變或發展成進展期癌,如家族性結腸息肉病的患者,可以通過預防性結腸切除而獲益,因這類患者若不切除結腸,40歲以后約有一半可發展成結腸癌,70歲以后幾乎100%發展成結腸癌。子宮頸嚴重異性增生時可行子宮頸錐切術,預防宮頸癌的發生。BRCA1和BRCA2有突變的遺傳性乳腺癌家族成員,可行雙側乳腺預防性切除。

(5)轉移灶的手術治療。對于單個的肺、肝、骨等轉移灶,行切除治療,仍可爭取5年生存率。如原發性肺癌僅有骨的單個轉移病灶,而原發肺癌又可徹底切除者,可同時或先后行原發灶加轉移灶的切除手術。

2、化學治療

化學治療是用可以殺死癌細胞的藥物治療癌癥。由于癌細胞與正常細胞最大的不同處在于快速的細胞分裂及生長,所以抗癌藥物的作用原理通常是借由干擾細胞分裂的機制來抑制癌細胞的生長,如抑制DNA復制或是阻止染色體分離。多數的化療藥物都沒有專一性,所以會同時殺死進行細胞分裂的正常組織細胞,因而常傷害需要進行分裂以維持正常功能的健康組織,例如腸黏膜細胞。不過這些組織通常在化療后也能自行修復。因為有些藥品合并使用可獲得更好的效果,化學療法常常同時使用兩種或以上的藥物,稱做“綜合化學療法”,大多數病患的化療都是使用這樣的方式進行。

3、放射線治療

也稱放療、輻射療法,是使用輻射線殺死癌細胞,縮小腫瘤。放射治療可經由體外放射治療或體內接近放射治療。由于癌細胞的生長和分裂都較正常細胞快,借由輻射線破壞細胞的遺傳物質,可阻止細胞生長或分裂,進而控制癌細胞的生長。不過放射治療的效果僅能局限在接受照射的區域內。放射治療的目標則是要盡可能的破壞所有癌細胞,同時盡量減少對鄰近健康組織的影響。雖然輻射線照射對癌細胞和正常細胞都會造成損傷,但大多數正常細胞可從放射治療的傷害中恢復。

4、靶向治療

靶向治療從二十世紀90年代后期開始在治療某些類型癌癥上取得明顯效果,與化療一樣可以有效治療癌癥,但是副作用比化療減少許多,在目前也是一個非常活躍的研究領域。這項治療的原理是使用具有特異性對抗癌細胞的不正常或失調蛋白質的小分子,例如,酪氨酸磷酸酶抑制劑,治療EGFR(表皮生長因子受體)敏感突變的非小細胞肺癌,療效顯著,但耐藥基因的出現是目前阻礙進一步提高療效的主要障礙。

5、免疫療法

免疫療法是利用人體內的免疫機制來對抗腫瘤細胞。已經有許多對抗癌癥的免疫療法在臨床應用或研究中。目前較有進展的就是癌癥疫苗療法和單克隆抗體療法,而免疫細胞療法則是最近這幾年最新發展的治療技術。

6、中醫中藥治療

配合手術、放化療可以減輕放化療的毒副作用,促進患者恢復,增強對放化療的耐受力。

7、基因治療

基因療法是通過外源基因導入人體以糾正基因缺陷的方法,目前,惡性腫瘤基因治療的概念已從糾正基因缺陷擴大到將外源基因導入人體,最終達到直接或間接抑制或殺傷腫瘤細胞的目的。

8、內分泌治療

某些腫瘤的發生和生長與體內激素密切相關,因此可以通過改變內分泌狀況來進行治療。如性激素可以用于乳腺癌、前列腺癌、子宮內膜癌等的姑息治療。

9、高溫治療

近年來發展的微波熱療技術、超聲聚焦及射頻技術等,是利用局部高溫使癌細胞受熱壞死,較少傷及正常組織,簡便、安全。

10、激光治療

利用激光的能力密度高、平行性好、定位準確等優點,經適度聚焦后對病灶做無血切除術。

11、冷凍治療

冷凍時細胞內外形成冰晶,造成癌細胞損傷。可用于體表腫瘤或內臟腫瘤治療。

預防

國際抗癌聯盟認為,1/3的癌癥是可以預防的,1/3的癌癥如能早期診斷是可以治愈的,1/3的癌癥可以減輕痛苦、延長生命。據此提出了惡性腫瘤的三級預防概念:

1、一級預防是消除或減少可能致癌的因素,防止癌癥的發生。約80%的癌癥與環境和生活習慣有關。改善生活習慣,如戒煙、限制飲酒、食物多樣化、少吃腌制食品、控制體重、適當運動,注意環境保護、鑒別環境中致癌和促癌劑、加強職業防護等,均是較為重要的防癌措施。近年來的免疫預防和化學預防均屬于一級預防,如乙型肝炎疫苗的大規模接種,選擇性環氧化酶2(COX-2)抑制劑對結直腸腺瘤進行化學預防等。

2、二級預防是指癌癥一旦發生,如何在早期階段發現并予以及時治療。包括:

(1)對癌癥危險信號(如持續性消化不良、絕經后陰道流血、大小便習慣改變、久治不愈的潰瘍等)的認識和重視;

(2)對高發區和高危人群定期檢查;

(3)發現癌前病變并及時治療;(4)加強對易感人群的監測;

(5)腫瘤自檢(對身體暴露部位定期進行自我檢查)。

3、三級預防是治療后的康復,防止病情惡化,提高生存質量,減輕痛苦,延長生命。

二、腫瘤微環境

腫瘤微環境,即腫瘤細胞產生和生活的內環境,其中不僅包括了腫瘤細胞本身,還有其周圍的成纖維細胞、免疫和炎性細胞、膠質細胞等各種細胞,同時也包括附近區域內的細胞間質、微血管以及浸潤在其中的生物分子。早在100多年以前,Stephen Paget基于乳腺癌的器官特異性轉移中的臨床觀察,提出了著名的“種子與土壤”的概念。

然而,這一假說在當時并未受到足夠的重視,將治療思路僅僅局限于腫瘤細胞本身,導致人類的抗擊腫瘤之路走得異常艱難。直到最近,才有越來越多的科學家開始意識到腫瘤與腫瘤微環境是一個不可分割的整體。腫瘤微環境就像是一個小的生態環境,與其中的腫瘤細胞有著密切的聯系。因此,不論從生物學還是治療學的角度來分析,對腫瘤微環境的研究都是必不可少的。

腫瘤微環境的特點

腫瘤微環境在理化性質方面與人體正常內環境存在著許多不同之處,比較顯著的是其低氧、低pH以及高壓的特點。正是因為這樣一些特點,才使得腫瘤微環境中存在大量的生長因子、細胞趨化因子和各種蛋白水解酶所產生的免疫炎性反應,這種特性都十分利于腫瘤的增殖、侵襲、粘附、血管生成以及放療抵抗和抗腫瘤藥物耐藥,促使惡性腫瘤產生。

1、低氧環境

Thomlinson在1955就已經注意到了許多惡性腫瘤組織中存在缺氧狀態。缺氧區域內常常出現壞死現象,更容易發生腫瘤的擴散和轉移。腫瘤細胞新陳代謝旺盛、生長迅速、繁殖能力強的特點就決定了其對能量需求高,因此其對氧氣以及葡萄糖等能量物質的消耗比正常細胞高出許多。然而,隨著腫瘤本身的體積不斷增大,腫瘤組織因膨脹而遠離了含營養和氧氣充足的血管,這種供血不足導致了腫瘤微環境缺氧情況的進一步加深。利用單克隆抗體進行免疫組化的技術,研究發現缺氧誘導因子HIF-1α在這些缺氧的腫瘤組織中處于高表達狀態,在腫瘤細胞的侵襲、轉移、永生化、腫瘤血管生成等方面都扮演重要角色。如Kell等在心肌缺血研究中發現,HIF-1α是調節血管生成的重要因子,控制著多種血管生成生長因子的表達,這與HIF-1α對促進血管內皮生長因子VEGF的表達有關。又如Guber在有關乳腺癌的研究中發現HIF-1α處于高表達。另外,還有關于少突神經膠質細胞瘤、子宮、口咽、卵巢癌的研究顯示,HIF-1α的過度表達對患者的死亡率有顯著的影響。由此可見,HIF-1α的腫瘤表達相當廣泛,這也使其成為目前重要的抗腫瘤靶點之一。

2、低pH環境

以前大部分科學家認為,腫瘤微環境的低pH主要是由腫瘤細胞的無氧代謝決定的。在缺氧而大量進行葡萄糖分解的情況下,糖酵解就產生了大量的乳酸而引起了pH的下降。然而,有實驗證明即使在乳酸產量低或者人工提高腫瘤組織氧分壓或供血量的情況下,依然存在低pH的情況,這至少證明無氧代謝不是腫瘤微環境產生酸的唯一機制。實際上,腫瘤細胞的膜系統上存在著多種離子交換體,在建立腫瘤微環境的酸性環境中起著重要的作用。其中最典型的是   V-ATPases,它是一個由13個亞單位組成的靠水解ATP功能的質子運輸通道,分布于某些器官、組織或細胞的囊泡、溶酶體、內質網等細胞器上,功能是將質子從胞內泵到胞外,或者從內層膜泵到膜間層。

正是由于V-ATPases的存在,腫瘤細胞才能將代謝中產生的大量氫離子運輸到細胞外,維持細胞質的中性和胞外的酸性環境,以免造成自身的酸中毒。這些被排到腫瘤細胞外的氫離子就會隨濃度梯度進入正常細胞組織內并大量積聚,激活酶級聯反應而導致細胞壞死或凋亡,而這更有利于腫瘤的擴散與轉移。另外,還有研究證明腫瘤微環境的酸性環境能誘導溶酶體的分泌增加和活化,激活蛋白水解酶來促進細胞外基質ECM的降解和重構,這都有助于腫瘤的侵襲和轉移。由此可見,如V-ATPases等這類靠維持細胞外酸性微環境和腔內酸性pH的能力來促進腫瘤惡變的蛋白載體也是值得我們注意的目標靶點。

3、高壓環境

腫瘤微環境中的另一個重要特點就是較正常細胞而言呈現組織高壓。我們知道正常組織中淋巴系統對調節體液平衡有重要作用。Diresta等在實驗中發現如果將人工淋巴系統植入腫瘤,可有效降低腫瘤細胞間質的壓力水平,說明腫瘤組織中缺乏這種功能性淋巴系統。更多的研究發現,腫瘤血管不同于一般血管,具有血管形成不均勻分布、毛細血管間距變大、動靜脈短路、內皮細胞不完整以及基底膜中斷等特點。正是這些超微結構的區別,使腫瘤血管舒縮性能降低、管壁易受損、血管阻力增大,還會出現血液濃縮、間質內液體增多、血細胞外滲粘性增大等現象,導致血管高滲,最終造成腫瘤間質高壓。值得注意的是,腫瘤血管高滲的這種特點是隨著腫瘤組織所在位置、腫瘤發展階段不同而改變的。這給科學家的研究帶來了更大的麻煩。

腫瘤細胞對微環境的適應

對于低氧、低pH和高壓這些與正常環境不同的理化特點,腫瘤細胞卻能夠通過各種生物學調整對之很好地適應,并且腫瘤細胞的這種適應往往會導致惡性循環。從基因的角度上來說,不正常的環境增加了腫瘤細胞基因組的不穩定性和異質性,從而更具抵抗性的腫瘤變異體被選擇了。腫瘤細胞通過存活和繁殖,進一步加劇了腫瘤微環境中的缺氧狀態,這又進一步增加了基因組的不穩定性。再以低氧條件為例,腫瘤細胞通過上調低HIF-1α在低氧環境中存活下來,并且適應了糖酵解的產乳酸環境。大量乳酸的產生再加上腫瘤組織周圍不完整的脈管系統,使分解代謝產物累積,促成了微環境中的低pH環境。另一方面,缺氧引起的HIF-1α高表達又使得腫瘤細胞表面向內皮細胞分泌一種轉運VEGF的小囊泡,并且pH越低越有利于小囊泡對于VEGF的攝取。還有一個臨床實例即轉移癌細胞所致的骨破壞和骨形成所構成的骨重建。這時,轉移癌細胞與破骨細胞、成骨細胞、內皮細胞、骨基質等相互作用,形成了一個自我持續的惡性循環。這個循環一方面不斷驅使惡性腫瘤細胞的發展,另一方面進一步促進骨破壞與骨重建。

腫瘤微環境中的調控因子

之所以稱腫瘤微環境是一個復雜的系統,不僅僅是因為其組成復雜,更是因為其中存在著多種重要的調控因子,包括核轉錄因子-κB(NF-κB)、誘生型一氧化氮合酶(iNOS)、環氧化酶-2(COX-2)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)、信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)、核因子-E2相關因子-2(Nrf2)等,它們是聯系微環境與腫瘤細胞的關鍵靶點。正是這些調控因子,將腫瘤微環境與腫瘤細胞聯系在一起,對整個腫瘤的發生與發展起著重要的調控作用。其中比較重要的一個調節因子是NF-κB,它在炎癥反應中有關鍵作用,負責調節炎癥分子如細胞因子和粘附因子的基因表達。在血管內皮細胞中,NF-κB激活化學增活素和基質金屬蛋白酶(MMPs)的表達來導致血管生成和細胞外基質的降解;而巨噬細胞中,激活NF-κB可以促使iNOS表達,從而促進腫瘤的發展。以NF-κB為靶點的研究目前非常活躍,許多藥物都已經進入臨床階段。與NF-κB相似的還有信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3),它接受生長因子、細胞因子細胞外信號或炎癥微環境的刺激而被激活上調,其調節的基因產物不但可以促進腫瘤細胞的增殖,抑制其凋亡,而且可作用于微環境,促進血管生成和免疫逃避,與多種惡性腫瘤的發生與發展都密切相關。由此可見,這些調控因子是在腫瘤微環境中,作用于腫瘤細胞的關鍵樞紐。

腫瘤微環境與慢性炎癥

在人們研究腫瘤的過程中,發現了兩個與以往經驗所不相符的現象。一是以往認為,炎癥與癌癥是互不相干的獨立事件,然而流行病學專家多年研究慢性炎癥與腫瘤的關系,發現在結腸癌、胃癌、膀胱癌、肝癌、胰腺癌等多種癌癥中會聯合出現慢性炎癥。二是經典免疫學認為,通過免疫活性細胞及其分子執行的免疫監視的本來含義是幫助機體對抗有害的入侵者,從而也能發揮有效的抗腫瘤功能。但在腫瘤實際的發展過程中,一些免疫細胞常常從內環境的“保護者”變為了腫瘤細胞的“幫兇”,促進并滋養了腫瘤的發展。

要解釋這兩個現象,離不開腫瘤微環境這個重要概念。實際上,當腫瘤發生惡變時,有許多炎性免疫細胞被釋放到腫瘤微環境中參與和調節,其中起著重要作用的是來自骨髓的巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞等。它們釋放出的化學趨化因子、血管生長因子和基質降解酶等,對腫瘤的生長和侵襲十分有利。此類例子很多,如乳腺癌及膀胱癌中,趨化因子配體2(CCL2)的表達與預后不良呈正相關;近期研究發現炎性細胞中,中性粒細胞對于誘導腫瘤血管生成的作用最強,可以通過分泌基質金屬蛋白酶9(MMP9)和基質金屬蛋白酶13(MMP13)的方式降解重塑基底膜而發揮作用。再如上文提到的核因子-κB,它的作用極其重要,研究表明,它參與細胞受到各種各樣的應激刺激時眾多基因的活化,是炎癥、天然免疫、后天免疫過程中的中心協調者。這些因子在炎癥的促癌功能及對腫瘤細胞的存活發揮著樞紐作用。另外,這些免疫細胞也能通過產生活性氧和活性氮類化合物,來產生過氧亞硝酸鹽這種極易引起基因突變的細胞DNA損傷劑。反過來說,腫瘤也會維持甚至加劇這種不穩定的慢性炎癥狀態。慢性炎癥與腫瘤之間的這種無序的微環境在某種意義上成為“無法愈合的傷口”。

研究腫瘤微環境的意義

腫瘤與環境,兩者既是相互依存,相互促進,又是相互拮抗,相互斗爭的。它是現代腫瘤生物學的一個關鍵和核心的問題。近年來由于腫瘤細胞學和分子生物學的進展,人們對于腫瘤和環境的相互關系有了更加深入的了解。對腫瘤微環境的研究,不僅對于認識腫瘤的發生、發展、轉移等有著重要的意義,而且對于腫瘤的診斷、防治和預后亦有著重要的作用。

1、在了解整個微環境對腫瘤的發生、發展、轉移的各種影響方式之后,著手于切斷腫瘤微環境與腫瘤細胞之間的聯系,發現藥物靶點,如HIF-1α、NF-κB、STAT3等調控因子,為抗腫瘤藥物設計提供依據。

2、探索腫瘤微環境建立的機制和條件,設計新的藥物破壞這種機制和條件的形成,如質子泵抑制劑(PPI)能有效阻止V-ATPases的反應,阻斷pH梯度的形成,達到抑制腫瘤生長的目的,且因其本身需在低pH的條件才能起作用的特性而對正常細胞的毒性很小。

3、腫瘤的發病機制非常復雜,單靶向作用的治療手段必然不能兼顧到細胞中或細胞間生物大分子的互相影響,以及整個腫瘤微環境信號網絡的互相聯系。而且單靶向藥物通常有強烈的抑制或激活靶點效果,若該靶點還承擔某些生理功能,那么該藥物極易引起不良反應。因此,基于腫瘤微環境這樣一個復雜的系統,我們更應該設計多靶點的藥物,不僅要考慮作為“種子”的腫瘤細胞,更要考慮作為“土壤”的腫瘤微環境,從整體上把握,才可能取到更好的治療效果和更低的毒副作用。

大量研究已證實腫瘤干細胞是腫瘤耐藥、復發和轉移的根源,慢性炎癥與腫瘤的發生和發展密切相關。腫瘤炎性微環境中的IL-6、IL-8、EGF等炎性因子和生長因子激活了腫瘤干細胞內NF-κB/Stat3信號通路,維持腫瘤干細胞的自我更新能力,從而促進腫瘤的生長和轉移。深入研究腫瘤炎性微環境對腫瘤干細胞的調控機制,可以使我們找到潛在的治療靶點,為攻克腫瘤帶來新的思路和手段。

三、腫瘤血管新生

1971年,Folkman教授提出了“腫瘤生長和轉移依賴于新生血管生成”的理論,該理論的出現為抗腫瘤血管生成藥物提供了新的研究方向和理論基礎。研究發現,腫瘤在發生、發展的過程中會形成大量的新生血管,這些新生的血管為腫瘤的生長提供其所需要的營養和水分,同時向遠處擴散腫瘤細胞,在體內不同部位形成新的轉移灶。Hanahan等研究發現,在腫瘤血管生成的過程中會受到"血管生成開關”的調節",血管生成的增強因子或抑制因子會發生相應的變化,當“開關”處于開放狀態時,形成大量的新生血管。近年來,抗腫瘤血管生成研究已從早期的非特異性栓塞,切斷腫瘤血管發展到對腫瘤血管進行特異性、靶向性阻斷的新高度。

腫瘤血管生成的定義

腫瘤新生血管是指從已有的毛細血管或毛細血管后靜脈發展而形成新的血管,主要包括:激活期血管基底膜降解;血管內皮細胞的激活、增殖、遷移;重建形成新的血管和血管網。腫瘤血管生成是一個涉及多種細胞、多種分子的復雜過程。

血管形成是促血管形成因子和抑制因子協調作用的復雜過程,正常情況下二者處于平衡狀態,一旦此平衡打破就會激活血管系統,使血管生成過度或抑制血管系統使血管退化。

腫瘤血管生成的機制

腫瘤血管是腫瘤賴以生長和轉移的基礎,腫瘤在沒有血管提供氧氣和營養的情況下生長不會超過2立方毫米。腫瘤血管形成過程主要包括:內皮細胞激活,基底膜與細胞外基質降解,內皮細胞遷移和增殖,血管形成并使血管延伸至實體瘤內部。除了這種典型的出芽方式外,幾種其他的血管形成方式也得到的了證實,包括內皮祖細胞的募集,細胞增大樣血管形成,血管擬態和淋巴管形成。腫瘤血管形成是受多種因子調節的復雜過程,最終能否形成血管主要依賴于血管生成促進因子和抑制因子間的平衡。當平衡被打破,當血管生成促進因子表達或高于血管生成抑制因子時,腫瘤血管便開始形成。

血管生成機制復雜,參與并促進血管生成的因子也眾多,EMT腹腔液中巨噬細胞數量明顯增加,其分泌的TNF-α和IL-8可以促進血管內皮細胞的增殖,轉化生長因子-β(TGF-β),血小板衍生內皮細胞生長因子(PD-ECGF),乙酰肝素酶,血管生成素(angs),骨生成素(OPN) ,環氧化酶(COX-2) ,缺氧誘導因子-1,層粘連蛋白(LN) ,胎盤生長因子(PLGF) Survivin,促紅細胞生成素(Epo)均參與了EMT血管形成過程。

血管生成,即從原已存在的血管中生成新血管,這在腫瘤發生中扮演了重要角色。良性腫瘤細胞存在于休眠狀態下,難以獲取足夠血液供應時會受到影響。但當休眠腫瘤細胞血管生成被激活,以及分泌出的因子會誘導內皮細胞發芽和趨化成為腫瘤團塊時,會出現“血管生成開關”。在內部腫瘤團塊缺氧環境下,缺氧誘導因子-1-(HIF-1)的二聚蛋白復合體得以保持穩定,并激活眾多導致血管生成過程的基因的表達。HIF-1誘導的蛋白包括血管內皮生長因子(VEGF)和堿性成纖維細胞生長因子(bFGF),前者促進血管滲透性,后者促進內皮細胞生長。血小板源性生長因子(PDGF)、血管生成素-1(ANG-1)、血管生成素-2(ANG-2)等其他分泌因子會促進趨化性,而肝配蛋白信號轉導會控制遷移和細胞間黏附,從而引導新形成的血管。其他HIF-1誘導的基因產物包括基質金屬蛋白酶 (MMP)MMP 會分解細胞外基質(ECM),促進內皮細胞遷移并釋放相關生長因子。某些整合素(如在血管生成內皮細胞表面發現的αVβ3)有助于發芽的內皮細胞附著在臨時 ECM 上,然后遷移并存活下去。分泌到腫瘤周圍微環境中的因子會激活腫瘤相關巨噬細胞 (TAM),隨后產生 VEGF 和 MMP 等血管生成因子,進一步促進血管生成。周皮細胞發揮支持細胞的作用,覆蓋內皮細胞的基底側表面,并在正常生理條件下調節血管收縮和舒張。新形成的血管通常缺乏周皮細胞,但內皮細胞會募集這些周皮細胞來提供其他結構支持,以進一步增強腫瘤血管生成。例如,內皮細胞分泌的 PDGF 充當周皮細胞膜上 PDGF 受體的配體,促使周皮細胞產生并分泌 VEGF,VEGF 通過內皮 VEGF 受體發送信號。

除了內皮細胞和 TAM 外,腫瘤微環境內的許多其他細胞類型也有助于血管生成。中性粒細胞構成免疫細胞浸潤的很大一部分,可通過多種機制促進腫瘤血管生成。這包括釋放 MMP 到腫瘤微環境,從而觸發 VEGF 和其他血管生成因子的釋放。同樣,其他免疫細胞類型(如 B 細胞和 T 細胞)會分泌 VEGF-A、bFGF、MMP9、干擾素 γ (IFNγ) 和白介素-17 (IL-17),進而間接影響血管生成。脂肪細胞會釋放大量細胞因子、趨化因子和激素(統稱為脂肪因子),它們中的許多都屬于促血管生成因子。靶向這些細胞群可促進使用新的療法,來限制腫瘤細胞擴增和癌癥發病機理。

腫瘤血管生成的過程

在腫瘤持續生長的過程中,當腫瘤體積達到一定程度后,腫瘤持續生長所需要的營養成分來源于新生的腫瘤血管。

腫瘤血管生成的過程主要包括以下幾個方面:

1、缺氯、缺血等刺激性因子擴張毛細血管,使毛細血管的通透性大大增加。

2、進而纖維蛋白滲出,抑制血管生長等基質發生相應變化。

3、同時膠原酶被激活,細胞基底膜破壞,細胞外的基質進行重新塑形。

4、血管生成因子使血管內皮細胞增生。

5、新生成的血管內皮細胞排列成管狀結構,最后形成新的腫瘤血管。

腫瘤血管生成的方式和生成機制

目前發現腫瘤新生血管的形式主要有芽生式血管、套疊式血管、馬賽克血管、充塞式血管以及血管生成擬態等幾種不同生成方式,其生成機制也各不相同。1、芽生式血管生成方式

最早發現的腫瘤血管新生方式是芽生式血管生成。在血管生成因子作用下,處于靜息狀態的血管內皮細胞降解細胞基底膜,然后侵入到細胞外基質中,逐漸形成管腔狀結構,最后形成血管。在這種血管新生的過程中起最重要作用的因子為血管內皮細胞生長因子(VEGF)。研究表明,VEGF可以擴張毛細血管,增大細胞膜的通透性,進而使纖維蛋白原從血管中滲出,內皮細胞發生遷移,最后形成管狀樣結構。

VEGF家族由VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、 VEGF-D及胎盤生長因子(PLGE)等構成,VEGF-A是VEGF家族中重要組成部分,通過VEGFR-2信號傳導作用于內皮細胞,然后刺激血管內皮細胞的生成,當VEGFR-2缺乏時,VEGF信號傳導因受影響而使血管生成受到一定的限制。同時,VEGF還可誘導內皮細胞的增殖,增強纖溶酶原和金屬蛋白酶的活性,加速細胞外基質及其它物質的降解,內皮細發生遷移。

2、套疊式血管方式

血管壁向毛細管腔內凹陷,然后逐步的靠近、接觸,進而融合。血管融合處管壁胞膜逐漸變薄,演變成小孔,孔狀結構逐漸增大、融合,形成管腔樣通道,這種血管新生的方式稱為套疊生長。套疊式血管生成的特點是在已有的血管腔內形成大量的跨血管組織微柱,該過程形成迅速,在幾分鐘內就可完成。

3、馬賽克血管方式

顯微鏡下觀察腫瘤血管壁上排著血管內皮細胞和腫瘤細胞,兩者構成腫瘤的血管腔,在生成的腫瘤邊緣部位,腫瘤細胞群被一密布的血管網包圍,稱為馬賽克血管。腫瘤細胞侵入血管管腔并暫時停留在血管壁上,激活促腫瘤血管生成因子,使腫瘤血管基底膜降解加速,以利于腫瘤細胞穿入以增加馬賽克血管的數量。

4、充塞式血管生成方式

在腫瘤形成的早期階段,腫瘤管保持正常的形態。但隨著腫瘤的持續生長,腫瘤內部的血管組織被腫瘤細胞逐步地包圍進而填充,該處血管逐漸退化,由于腫瘤血管的退化,腫瘤內部發生缺氧,促進VEGF的表達,在腫瘤邊緣部位形成新的血管,此血管生成方式稱為充塞式血管。

VEGF、血管緊張素等都在該血管生成方式的過程中起了重要作用。研究證實,腫瘤邊緣新生血管很難被抗血管生成藥物清除。

5、血管生成擬態

侵襲性生長的惡性肺瘤,在沒有內皮細胞的參與下,腫瘤細胞發生相應變化,并進一步通過自身的變形形成管腔狀結構,該血管生成方式與傳統腫瘤血管生成方式完全不同,它本身并不依附于血管內皮細胞,腫瘤與血液可直接接觸,是一種全新的腫瘤血管生成方式,稱之為“血管生成擬態”。

腫瘤血管新生與腫瘤

像正常器官一樣,腫瘤也需要建立血液供應系統來滿足其氧氣和營養的需求來完成其他的代謝功能。這主要通過血管新生來完成,這是一個從已有的血管網絡中產生新血管的過程,低氧是腫瘤血管新生的關鍵驅動因子。

低氧癌細胞分泌血管內皮生長因子A(VEGFA),它通過結合臨近血管內皮細胞(ECs)表達的VEGF受體2(VEGFR2)來啟動腫瘤血管新生。可溶的VEGFA濃度梯度誘導可移動的ECs的形成,又稱為tip cells(端細胞),它可以降解周圍的胞外基質的降解(ECM)并且導致新的血管生成。這個過程需要其他的信號分子的參與,包括delta樣配體4(DLL4)和angiopoietin2(血管生成素2,ANGPT2),而它又可以控制端細胞表型和讓EC連接變得不穩定。

腫瘤的發生、發展可分為無血管期(或稱之為血管前期)和血管期。在無血管期,腫瘤主要依靠周圍組織的彌散作用來獲取營養物質和排泄代謝產物,從而限制了其生長,故在無血管期腫瘤多處于休眠狀態,甚至可長時間地潛伏在組織中而無明顯進展。如果沒有血管生成,腫瘤直徑一般只能達到1~2mmμm,因為實體組織中的氧只能從毛細血管向外放散狀彌散150~200,超出此范圍的細胞便會因缺乏營養而死亡。實體瘤生長至約2mm時才開始向血管期轉變的因素主要有缺氧、缺營養、pH呈酸性、NO升高等。血管生成是實體瘤由休眠到增殖過渡的標志之一。在血管期,腫瘤內出現新的毛細血管并促使腫瘤細胞分裂、生長和轉移,其中腫瘤血管來源血管生成、血管套疊式生長和內祖細胞。腫瘤血管的生長的方式有兩種,一是處于無血管期的腫瘤細胞因在缺氧等因素的作用下,使細胞和巨噬細胞等產生大量的血管生長因子而誘導血管生成;二是腫瘤細胞依賴宿主組織已存在的血管生長,進而出現瘤內血管消退,然后再以第一種方式發生血管生成。

在上皮腫瘤的癌前階段(比如異性增生和原位癌),基膜會把腫瘤從血管化的外周腫瘤組織分離開來,所以血管很少會滲透入這些早期的損傷部位。在惡性腫瘤中,癌細胞獲得了入侵能力并誘導了基膜反應,包括強健的血管新生。因此,腫瘤從良性變成惡性和血管新生的轉換顯著聯系一起,血管網絡的激發和發展非常活躍生長并有滲透性。然而,腫瘤血管化的模式存在大量的不同,這反映了腫瘤類型、分級和階段的差異(比如原位和轉移),位點不同,基膜細胞組成以及促血管新生因子和抗血管新生因子的時空表達差異等。

在血管新生轉變過程中,雖然癌細胞是VEGFA和其他促血管新生調節因子的重要來源,但募集來的白細胞也增加了這種可能性。另外,從不同的腫瘤相關基質細胞和它們嵌入的ECM也會發出很多信號,在血管新生已經轉向腫瘤進展的下一個階段后仍然發揮作用。

所有的哺乳動物細胞必須被200微米的血管網絡所包圍,才能獲得氧氣和營養。當細胞數目增加的時候,細胞和血管之間的距離增加,導致從原來已經存在的血管網絡中新血管的形成。研究證明血管新生在腫瘤生長中起著重要的關鍵作用。

1、新血管的形成或血管生成,是腫瘤生長和轉移的重要組成部分

血管攜帶營養和氧氣給腫瘤細胞,營養和氧氣是腫瘤生存、轉移到身體其他部位所必需的。血管內皮生長因子(VEGF)是血管生成的關鍵蛋白,VEGF-A是血管生成的主要驅動力。

2、一旦腫瘤中開始有血管生成,腫瘤的生長將會更加迅速,也更容易轉移

隨著近來對腫瘤生長的不斷深入研究,發現血管生成對腫瘤的生長起著至關重要的作用。腫瘤血管生成由正負兩方面調節,其中血管內皮生長因子(VEGF)是重要的促血管生長因素,由不同腫瘤細胞分泌,也可在發育中的正常細胞及組織中表達,在體內調節血管的通透性,為血管形成過程中的多種細胞提供一個纖維網絡;在體外能促進基質的降解以及內皮細胞的增殖、遷移、運動和血管腔樣結構的形成,并可動員骨髓來源的內皮祖細胞。VEGF是誘導腫瘤血管形成的作用最強、特異性最高的血管生長因子。理論上來說,采用不同方法來干預或抑制血管內皮生長因子可以抑制腫瘤的生長。

3、實體瘤的生長及存活依賴血管形成

新生血管為腫瘤細胞生長提供營養供給,同時它也是腫瘤細胞代謝產物排泄的有效途徑;而在沒有血管形成的情況下,腫瘤的營養供給及代謝物排泄僅能靠簡單的物理彌散;新生血管是腫瘤細胞向遠處轉移的重要通道,腫瘤細胞通過血管才能到達轉移地點。由此可見,腫瘤與血管形成之間有著密切的關系,腫瘤的生長依賴于血管形成。

血管形成是一個極其復雜的病理生理過程,包括許多的環節,迄今人們對血管形成的機制仍不甚明了。通常認為腫瘤血管形成的過程主要包括以下幾個步驟:

(1)血管內皮下基底膜溶解及內皮細胞活化;

(2)內皮細胞向腫瘤組織遷移;

(3)內皮細胞增殖;

(4)形成血管。

4、抑制血管生成發揮抗腫瘤作用

從基因水平來看,癌基因的活化使細胞具備一些促血管形成的能力,如釋放一些蛋白酶、化學趨化因子及促血管形成因子等;而在其對立面,抑癌基因則可以抑制腫瘤的轉移能力,如p53、nm-23等。因此,抑制血管的形成為腫瘤治療提供了一個新的方向。只要藥物能延緩或制止腫瘤細胞的擴散和生長,癌就可以從一種不治之癥變成一種可治之癥。

腫瘤血管的特征

腫瘤血管系統的一個基本特性就是缺少血管體系。腫瘤組織中的血管紊亂,過度增生,功能失調。腫瘤脈管系統缺乏正常的有組織的層次結構,結構和功能缺陷血管組成混沌的網絡。腫瘤組織內血管滲漏性高、生長曲折、血管腔粗細不均勻,管腔內血液流動無序、緩慢,不良的灌注使得腫瘤缺氧。這表明發生在正常血管發展過程中的形態學再塑過程在腫瘤的發生中或是受損或是沒有發生。生理條件下以及腫瘤組織血管化作用是由血管生成和/或血管發生引起的。從已存在的血管上萌芽出新的血管被定義為血管發生,而出生后的血管發生是內皮前體細胞形成新的血管的過程。

1、腫瘤血管形態學特征

腫瘤血管分布于腫瘤生長活躍的間質中,多數內皮細胞增生發生于腫瘤周圍,內皮細胞增生使血管發育并連接到宿主血管上,腫瘤不同區域的血管有不同的形態,反映了腫瘤生長不同時間內微血管變化狀態與腫瘤細胞生長和增殖不同步有關。惡性腫瘤生長期血管床的重大變化就是從口徑細小,較均一的毛細血管床,變化為擴張竇狀不成熟的血管;動靜脈之間相互區別不明顯,相互重疊且分支紊亂,血管周圍常可見瘤細胞呈袖套狀圍繞。較大的癌塊中間動靜脈分支吻合可形成血管湖,這些統稱為腫瘤相關性血管病變。

內皮細胞超微結構中管樣小體明顯增多,細胞之間連接松散、形成裂隙;浸潤性腫瘤血管壁基底膜厚薄不一、斷裂成碎片或缺乏,部分毛細血管壁缺乏內皮細胞,僅為腫瘤實質中血流從動脈分流到毛細血管靜脈孔隙 。這種異常的結構是腫瘤組織內血管通透性增高的原因,這種血管也最易受到癌細胞的侵襲。

越來越多的事實證明了血管內皮細胞的異質性是其突出的生物學特性,重要表現在內皮細胞的結構、功能抗原成分與代謝特點上。在某些器官的腫瘤組織中其血管內皮細胞仍保留著該器官的抗原性,如腦腫瘤中血管內皮細胞具有腦的相關抗原,卵巢腫瘤的血管內皮細胞具有與其卵巢細胞相同的抗原標志,源于肺癌的內皮細胞具有肺癌細胞表達的抗原。

2、腫瘤血管血液動力學改變

在腫瘤生長過程中按其血管形成過程分為血管前期與血管期,血管前期即腫瘤休眠期,此期腫瘤生長緩慢,直徑小于2mm。血管期腫瘤生長明顯增快,新生的毛細血管可以從腫瘤外圍長入腫瘤組織中,并相互吻合形成外圍血管網,再進一步分支進入腫瘤深部,或是新生的毛細血管網直接進入腫瘤中央,呈樹狀向外分支,腫瘤細胞常圍繞血管分裂增殖,隨腫瘤長大,血管不斷地向外延伸,并與外圍毛細血管網相連。因此,宏觀上腫瘤血管被人為地分為外周血管和中央血管,盡管該分類在解剖學上并不恰當。也有人認為腫瘤周圍的血管多為宿主原有的血管,而中心部位的血管才是對腫瘤細胞釋放的腫瘤血管形成因子(TAF)反應的血管。當外周血管豐富時,中央血管少,而中央血管豐富時,外周血管則少。惡性腫瘤血管以灶中心性為主良性腫瘤則是彌散性血管為主。

微觀上腫瘤血管系統是高度不成熟與缺乏神經支配的血管,對正常血管有活性的物質對該血管不起作用。另外,腫瘤循環血量隨溫度升高而增加很少,正常組織可以增加6倍時,腫瘤組織只能增加2倍。腫瘤中有細胞豐富區、邊緣區、半壞死區和壞死區,各區血供不盡相同,半壞死區與壞死區血流明顯減少減慢,非壞死區血流速度可以快于正常組織。在大腫瘤中血管內皮細胞的營養供給少,實際增加的效應血管管徑小,血流速度的均值低于小腫瘤。腫瘤中新生血管的功效隨腫瘤的長大而減低,腫瘤微循環的相對不足與低效,常導致腫瘤細胞呈片塊狀乏氧性壞死與腫瘤細胞凋亡的發生。

自動組織放射圖象證明了腫瘤組織內皮細胞增生速度快于正常組織30-~40倍。研究內皮細胞增生與腫瘤細胞增生的關系指出當整個瘤灶內充滿增生的腫瘤細胞時,內皮細胞增生是顯著的,在腫瘤周圍內皮細胞增生指數為2.2%,腫瘤細胞增生指數為7. 3% 。同樣小鼠瘤細胞22h更新一代,血管內皮細胞的增殖是50h更新一代。這些結果提示,生長因子調控腫瘤細胞生長與內皮細胞不一致。癌細胞更新速度快于內皮細胞,導致癌細胞和毛細血管間距離增加,這些距離超過了氧彌散時,同樣使組織發生乏氧性壞死。癌細胞距毛細血管的距離分為三群: > 150微米, 100~150微米,< 100微米,其中> 150微米癌細胞是最嚴重的“低營養、低pH值、低氧"細胞群。

四、生理和病理狀態下的血管內皮細胞代謝

隨著研究的不斷深入,目前認為內皮細胞(ECs)代謝是促進血管生成的重要因素。ECs不同的代謝途徑,如糖酵解、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝,在血管形成過程中發揮了不同的重要作用。糖尿病和腫瘤等病理因素也能明顯的改變ECs的代謝特征:比如,腫瘤相關的ECs(TECs)糖酵解升高,在腫瘤治療模型中降低其活躍的糖酵解能改善治療效果。深入了解ECs在生理和病理狀態下的代謝特點為疾病的治療提供了新的靶點。

血管生成:從靜止細胞到血管芽生

ECs構成了血管和淋巴管的內層,對于維持脈管系統的正常功能至關重要。脈管網絡隨著人體組織器官生長期間的代謝需求而變化,以提供充足的氧氣和營養。雖然大部分ECs在人成年后保持靜止狀態,但是在受傷或病理狀況下仍然具有形成新血管的能力。這種精密調控的過程稱為血管芽生:首先高活性的頂端細胞發生絲狀偽足突起,然后隨著萌芽生長,柄細胞延續頂端細胞不斷增殖而延續成為新的血管。不同ECs亞型的表型不是一成不變的,ECs的亞型轉變受血管內皮生長因子(VEGF)的調節。新形成的血管成熟后,恢復的灌注誘導方陣細胞形成靜止的緊密的鵝卵石樣排列的細胞單層。三種ECs亞型(頂端細胞、柄細胞和方陣細胞)的代謝方式不同,血管芽生過程中生長因子和轉錄信號通過影響細胞代謝,進而影響ECs的表型分化。在病理狀態下,ECs的代謝也發生不同的變化,因此,我們需要更深入地了解ECs在這些病理狀態下的代謝改變,以期通過改變代謝來促進ECs的正常化,從而找到新的治療方法。

不同的ECs亞型及ECs的代謝調控

1、生理狀態下的EC代謝

(1)糖酵解是內皮細胞的主要能量來源

85%的ECs能量來源于糖酵解,與其他類型的正常細胞相比,ECs具有更高的糖酵解活性,其葡萄糖消耗量與許多腫瘤細胞的葡萄糖消耗量相同。位于血管壁的ECs容易獲得氧氣,卻沒有利用氧氣產生能量的能力,這似乎有點費解。其實正因為方陣細胞浸泡在氧氣中,才需要糖酵解來保護自身免受氧化應激的影響。利用糖酵解代替氧化代謝可以保持低活性氧(ROS)水平,同時糖酵解也利于保存氧氣,以保證氧氣向血管周圍細胞的擴散。另外,在血管芽生過程中,當頂端細胞和柄細胞延伸到遠離灌注血管的低氧組織時,氧化代謝就變得不切實際,并且糖酵解能更快的產生ATP,這是缺氧組織在死亡之前迅速血運重建所必需的。

ECs的糖酵解受6-磷酸果糖激酶-2/果糖雙磷酸酶-2同工酶3(PFKFB3)的調節,PFKFB3促進2,6-二磷酸果糖生成,是6-磷酸果糖激酶1(PFK1)的強效的限速酶。己糖激酶2(HK2)是將葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖的限速酶,是ECs糖酵解的另一種調節因子。血流的層流剪切應力可以激活KLF2抑制PFKFB3、HK2和其他促進糖酵解的基因,使方陣細胞保持靜息狀態。同時,Forkhead轉錄因子(FOXO1)也可通過抑制轉錄因子MYC間接抑制糖酵解。在血管芽生的過程中,ECs可根據其代謝活性的不同變換位置,高表達PFKFB3的柄細胞可能上升到頂端的位置。幾種不同的生長因子信號通路可調節ECs的糖酵解:血管內皮生長因子(VEGF)或者低水平FOXO1、KLF2都可以在芽生期間促進PFKFB3的表達。另外成纖維細胞生長因子(FGF)信號通路也能提高MYC水平,從而促進HK2表達和糖酵解。

在芽生過程中,PFKFB3和其他糖酵解酶聚集在板狀偽足和絲狀偽足等“ATP熱點”區域促進糖酵解產生ATP,并與板狀偽足膜褶皺中的F-肌動蛋白共定位結合。在細胞實驗中,通過藥理學抑制和基因沉默等方法降低糖酵解都可以抑制ECs增殖和遷移。在動物試驗中,在小鼠視網膜和斑馬魚體內抑制PFKFB3表達也可以抑制血管及其分支的生長。同樣,通過沉默HK2降低糖酵解可以抑制小鼠皮膚中的動脈及分支發育以及視網膜脈管系統中絲狀偽足的增殖和數量。總之,以上數據證實了糖酵解在血管生成和維持ECs穩定的重要作用。

(2)脂肪酸參與ECs的生物合成

線粒體在大多數細胞中是ATP產生的主要部位,脂肪酸可在線粒體中轉化為乙酰輔酶A進入TCA循環產生ATP。然而ECs線粒體的功能更像是一個生物合成中心,而不是一個能源中心。在柄細胞增殖過程中,脂肪酸氧化(FAO)產生的碳元素促進三羧酸循環的中間產物草酰乙酸(OAA)和α-酮戊二酸(α-KG)分別與底物結合生成天冬氨酸和谷氨酸前體以及脫氧核苷酸(dNTP)。肉毒堿棕櫚酰基轉移酶1a(CPT1a)是FAO中脂肪酸進入線粒體的限速酶,在體外實驗中,CPT1a沉默可導致dNTP池的減少,抑制ECs芽生。盡管FAO與細胞內的氧化還原平衡和ATP產生有關,但其對ECs增殖的抑制作用并不是由氧化還原不平衡或細胞內ATP消耗造成的。在體內試驗中,敲除或者藥理學阻斷內皮細胞的CPT1a基因都可使血管分叉的數量減少,同時抑制小鼠視網膜血管網的徑向擴張。根據體外試驗,抑制CPT1a基因表達后,不會影響ECs的絲狀偽足數量正常,可見其對ECs的遷徙特性沒有影響。表明PFKFB3調控糖酵解促進ECs增殖和遷移,而CPT1a通過調控FAO選擇性地促進ECs擴散。

(3)谷氨酰胺和天冬酰胺代謝在ECs中的作用

ECs依賴谷氨酰胺維持增殖和血管生長,谷氨酰胺是ECs消耗最多的氨基酸。在ECs增殖中,谷氨酰胺經谷氨酰胺酶1(GLS1)分解后作為TCA循環碳的補充來源,維持蛋白質和核苷酸合成。當ECs中谷氨酰胺不足時,蛋白質和核苷酸合成受損,mTOR活性降低,內質網(ER)應激標記基因增加。7谷氨酰胺可以維持谷胱甘肽(GSH)氧化還原穩態,缺乏谷氨酰胺時ECs內易產生ROS蓄積。ECs是否利用谷氨酰胺合成ATP仍有爭議。同時,在ECs中,谷氨酰胺通過還原性羧化產生檸檬酸。在體外和體內實驗中,干擾谷氨酰胺代謝影響ECs增殖和遷移從而抑制血管生成。

除了谷氨酰胺,天冬酰胺也是重要的氨基酸,缺乏谷氨酰胺引起的血管受損可以通過補充α-KG和天冬酰胺得到修復,同樣的天冬酰胺合成酶基因(ASNS)被沉默也會抑制ECs增殖。還有越來越多的證據表明,天冬酰胺作為一種信號代謝物,可以感知代謝燃料的儲量和可利用性,從而協調細胞的體內平衡反應。

(4)絲氨酸代謝

ECs可從細胞外攝取絲氨酸,也可由糖酵解中間產物3-磷酸-甘油酸(3PG)從頭合成。合成反應主要受限速酶磷酸甘油酸脫氫酶(PHGDH)調節。絲氨酸的合成需要分別來自谷氨酰胺代謝與糖酵解的中間產物,絲氨酸也可以與甘氨酸相互轉化。脂肪酸和氨基酸參與生物合成。

2、腫瘤內皮細胞(TECs)的代謝

血管增生可以促進多種炎癥和惡性疾病,在這些疾病中的ECs代謝發生了變化。以下介紹的是腫瘤細胞對ECs代謝的影響。

腫瘤組織中的血管紊亂,過度增生,功能失調。腫瘤脈管系統缺乏正常的有組織的層次結構,結構和功能缺陷血管組成混沌的網絡。腫瘤組織內血管滲漏性高、生長曲折、血管腔粗細不均勻,管腔內血液流動無序、緩慢,不良的灌注使得腫瘤缺氧。這些都會促進腫瘤細胞轉移、逃逸。在腫瘤早期,TECs代謝的這一特征就已經可以顯現出來。

(1)TECs在高糖酵解同時保留線粒體功能

腫瘤血管系統中TECs比健康ECs更依賴于糖酵解,細胞中葡萄糖轉運蛋白(GLUT1)和糖酵解活化劑(PFKFB3)的表達增強,顯示出高糖酵解表型。另外,TECs的磷酸戊糖和絲氨酸的生物合成途徑過度激活,促進核苷酸等合成。腫瘤微環境(TME)中的幾種信號通路(如缺氧和促炎細胞因子)和激素信號都能上調PKFBF3。沉默PFKFB3可下調TECs糖酵解抑制其增殖,減少血管滲漏,收緊血管屏障,恢復灌注,使腫瘤血管正常化。這種治療可使糖酵解降低至正常ECs的水平,而不至于過度地降低甚至完全抑制糖酵解。因為過度抑制TECs糖酵解會導致TECs死亡、腫瘤血管崩解,從而促進腫瘤細胞逃逸和轉移。因此對腫瘤病人給予PFKFB3阻斷劑治療是必要而恰當的。

雖然TECs具有高糖酵解活性,但是其線粒體依然具有高度活性。OXPHO不僅可以為細胞提供能量,也提供了中間代謝物用于生物合成,這對于過度增殖的TECs是非常重要的。抑制線粒體呼吸可能通過產生ROS和線粒體膜電位的解偶聯等機制誘導TECs死亡。這為線粒體在TECs中的作用提供了進一步研究的可能。

(2)谷氨酰胺和脂肪酸在TECs中的作用

如上所述,谷氨酰胺對ECs增殖是必不可少的。ECs中的谷氨酰胺代謝是由TGF-β1和RAF/MEK/ERK信號通路誘導的,這些信號通路參與了腫瘤進展。在卡波氏肉瘤病毒轉化病灶發展過程中,被感染的TECs谷氨酰胺分解作用增強,依賴谷氨酰胺分解代謝提供能量。與正常細胞相反,TECs缺乏谷氨酰胺的“饑餓狀態”不能通過補充抗氧化劑或單獨補充TCA循環逆轉,這表明TECs代謝更依賴于谷氨酰胺和天冬酰胺。然而,谷氨酰胺/天冬酰胺代謝在TECs中的確切作用仍然未知。

TECs在增殖期使用脂肪酸維持TCA循環和核苷酸的從頭合成,阻斷FAO可抑制血管生成,FAO抑制劑具有抑制腫瘤生長和轉移的治療潛力。

3、腫瘤血管及腫瘤相關內皮細胞代謝特征

(1)內皮細胞與其他細胞之間的代謝聯系

TME中單個細胞類型的代謝是一個值得深入研究的焦點,但是不同細胞類型之間如何通過營養物質和代謝物交換進行交流也需要得到足夠的重視。TME中的細胞都會受到選擇性應激,部分是由于低效的血液灌注引起的營養物質的缺乏和代謝廢物的積聚。這些細胞的分泌物因此發生改變,直接或間接通過外泌體排出胞外。

(2)TECs與腫瘤細胞發生代謝相互作用

遠離血管引起的局部缺血會影響腫瘤細胞的外分泌,參與決定腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)、免疫T細胞和ECs的分化。腫瘤細胞可以通過促進葡萄糖攝取,或通過分泌代謝物(如TCA循環中間體琥珀酸鹽)促進ECs增殖。乳酸可通過激活HIF-1α和PI3K/AKT信號通路上調VEGF信號刺激血管生成。此外,TECs攝取乳酸氧化為丙酮酸,后者上調NF-κB/IL-8信號通路促進血管生成。乳酸積累產生酸性微環境,導致內質網應激,誘發炎癥反應。

TECs與幾種免疫細胞類型相互作用,影響血管生成。Th1細胞通過改變細胞因子環境和增強周細胞募集促進腫瘤血管的正常化。腫瘤相關巨噬細胞(TAM)在TME中具有雙重作用:在消除腫瘤細胞的同時,也可促進血管生成和腫瘤細胞增殖。TAM和TECs的葡萄糖代謝都被REDD1調控。REDD1對mTOR的抑制下調TAM中的糖酵解,其導致TME中葡萄糖水平升高,較高的葡萄糖水平促進TECs生成新的血管;抑制REDD1可誘導TAM中的糖酵解,TME中TAM與TECs之間的葡萄糖代謝競爭,導致血管生成減少,腫瘤血管正常化,抑制腫瘤轉移擴散。

4、腫瘤微環境中TECs與其他細胞的代謝聯系

免疫細胞的代謝受關鍵蛋白的亞型和活化狀態的調控。TME中某些營養素缺乏會影響免疫細胞代謝,損害免疫細胞活性,從而促進TECs的生成血管。TME中的TAM不僅高表達VEGF促進血管生成,還高表達精氨酸酶1,降低TME中的精氨酸水平,損害T細胞的功能。TAM的促血管生成特性依賴于谷氨酰胺合成。抑制TAM中谷氨酰胺的合成可促進腫瘤血管正常化、抑制腫瘤轉移。在酸性的TME中細胞傾向谷氨酰胺代謝提供能量,降低谷氨酰胺水平過低會抑制TME代謝。

在抗腫瘤治療中,腫瘤細胞的代謝相互作用網絡因為代償機制而變得更加復雜。低氧部位的腫瘤細胞高糖酵解產生乳酸,乳酸可促進血管周圍腫瘤細胞的氧化代謝。這種代謝共生機制引起對抗血管生成治療的耐藥性:即抗血管生成治療可產生更多缺氧腫瘤細胞,為氧化區域的腫瘤細胞提供乳酸從而促進其代謝。mTOR抑制劑具有抗腫瘤作用的同時也會通過刺激血管生成促進腫瘤。可見,同時應用互補作用的代謝靶向藥物可以提高藥物的總體功效,但是這種組合策略的安全性問題也需要引起重視。

五、血管內皮細胞代謝與腫瘤血管新生

血管是生物在進化過程中出現的器官,可通過運輸血液向組織輸送氧氣、營養物質及生長因子,同時排出代謝廢物,維持機體正常新陳代謝。血管內壁的內皮細胞(EC)參與血管新生及血管穩態維持,有利于氧氣和營養物質的供給,滿足機體代謝需求。人們對內皮細胞功能的關注很大程度上因為其在血管新生過程中的重要作用。

血管新生是指從已有血管發展成新血管的過程,主要包括血管基底膜降解,血管內皮細胞激活、增殖和遷移,以及重建形成新血管和血管網等,是個涉及多細胞和多分子的復雜過程。內皮細胞是血管新生過程的核心參與者,其可塑性極強,長期處于靜息狀態,一旦受到血管內皮生長因子(VEGF)信號的刺激就可立即切換至活化、高度增殖和遷移的狀態,啟動血管新生。

對于血管新生機制的研究已有數十年歷史,特別是對腫瘤血管新生過程參與腫瘤生長和轉移的研究已取得顯著進展。臨床研究已證實,抑制內皮細胞VEGF信號通路可作為治療腫瘤的策略。近期研究表明,內皮細胞的代謝狀態和血管內皮生長因子的刺激對于血管新生過程同等重要。盡管對細胞代謝的研究已經有了一個多世紀的歷史,但關于內皮細胞代謝的研究在最近幾年才受到關注。因此,探討腫瘤微環境中內皮細胞的代謝改變,增進對內皮細胞代謝的認識,為抑制腫瘤生長和腫瘤血管新生相關藥物研發提供新思路。

內皮細胞和血管新生

在生物體發育過程中,血管網絡會隨生物體代謝需求的變化而擴展,以保證為所有組織提供充足氧氣和營養物質。內皮細胞排列于血管內壁,在血管系統中發揮至關重要的作用。成熟內皮細胞在正常情況下一般維持靜息狀態,當在缺氧、損傷或其他病理刺激下,會被迅速激活,形成新的血管,以便向低氧組織輸送氧氣和營養物質。參與血管新生的內皮細胞根據其定位和功能的不同,可分為尖端細胞(位于新生血管最前端,可以形成絲狀偽足,響應VEGF的刺激并在新生血管處發芽)、莖細胞(與尖端細胞相鄰,通過細胞增殖使血管新芽延長)、方陣細胞(存在于成熟血管中,主要功能是將生長中的血管新芽與已存在的血管連接起來,調節血管穩態并發揮屏障功能)三種類型。

血管新生過程主要受信號分子的調控,其代表性激活劑是VEGF。血管內皮生長因子受體2 (VEGFR2)是接收血管生成信號的主要受體。VEGF與內皮細胞上VEGFR2結合,可誘導尖端內皮細胞的形成。尖端皮細胞形成后,VEGF刺激尖端細胞表達Delta樣配體4(DLL4)DLL14可以調控周邊內皮細胞Notch信號通路并下調VEGFR2的表達,促使周邊細胞展現出莖細胞表型。此外,尖端細胞與莖細間也可以相互轉化。當2個相鄰的尖端細胞接觸時,它們可以連接并形成血管。當血管成熟后,內皮會成為方陣細胞恢復至靜息狀態。

腫瘤組織血管內皮細胞的代謝重塑

內皮細胞代謝可將營養物質轉化為能量和生物大分子,以支持內皮細胞的增殖和遷移。研究表明,內皮細胞的代謝能夠調控血管新生。

正常組織血管內皮細胞的代謝主要有葡萄糖代謝(糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、己糖胺合成途徑、多元醇途徑、線粒體氧化磷酸化)、氨基酸代謝和脂肪酸代謝。

血管新生是腫瘤發生發展的特征之一。與正常組織一樣,腫瘤組織需要血液輸送氧氣和營養物質,同時排出代謝廢物,而這些生理需求都由腫瘤組織內部的新生血管完成。正常情況下,當生物體發育成熟后,血管系統會長期保持靜止狀態,只有在機體受到損傷時才會出現短暫血管新生;而在腫瘤發展過程中,血管新生則變成了一種常態。隨著腫瘤不斷生長,腫瘤對氧氣和營養物質的需求也逐漸增長,持續的血管新生得以滿足腫瘤細胞的代謝需求。因此腫瘤血管新生對腫瘤生長和轉移都至關重要。

目前對調控腫瘤血管新生的信號通路已經有了較為深入的認識。腫瘤血管新生受多種血管生成信號分子的調控,包括VEGF、血管生成素等。

與正常內皮細胞相比,腫瘤組織的內皮細胞會發生代謝重塑。現有認識表明,腫瘤微環境內皮細胞的糖酵解、脂肪酸氧化及谷氨酰胺代謝在腫瘤血管新生過程中發揮了不可或缺的作用。在腫瘤血管新生時,不同類型內皮細胞的代謝特征也有所不同。此外,與正常組織不同,腫瘤組織由于腫瘤細胞糖酵解的增強造成的低糖環境也會上調VEGF的表達;腫瘤微環境中的代謝產物乳酸水平的升高在血管新生過程中也發揮了一定功效。腫瘤微環境中的血管新生受到血管生成信號分子和環境中代謝產物的共同驅動。

1、葡萄糖代謝異常

葡萄糖代謝異常是腫瘤細胞代謝最突出的特點,腫瘤細胞有氧糖酵解能力是正常細胞的20~30倍。與腫瘤細胞一樣,腫瘤血管內皮細胞比正常的內皮細胞更依賴于糖酵解來產生ATP,表現出高糖酵解表型,其作用機制可能與葡萄糖轉運蛋白GLUTI和糖酵解代謝酶PFKFB3的表達增加有關。腫瘤微環境低氧和促炎性細胞因子都會上調PFKFB31。此外,與正常內皮細胞相比,腫瘤微環境中的內皮細胞會激活磷酸戊糖和絲氨酸生物合成途徑,用于核苷酸的合成。針對以上特點,有研究證明可以通過抑制PFKFB3降低腫瘤微環境中內皮細胞的糖酵解以阻止腫瘤細胞的增殖,PFKFB3的小分子抑制劑3-(3-pyridinyl-1-4pyridiny)-2-propen-l-one(3-PO)能劑量依賴地抑制中皮細胞糖酵解;低劑量的3-PO使腫瘤附近的血管趨向于正常化,高劑量的3-PO則會抑制內皮細胞增殖影響血管的完整性,從而干擾腫瘤的生長。值得關注的是,這種治療策略的目的是將腫瘤微環境中內皮細胞的糖酵解降低到正常內皮細胞水平,而不是將其降低過多或完全消除糖酵解通量。因為過量降低內皮細胞糖酵解水平會誘導內皮細胞死亡,導致血管結構的完整性受損,從而促進腫瘤細胞的逃逸和轉移。

盡管糖酵解至關重要,但腫瘤微環境中的內皮細胞仍然保留了線粒體的基本功能。線粒體氧化磷酸化不但能夠增加細胞利用其他營養物質產生能量的靈活性,而且還提供用于生物合成的代謝產物以支持細胞增殖,這對于過度增殖的腫瘤微環境中的內皮細胞尤為重要。目前鮮有報道腫瘤微環境中內皮細胞的磷酸戊糖途徑、己糖胺合成途徑以及多元醇途徑是否發生改變,還有待深入研究。

2、氨基酸代謝異常

谷氨酰胺對于腫瘤內皮細胞的存活及血管新生過程具有重要作用,但其主要是促進腫瘤內皮細胞的增殖而非遷移。與腫瘤細胞不同,補充抗氧化劑或三羧酸循環(TCA)中間代謝物無法彌補正常內皮細胞在谷氨酰胺饑餓時受到的增殖抑制,而這意味著腫瘤微環境中的內皮細胞可能以不同方式更加依賴于利用谷氨酰胺代謝通路。有研究發現腫瘤微環境中的血管內皮細胞可以利用谷氨酰胺進行多胺類化合物的合成;內皮細胞中26%的鳥氨酸來源于谷氨酰胺,而鳥氨酸正是多胺合成重要的前體物質。同時,谷氨酰胺對于精氨酸的合成也至關重要。有研究發現,額外添加精氨酸對于內皮細胞克服谷氨胺缺失有重要作用。

3、脂肪酸代謝

增殖的內皮細胞可利用脂肪酸來維持TCA循環,支持內皮細胞在增殖過程中從頭合成核苷酸。有研究發現,敲除內皮細胞中的脂肪酸氧化關鍵限速酶CPTIA并不會導致內皮細胞的能量缺乏,也不會破壞其氧化還原穩態,而是會阻礙核苷酸從頭合成,進而抑制DNA復制。通過同位素標記實驗發現,脂肪酸可以進入TAC循環,通過合成天冬氨酸和尿苷酸參與DNA合成。敲除CPTIA并阻斷這一過程能降低內皮細胞的天冬氨酸及脫氧核糖核苷三磷酸(dNTP)儲備,抑制病理性血管增生。此外,還有研究表明抑制脂肪酸合成也會抑制腫瘤血管新生。靶向脂肪酸合酶FASN的奧利司他可以通過減少內皮細胞脂肪酸合成、降低內皮細胞遷移能力以及減緩內皮細胞的增殖來發揮抗血管生成的效應 。以上證據提示,內皮細胞脂肪酸代謝阻斷劑可通過抑制腫瘤血管新生而抑制腫瘤生長和轉移。同時,有研究發現,抑制內皮細胞表面的脂肪酸轉位酶(FAT/CD36)的功能也可有效抑制血管新生,提示通過多種手段干預脂肪酸在內皮細胞的轉運或代謝都能有效抑制血管新生,具有潛在的抗腫瘤作用。

六、腫瘤微環境與腫瘤血管生成

腫瘤微環境是一個動態的網絡,它由多種類型的細胞(如腫瘤細胞、內皮細胞、成纖維細胞、免疫細胞和周細胞等)以及細胞外成分(如細胞因子、生長因子和細胞外基質等)組成。腫瘤微環境對腫瘤發展的影響日益引人注目。另一方面,腫瘤血管生成是實體腫瘤生長、浸洞和轉移的重要標志,越來越多的研究表明其與腫瘤微環境密切相關。因此,充分了解腫瘤微環境對腫瘤血管生成的影響,對于抗腫瘤藥物研發具有重要意義。

內皮細胞與腫瘤血管生成

腫瘤相關的內皮細胞(TAEC)主要來源于3種方式:一是在腫瘤微血管基礎上,血管內皮細胞通過“芽生”的方式遷移并增殖而來;二是血管內皮細胞的前體細胞遷移到腫瘤內,在血管生成相關的細胞因子刺激下分化成內皮細胞;三是在特定的微環境中,腫瘤干細胞可定向分化為內皮祖細胞或內皮細胞參與腫瘤血管生成。腫瘤血管是由內皮細胞和腫瘤細胞襯于血管腔內形成的復合體。腫瘤血管生成與血管內皮細胞的分裂和增殖有關,也與血管內皮細胞向腫瘤組織內部遷移密切相關。目前,許多血管內皮細胞的標志物如CD31、CD34、血管內皮細胞生長因子受體(VEGFR)Tie-2等已經被用來評估血管生成,并成為抗血管生成治療的主要靶點。

腫瘤血管內皮細胞與正常血管內皮細胞在生長因子受體、信號轉導分子、黏附分子,以及細胞活性相關分子的表達上具有明顯差異。其中,TAEC與腫瘤血管生成更為密切,這是因為內皮細胞表面具有酪氨酸激酶活性的Tie-2受體及VEGFR與腫瘤血管生成密切相關。Tie-2受體的配體是促血管生成素1(Angl )Ang2,主要調節內皮細胞和周圍間質的相互作用;;VEGFR的配體是血管內皮細胞生長因子(VEGF),主要調節內皮細胞的增殖和遷移。

另外,腫瘤細胞和內皮細胞直接相互作用,通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)Notch等信號通路,促進腫瘤血管生成。Notch信號通路參與血管形成中的多個步驟,如頂端細胞的分化、內皮細胞的增殖,以及成熟血管結構的形成等。此外,內皮細胞和腫瘤細胞通過E-選擇素和配體唾液酸化的路易斯寡糖X的相互作用,促進腫瘤血管生成。

免疫細胞與腫瘤血管生成

1、T淋巴細胞

T細胞按CD4和CD8表型,分為CD4+和CD8+T細胞。CD4+T細胞依據其分泌的不同細胞因子,又分成輔助性T細胞(Th1)Th2、Th17和調節性T細胞(Treg)等。

實體瘤中常浸潤著大量的免疫細胞。當腫瘤進展到一定程度,其免疫微環境處于抑制狀態。 Th1細胞分泌的γ-干擾素(IFN-γ)是一種抗血管生成的細胞因子。Treg細胞可以直接釋放VEGF和堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)等,從而誘導血管生成;也可以分泌一些細胞因子如IL-6和IL-17等,通過STAT3轉錄因子,間接誘導VEGF和bFGF生成,從而促進腫瘤血管生成。

2、樹突狀細胞(DC)

DC是機體功能最強大的一類抗原提呈細胞,具有攝取、處理和提呈抗原等作用,在抗腫瘤免疫應答中發揮重要作用。腫瘤在快速生長過程中,會持續外泌VEGF、轉化生長因子B (TGF-B).

IL-6. CXC趨化因子配體8 (CXC chemokine ligand 8,CXCL8)、前列腺素E2 (prostaglandin E2, PGE2)、乳酸和骨橋蛋白等細胞因子,抑制腫瘤組織內DC的成熟,促進血管生成。

腫瘤微環境能明顯影響DC的功能及其表面標志蛋白的表達,導致腫瘤浸潤性DC不能有效遞呈抗原并激活T細胞。

3、肥大細胞(MC)

MC根據其細胞質中蛋白酶的不同,分為MCT和MCTC兩個亞群。MCT型含有類胰蛋白酶;MCTC型除含有類胰蛋白酶外,還含有類糜蛋白酶。類胰蛋白酶和類糜蛋白酶直接作用于內皮細胞,或間接作用于細胞外基質,從而誘導腫瘤血管生成。其中,類胰蛋白酶幾乎是專一性地由MC外泌,因此常被作為MC及其活化的特異性標志。在腫瘤形成的早期階段,MC蛋白酶可誘導血管生成,而在腫瘤晚期其可以調控血管生長。在研究MCT亞群對胰腺癌生長的影響時發現,MCT可通過MCT/Ang1/Tie-2/MAPK信號通路,促內皮細胞的增殖和血管生成。類胰蛋白酶促腫瘤血管生成的環節可能是,先促進細胞外基質降解,以及內皮細胞增殖和遷移,然后誘導內皮細胞形成管腔樣結構。

MC通過多種途徑誘發和促進血管生成。MC可產生多種促血管生成因子,如VEGF、TGF-β、IL-8、bFGF、

MMPs、TNF-α、IL-18、組胺、絲氨酸蛋白酶和神經生長因子,它們可調控血管內皮細胞的生長和遷移。另外,MC可釋放趨化因子,促使單核巨噬細胞和淋巴細胞在癌巢周圍募集,發揮促血管生成作用。因此,MC能促進腫瘤血管生成,成為腫瘤抗血管生成治療的一個重要靶點。

4、巨噬細胞

腫瘤間質中的巨噬細胞稱為腫瘤相關巨噬細胞(TAM)。目前公認,CD163是TAM的特異性分子標志物。已有研究報道,在胃癌、結腸癌和乳腺癌等腫瘤組織中,TAM可促進腫瘤血管生成。

TAM釋放多種促血管生成因子,如TNF-α、VEGF、bFGF、血小板衍生生長因子(PDGF)、肝細胞生長因子(HGF)、趨化因子、胸苷磷酸化酶、腎上腺髓質素(ADM),、Semaphorin 4D(Sema4D)、炎性細胞因子和MMPS等。

在炎性因子的刺激下,TAM衍生的ADM可誘導內皮型一氧化氮合酶,在血管內皮細胞中通過旁分泌作用促進血管生成。有效去除TAM后,發現血管生成因子表達水平和MVD均明顯降低,證明抗TAM治療具有良好的抗腫館血管生成效果。

成纖維細胞與腫瘤血管生成

腫痛相關成纖維細胞(CAF)是腫瘤微環境中最常見的間質細胞類型,它可以分泌及釋放多種促血管生成因子,如VEGF、 bFGF、PDGF、TGF-β 、IL、表皮生長因子受體或配休(ErbB家族)和集落刺激因子等,促進腫瘤的血管生成。

周細胞與腫瘤血管生成

周細胞為血管提供結構支持,并在血管新生和維持血管穩定中發揮重要作用。周細胞與內皮細胞在解剖結構上關系密切,它們相互作用對微血管的發生、發展、穩定、成熟和重塑至關重要。相關的信號通路包括PDGF-B/PDGF-B受體(PDGF-B ,PDGFR-B)TGF-B/間變性淋巴激酶1(ALK1)-ALK5、Ang/Tie-2 Notch通路、音猬因子(Shh)/Patched (Ptc)通路、人肝素結合性表皮生長因子/ErbBs和SDF-1a/CXCR4。通過這些信號通路,周細胞與內細胞之間的信號轉導得以加強。因此,周細胞及相關的信號通路可作為抗腫瘤血管生成的重要靶點,為抗腫增

管生成治療提供了新的方向。

低氧導致腫瘤產生一系列細胞信號分子,干擾周細和內皮細胞之間的穩定連接,使新生血管的通透性增加。毛細血管出芽再生過程包括內皮細胞和周細胞的協同生長,而不僅僅是內皮管腔的延伸,周細胞也能單獨啟動血管生成。所以,應聯合周細胞和內皮細胞的靶向治療,更好地抑制腫瘤血管生成。

細胞外基質與腫瘤血管生成

細胞外基質是由細胞合成并分泌到細胞外的高度水合性纖維三維大分子網絡凝膠結構,可大致歸納為4類:膠原、非膠原糖蛋白、氨基聚糖與蛋白聚糖、彈性蛋白。

蛋白多糖(PG)是細胞外基質中主要的非膠原糖蛋白成分。PG通過與細胞表面受體結合或與多種血管生成因子相互作用,促進或抑制腫瘤血管生成。 Syndecan-1是跨膜硫酸類肝素蛋白聚糖家族的一個成員,其通過核心蛋白跨膜區定位于細胞膜。Syndecan-1通過VEGFR2、整合素αγβ3、血管內皮型鈣黏蛋白(VE-cadherin)的參與,與IGF-1受體相互作用,促進血管生成:Syndecan-1還通過FGF2和VEGF-VEGFR2信號,促進血管生成。含sushi重復蛋白X連鎖2 (SRPX2)是一種新發現的硫酸軟骨素蛋白多糖,其可以促進HUVEC的體外增殖、遷移和管腔形成,從而發揮促血管生成的作用。在血管內皮細胞中,SRPX2可通過與尿激酶型纖溶酶原激活物間的相互作用,調節內皮細胞遷移和管腔形成能力,促進血管生成過程。Lumican屬于小富亮氨酸蛋白多糖家族,通過抑制整合素αγβ3、p38、MAPK活性和MMIP-14表達,抑制內皮細胞遷移和管腔形成,同時激話Fas通路,誘導內皮細胞凋亡,從而抑制腫瘤血管生成。

整合素是內皮細胞和細胞外基質的橋梁。MMPs降解基膜糖蛋白及細胞外基質成分后,內皮細胞激活,整合素分子和配體相結合;大多數整合素家族成員的配體是細胞外基成分,如層黏連蛋白(LN)和纖黏連蛋白等;整合素將細胞內外的信號轉導聯系起來,參與內皮細胞的激活、遷移和增殖,并抑制內皮細胞調亡;而且整合素與多種細胞因子相互作用,最終促進新生血管的成熟和穩定。

血管生成擬態與腫瘤血管生成

腫瘤血管生成擬態是指腫瘤細胞模擬機體血管生成,先形成腫瘤細胞條索,進而形成輸送血液的管道,是腫瘤組織不依賴血管內皮細胞而獲得血液供應的一種新方式。

腫瘤血管生成擬態的形成與腫瘤微環境、腫瘤細胞基因型的轉化、多條信號通路和調控因子有關。經典的信號通路包括VE-cadherin/EphA2/PI3K/MMPS/LN-5 γ2、VEGF-A/VEGFR1/PI3K/Akt/蛋白激酶Ca(PKCa)和整合素信號通路,可促進腫瘤血管生成擬態的形成。Notch和Nodal信號通路相互作用也可以調節腫瘤血管生成擬態形成。

其他影響因素如PGE2/上皮祖細胞蛋白1 (EP1)/PKC路、JAK/STAT通路、CXCR4/Akt/EMT通路、COX-2、caspase 3和遷移誘導蛋白,也可促進腫瘤血管生成擬態形成。而環磷酸腺苷(cAMP) 一方面通過激Epac/Rap1,抑制PI3K/Akt信號通路,并使ERK1/2激活,從而抑制腫瘤血管生成擬態形成;另一方面通過Notch4,使Noda1表達增加,促進腫瘤血管生成擬態形成。然而,cAMP對腫瘤血管生成擬態總的效應是促進還是抑制,尚需要進一步研究探討。

腫瘤血管生成擬態現象部分解釋了抗血管生成治瘤療效不佳的原因,并為抗腫瘤血管生成策略的改變提取了新的理論依據。可以肯定的是,針對腫瘤血管和腫管生成擬態進行聯合治療,能更好地干預腫瘤血管生成。

神經遞質與腫瘤血管生成

腫瘤微環境中的神經信號與血管生成之間有著密切聯系。許多腫瘤細胞上存在著自主神經受體,尤其是交感神經受體異常分布。研究表明,神經遞質(兒茶酚胺、多巴胺等)與腫瘤血管生成有密切關系。

多巴胺(DA)是兒茶酚胺類神經遞質,可以通過DAD2受體誘導細胞發生VEGFR-2受體內吞,從而顯著抑制血管通透性因子(VPF) /VEGF誘導的血管生成。DA也可以降低VEGF-A誘導的細胞外信號ERK1/2磷酸化。總之, DA和DAD2受體激動劑可以抑制VEGF誘導的內皮細胞增殖,以及骨髓間充質干細胞和內皮祖細胞遷移,從而抑制腫瘤血管生成。在血管內皮細胞中,5-羥色胺(5-HT)通過活化其受體5-HTR1和5-HTR2,激活p70核糖體蛋白S6激酶、ERK和Src/PI3K/Akt/mTOR信號通路,從而促進腫瘤血管生成。

七、腫瘤微環境與腫瘤干細胞

腫瘤干細胞(CSC)是腫瘤中具有自我更新能力并能產生異質性腫瘤細胞的細胞。

腫瘤干細胞對腫瘤的存活、增殖、轉移及復發有著重要作用。從本質上講,腫瘤干細胞通過自我更新和無限增殖維持著腫瘤細胞群的生命力;腫瘤干細胞的運動和遷徙能力又使腫瘤細胞的轉移成為可能;腫瘤干細胞可以長時間處于休眠狀態并具有多種耐藥分子而對殺傷腫瘤細胞的外界理化因素不敏感,因此腫瘤往往在常規腫瘤治療方法消滅大部分普通腫瘤細胞后一段時間復發。

傳統觀念認為,腫瘤是由體細胞突變而成,每個腫瘤細胞都可以無限制地生長。但這無法解釋腫瘤細胞似乎具有無限的生命力以及并非所有腫瘤細胞都能無限制生長的現象。腫瘤細胞生長、轉移和復發的特點與干細胞的基本特性十分相似,因此,有學者提出腫瘤干細胞(CSC)的理論。這一理論為我們重新認識腫瘤的起源和本質,以及臨床腫瘤治療提供了新的方向和視覺角度。

腫瘤干細胞的特性

1、極強的致瘤能力

CSC數目極其稀少,成瘤能力較普通腫瘤細胞大數百倍以上,是腫瘤發生、發展與維持的基礎。

2、自我更新并多向分化

CSC具備自我更新與多向分化能力。

3、CSC與成體干細胞

腫瘤細胞突變最早發生于干細胞:干細胞與CSC具有無限增殖相似的生物學特性,只需突變獲得過度增殖能力, 就可以轉化成為腫瘤;干細胞比分化細胞周期性更新快,壽命長,突變更容易累積。干細胞是突變的靶。

4、干細胞與CSC有相似的生長調控機制

Wnt、SHH、Notch途徑,也往往調控干細胞的生長分化,提示機體一生中細胞的生長分化由相似的生長調控機制調節,其異常可引起細胞過度增殖,導致腫瘤。CSC與干細胞有相同的起源。

5、自我更新信號傳導途徑的負反饋機制已破壞。

6、缺乏分化成熟的能力。

7、腫瘤干細胞分裂與分化處于失控狀態,并通過不斷自我更新與分化,最終產生大量的腫瘤細胞,維持著腫瘤的生長與異質性,具有高度的抵抗力和轉移性。

腫瘤微環境與腫瘤干細胞

腫瘤微環境在腫瘤自我更新、多向分化、持續存活及轉移中都發揮要作用,腫瘤干細胞是腫瘤復發和轉移的根源。乏氧、低pH、腫瘤血管等腫瘤微環境對腫瘤干細胞的干性維持和促進腫瘤浸潤轉移有重要作用。

與正常組織不同,腫瘤微環境有炎細胞浸潤、血管密度增加、結締組織增多、細胞外基質成分改變以及出現了活化的成纖維細胞等諸多改變。這些變化促進腫瘤微環境從不同方面影響腫瘤細胞的生物學行為,進而對腫瘤產生促進或抑制作用。腫瘤微環境具有多種反饋控制機制,一旦某種不利環境發生,這種微環境會反饋形成多條互補或可替代的代謝途徑,當某條通路受到抑制時,相似的通路會迅速補充。

另外,腫瘤微環境具有低氧、低pH、高壓、富含大量生長因子等特點,調控著腫瘤的復發、轉移等多種生物學行為。靶向"CSC巢”可能代表一種新的治療策略,認識腫瘤微環境從而針對腫瘤微環境進行治有望提高腫瘤治愈率。

八、結語

腫瘤的生長和腫瘤血管生成是一個極其復雜的過程,涉及腫瘤的自身特點及其所處的機體環境和微環境,與腫瘤血管生成、血管內皮細胞代謝、腫瘤干細胞等多種因素和多種途徑及其相互作用密切相關。針對腫瘤生長和腫瘤血管生成機制,探索開發多靶點抗腫瘤藥物,對于腫瘤治療具有重要意義。

 

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