血管穩定對于腫瘤生長和轉移過程的重要意義

Suleyman Erguna,*, Derya Tilkia, Leticia Oliveira-Ferrera,Gunter Schuchb, Nerbil Kilicb

Received 11 June 2005; accepted 23 June 2005

摘要：本小型綜述重點突出了血管穩定化的作用，而血管穩定化顯然是由于隸屬于促

血管生成類和抗血管生成類因子介導的。眾所周之，血管形成素－1具有促血管生成的特性，而內皮抑素起到抗血管生成的作用。但這兩種在試驗腫瘤模型中都具有抑制腫瘤生長的作用。它們作用機理的共同點就是它們都是對血管穩定性和血管滲透性起作用的重要因素，它們不僅對腫瘤的血管生成作用，而且通常也對組織血管生成作用具有極重要的影響。血管形成素－1 和內皮抑素都減少了血管滲透能力，而促進了血管穩定過程。在腫瘤的實驗性的治療中，采用如內皮抑素這類血管生成拮抗劑，顯著提高了血管穩定作用。它們抑制了腫瘤生長和可能出現的腫瘤轉移。對致力于腫瘤血管化作用和抗腫瘤血管生成治療的科學家來說，了解血管穩定作用的時間和空間過程是及其重要的挑戰。

1. 引言

腫瘤血管系統的一個基本的特性就是缺少血管體系，這表明發生在正常血管發展過程中的形態學的再塑性過程在腫瘤的血管發生中或是受損的或是沒有發生[1-3]。生理條件下以及腫瘤的組織血管化作用是由血管發生和/或血管發生引起的。從已存在的血管上萌芽出新的血管定義為血管發生[4，5]，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[6-8]。

新生血管發展整個復雜過程中的主要步驟包括內皮細胞的遷移和增殖過程以及毛細血管的形成[9]。隨后的基底膜的發生和內皮周細胞，毛細血管周細胞和大血管的平滑肌細胞整合入血管壁都是導致血管成熟的血管再塑性過程中的基本步驟[1，10-12]。這個成熟過程的結束是由小血管和大血管形成，可以滿足例如形成流體靜力壓、血管滲透能力和組織灌注率等功能需要的血管體系的形成。目前血管發生研究的注意力主要集中于內皮細胞的遷徙、增殖和毛細血管的形成。相應的腫瘤抗血管生成治療也主要針對內皮細胞的這些特性。然而，血管壁的結構穩定作用的機制目前我們了解甚少，但是在最近幾年中已經成為血管研究中的非常重要的熱點[1-3，11，13-18]。對血管穩定作用是否影響和怎樣影響腫瘤生長和轉移這個問題就更知之甚少。此外，對于像腫瘤、糖尿病、黃斑變性、各種血管畸形、炎癥和局部缺血組織的最終血管再通這些一系列以血管異常為主要特征疾病，血管穩定過程的調節看起來都是重要的。

2. 腫瘤組織中的血管穩定和血管成熟

正常的一個成熟血管床由分化后的大血管和微血管等血管組成，這包括動脈、靜脈、小動脈、小靜脈和末端毛細血管。除了被腫瘤侵犯包含的已存在的血管外，不管是惡性腫瘤還是良性腫瘤中，這樣一種已分化的血管床都沒有存在腫瘤中[1，3，19]。“血管成熟”、“血管穩定”或“血管正�；�”這些術語既用于不同的也用于同樣的血管結構狀態。由McDonald和其同事進行的詳細研究證明大部分腫瘤血管系統已經存在基底膜和內皮周細胞。由于缺乏進一步分化和周細胞的規則地整合進入血管壁和血管壁成分的重排，腫瘤血管系統的基底膜和內皮周細胞仍然保持結構的不成熟[11，13]。此外，與正常血管系統相比，腫瘤血管系統也存在結構的不正常。因而，在一些最近的出版物中并不贊成在“正�；�”這個概念使用中把血管穩定和血管成熟分開使用。特別必要的是在此領域要避免這一概念的進一步混淆。因而，我們建議使用“血管成熟”定義為大血管和微血管的正確分化為血管床的過程，而新血管完成由或多或少的內皮間結構、基底膜和一層內皮周細胞的結構狀態稱之為“血管穩定作用”。血管穩定作用是成熟過程中的一步，但是這一階段中血管依然需要幾步重新塑形的步驟才能成熟。不過，腫瘤的一部分血管能夠明顯地達到血管形態發生階段，但是不能進入進一步的血管成熟階段。因而，區分這些過程不僅僅是一個技術問題，更進一步意義上說，這對更好地理解腫瘤血管生物特性和腫瘤抗血管生成治療都是非常重要的。

3. 血管穩定和腫瘤生長

通常大家認為，腫瘤血管是不穩定的和不正常滲漏的[19，20]。大分子的外滲提供了一種基質擴大了血管芽苞的形成的可能[19]。許多出版物也認為腫瘤血管床是由不同形態發生血管結構組成。無論是哪種類型的腫瘤，腫瘤組織中的腫瘤血管基本上存在三種類型：

（1）僅由內細胞無或僅存在未充分形成的基底膜，但沒有整合內皮周細胞形成的

新生血管芽苞（圖1A）。

（2）固定在部分形成的基底膜和部分排列的內皮周細胞上由內皮細胞排列成的毛細血管（圖1B）和（3）毛細血管（圖1C）和具有基底膜及其固定在上面的內皮細胞和內皮周細胞或少量整合了少量平滑肌細胞的較大直徑的血管（圖1D）。只有最后一種的血管結構被認為是穩定的。哪一種血管類型在腫瘤中占統治地位顯然依賴腫瘤內的微環境。然而，我們要說明的是在人Leydig（睪丸間質細胞）細胞腫瘤，盡管存在非常高的血管密度，這種非常低度惡性腫瘤的大部分血管是穩定的[16]。根據這些數據，我們假定血管穩定可能不利于腫瘤的生長和轉移。在一個腫瘤中調控血管的過程如此復雜，使得研究腫瘤組織中調節血管穩定的分子機制是困難的。過去4-5 年中的數據的累積增加這一問題顯著性的關注[11，14，21，22]。相應的，我們把近來在抗血管生成治療下腫瘤血管的部分正�；�稱作“正�；�”[2，15]。這引起這樣的假設，抗腫瘤血管生成治療可能會打開改善放療和化療效果上的一個“治療窗口”[2，15]。我們顯示了血管形成抑制劑內皮抑素穩定了新血管芽苞，猜測這將會使新血管從生成血管向靜止的表型轉換（圖2A，B）。另一方面，血管形成素－1（Ang1）的過表達，通過整合內皮周細胞進入血管壁和顯示促血管生成特性作為新初生血管的重新塑形和穩定的基本因素，抑制了腫瘤的生長而不是促進它的生長[22]。近來研究發現的那些被強調的數據顯示，一種能夠結合血管形成素－1 位點的包含孤立纖維蛋白素原樣受體的切去頂端的血管形成素－1 變異單體和血管形成素－1，均能穩定血管，避免異常的血管滲漏和降低血管密度[23]。血管形成素－1 和內皮抑素的共同點看起來都能重新塑造和穩定新生血管，而它們的差異在于如內皮細胞的遷移和管腔的形成等中發揮不同的功能。內皮抑素阻斷了內皮細胞的遷移，減少了血管內皮細胞生長因子誘導的內皮管腔的形成[14]，而血管形成素－1 則是都增強這些作用[24，25]。血管穩定影響到血管滲透性和血流的功能。血管形成素－1 阻斷了血管內皮細胞生長因子誘導的血管滲漏[26]。我們目前的數據顯示內皮抑素通過穩定血管壁（Nomi and Schuch 等，待發手稿）阻止了血管內皮細胞生長因子和凝血酶原激活因子介導和腫瘤誘導的異常血管滲漏。對抗血管內皮細胞生長因子或凝血酶原激活因子，內皮抑素保護了內皮細胞間的連接和基底膜以及在內皮細胞和內皮周細胞間的直接接觸。我們最近的證據顯示的治療中應用的內皮抑素明顯地集聚在腫瘤血管壁內，在正常組織中卻沒有集聚[27]這表明了內皮抑素在新生血管結構調整中的作用。另有發現支持這一觀點，通過減少血管通透性過高，內皮抑素顯示可以阻斷血管內皮細胞生長因子誘導的視網膜剝離[28]。更有近來的研究證據支持這一點，缺乏內皮抑素前體物質-膠原18 的人工破壞特定基因的鼠表現出升高的血管滲透性或血管滲漏[29]。顯然，血管形成素－1 和內皮抑素協同作用于血管壁的穩定和減少血管滲漏。最終，這兩種因子遏制了試驗腫瘤的的腫瘤生長和轉移[22，30]。近來一篇文章顯示了血管滲漏對腫瘤生長的重要性�？赡苁怯捎诜�定了內皮屏障，通過一種影響一氧化氮合酶的因子-Cavtratin（凱綽琳），從而阻斷了血管通透性過高，減少了活體內腫瘤的生長。但這又提出了一個問題是不是血管穩定是抗血管生成和抗腫瘤血管生成的本質？如果答案是，血管穩定又怎樣抑制了腫瘤生長？稍微違反直覺的考慮一下，正如我們所顯示的內皮抑素這些現有證據表明，血管穩定可能是逆轉腫瘤誘導的異常血管滲漏和減少血管生成潛能的關鍵(Nomi and Schuch 等, 待發手稿) [14]。對不同試驗和人類的形態學評價揭示腫瘤血管的穩定改變了與血管相關的腫瘤細胞的結構以及伴隨的腫瘤壞死的增加。在腫瘤的邊緣區域，腫瘤細胞群被一團高密度的未穩定血管網絡包圍（圖3A），這里沒有看到壞死區域。與此相反，在那些部分穩定血管系統的腫瘤區域，只有包圍穩定血管周圍5－9 層腫瘤細胞呈圓筒狀存活，而遠離這些區域的腫瘤細胞則壞死（圖3B，C）。由這樣穩定的大直徑血管分枝的小血管則發現退化了（圖3D）。有趣的是，這樣有穩定血管和腫瘤壞死的區域大部分發現在惡性腫瘤的中心而在象睪丸間質細胞瘤或良性前列腺異常增生中則沒有發現。在幾個實驗性腫瘤中，我們觀察在內皮抑素抗腫瘤血管生成的治療下到從腫瘤中心向腫瘤邊緣區域顯著的具有穩定血管和腫瘤壞死的區域，重點指出了在血管生成抑制、血管穩定和腫瘤抑制的潛在關系。

圖1 腫瘤血管穩定性的超微結構（A）一個不穩定的腫瘤邊緣區域的血管由內皮細胞（EC）和形成的部分基底膜（箭頭）組成。在血管形成的這一時期看不到內皮細胞之間的特異連接區。（B）一個腫瘤邊緣區域部分穩定的的血管由血管由形成基底膜的內皮細胞和圍內皮細胞（PEC）組成。（C）在腫瘤中心區域的穩定的血管顯示了內皮細胞間的連接（箭號）和基底膜（箭頭），其中內皮細胞（EC）和圍內皮細胞（PEC）都存在。（D）腫瘤中心區域的大血管的血管壁結構由具有內皮細胞間連接（箭號）的內皮細胞（EC）和一層緊密連接內皮細胞的平滑肌細胞（SMC）組成。Er：紅細胞。

圖2 內皮抑素的血管穩定作用（依據[14]）（A）在新生血管壁可以檢測到內皮抑素（ES）的增加。（B）內皮抑素定位于內皮細胞間連接和血管壁的基底膜的透明板區域的超微結構。這一假說認為內皮抑素作用于新血管的穩定，使它們從血管生成向休眠表型的轉換。這一過程會減少血管生成和血管滲漏的活性。

圖3 腫瘤組織內的血管穩定作用。（A）腫瘤邊緣區域的腫瘤細胞群是由圍繞在腫瘤細胞群落（虛線）周圍的致密毛細血管網（箭號）來提供營養。（B）在腫瘤中心，遠離穩定血管的腫瘤細胞可以見到大量壞死，只有那些緊密靠近穩定血管周圍的腫瘤細胞才能形成組織。（C）這一區域高倍鏡下觀，只有穩定血管（*）周圍的5-9 排腫瘤細胞（虛線）可以健康存活，這一區域以外的腫瘤細胞發生了壞死。（D）這一區域顯示了從穩定血管（*）分支出來的小的退化血管（箭號）。

4. 血管穩定與血管灌注

基于這些觀察，我們假定血管穩定不僅改變了腫瘤組織的血管滲透性，也改變了腫瘤組織的血管灌注和血流。使用活體顯微鏡檢查實驗性腫瘤新生血管形成的功能性觀察中表明腫瘤血管連續地達到一種穩定態。在這樣有大直徑腫瘤血管，血流和組織灌注顯著得提高和使大血管更大同時伴隨著小血管的退縮[32]。因此，我們認為穩定化血管的優先灌注導致了未穩定血管的灌注不足。這將隨后導致未穩定血管周圍腫瘤組織的血供不足從而導致腫瘤壞死（圖4）。另外，因為未穩定血管的功能缺失，它們的灌注不足可能會導致它們的退化。這又將促進腫瘤的進一步壞死。傷口愈合的研究證據也支持這一點，因為在內皮抑素治療下瓦解的血管的數目顯著增加而沒有耽擱傷口的愈合[33]。從這些討論的數據中我們可以得到這樣的假設，血管穩定作用可能起到了抗血管生成和抗癌的本質，而本質上沒有正常組織的血管。因為血管建立了對抗腫瘤細胞通過的屏障，血管穩定作用也可能通過血管壁減少了腫瘤的轉移潛力。此外，正如R. Jain[2]所說，血管穩定可能提高了如化療或放療這些確定的治療過程的效果，可能會打開“治療的窗口”。

圖4 血管穩定與腫瘤生長的關系。在抗血管生成藥物如內皮抑素治療下，可以看到在血管壁中緊緊排列有圍內皮細胞（PEC）的穩定腫瘤血管大部分存生在腫瘤中心但是顯著延伸到邊緣區域。這伴隨著引人注目的血管退縮部分從而導致了明顯地血管密度的減少。這一過程顯著改變了腫瘤組織的灌注。在具有不穩定血管的腫瘤邊緣，如箭號所示的整個血管床來提供灌注。而與此相反，在不穩定血管不斷功能喪失和遭受退化時，具有大部分穩定血管的腫瘤中心是由穩定血管來提供血液循環。這可能會導致腫瘤組織的進一步壞死。綠色：內皮細胞內層，灰色：血管基底膜。

5. 結論

總之，把非穩定的血管轉變成穩定血管以及直接針對新生血管芽孢的治療策略的建立可能是抗癌治療的新途徑。仍然需要進一步的工作來了解血管穩定與失去穩定的機理和它們影響腫瘤生長和轉移的作用。另外，研究由于腫瘤細胞誘導的潛在補償機制也是必要的。對這些過程的進一步認識將幫助我們提高抗腫瘤血管生成治療的療效。