肿瘤血管生成
肿瘤血管生成• 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(Rudolf Steiner) ,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。
• 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。
In 1971 Folkman published a seminal paper in the New England Journal of Medicine, proposing the hypothesis that all tumor growth is angiogenesis-dependent. This founded the field of angiogenesis research and opened a field of investigation now pursued by scientists in many fields worldwide. Folkman's laboratory purified the first angiogenic protein from a tumor, discovered the first angiogenesis inhibitors and initiated clinical trials of antiangiogenic therapy. Today, angiogenesis inhibitors have received FDA approval in the U.S. for cancer and for the treatment of macular degeneration and are also approved in 27 other countries. Largely because of Folkman's research, the possibility of antiangiogenic therapy is now on a firm scientific foundation, not only in the treatment of cancer, but of many non-neoplastic diseases as well
DNA 双螺旋结构的发现人之一,诺贝尔奖获得者沃森(Wat son)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
• Folkman J . Tumor angiogenesis : Therapeutic implication. N Engl J
• Med ,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(chickchorioallantoic membrane ,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(Walt son) 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( therapeutic angiogenesis) 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
• 1 VEGF 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V EGF 基因的反义寡核苷酸AS23 (V EGF 基因的cDNA) 行腹膜内注射(10 mg ·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。
• 2 VEGF 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14 d 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. 3 VEGF Trap VEGF Trap 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。VEGF Trap 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100～1 000 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Ⅲ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”( tumor microvasculararchitecture phenotype, 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ＤＮＡ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胎发育等多种现象中发挥何种作用。“基因靶向”技术为阐明人类疾病的发生机理方面发挥了至关重要的作用。
抗肿瘤血管生成研究中有待解决的主要问题
首先，肿瘤的血管生成是一个涉及多种细胞，多种生物因子和多个环节的病理生理过程。在此过程中，细胞－细胞、细胞－因子、因子－因子相互作用、相互调控，构成一个复杂的生长调控网络。因此，干扰肿瘤血管生成任何一个单一因子或阻断肿瘤血管生成过程的任何一个环节可能都难以取得满意的效果。
其次，虽然肿瘤的血管生成具有许多特殊性，但是肿瘤的血管生成与生理情况或组织损伤修复过程中的血管生成存在某些共同的因素和环节。然而目前抗肿瘤血管生成治疗药物所选择的目标因子大多数还不是肿瘤血管生成特异的，这些治疗药物的长期应用可能也会影响生理情况或组织损伤修复过程中的血管生成。因此，寻找肿瘤血管生成的特异靶点，发展肿瘤血管特异的抗血管生成药物是今后的重点研究方向。
第三，肿瘤的血管生成所涉及的分子机制可能因肿瘤细胞的性质、类型、起源和定位的不同而表现明显的差异。因此，无论采用非特异的抗血管生成药物或采用肿瘤特异的抗肿瘤血管生成药物，可能都难以对所有类型的肿瘤有效。因此，在抗肿瘤血管生成研究中需要考虑肿瘤的个性化问题。
第四，肿瘤的血管生成机制在一个未血管化的肿瘤和一个已经血管化的肿瘤可能是不同的。临床上所遇到的绝大多数肿瘤病人是后一种情况。目前抗肿瘤血管生成治疗在实验动物上大多都获得了很好的效果，而在临床肿瘤病人却疗效甚微，只能作为肿瘤的辅助治疗方法。其主要原因是：在动物实验中，抗肿瘤血管生成药物主要针对的是尚未血管化的肿瘤，而在临床病人，抗肿瘤血管生成药物所针对的大都是已经血管化的肿瘤。
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