肿瘤、微环境、血管生成、血管内皮细胞代谢与 抑制肿瘤生长和肿瘤血管生成研究概述
发布时间:2020-09-01 08:57:28 | 来源:【药物研发团队 2020-9-1】
肿瘤是指机体在各种致瘤因子作用下,局部组织细胞增生所形成的新生物,因为这种新生物多呈占位性块状突起,也称赘生物。研究发现,肿瘤细胞会出现不同于正常细胞的代谢变化,同时肿瘤细胞自身可通过糖酵解和氧化磷酸化之间的转换来适应代谢环境的改变。根据新生物的细胞特性及对机体的危害性程度,又将肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。恶性肿瘤可分为癌和肉瘤,癌是指来源于上皮组织的恶性肿瘤。肉瘤是指间叶组织,包括纤维结缔组织、脂肪、肌肉、脉管、骨和软骨组织等发生的恶性肿瘤。
在医学上,癌是指起源于上皮组织的恶性肿瘤,是恶性肿瘤中最常见的一类。相对应的,起源于间叶组织的恶性肿瘤统称为肉瘤。有少数恶性肿瘤不按上述原则命名,如肾母细胞瘤、恶性畸胎瘤等。一般人们所说的“癌症”习惯上泛指所有恶性肿瘤。癌症具有细胞分化和增殖异常、生长失去控制、浸润性和转移性等生物学特征,其发生是一个多因子、多步骤的复杂过程,分为致癌、促癌、演进三个过程。
肿瘤微环境是指肿瘤的发生、生长及转移与肿瘤细胞所处的内外环境有着密切关系,它不仅包括肿瘤所在组织的结构、功能和代谢,而且亦与肿瘤细胞自身的(核和胞质)内在环境有关。肿瘤细胞可以通过自分泌和旁分泌,改变和维持自身生存和发展的条件,促进肿瘤的生长和发展。全身和局部组织亦可通过代谢、分泌、免疫、结构和功能的改变,限制和影响肿瘤的发生和发展。
血管生成对恶性实体肿瘤的生长、转移乃至预后都有着极其重要的意义,是恶性实体肿瘤突破上皮基底膜后进一步生长所必须的。肿瘤中新形成的血管具有其自身独特的结构特点,表现为管壁不完整,无平滑肌成分,仅由有孔的内皮细胞和片状的基膜构成。多数学者认为,新生血管的结构特点使恶性肿瘤组织发生远处转移成为可能。因此,恶性实体肿瘤中新生血管的定量被认为是一种重要的独立的预后标志。
肿瘤微环境是一个动态的网络,它由多种类型的细胞(如肿瘤细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、免疫细胞和周细胞等)以及细胞外成分(如细胞因子、生长因子和细胞外基质等)组成,是以肿瘤细胞、内皮细胞、细胞外基质、免疫细胞、成纤维细胞等共同构成的肿瘤局部病理环境,诱导内皮细胞基因表达朝着有利于血管形成的方向发展,与肿瘤血管生成密切相关,可调节肿瘤血管的生成,影响肿瘤的生长和迁移。
肿瘤血管是肿瘤营养输送及肿瘤细胞逃逸的通道,肿瘤血管生成是实体肿瘤生长、浸润和转移极其重要的标志。抗肿瘤血管生成是一种全新的靶向治疗策略,可以最大限度地控制和杀灭肿瘤。与仅作用于肿瘤细胞增殖的药物不同,抗肿瘤血管生成药物通过与VEGF特异性结合,阻止其与受体相互作用,发挥对肿瘤血管的多种作用,使现有的肿瘤血管退化,从而切断肿瘤细胞生长所需氧气及其他营养物质;使存活的肿瘤血管正常化,降低肿瘤组织间压,改善药物向肿瘤组织内的传送,提高治疗效果;抑制肿瘤新生血管生成,从而持续抑制肿瘤细胞的生长和转移。
抗肿瘤药物是肿瘤治疗的重要手段。尽管抗细胞增殖药物可以杀死肿瘤细胞,但由于周围血管的支持,残存肿瘤细胞仍可获得血供而得以继续生长。同时,异常的肿瘤血管使药物向肿瘤组织内部递送减少,最终导致抗细胞增殖治疗的疗效受限。这使得人们重新思考新的肿瘤药物治疗策略,就是要从全局出发,不仅针对肿瘤细胞,更要针对肿瘤微环境,尤其是肿瘤血管生成,全方位地打击肿瘤。这就是全新的抑制肿瘤细胞增殖和抗肿瘤血管生成联合的治疗策略,简称“A+策略”。
显然,单一作用机制或单一作用靶点的抗肿瘤药物无法实现“A+策略”的目标,只有多靶点,特别是针对肿瘤生长和肿瘤血管生成关键靶点的驱动基因。
因此,深入研究肿瘤、肿瘤微环境、肿瘤血管生成、血管内皮细胞代谢与肿瘤发生、发展的关系,对于肿瘤诊疗及抗肿瘤药物开发具有重要意义。
一、肿瘤
(一)实体瘤和非实体瘤的区别
实体瘤和非实体瘤的区别在于:
1、肿瘤形态不同。实体瘤都会形成肿块,通过肉眼或者CT、磁共振等影像学检查方法可以看见。非实体瘤主要是造血系统肿瘤,其肿瘤细胞主要存在于血液循环中,肉眼或影像学检查不可见细胞,细胞涂片在显微镜下观察才可见,当肿瘤细胞侵犯骨头、淋巴结等部位时也可见到实体的病灶。
2、生长速度不同。实体瘤的生长速度慢于非实体瘤。
3、肿瘤分期方法不同。实体瘤的分期是根据肿瘤扩散的范围来分期,目前都采用国际上通用的TNM分期系统。非实体瘤不适合用TNM系统来分期,而且都不进行分期,只看血液中肿瘤细胞的比例。
4、治疗方法不同。实体瘤可采用手术、放疗、药物治疗以及免疫治疗、靶向治疗等方法,而非实体瘤以药物治疗为主,手术治疗几乎没有地位。
(二)癌细胞的生物学特征
癌细胞并非入侵的外族,它们与组成人体各个器官的正常细胞同文同种,但不同的是癌细胞基因结构和功能的变化赋予了它们特殊的生物学特征,使它们有别于人体正常细胞。癌细胞具有以下十大生物学特征:
1、生长信号的自给自足
在人体这个迄今为止最为复杂的系统中,倘若一个细胞想要改变其现有状态(如从静止到生长分化状态的改变),必须接收到一系列相关指令,这一过程才能进行。数以万亿计的细胞各司其职,在和谐统一的秩序中维系着人体的健康。到目前为止,科学家在正常细胞中还没有发现一个例外。
在生物学上,改变细胞状态的指令被称之为信号分子,它们多是外源的,即由另一类细胞产生,这也是人体保持自我平衡的重要机制。信号分子通过与靶细胞上相应指令接收器(受体)相结合,细胞状态改变这一过程得以实施。
在这方面,癌细胞是截然不同的,它们通过种种“奇巧淫技”把自己对外源生长信号的依赖降到了最低限度。首先癌细胞们获得自己发号施令的能力,也就是说它们可以自行其是的合成生长分化所需的生长信号,无需依赖外源性信号。比如科学家们发现在神经胶母细胞瘤和恶性肉瘤中的癌细胞就分别获得了合成PDGF(血小板源生长因子)和TGFα(肿瘤生长因子α)的能力。其次癌细胞还会大量表达其表面的信号接收器,这样就可以富集周围微环境中的生长信号从而进入生长分化状态(注:正常情况下,未经富集浓度的生长信号不足以触发生长分化)。此外癌细胞还会改造它周围的一些正常细胞成为生长信号的生产工厂供其使用,并招募一些帮凶细胞,如成纤维细胞和内皮细胞来帮助它们生长分化。
2、对抑制生长信号不敏感
平衡是人体系统中最重要的。人体内除了有生长信号外,还存在着生长抑制信号。在细胞分裂的不同阶段,都有一些分子如同看家护院的“爱犬”一般时刻检测这些细胞的“身体状况”和周边环境,根据情况来决定细胞的未来的命运:或是继续生长分化,或是仍然处于静止期,抑或丧失生长分化能力进入有丝分裂的后期。这样正常细胞才能保持动态平衡的状态,进行有序的生长分化。对于癌细胞来说,如果想要扩大自己的地盘,不断地生长分化,必须逃避这些“爱犬”分子的监控。它们的主要策略就是通过基因突变使得这些“爱犬”分子失去活性,从而实现对抑制生长信号不敏感的目的。
3、规避细胞凋亡
逃避细胞凋亡几乎是所有类型的癌细胞都具有的能力。负责细胞凋亡的信号分子大体上可以分为两类:一类如上所述的“爱犬”分子,如一种名叫p53的蛋白就是其中最重要的成员之一;另一类则负责执行细胞凋亡。前者监控细胞内外环境,一旦发现不正常情况足以触发细胞凋亡,即指挥后者执行。研究证实,DNA损伤、信号分子的失衡以及机体缺氧都有可能触发细胞凋亡。
细胞凋亡是人体防癌抑癌的主要屏障。在“爱犬”分子眼中,癌细胞就是一种状态不正常的细胞,而癌细胞逃避细胞凋亡的主要方法就是通过基因突变使p53蛋白失活。统计显示大约超过50%的人类癌症中发现p53蛋白的失活。
4、具有无限的复制潜力
在细胞体外培养实验中,人们观察到,大多数正常细胞仅有60次左右的分裂能力。科学家已经证实,细胞的分裂能力与染色体末端的一段数千个碱基的序列有关。这段序列称为端粒,每经历一个分裂周期,这段序列就会减少50~100个碱基,随着分裂次数的渐多,端粒变得越来越短,后果就是其无法再保护染色体的末端,染色体也就无法顺利复制,进而导致细胞的衰老死亡。
研究结果表明,所有类型的癌细胞都有维持端粒的能力。这种能力主要是通过过量表达端粒酶实现的。端粒酶主要功能是为端粒末端添加所需碱基,以保证端粒不会因复制而缩短。
5、持续的新生血管形成
对细胞来说,血管就是最重要的“粮道”。这个“粮道”对于细胞正常生长并良好地行使其功能是如此重要,以至于一个细胞与其最近的毛细血管的距离不能超过100微米。
通常情况下,在组织形成和器官发生这些生理过程中,血管生成是受到精细调控的,而且这种情况下的血管形成也是暂时的,当上述生理过程结束后,血管生成即会停止。促进和抑制血管生成的信号分子通常处于“势均力敌”的平衡状态。
癌细胞获得持续的新生血管形成能力就是通过打破这种平衡状态开始的。科学家们在许多类型的肿瘤当中发现,一些促进血管形成的信号分子如VEGF(血管内皮生长因子)和FGF(成纤维细胞生长因子)的表达水平都远高于相应的正常组织对照,而一些起抑制作用的信号分子如血小板反应蛋白-1(thrombospondin-1)或β-干扰素(β-interferon)的表达则下降。
6、侵袭和转移
人体中的正常细胞除了成熟的血细胞外,大多数需要粘附在特定的胞外基质上才能存活并正常行使功能,比如上皮细胞及内皮细胞,一旦脱离细胞的胞外基质则会发生细胞凋亡。将这些细胞粘附在胞外基质或互相粘附在一起的分子称为细胞粘附分子,它们如同“锚”把船固定在港口一样发挥着锚定的作用。
E-钙粘素是目前研究最深入的细胞粘附分子之一。它在上皮细胞中广泛表达,而在大多数上皮细胞癌中则发现活性的丧失,而丧失的方式有多种多样,如基因水平上突变导致的失活及蛋白水平上活性区域被降解导致的失活等。科学家们认为E-钙粘素在上皮细胞癌中发挥着广泛的抑制癌细胞侵袭和转移的作用。它的活性的丧失标志着癌细胞的侵袭和转移功能得到显著增强。
7、免疫逃逸
无论是固有免疫还是适应性免疫系统在肿瘤清除中都起着重要的作用。而实体肿瘤却都具有不同的逃逸人体免疫系统监视的功能,从而确保它们不被免疫细胞如T细胞、B细胞、巨噬细胞和自然杀伤细胞的杀伤和清除。 在结肠癌和卵巢癌患者中,那些体内含有大量CTLs和NK杀伤细胞的病人状况要比缺少这些免疫细胞的病人好得多。而在那些具有高度免疫原性的癌细胞中,它们通常会通过分泌TGF-β或其它免疫抑制因子来瘫痪人体的免疫系统。
8、调控细胞代谢
即便在有氧气的条件下,癌细胞也会通过调控,使其能量主要来源于无氧糖酵解的代谢方式,这被称为“有氧糖酵解”。目前已经有研究证实了在神经胶质瘤和其它种类的癌细胞中,异柠檬酸盐脱氢酶功能上的突变也许和细胞能量代谢方式的改变有关,它能提高细胞中氧化物的含量从而影响基因组的稳定性,还可以稳定细胞中的HIF-1转录因子以提高癌细胞的血管生成和浸润能力。
9、基因不稳定性和易突变
肿瘤复杂的发生过程可以归根于癌细胞基因的不断突变。在需要大量基因突变来诱导肿瘤发生时,癌细胞常常会提高其对可诱导基因突变物质的敏感性,从而加快它们基因突变的速度。在该过程中,由于某些稳定和保护DNA的基因发生突变,会显著提高癌症的发生几率。尽管在不同类型的肿瘤中基因突变的种类不同,但均可以发现大量稳定和修复基因组DNA的功能缺失。提示我们肿瘤细胞的一大重要特征就是固有的基因组不稳定性。
10、引发炎症反应
在过去数十年中,大量的研究证实了炎症反应(注:主要由固有免疫细胞引起)和癌症发病机理之间的关系:炎症反应可为肿瘤微环境提供各种生物激活分子,例如包括生长因子(可维持癌细胞的增殖信号)、生存因子(可抑制细胞死亡)、促血管生成因子和细胞外基质修饰酶(可利于血管生长,癌细胞浸润和转移)、以及其它诱导信号[可激活上皮细胞-间充质转化(EMT)和癌细胞的其它一些特征。此外,炎性细胞还会分泌一些化学物质,其中活性氧(ROS)可以加快临近癌细胞的基因突变,加速它们的恶化过程。
(三)临床表现
恶性肿瘤的临床表现因其所在的器官、部位以及发展程度不同而不同,但恶性肿瘤肿瘤早期多无明显症状,即便有症状也常无特异性,等患者出现特异性症状时,肿瘤常已经属于晚期。一般将癌症的临床表现分为局部表现和全身性症状两个方面。
1、局部表现
(1)肿块。癌细胞恶性增殖所形成的,可用手在体表或深部触摸到。甲状腺、腮腺或乳腺癌可在皮下较浅部位触摸到。肿瘤转移到淋巴结,可导致淋巴结肿大,某些表浅淋巴结,如颈部淋巴结和腋窝淋巴结容易触摸到。至于在身体较深部位的胃癌、胰腺癌等,则要用力按压才可触到。
(2)疼痛。肿瘤的膨胀性生长或破溃、感染等使末梢神经或神经干受刺激或压迫,可出现局部疼痛。出现疼痛往往提示癌症已进入中、晚期。开始多为隐痛或钝痛,夜间明显。以后逐渐加重,变得难以忍受,昼夜不停,尤以夜间明显。一般止痛药效果差。
(3)溃疡。体表或胃肠道的肿瘤,若生长过快,可因供血不足出现组织坏死或因继发感染而形成溃烂。如某些乳腺癌可在乳房处出现火山口样或菜花样溃疡,分泌血性分泌物,并发感染时可有恶臭味。
(5)梗阻。癌组织迅速生长而造成空腔脏器的梗阻。当梗阻部位在呼吸道即可发生呼吸困难、肺不张;食管癌梗阻食管则吞咽困难;胆道部位的癌可以阻塞胆总管而发生黄疸;膀胱癌阻塞尿道而出现排尿困难等;胃癌伴幽门梗阻可引起餐后上腹饱胀、呕吐等。
(6)其他。颅内肿瘤可引起视力障碍(压迫视神经)、面瘫(压迫面神经)等多种神经系统症状;骨肿瘤侵犯骨骼可导致骨折;肝癌引起血浆白蛋白减少而致腹水等。肿瘤转移可以出现相应的症状,如区域淋巴结肿大,肺癌胸膜转移引起的癌性胸水等。
2.全身症状
早期恶性肿瘤多无明显全身症状。部分患者可出现体重减轻、食欲不振、恶病质、大量出汗(夜间盗汗)、贫血、乏力等非特异性症状。此外,约10%~20%的肿瘤患者在发病前或发病时会产生与转移、消耗无关的全身和系统症状,称肿瘤旁副综合征,表现为肿瘤热、恶病质、高钙血症、抗利尿激素异常分泌综合征、类癌综合征等。
3.肿瘤的转移
癌细胞可通过直接蔓延、淋巴、血行和种植四种方式转移至临近和远处组织器官。
(1)直接蔓延为癌细胞浸润性生长所致,与原发灶连续,如直肠癌、子宫颈癌侵犯骨盆壁。
(2)淋巴道转移多数情况为区域淋巴结转移,但也可出现跳跃式不经区域淋巴结而转移至远处的。
(3)血行转移为肿瘤细胞经体循环静脉系统、门静脉系统、椎旁静脉系统等播散其他组织器官。(4)种植性转移为肿瘤细胞脱落后在体腔或空腔脏器内的转移,最多见的为胃癌种植到盆腔。
(四)检查
1、肿瘤标记物
虽然肿瘤标记物缺乏特8异性,但在辅助诊断和判断预后等方面仍有一定价值。主要包括酶学检查,如碱性磷酸酶,在肝癌和骨肉瘤患者可明显升高;糖蛋白,如肺癌血清ɑ酸性糖蛋白可有升高,消化系统肿瘤CA19-9等增高;肿瘤相关抗原,如癌胚抗原(CEA)在胃肠道肿瘤、肺癌、乳腺癌中可出现增高,甲胎蛋白(AFP)在肝癌和恶性畸胎瘤中可增高。
2、基因检测
包括基因表达产物的检测,基因扩增检测和基因突变检测,可确定是否有肿瘤或癌变的特定基因存在,从而做出诊断。
3、影像学检查
(1)X线检查。包括透视与平片,如部分外周性肺癌、骨肿瘤可以在平片上出现特定的阴影;造影检查,如上消化道造影可能发现食管癌、胃癌等,钡灌肠可以显示结肠癌等;特殊X线显影术,如钼靶摄影用于乳腺癌的检查。
(2)超声检查。简单、无创,广泛用于肝、胆、胰、脾、肾、甲状腺、乳腺等部位的检查,并可在超声引导下进行肿物的穿刺活检,成功率较高。
(3)计算机断层扫描(CT)检查。常用于颅内肿瘤、实质性脏器肿瘤、实质性肿块及淋巴结等的诊断与鉴别诊断。CT检查分辨率高,显像清楚,可以在无症状情况下发现某些特定器官的早期肿瘤。低剂量螺旋CT可以降低对人体的放射线照射剂量,而图像清晰程度也能满足临床需求,从而可以实现对某些特定部位肿瘤的高危人群进行大面积筛查,如肺癌的早期筛查,已经取得了良好的效果。
(4)放射性核素显像检查。根据不同肿瘤对不同元素的摄取不同,应用不同的放射性核素对肿瘤进行显像。对骨肿瘤诊断的阳性率较高,还可用于显示甲状腺肿瘤、肝肿瘤、脑肿瘤等。
(5)磁共振(MRI)检查。与CT相比,对比分辨力更好,没有骨伪影干扰,并可显示任何截面,是检查中枢神经系统和脊髓肿瘤的首选方法。对观察肿瘤和血管关系、纵隔肿瘤和肿大淋巴结、盆腔肿瘤也有一定价值。
(6)正电子发射断层显像(PET)检查。以正电子核素标记为示踪剂,通过正电子产生的γ光子,重建出示踪剂在体内的断层图像,是一项能够反映组织代谢水平的显像技术,对实体肿瘤的定性诊断和转移灶的检查准确率较高。
4、内镜检查
内镜检查是应用腔镜和内镜技术直接观察空腔脏器和体腔内的肿瘤或其他病变,并可取组织或细胞进行组织病理学诊断,常用的有胃镜、支气管镜、结肠镜、直肠镜、腹腔镜、胸腔镜、子宫镜、阴道镜、膀胱镜、输尿管镜等。
5、病理学检查
病理学检查为目前具有确诊意义的检查手段。
(1)临床细胞学检查。包括体液自然脱落细胞检查,如痰液、尿液沉渣、胸腔积液、腹腔积液的细胞学检查以及阴道涂片检查等;黏膜细胞检查,如食管拉网、胃黏膜洗脱液、宫颈刮片以及内镜下肿瘤表面刷脱细胞;细针吸取细胞检查,如用针和注射器吸取肿瘤细胞进行涂片染色检查等。细胞学检查取材简单,应用广泛,但多数情况下仅能做出细胞学定性诊断,有时诊断困难。
(2)病理组织学检查。根据肿瘤所在不同部位、大小、性质而采取不同的取材方法。空腔脏器黏膜的表浅肿瘤,多在内镜检查时获取组织进行病理学检查;位于深部或体表较大而完整的肿瘤宜行穿刺活检;手术时切取部分肿瘤组织进行快速病理学检查。对色素性结节或痣一般不做切取或穿刺活检,应该完整切除检查。各类活检均有促使恶性肿瘤扩散的潜在可能性,需要在术前短期内或术中施行。
(五)诊断
根据肿瘤发生的不同部位和性质,对患者的临床表现和体征进行综合分析,结合实验室检查和影像学、细胞病理学检查通常能做出明确诊断。除了明确是否有恶性肿瘤,还应进一步了解其范围和程度,以便拟定治疗方案和评估预后。但目前仍缺乏理想的特异性强的早期诊断方法,尤其对深部肿瘤的早期诊断更为困难。
(六)分期
对恶性肿瘤的分期有助于合理制定治疗方案,正确的评价疗效和判断治疗预后。国际抗癌联盟提出的TNM分期法是目前广泛采用的分期方法。在TNM分期系统中,T指原发肿瘤,N为淋巴结,M为远处转移。
1、T分期(Tumor)代表肿瘤的发展程度可分:
(1)TX:无法找到原发性肿瘤或定义分期;
(2)T0:没有原发性肿瘤的存在;
(3)Tis:原位癌;
(4)T1-T4:根据肿瘤大小及生长扩散情形。
2、N分期(LymphNode)表示依照淋巴结受到的影响情况分成:
(1)NX:无法确定淋巴结影响分期;
(2)N0:无局部淋巴结转移的癌细胞;
(3)N1-N3:淋巴结转移的情形。
3、M分期(Migration)则是根据远端转移的情形分成:
(1)MX:无法确定远端转移的分期;
(2)M0:没有远端转移发生;
(3)M1:已产生远端转移。
不同的T、N、M组合诊断为不同的期别,各种肿瘤的TNM分期标准由各专业会议协定。
有些肿瘤的治疗和预后与病理分级或浸润深度有关,因此也可以采用其他的一些分期方法。
(七)治疗
恶性肿瘤有很多种,其性质类型各异、累及的组织和器官不同、病期不同、对各种治疗的反应也不同,因此大部分患者需要进行综合治疗。所谓综合治疗就是根据患者的身体状况、肿瘤的病理类型、侵犯范围等情况,综合采用手术、化疗、靶向治疗、放疗、免疫治疗、中医中药治疗、介入治疗、微波治疗等手段,以期较大幅度地提高治愈率,并改善患者的生活质量。
1.手术治疗
理论上,若是以手术完全移除肿瘤细胞,癌症是可以被治愈的。对早期或较早期实体肿瘤来说,手术切除仍然是首选的治疗方法。根据手术的目的不同,可分为以下几种:
(1)根治性手术治疗。由于恶性肿瘤生长快,表面没有包膜,它和周围正常组织没有明显的界限,局部浸润明显,并可通过淋巴管转移。因此,手术要把肿瘤及其周围一定范围的正常组织和可能受侵犯的淋巴结彻底切除。这种手术适合于肿瘤范围较局限、没有远处转移、体质好的患者。根据切除范围不同分为瘤切除术、广泛切除术、根治术和扩大根治术。
(2)姑息性手术治疗。肿瘤范围较广,已有转移而不能作根治性手术的晚期患者,为减轻痛苦,维持营养和延长生命,可以只切除部分肿瘤或作些减轻症状的手术,如造瘘术、消化道短路等手术。晚期肿瘤可以做肿瘤的大部切除,降低瘤负荷,为以后的放、化疗或其他治疗奠定基础。如晚期卵巢癌可姑息性切除大部分卵巢肿瘤,化疗后进行二次手术,切除残留病灶,可明显延长患者生存期。
(3)诊断性手术治疗。通过不同的手术方式获得肿瘤病理学检查的标本,如穿刺取材或术中切取小块组织等。对深部的内脏肿物,需要开胸、开腹或开颅检查,术中病理检查证实后,则立即进行治疗性手术。
(4)预防性手术治疗。用于癌前病变,防止其发生恶变或发展成进展期癌,如家族性结肠息肉病的患者,可以通过预防性结肠切除而获益,因这类患者若不切除结肠,40岁以后约有一半可发展成结肠癌,70岁以后几乎100%发展成结肠癌。子宫颈严重异性增生时可行子宫颈锥切术,预防宫颈癌的发生。BRCA1和BRCA2有突变的遗传性乳腺癌家族成员,可行双侧乳腺预防性切除。
(5)转移灶的手术治疗。对于单个的肺、肝、骨等转移灶,行切除治疗,仍可争取5年生存率。如原发性肺癌仅有骨的单个转移病灶,而原发肺癌又可彻底切除者,可同时或先后行原发灶加转移灶的切除手术。
2、化学治疗
化学治疗是用可以杀死癌细胞的药物治疗癌症。由于癌细胞与正常细胞最大的不同处在于快速的细胞分裂及生长,所以抗癌药物的作用原理通常是借由干扰细胞分裂的机制来抑制癌细胞的生长,如抑制DNA复制或是阻止染色体分离。多数的化疗药物都没有专一性,所以会同时杀死进行细胞分裂的正常组织细胞,因而常伤害需要进行分裂以维持正常功能的健康组织,例如肠黏膜细胞。不过这些组织通常在化疗后也能自行修复。因为有些药品合并使用可获得更好的效果,化学疗法常常同时使用两种或以上的药物,称做“综合化学疗法”,大多数病患的化疗都是使用这样的方式进行。
3、放射线治疗
也称放疗、辐射疗法,是使用辐射线杀死癌细胞,缩小肿瘤。放射治疗可经由体外放射治疗或体内接近放射治疗。由于癌细胞的生长和分裂都较正常细胞快,借由辐射线破坏细胞的遗传物质,可阻止细胞生长或分裂,进而控制癌细胞的生长。不过放射治疗的效果仅能局限在接受照射的区域内。放射治疗的目标则是要尽可能的破坏所有癌细胞,同时尽量减少对邻近健康组织的影响。虽然辐射线照射对癌细胞和正常细胞都会造成损伤,但大多数正常细胞可从放射治疗的伤害中恢复。
4、靶向治疗
靶向治疗从二十世纪90年代后期开始在治疗某些类型癌症上取得明显效果,与化疗一样可以有效治疗癌症,但是副作用比化疗减少许多,在目前也是一个非常活跃的研究领域。这项治疗的原理是使用具有特异性对抗癌细胞的不正常或失调蛋白质的小分子,例如,酪氨酸磷酸酶抑制剂,治疗EGFR(表皮生长因子受体)敏感突变的非小细胞肺癌,疗效显著,但耐药基因的出现是目前阻碍进一步提高疗效的主要障碍。
5、免疫疗法
免疫疗法是利用人体内的免疫机制来对抗肿瘤细胞。已经有许多对抗癌症的免疫疗法在临床应用或研究中。目前较有进展的就是癌症疫苗疗法和单克隆抗体疗法,而免疫细胞疗法则是最近这几年最新发展的治疗技术。
6、中医中药治疗
配合手术、放化疗可以减轻放化疗的毒副作用,促进患者恢复,增强对放化疗的耐受力。
7、基因治疗
基因疗法是通过外源基因导入人体以纠正基因缺陷的方法,目前,恶性肿瘤基因治疗的概念已从纠正基因缺陷扩大到将外源基因导入人体,最终达到直接或间接抑制或杀伤肿瘤细胞的目的。
8、内分泌治疗
某些肿瘤的发生和生长与体内激素密切相关,因此可以通过改变内分泌状况来进行治疗。如性激素可以用于乳腺癌、前列腺癌、子宫内膜癌等的姑息治疗。
9、高温治疗
近年来发展的微波热疗技术、超声聚焦及射频技术等,是利用局部高温使癌细胞受热坏死,较少伤及正常组织,简便、安全。
10、激光治疗
利用激光的能力密度高、平行性好、定位准确等优点,经适度聚焦后对病灶做无血切除术。
11、冷冻治疗
冷冻时细胞内外形成冰晶,造成癌细胞损伤。可用于体表肿瘤或内脏肿瘤治疗。
(八)预防
国际抗癌联盟认为,1/3的癌症是可以预防的,1/3的癌症如能早期诊断是可以治愈的,1/3的癌症可以减轻痛苦、延长生命。据此提出了恶性肿瘤的三级预防概念:
1、一级预防是消除或减少可能致癌的因素,防止癌症的发生。约80%的癌症与环境和生活习惯有关。改善生活习惯,如戒烟、限制饮酒、食物多样化、少吃腌制食品、控制体重、适当运动,注意环境保护、鉴别环境中致癌和促癌剂、加强职业防护等,均是较为重要的防癌措施。近年来的免疫预防和化学预防均属于一级预防,如乙型肝炎疫苗的大规模接种,选择性环氧化酶2(COX-2)抑制剂对结直肠腺瘤进行化学预防等。
2、二级预防是指癌症一旦发生,如何在早期阶段发现并予以及时治疗。包括:
(1)对癌症危险信号(如持续性消化不良、绝经后阴道流血、大小便习惯改变、久治不愈的溃疡等)的认识和重视;
(2)对高发区和高危人群定期检查;
(3)发现癌前病变并及时治疗;(4)加强对易感人群的监测;
(5)肿瘤自检(对身体暴露部位定期进行自我检查)。
3、三级预防是治疗后的康复,防止病情恶化,提高生存质量,减轻痛苦,延长生命。
二、肿瘤微环境
肿瘤微环境,即肿瘤细胞产生和生活的内环境,其中不仅包括了肿瘤细胞本身,还有其周围的成纤维细胞、免疫和炎性细胞、胶质细胞等各种细胞,同时也包括附近区域内的细胞间质、微血管以及浸润在其中的生物分子。早在100多年以前,Stephen Paget基于乳腺癌的器官特异性转移中的临床观察,提出了著名的“种子与土壤”的概念。
然而,这一假说在当时并未受到足够的重视,将治疗思路仅仅局限于肿瘤细胞本身,导致人类的抗击肿瘤之路走得异常艰难。直到最近,才有越来越多的科学家开始意识到肿瘤与肿瘤微环境是一个不可分割的整体。肿瘤微环境就像是一个小的生态环境,与其中的肿瘤细胞有着密切的联系。因此,不论从生物学还是治疗学的角度来分析,对肿瘤微环境的研究都是必不可少的。
(一)肿瘤微环境的特点
肿瘤微环境在理化性质方面与人体正常内环境存在着许多不同之处,比较显著的是其低氧、低pH以及高压的特点。正是因为这样一些特点,才使得肿瘤微环境中存在大量的生长因子、细胞趋化因子和各种蛋白水解酶所产生的免疫炎性反应,这种特性都十分利于肿瘤的增殖、侵袭、粘附、血管生成以及放疗抵抗和抗肿瘤药物耐药,促使恶性肿瘤产生。
1、低氧环境
Thomlinson在1955就已经注意到了许多恶性肿瘤组织中存在缺氧状态。缺氧区域内常常出现坏死现象,更容易发生肿瘤的扩散和转移。肿瘤细胞新陈代谢旺盛、生长迅速、繁殖能力强的特点就决定了其对能量需求高,因此其对氧气以及葡萄糖等能量物质的消耗比正常细胞高出许多。然而,随着肿瘤本身的体积不断增大,肿瘤组织因膨胀而远离了含营养和氧气充足的血管,这种供血不足导致了肿瘤微环境缺氧情况的进一步加深。利用单克隆抗体进行免疫组化的技术,研究发现缺氧诱导因子HIF-1α在这些缺氧的肿瘤组织中处于高表达状态,在肿瘤细胞的侵袭、转移、永生化、肿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发现,HIF-1α是调节血管生成的重要因子,控制着多种血管生成生长因子的表达,这与HIF-1α对促进血管内皮生长因子VEGF的表达有关。又如Guber在有关乳腺癌的研究中发现HIF-1α处于高表达。另外,还有关于少突神经胶质细胞瘤、子宫、口咽、卵巢癌的研究显示,HIF-1α的过度表达对患者的死亡率有显著的影响。由此可见,HIF-1α的肿瘤表达相当广泛,这也使其成为目前重要的抗肿瘤靶点之一。
2、低pH环境
以前大部分科学家认为,肿瘤微环境的低pH主要是由肿瘤细胞的无氧代谢决定的。在缺氧而大量进行葡萄糖分解的情况下,糖酵解就产生了大量的乳酸而引起了pH的下降。然而,有实验证明即使在乳酸产量低或者人工提高肿瘤组织氧分压或供血量的情况下,依然存在低pH的情况,这至少证明无氧代谢不是肿瘤微环境产生酸的唯一机制。实际上,肿瘤细胞的膜系统上存在着多种离子交换体,在建立肿瘤微环境的酸性环境中起着重要的作用。其中最典型的是 V-ATPases,它是一个由13个亚单位组成的靠水解ATP功能的质子运输通道,分布于某些器官、组织或细胞的囊泡、溶酶体、内质网等细胞器上,功能是将质子从胞内泵到胞外,或者从内层膜泵到膜间层。
正是由于V-ATPases的存在,肿瘤细胞才能将代谢中产生的大量氢离子运输到细胞外,维持细胞质的中性和胞外的酸性环境,以免造成自身的酸中毒。这些被排到肿瘤细胞外的氢离子就会随浓度梯度进入正常细胞组织内并大量积聚,激活酶级联反应而导致细胞坏死或凋亡,而这更有利于肿瘤的扩散与转移。另外,还有研究证明肿瘤微环境的酸性环境能诱导溶酶体的分泌增加和活化,激活蛋白水解酶来促进细胞外基质ECM的降解和重构,这都有助于肿瘤的侵袭和转移。由此可见,如V-ATPases等这类靠维持细胞外酸性微环境和腔内酸性pH的能力来促进肿瘤恶变的蛋白载体也是值得我们注意的目标靶点。
3、高压环境
肿瘤微环境中的另一个重要特点就是较正常细胞而言呈现组织高压。我们知道正常组织中淋巴系统对调节体液平衡有重要作用。Diresta等在实验中发现如果将人工淋巴系统植入肿瘤,可有效降低肿瘤细胞间质的压力水平,说明肿瘤组织中缺乏这种功能性淋巴系统。更多的研究发现,肿瘤血管不同于一般血管,具有血管形成不均匀分布、毛细血管间距变大、动静脉短路、内皮细胞不完整以及基底膜中断等特点。正是这些超微结构的区别,使肿瘤血管舒缩性能降低、管壁易受损、血管阻力增大,还会出现血液浓缩、间质内液体增多、血细胞外渗粘性增大等现象,导致血管高渗,最终造成肿瘤间质高压。值得注意的是,肿瘤血管高渗的这种特点是随着肿瘤组织所在位置、肿瘤发展阶段不同而改变的。这给科学家的研究带来了更大的麻烦。
(二)肿瘤细胞对微环境的适应
对于低氧、低pH和高压这些与正常环境不同的理化特点,肿瘤细胞却能够通过各种生物学调整对之很好地适应,并且肿瘤细胞的这种适应往往会导致恶性循环。从基因的角度上来说,不正常的环境增加了肿瘤细胞基因组的不稳定性和异质性,从而更具抵抗性的肿瘤变异体被选择了。肿瘤细胞通过存活和繁殖,进一步加剧了肿瘤微环境中的缺氧状态,这又进一步增加了基因组的不稳定性。再以低氧条件为例,肿瘤细胞通过上调低HIF-1α在低氧环境中存活下来,并且适应了糖酵解的产乳酸环境。大量乳酸的产生再加上肿瘤组织周围不完整的脉管系统,使分解代谢产物累积,促成了微环境中的低pH环境。另一方面,缺氧引起的HIF-1α高表达又使得肿瘤细胞表面向内皮细胞分泌一种转运VEGF的小囊泡,并且pH越低越有利于小囊泡对于VEGF的摄取。还有一个临床实例即转移癌细胞所致的骨破坏和骨形成所构成的骨重建。这时,转移癌细胞与破骨细胞、成骨细胞、内皮细胞、骨基质等相互作用,形成了一个自我持续的恶性循环。这个循环一方面不断驱使恶性肿瘤细胞的发展,另一方面进一步促进骨破坏与骨重建。
(三)肿瘤微环境中的调控因子
之所以称肿瘤微环境是一个复杂的系统,不仅仅是因为其组成复杂,更是因为其中存在着多种重要的调控因子,包括核转录因子-κB(NF-κB)、诱生型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧化酶-2(COX-2)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)、信号转导和转录激活因子3(STAT3)、核因子-E2相关因子-2(Nrf2)等,它们是联系微环境与肿瘤细胞的关键靶点。正是这些调控因子,将肿瘤微环境与肿瘤细胞联系在一起,对整个肿瘤的发生与发展起着重要的调控作用。其中比较重要的一个调节因子是NF-κB,它在炎症反应中有关键作用,负责调节炎症分子如细胞因子和粘附因子的基因表达。在血管内皮细胞中,NF-κB激活化学增活素和基质金属蛋白酶(MMPs)的表达来导致血管生成和细胞外基质的降解;而巨噬细胞中,激活NF-κB可以促使iNOS表达,从而促进肿瘤的发展。以NF-κB为靶点的研究目前非常活跃,许多药物都已经进入临床阶段。与NF-κB相似的还有信号转导和转录激活因子3(STAT3),它接受生长因子、细胞因子细胞外信号或炎症微环境的刺激而被激活上调,其调节的基因产物不但可以促进肿瘤细胞的增殖,抑制其凋亡,而且可作用于微环境,促进血管生成和免疫逃避,与多种恶性肿瘤的发生与发展都密切相关。由此可见,这些调控因子是在肿瘤微环境中,作用于肿瘤细胞的关键枢纽。
(四)肿瘤微环境与慢性炎症
在人们研究肿瘤的过程中,发现了两个与以往经验所不相符的现象。一是以往认为,炎症与癌症是互不相干的独立事件,然而流行病学专家多年研究慢性炎症与肿瘤的关系,发现在结肠癌、胃癌、膀胱癌、肝癌、胰腺癌等多种癌症中会联合出现慢性炎症。二是经典免疫学认为,通过免疫活性细胞及其分子执行的免疫监视的本来含义是帮助机体对抗有害的入侵者,从而也能发挥有效的抗肿瘤功能。但在肿瘤实际的发展过程中,一些免疫细胞常常从内环境的“保护者”变为了肿瘤细胞的“帮凶”,促进并滋养了肿瘤的发展。
要解释这两个现象,离不开肿瘤微环境这个重要概念。实际上,当肿瘤发生恶变时,有许多炎性免疫细胞被释放到肿瘤微环境中参与和调节,其中起着重要作用的是来自骨髓的巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞等。它们释放出的化学趋化因子、血管生长因子和基质降解酶等,对肿瘤的生长和侵袭十分有利。此类例子很多,如乳腺癌及膀胱癌中,趋化因子配体2(CCL2)的表达与预后不良呈正相关;近期研究发现炎性细胞中,中性粒细胞对于诱导肿瘤血管生成的作用最强,可以通过分泌基质金属蛋白酶9(MMP9)和基质金属蛋白酶13(MMP13)的方式降解重塑基底膜而发挥作用。再如上文提到的核因子-κB,它的作用极其重要,研究表明,它参与细胞受到各种各样的应激刺激时众多基因的活化,是炎症、天然免疫、后天免疫过程中的中心协调者。这些因子在炎症的促癌功能及对肿瘤细胞的存活发挥着枢纽作用。另外,这些免疫细胞也能通过产生活性氧和活性氮类化合物,来产生过氧亚硝酸盐这种极易引起基因突变的细胞DNA损伤剂。反过来说,肿瘤也会维持甚至加剧这种不稳定的慢性炎症状态。慢性炎症与肿瘤之间的这种无序的微环境在某种意义上成为“无法愈合的伤口”。
(五)研究肿瘤微环境的意义
肿瘤与环境,两者既是相互依存,相互促进,又是相互拮抗,相互斗争的。它是现代肿瘤生物学的一个关键和核心的问题。近年来由于肿瘤细胞学和分子生物学的进展,人们对于肿瘤和环境的相互关系有了更加深入的了解。对肿瘤微环境的研究,不仅对于认识肿瘤的发生、发展、转移等有着重要的意义,而且对于肿瘤的诊断、防治和预后亦有着重要的作用。
1、在了解整个微环境对肿瘤的发生、发展、转移的各种影响方式之后,着手于切断肿瘤微环境与肿瘤细胞之间的联系,发现药物靶点,如HIF-1α、NF-κB、STAT3等调控因子,为抗肿瘤药物设计提供依据。
2、探索肿瘤微环境建立的机制和条件,设计新的药物破坏这种机制和条件的形成,如质子泵抑制剂(PPI)能有效阻止V-ATPases的反应,阻断pH梯度的形成,达到抑制肿瘤生长的目的,且因其本身需在低pH的条件才能起作用的特性而对正常细胞的毒性很小。
3、肿瘤的发病机制非常复杂,单靶向作用的治疗手段必然不能兼顾到细胞中或细胞间生物大分子的互相影响,以及整个肿瘤微环境信号网络的互相联系。而且单靶向药物通常有强烈的抑制或激活靶点效果,若该靶点还承担某些生理功能,那么该药物极易引起不良反应。因此,基于肿瘤微环境这样一个复杂的系统,我们更应该设计多靶点的药物,不仅要考虑作为“种子”的肿瘤细胞,更要考虑作为“土壤”的肿瘤微环境,从整体上把握,才可能取到更好的治疗效果和更低的毒副作用。
大量研究已证实肿瘤干细胞是肿瘤耐药、复发和转移的根源,慢性炎症与肿瘤的发生和发展密切相关。肿瘤炎性微环境中的IL-6、IL-8、EGF等炎性因子和生长因子激活了肿瘤干细胞内NF-κB/Stat3信号通路,维持肿瘤干细胞的自我更新能力,从而促进肿瘤的生长和转移。深入研究肿瘤炎性微环境对肿瘤干细胞的调控机制,可以使我们找到潜在的治疗靶点,为攻克肿瘤带来新的思路和手段。
三、肿瘤血管新生
1971年,Folkman教授提出了“肿瘤生长和转移依赖于新生血管生成”的理论,该理论的出现为抗肿瘤血管生成药物提供了新的研究方向和理论基础。研究发现,肿瘤在发生、发展的过程中会形成大量的新生血管,这些新生的血管为肿瘤的生长提供其所需要的营养和水分,同时向远处扩散肿瘤细胞,在体内不同部位形成新的转移灶。Hanahan等研究发现,在肿瘤血管生成的过程中会受到"血管生成开关”的调节",血管生成的增强因子或抑制因子会发生相应的变化,当“开关”处于开放状态时,形成大量的新生血管。近年来,抗肿瘤血管生成研究已从早期的非特异性栓塞,切断肿瘤血管发展到对肿瘤血管进行特异性、靶向性阻断的新高度。
(一)肿瘤血管生成的定义
肿瘤新生血管是指从已有的毛细血管或毛细血管后静脉发展而形成新的血管,主要包括:激活期血管基底膜降解;血管内皮细胞的激活、增殖、迁移;重建形成新的血管和血管网。肿瘤血管生成是一个涉及多种细胞、多种分子的复杂过程。
血管形成是促血管形成因子和抑制因子协调作用的复杂过程,正常情况下二者处于平衡状态,一旦此平衡打破就会激活血管系统,使血管生成过度或抑制血管系统使血管退化。
(二)肿瘤血管生成的机制
肿瘤血管是肿瘤赖以生长和转移的基础,肿瘤在没有血管提供氧气和营养的情况下生长不会超过2立方毫米。肿瘤血管形成过程主要包括:内皮细胞激活,基底膜与细胞外基质降解,内皮细胞迁移和增殖,血管形成并使血管延伸至实体瘤内部。除了这种典型的出芽方式外,几种其他的血管形成方式也得到的了证实,包括内皮祖细胞的募集,细胞增大样血管形成,血管拟态和淋巴管形成。肿瘤血管形成是受多种因子调节的复杂过程,最终能否形成血管主要依赖于血管生成促进因子和抑制因子间的平衡。当平衡被打破,当血管生成促进因子表达或高于血管生成抑制因子时,肿瘤血管便开始形成。
血管生成机制复杂,参与并促进血管生成的因子也众多,EMT腹腔液中巨噬细胞数量明显增加,其分泌的TNF-α和IL-8可以促进血管内皮细胞的增殖,转化生长因子-β(TGF-β),血小板衍生内皮细胞生长因子(PD-ECGF),乙酰肝素酶,血管生成素(angs),骨生成素(OPN) ,环氧化酶(COX-2) ,缺氧诱导因子-1,层粘连蛋白(LN) ,胎盘生长因子(PLGF) ,Survivin,促红细胞生成素(Epo)均参与了EMT血管形成过程。
血管生成,即从原已存在的血管中生成新血管,这在肿瘤发生中扮演了重要角色。良性肿瘤细胞存在于休眠状态下,难以获取足够血液供应时会受到影响。但当休眠肿瘤细胞血管生成被激活,以及分泌出的因子会诱导内皮细胞发芽和趋化成为肿瘤团块时,会出现“血管生成开关”。在内部肿瘤团块缺氧环境下,缺氧诱导因子-1-(HIF-1)的二聚蛋白复合体得以保持稳定,并激活众多导致血管生成过程的基因的表达。HIF-1诱导的蛋白包括血管内皮生长因子(VEGF)和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF),前者促进血管渗透性,后者促进内皮细胞生长。血小板源性生长因子(PDGF)、血管生成素-1(ANG-1)、血管生成素-2(ANG-2)等其他分泌因子会促进趋化性,而肝配蛋白信号转导会控制迁移和细胞间黏附,从而引导新形成的血管。其他HIF-1诱导的基因产物包括基质金属蛋白酶 (MMP),MMP 会分解细胞外基质(ECM),促进内皮细胞迁移并释放相关生长因子。某些整合素(如在血管生成内皮细胞表面发现的αVβ3)有助于发芽的内皮细胞附着在临时 ECM 上,然后迁移并存活下去。分泌到肿瘤周围微环境中的因子会激活肿瘤相关巨噬细胞 (TAM),随后产生 VEGF 和 MMP 等血管生成因子,进一步促进血管生成。周皮细胞发挥支持细胞的作用,覆盖内皮细胞的基底侧表面,并在正常生理条件下调节血管收缩和舒张。新形成的血管通常缺乏周皮细胞,但内皮细胞会募集这些周皮细胞来提供其他结构支持,以进一步增强肿瘤血管生成。例如,内皮细胞分泌的 PDGF 充当周皮细胞膜上 PDGF 受体的配体,促使周皮细胞产生并分泌 VEGF,VEGF 通过内皮 VEGF 受体发送信号。
除了内皮细胞和 TAM 外,肿瘤微环境内的许多其他细胞类型也有助于血管生成。中性粒细胞构成免疫细胞浸润的很大一部分,可通过多种机制促进肿瘤血管生成。这包括释放 MMP 到肿瘤微环境,从而触发 VEGF 和其他血管生成因子的释放。同样,其他免疫细胞类型(如 B 细胞和 T 细胞)会分泌 VEGF-A、bFGF、MMP9、干扰素 γ (IFNγ) 和白介素-17 (IL-17),进而间接影响血管生成。脂肪细胞会释放大量细胞因子、趋化因子和激素(统称为脂肪因子),它们中的许多都属于促血管生成因子。靶向这些细胞群可促进使用新的疗法,来限制肿瘤细胞扩增和癌症发病机理。
(三)肿瘤血管生成的过程
在肿瘤持续生长的过程中,当肿瘤体积达到一定程度后,肿瘤持续生长所需要的营养成分来源于新生的肿瘤血管。
肿瘤血管生成的过程主要包括以下几个方面:
1、缺氯、缺血等刺激性因子扩张毛细血管,使毛细血管的通透性大大增加。
2、进而纤维蛋白渗出,抑制血管生长等基质发生相应变化。
3、同时胶原酶被激活,细胞基底膜破坏,细胞外的基质进行重新塑形。
4、血管生成因子使血管内皮细胞增生。
5、新生成的血管内皮细胞排列成管状结构,最后形成新的肿瘤血管。
(四)肿瘤血管生成的方式和生成机制
目前发现肿瘤新生血管的形式主要有芽生式血管、套叠式血管、马赛克血管、充塞式血管以及血管生成拟态等几种不同生成方式,其生成机制也各不相同。1、芽生式血管生成方式
最早发现的肿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,处于静息状态的血管内皮细胞降解细胞基底膜,然后侵入到细胞外基质中,逐渐形成管腔状结构,最后形成血管。在这种血管新生的过程中起最重要作用的因子为血管内皮细胞生长因子(VEGF)。研究表明,VEGF可以扩张毛细血管,增大细胞膜的通透性,进而使纤维蛋白原从血管中渗出,内皮细胞发生迁移,最后形成管状样结构。
VEGF家族由VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、 VEGF-D及胎盘生长因子(PLGE)等构成,VEGF-A是VEGF家族中重要组成部分,通过VEGFR-2信号传导作用于内皮细胞,然后刺激血管内皮细胞的生成,当VEGFR-2缺乏时,VEGF信号传导因受影响而使血管生成受到一定的限制。同时,VEGF还可诱导内皮细胞的增殖,增强纤溶酶原和金属蛋白酶的活性,加速细胞外基质及其它物质的降解,内皮细发生迁移。
2、套叠式血管方式
血管壁向毛细管腔内凹陷,然后逐步的靠近、接触,进而融合。血管融合处管壁胞膜逐渐变薄,演变成小孔,孔状结构逐渐增大、融合,形成管腔样通道,这种血管新生的方式称为套叠生长。套叠式血管生成的特点是在已有的血管腔内形成大量的跨血管组织微柱,该过程形成迅速,在几分钟内就可完成。
3、马赛克血管方式
显微镜下观察肿瘤血管壁上排着血管内皮细胞和肿瘤细胞,两者构成肿瘤的血管腔,在生成的肿瘤边缘部位,肿瘤细胞群被一密布的血管网包围,称为马赛克血管。肿瘤细胞侵入血管管腔并暂时停留在血管壁上,激活促肿瘤血管生成因子,使肿瘤血管基底膜降解加速,以利于肿瘤细胞穿入以增加马赛克血管的数量。
4、充塞式血管生成方式
在肿瘤形成的早期阶段,肿瘤管保持正常的形态。但随着肿瘤的持续生长,肿瘤内部的血管组织被肿瘤细胞逐步地包围进而填充,该处血管逐渐退化,由于肿瘤血管的退化,肿瘤内部发生缺氧,促进VEGF的表达,在肿瘤边缘部位形成新的血管,此血管生成方式称为充塞式血管。
VEGF、血管紧张素等都在该血管生成方式的过程中起了重要作用。研究证实,肿瘤边缘新生血管很难被抗血管生成药物清除。
5、血管生成拟态
侵袭性生长的恶性肺瘤,在没有内皮细胞的参与下,肿瘤细胞发生相应变化,并进一步通过自身的变形形成管腔状结构,该血管生成方式与传统肿瘤血管生成方式完全不同,它本身并不依附于血管内皮细胞,肿瘤与血液可直接接触,是一种全新的肿瘤血管生成方式,称之为“血管生成拟态”。
(五)肿瘤血管新生与肿瘤
像正常器官一样,肿瘤也需要建立血液供应系统来满足其氧气和营养的需求来完成其他的代谢功能。这主要通过血管新生来完成,这是一个从已有的血管网络中产生新血管的过程,低氧是肿瘤血管新生的关键驱动因子。
低氧癌细胞分泌血管内皮生长因子A(VEGFA),它通过结合临近血管内皮细胞(ECs)表达的VEGF受体2(VEGFR2)来启动肿瘤血管新生。可溶的VEGFA浓度梯度诱导可移动的ECs的形成,又称为tip cells(端细胞),它可以降解周围的胞外基质的降解(ECM)并且导致新的血管生成。这个过程需要其他的信号分子的参与,包括delta样配体4(DLL4)和angiopoietin2(血管生成素2,ANGPT2),而它又可以控制端细胞表型和让EC连接变得不稳定。
肿瘤的发生、发展可分为无血管期(或称之为血管前期)和血管期。在无血管期,肿瘤主要依靠周围组织的弥散作用来获取营养物质和排泄代谢产物,从而限制了其生长,故在无血管期肿瘤多处于休眠状态,甚至可长时间地潜伏在组织中而无明显进展。如果没有血管生成,肿瘤直径一般只能达到1~2mmμm,因为实体组织中的氧只能从毛细血管向外放散状弥散150~200,超出此范围的细胞便会因缺乏营养而死亡。实体瘤生长至约2mm时才开始向血管期转变的因素主要有缺氧、缺营养、pH呈酸性、NO升高等。血管生成是实体瘤由休眠到增殖过渡的标志之一。在血管期,肿瘤内出现新的毛细血管并促使肿瘤细胞分裂、生长和转移,其中肿瘤血管来源血管生成、血管套叠式生长和内祖细胞。肿瘤血管的生长的方式有两种,一是处于无血管期的肿瘤细胞因在缺氧等因素的作用下,使细胞和巨噬细胞等产生大量的血管生长因子而诱导血管生成;二是肿瘤细胞依赖宿主组织已存在的血管生长,进而出现瘤内血管消退,然后再以第一种方式发生血管生成。
在上皮肿瘤的癌前阶段(比如异性增生和原位癌),基膜会把肿瘤从血管化的外周肿瘤组织分离开来,所以血管很少会渗透入这些早期的损伤部位。在恶性肿瘤中,癌细胞获得了入侵能力并诱导了基膜反应,包括强健的血管新生。因此,肿瘤从良性变成恶性和血管新生的转换显著联系一起,血管网络的激发和发展非常活跃生长并有渗透性。然而,肿瘤血管化的模式存在大量的不同,这反映了肿瘤类型、分级和阶段的差异(比如原位和转移),位点不同,基膜细胞组成以及促血管新生因子和抗血管新生因子的时空表达差异等。
在血管新生转变过程中,虽然癌细胞是VEGFA和其他促血管新生调节因子的重要来源,但募集来的白细胞也增加了这种可能性。另外,从不同的肿瘤相关基质细胞和它们嵌入的ECM也会发出很多信号,在血管新生已经转向肿瘤进展的下一个阶段后仍然发挥作用。
所有的哺乳动物细胞必须被200微米的血管网络所包围,才能获得氧气和营养。当细胞数目增加的时候,细胞和血管之间的距离增加,导致从原来已经存在的血管网络中新血管的形成。研究证明血管新生在肿瘤生长中起着重要的关键作用。
1、新血管的形成或血管生成,是肿瘤生长和转移的重要组成部分
血管携带营养和氧气给肿瘤细胞,营养和氧气是肿瘤生存、转移到身体其他部位所必需的。血管内皮生长因子(VEGF)是血管生成的关键蛋白,VEGF-A是血管生成的主要驱动力。
2、一旦肿瘤中开始有血管生成,肿瘤的生长将会更加迅速,也更容易转移
随着近来对肿瘤生长的不断深入研究,发现血管生成对肿瘤的生长起着至关重要的作用。肿瘤血管生成由正负两方面调节,其中血管内皮生长因子(VEGF)是重要的促血管生长因素,由不同肿瘤细胞分泌,也可在发育中的正常细胞及组织中表达,在体内调节血管的通透性,为血管形成过程中的多种细胞提供一个纤维网络;在体外能促进基质的降解以及内皮细胞的增殖、迁移、运动和血管腔样结构的形成,并可动员骨髓来源的内皮祖细胞。VEGF是诱导肿瘤血管形成的作用最强、特异性最高的血管生长因子。理论上来说,采用不同方法来干预或抑制血管内皮生长因子可以抑制肿瘤的生长。
3、实体瘤的生长及存活依赖血管形成
新生血管为肿瘤细胞生长提供营养供给,同时它也是肿瘤细胞代谢产物排泄的有效途径;而在没有血管形成的情况下,肿瘤的营养供给及代谢物排泄仅能靠简单的物理弥散;新生血管是肿瘤细胞向远处转移的重要通道,肿瘤细胞通过血管才能到达转移地点。由此可见,肿瘤与血管形成之间有着密切的关系,肿瘤的生长依赖于血管形成。
血管形成是一个极其复杂的病理生理过程,包括许多的环节,迄今人们对血管形成的机制仍不甚明了。通常认为肿瘤血管形成的过程主要包括以下几个步骤:
(1)血管内皮下基底膜溶解及内皮细胞活化;
(2)内皮细胞向肿瘤组织迁移;
(3)内皮细胞增殖;
(4)形成血管。
4、抑制血管生成发挥抗肿瘤作用
从基因水平来看,癌基因的活化使细胞具备一些促血管形成的能力,如释放一些蛋白酶、化学趋化因子及促血管形成因子等;而在其对立面,抑癌基因则可以抑制肿瘤的转移能力,如p53、nm-23等。因此,抑制血管的形成为肿瘤治疗提供了一个新的方向。只要药物能延缓或制止肿瘤细胞的扩散和生长,癌就可以从一种不治之症变成一种可治之症。
(六)肿瘤血管的特征
肿瘤血管系统的一个基本特性就是缺少血管体系。肿瘤组织中的血管紊乱,过度增生,功能失调。肿瘤脉管系统缺乏正常的有组织的层次结构,结构和功能缺陷血管组成混沌的网络。肿瘤组织内血管渗漏性高、生长曲折、血管腔粗细不均匀,管腔内血液流动无序、缓慢,不良的灌注使得肿瘤缺氧。这表明发生在正常血管发展过程中的形态学再塑过程在肿瘤的发生中或是受损或是没有发生。生理条件下以及肿瘤组织血管化作用是由血管生成和/或血管发生引起的。从已存在的血管上萌芽出新的血管被定义为血管发生,而出生后的血管发生是内皮前体细胞形成新的血管的过程。
1、肿瘤血管形态学特征
肿瘤血管分布于肿瘤生长活跃的间质中,多数内皮细胞增生发生于肿瘤周围,内皮细胞增生使血管发育并连接到宿主血管上,肿瘤不同区域的血管有不同的形态,反映了肿瘤生长不同时间内微血管变化状态与肿瘤细胞生长和增殖不同步有关。恶性肿瘤生长期血管床的重大变化就是从口径细小,较均一的毛细血管床,变化为扩张窦状不成熟的血管;动静脉之间相互区别不明显,相互重叠且分支紊乱,血管周围常可见瘤细胞呈袖套状围绕。较大的癌块中间动静脉分支吻合可形成血管湖,这些统称为肿瘤相关性血管病变。
内皮细胞超微结构中管样小体明显增多,细胞之间连接松散、形成裂隙;浸润性肿瘤血管壁基底膜厚薄不一、断裂成碎片或缺乏,部分毛细血管壁缺乏内皮细胞,仅为肿瘤实质中血流从动脉分流到毛细血管静脉孔隙 。这种异常的结构是肿瘤组织内血管通透性增高的原因,这种血管也最易受到癌细胞的侵袭。
越来越多的事实证明了血管内皮细胞的异质性是其突出的生物学特性,重要表现在内皮细胞的结构、功能抗原成分与代谢特点上。在某些器官的肿瘤组织中其血管内皮细胞仍保留着该器官的抗原性,如脑肿瘤中血管内皮细胞具有脑的相关抗原,卵巢肿瘤的血管内皮细胞具有与其卵巢细胞相同的抗原标志,源于肺癌的内皮细胞具有肺癌细胞表达的抗原。
2、肿瘤血管血液动力学改变
在肿瘤生长过程中按其血管形成过程分为血管前期与血管期,血管前期即肿瘤休眠期,此期肿瘤生长缓慢,直径小于2mm。血管期肿瘤生长明显增快,新生的毛细血管可以从肿瘤外围长入肿瘤组织中,并相互吻合形成外围血管网,再进一步分支进入肿瘤深部,或是新生的毛细血管网直接进入肿瘤中央,呈树状向外分支,肿瘤细胞常围绕血管分裂增殖,随肿瘤长大,血管不断地向外延伸,并与外围毛细血管网相连。因此,宏观上肿瘤血管被人为地分为外周血管和中央血管,尽管该分类在解剖学上并不恰当。也有人认为肿瘤周围的血管多为宿主原有的血管,而中心部位的血管才是对肿瘤细胞释放的肿瘤血管形成因子(TAF)反应的血管。当外周血管丰富时,中央血管少,而中央血管丰富时,外周血管则少。恶性肿瘤血管以灶中心性为主良性肿瘤则是弥散性血管为主。
微观上肿瘤血管系统是高度不成熟与缺乏神经支配的血管,对正常血管有活性的物质对该血管不起作用。另外,肿瘤循环血量随温度升高而增加很少,正常组织可以增加6倍时,肿瘤组织只能增加2倍。肿瘤中有细胞丰富区、边缘区、半坏死区和坏死区,各区血供不尽相同,半坏死区与坏死区血流明显减少减慢,非坏死区血流速度可以快于正常组织。在大肿瘤中血管内皮细胞的营养供给少,实际增加的效应血管管径小,血流速度的均值低于小肿瘤。肿瘤中新生血管的功效随肿瘤的长大而减低,肿瘤微循环的相对不足与低效,常导致肿瘤细胞呈片块状乏氧性坏死与肿瘤细胞凋亡的发生。
自动组织放射图象证明了肿瘤组织内皮细胞增生速度快于正常组织30-~40倍。研究内皮细胞增生与肿瘤细胞增生的关系指出当整个瘤灶内充满增生的肿瘤细胞时,内皮细胞增生是显著的,在肿瘤周围内皮细胞增生指数为2.2%,肿瘤细胞增生指数为7. 3% 。同样小鼠瘤细胞22h更新一代,血管内皮细胞的增殖是50h更新一代。这些结果提示,生长因子调控肿瘤细胞生长与内皮细胞不一致。癌细胞更新速度快于内皮细胞,导致癌细胞和毛细血管间距离增加,这些距离超过了氧弥散时,同样使组织发生乏氧性坏死。癌细胞距毛细血管的距离分为三群: > 150微米, 100~150微米,< 100微米,其中> 150微米癌细胞是最严重的“低营养、低pH值、低氧"细胞群。
四、生理和病理状态下的血管内皮细胞代谢
随着研究的不断深入,目前认为内皮细胞(ECs)代谢是促进血管生成的重要因素。ECs不同的代谢途径,如糖酵解、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代谢,在血管形成过程中发挥了不同的重要作用。糖尿病和肿瘤等病理因素也能明显的改变ECs的代谢特征:比如,肿瘤相关的ECs(TECs)糖酵解升高,在肿瘤治疗模型中降低其活跃的糖酵解能改善治疗效果。深入了解ECs在生理和病理状态下的代谢特点为疾病的治疗提供了新的靶点。
(一)血管生成:从静止细胞到血管芽生
ECs构成了血管和淋巴管的内层,对于维持脉管系统的正常功能至关重要。脉管网络随着人体组织器官生长期间的代谢需求而变化,以提供充足的氧气和营养。虽然大部分ECs在人成年后保持静止状态,但是在受伤或病理状况下仍然具有形成新血管的能力。这种精密调控的过程称为血管芽生:首先高活性的顶端细胞发生丝状伪足突起,然后随着萌芽生长,柄细胞延续顶端细胞不断增殖而延续成为新的血管。不同ECs亚型的表型不是一成不变的,ECs的亚型转变受血管内皮生长因子(VEGF)的调节。新形成的血管成熟后,恢复的灌注诱导方阵细胞形成静止的紧密的鹅卵石样排列的细胞单层。三种ECs亚型(顶端细胞、柄细胞和方阵细胞)的代谢方式不同,血管芽生过程中生长因子和转录信号通过影响细胞代谢,进而影响ECs的表型分化。在病理状态下,ECs的代谢也发生不同的变化,因此,我们需要更深入地了解ECs在这些病理状态下的代谢改变,以期通过改变代谢来促进ECs的正常化,从而找到新的治疗方法。
(二)不同的ECs亚型及ECs的代谢调控
1、生理状态下的EC代谢
(1)糖酵解是内皮细胞的主要能量来源
85%的ECs能量来源于糖酵解,与其他类型的正常细胞相比,ECs具有更高的糖酵解活性,其葡萄糖消耗量与许多肿瘤细胞的葡萄糖消耗量相同。位于血管壁的ECs容易获得氧气,却没有利用氧气产生能量的能力,这似乎有点费解。其实正因为方阵细胞浸泡在氧气中,才需要糖酵解来保护自身免受氧化应激的影响。利用糖酵解代替氧化代谢可以保持低活性氧(ROS)水平,同时糖酵解也利于保存氧气,以保证氧气向血管周围细胞的扩散。另外,在血管芽生过程中,当顶端细胞和柄细胞延伸到远离灌注血管的低氧组织时,氧化代谢就变得不切实际,并且糖酵解能更快的产生ATP,这是缺氧组织在死亡之前迅速血运重建所必需的。
ECs的糖酵解受6-磷酸果糖激酶-2/果糖双磷酸酶-2同工酶3(PFKFB3)的调节,PFKFB3促进2,6-二磷酸果糖生成,是6-磷酸果糖激酶1(PFK1)的强效的限速酶。己糖激酶2(HK2)是将葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖的限速酶,是ECs糖酵解的另一种调节因子。血流的层流剪切应力可以激活KLF2抑制PFKFB3、HK2和其他促进糖酵解的基因,使方阵细胞保持静息状态。同时,Forkhead转录因子(FOXO1)也可通过抑制转录因子MYC间接抑制糖酵解。在血管芽生的过程中,ECs可根据其代谢活性的不同变换位置,高表达PFKFB3的柄细胞可能上升到顶端的位置。几种不同的生长因子信号通路可调节ECs的糖酵解:血管内皮生长因子(VEGF)或者低水平FOXO1、KLF2都可以在芽生期间促进PFKFB3的表达。另外成纤维细胞生长因子(FGF)信号通路也能提高MYC水平,从而促进HK2表达和糖酵解。
在芽生过程中,PFKFB3和其他糖酵解酶聚集在板状伪足和丝状伪足等“ATP热点”区域促进糖酵解产生ATP,并与板状伪足膜褶皱中的F-肌动蛋白共定位结合。在细胞实验中,通过药理学抑制和基因沉默等方法降低糖酵解都可以抑制ECs增殖和迁移。在动物试验中,在小鼠视网膜和斑马鱼体内抑制PFKFB3表达也可以抑制血管及其分支的生长。同样,通过沉默HK2降低糖酵解可以抑制小鼠皮肤中的动脉及分支发育以及视网膜脉管系统中丝状伪足的增殖和数量。总之,以上数据证实了糖酵解在血管生成和维持ECs稳定的重要作用。
(2)脂肪酸参与ECs的生物合成
线粒体在大多数细胞中是ATP产生的主要部位,脂肪酸可在线粒体中转化为乙酰辅酶A进入TCA循环产生ATP。然而ECs线粒体的功能更像是一个生物合成中心,而不是一个能源中心。在柄细胞增殖过程中,脂肪酸氧化(FAO)产生的碳元素促进三羧酸循环的中间产物草酰乙酸(OAA)和α-酮戊二酸(α-KG)分别与底物结合生成天冬氨酸和谷氨酸前体以及脱氧核苷酸(dNTP)。肉毒碱棕榈酰基转移酶1a(CPT1a)是FAO中脂肪酸进入线粒体的限速酶,在体外实验中,CPT1a沉默可导致dNTP池的减少,抑制ECs芽生。尽管FAO与细胞内的氧化还原平衡和ATP产生有关,但其对ECs增殖的抑制作用并不是由氧化还原不平衡或细胞内ATP消耗造成的。在体内试验中,敲除或者药理学阻断内皮细胞的CPT1a基因都可使血管分叉的数量减少,同时抑制小鼠视网膜血管网的径向扩张。根据体外试验,抑制CPT1a基因表达后,不会影响ECs的丝状伪足数量正常,可见其对ECs的迁徙特性没有影响。表明PFKFB3调控糖酵解促进ECs增殖和迁移,而CPT1a通过调控FAO选择性地促进ECs扩散。
(3)谷氨酰胺和天冬酰胺代谢在ECs中的作用
ECs依赖谷氨酰胺维持增殖和血管生长,谷氨酰胺是ECs消耗最多的氨基酸。在ECs增殖中,谷氨酰胺经谷氨酰胺酶1(GLS1)分解后作为TCA循环碳的补充来源,维持蛋白质和核苷酸合成。当ECs中谷氨酰胺不足时,蛋白质和核苷酸合成受损,mTOR活性降低,内质网(ER)应激标记基因增加。7谷氨酰胺可以维持谷胱甘肽(GSH)氧化还原稳态,缺乏谷氨酰胺时ECs内易产生ROS蓄积。ECs是否利用谷氨酰胺合成ATP仍有争议。同时,在ECs中,谷氨酰胺通过还原性羧化产生柠檬酸。在体外和体内实验中,干扰谷氨酰胺代谢影响ECs增殖和迁移从而抑制血管生成。
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损可以通过补充α-KG和天冬酰胺得到修复,同样的天冬酰胺合成酶基因(ASNS)被沉默也会抑制ECs增殖。还有越来越多的证据表明,天冬酰胺作为一种信号代谢物,可以感知代谢燃料的储量和可利用性,从而协调细胞的体内平衡反应。
(4)丝氨酸代谢
ECs可从细胞外摄取丝氨酸,也可由糖酵解中间产物3-磷酸-甘油酸(3PG)从头合成。合成反应主要受限速酶磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)调节。丝氨酸的合成需要分别来自谷氨酰胺代谢与糖酵解的中间产物,丝氨酸也可以与甘氨酸相互转化。脂肪酸和氨基酸参与生物合成。
2、肿瘤内皮细胞(TECs)的代谢
血管增生可以促进多种炎症和恶性疾病,在这些疾病中的ECs代谢发生了变化。以下介绍的是肿瘤细胞对ECs代谢的影响。
肿瘤组织中的血管紊乱,过度增生,功能失调。肿瘤脉管系统缺乏正常的有组织的层次结构,结构和功能缺陷血管组成混沌的网络。肿瘤组织内血管渗漏性高、生长曲折、血管腔粗细不均匀,管腔内血液流动无序、缓慢,不良的灌注使得肿瘤缺氧。这些都会促进肿瘤细胞转移、逃逸。在肿瘤早期,TECs代谢的这一特征就已经可以显现出来。
(1)TECs在高糖酵解同时保留线粒体功能
肿瘤血管系统中TECs比健康ECs更依赖于糖酵解,细胞中葡萄糖转运蛋白(GLUT1)和糖酵解活化剂(PFKFB3)的表达增强,显示出高糖酵解表型。另外,TECs的磷酸戊糖和丝氨酸的生物合成途径过度激活,促进核苷酸等合成。肿瘤微环境(TME)中的几种信号通路(如缺氧和促炎细胞因子)和激素信号都能上调PKFBF3。沉默PFKFB3可下调TECs糖酵解抑制其增殖,减少血管渗漏,收紧血管屏障,恢复灌注,使肿瘤血管正常化。这种治疗可使糖酵解降低至正常ECs的水平,而不至于过度地降低甚至完全抑制糖酵解。因为过度抑制TECs糖酵解会导致TECs死亡、肿瘤血管崩解,从而促进肿瘤细胞逃逸和转移。因此对肿瘤病人给予PFKFB3阻断剂治疗是必要而恰当的。
虽然TECs具有高糖酵解活性,但是其线粒体依然具有高度活性。OXPHO不仅可以为细胞提供能量,也提供了中间代谢物用于生物合成,这对于过度增殖的TECs是非常重要的。抑制线粒体呼吸可能通过产生ROS和线粒体膜电位的解偶联等机制诱导TECs死亡。这为线粒体在TECs中的作用提供了进一步研究的可能。
(2)谷氨酰胺和脂肪酸在TECs中的作用
如上所述,谷氨酰胺对ECs增殖是必不可少的。ECs中的谷氨酰胺代谢是由TGF-β1和RAF/MEK/ERK信号通路诱导的,这些信号通路参与了肿瘤进展。在卡波氏肉瘤病毒转化病灶发展过程中,被感染的TECs谷氨酰胺分解作用增强,依赖谷氨酰胺分解代谢提供能量。与正常细胞相反,TECs缺乏谷氨酰胺的“饥饿状态”不能通过补充抗氧化剂或单独补充TCA循环逆转,这表明TECs代谢更依赖于谷氨酰胺和天冬酰胺。然而,谷氨酰胺/天冬酰胺代谢在TECs中的确切作用仍然未知。
TECs在增殖期使用脂肪酸维持TCA循环和核苷酸的从头合成,阻断FAO可抑制血管生成,FAO抑制剂具有抑制肿瘤生长和转移的治疗潜力。
3、肿瘤血管及肿瘤相关内皮细胞代谢特征
(1)内皮细胞与其他细胞之间的代谢联系
TME中单个细胞类型的代谢是一个值得深入研究的焦点,但是不同细胞类型之间如何通过营养物质和代谢物交换进行交流也需要得到足够的重视。TME中的细胞都会受到选择性应激,部分是由于低效的血液灌注引起的营养物质的缺乏和代谢废物的积聚。这些细胞的分泌物因此发生改变,直接或间接通过外泌体排出胞外。
(2)TECs与肿瘤细胞发生代谢相互作用
远离血管引起的局部缺血会影响肿瘤细胞的外分泌,参与决定肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)、免疫T细胞和ECs的分化。肿瘤细胞可以通过促进葡萄糖摄取,或通过分泌代谢物(如TCA循环中间体琥珀酸盐)促进ECs增殖。乳酸可通过激活HIF-1α和PI3K/AKT信号通路上调VEGF信号刺激血管生成。此外,TECs摄取乳酸氧化为丙酮酸,后者上调NF-κB/IL-8信号通路促进血管生成。乳酸积累产生酸性微环境,导致内质网应激,诱发炎症反应。
TECs与几种免疫细胞类型相互作用,影响血管生成。Th1细胞通过改变细胞因子环境和增强周细胞募集促进肿瘤血管的正常化。肿瘤相关巨噬细胞(TAM)在TME中具有双重作用:在消除肿瘤细胞的同时,也可促进血管生成和肿瘤细胞增殖。TAM和TECs的葡萄糖代谢都被REDD1调控。REDD1对mTOR的抑制下调TAM中的糖酵解,其导致TME中葡萄糖水平升高,较高的葡萄糖水平促进TECs生成新的血管;抑制REDD1可诱导TAM中的糖酵解,TME中TAM与TECs之间的葡萄糖代谢竞争,导致血管生成减少,肿瘤血管正常化,抑制肿瘤转移扩散。
4、肿瘤微环境中TECs与其他细胞的代谢联系
免疫细胞的代谢受关键蛋白的亚型和活化状态的调控。TME中某些营养素缺乏会影响免疫细胞代谢,损害免疫细胞活性,从而促进TECs的生成血管。TME中的TAM不仅高表达VEGF促进血管生成,还高表达精氨酸酶1,降低TME中的精氨酸水平,损害T细胞的功能。TAM的促血管生成特性依赖于谷氨酰胺合成。抑制TAM中谷氨酰胺的合成可促进肿瘤血管正常化、抑制肿瘤转移。在酸性的TME中细胞倾向谷氨酰胺代谢提供能量,降低谷氨酰胺水平过低会抑制TME代谢。
在抗肿瘤治疗中,肿瘤细胞的代谢相互作用网络因为代偿机制而变得更加复杂。低氧部位的肿瘤细胞高糖酵解产生乳酸,乳酸可促进血管周围肿瘤细胞的氧化代谢。这种代谢共生机制引起对抗血管生成治疗的耐药性:即抗血管生成治疗可产生更多缺氧肿瘤细胞,为氧化区域的肿瘤细胞提供乳酸从而促进其代谢。mTOR抑制剂具有抗肿瘤作用的同时也会通过刺激血管生成促进肿瘤。可见,同时应用互补作用的代谢靶向药物可以提高药物的总体功效,但是这种组合策略的安全性问题也需要引起重视。
五、血管内皮细胞代谢与肿瘤血管新生
血管是生物在进化过程中出现的器官,可通过运输血液向组织输送氧气、营养物质及生长因子,同时排出代谢废物,维持机体正常新陈代谢。血管内壁的内皮细胞(EC)参与血管新生及血管稳态维持,有利于氧气和营养物质的供给,满足机体代谢需求。人们对内皮细胞功能的关注很大程度上因为其在血管新生过程中的重要作用。
血管新生是指从已有血管发展成新血管的过程,主要包括血管基底膜降解,血管内皮细胞激活、增殖和迁移,以及重建形成新血管和血管网等,是个涉及多细胞和多分子的复杂过程。内皮细胞是血管新生过程的核心参与者,其可塑性极强,长期处于静息状态,一旦受到血管内皮生长因子(VEGF)信号的刺激就可立即切换至活化、高度增殖和迁移的状态,启动血管新生。
对于血管新生机制的研究已有数十年历史,特别是对肿瘤血管新生过程参与肿瘤生长和转移的研究已取得显著进展。临床研究已证实,抑制内皮细胞VEGF信号通路可作为治疗肿瘤的策略。近期研究表明,内皮细胞的代谢状态和血管内皮生长因子的刺激对于血管新生过程同等重要。尽管对细胞代谢的研究已经有了一个多世纪的历史,但关于内皮细胞代谢的研究在最近几年才受到关注。因此,探讨肿瘤微环境中内皮细胞的代谢改变,增进对内皮细胞代谢的认识,为抑制肿瘤生长和肿瘤血管新生相关药物研发提供新思路。
(一)内皮细胞和血管新生
在生物体发育过程中,血管网络会随生物体代谢需求的变化而扩展,以保证为所有组织提供充足氧气和营养物质。内皮细胞排列于血管内壁,在血管系统中发挥至关重要的作用。成熟内皮细胞在正常情况下一般维持静息状态,当在缺氧、损伤或其他病理刺激下,会被迅速激活,形成新的血管,以便向低氧组织输送氧气和营养物质。参与血管新生的内皮细胞根据其定位和功能的不同,可分为尖端细胞(位于新生血管最前端,可以形成丝状伪足,响应VEGF的刺激并在新生血管处发芽)、茎细胞(与尖端细胞相邻,通过细胞增殖使血管新芽延长)、方阵细胞(存在于成熟血管中,主要功能是将生长中的血管新芽与已存在的血管连接起来,调节血管稳态并发挥屏障功能)三种类型。
血管新生过程主要受信号分子的调控,其代表性激活剂是VEGF。血管内皮生长因子受体2 (VEGFR2)是接收血管生成信号的主要受体。VEGF与内皮细胞上VEGFR2结合,可诱导尖端内皮细胞的形成。尖端皮细胞形成后,VEGF刺激尖端细胞表达Delta样配体4(DLL4)。DLL14可以调控周边内皮细胞Notch信号通路并下调VEGFR2的表达,促使周边细胞展现出茎细胞表型。此外,尖端细胞与茎细间也可以相互转化。当2个相邻的尖端细胞接触时,它们可以连接并形成血管。当血管成熟后,内皮会成为方阵细胞恢复至静息状态。
(二)肿瘤组织血管内皮细胞的代谢重塑
内皮细胞代谢可将营养物质转化为能量和生物大分子,以支持内皮细胞的增殖和迁移。研究表明,内皮细胞的代谢能够调控血管新生。
正常组织血管内皮细胞的代谢主要有葡萄糖代谢(糖酵解途径、磷酸戊糖途径、己糖胺合成途径、多元醇途径、线粒体氧化磷酸化)、氨基酸代谢和脂肪酸代谢。
血管新生是肿瘤发生发展的特征之一。与正常组织一样,肿瘤组织需要血液输送氧气和营养物质,同时排出代谢废物,而这些生理需求都由肿瘤组织内部的新生血管完成。正常情况下,当生物体发育成熟后,血管系统会长期保持静止状态,只有在机体受到损伤时才会出现短暂血管新生;而在肿瘤发展过程中,血管新生则变成了一种常态。随着肿瘤不断生长,肿瘤对氧气和营养物质的需求也逐渐增长,持续的血管新生得以满足肿瘤细胞的代谢需求。因此肿瘤血管新生对肿瘤生长和转移都至关重要。
目前对调控肿瘤血管新生的信号通路已经有了较为深入的认识。肿瘤血管新生受多种血管生成信号分子的调控,包括VEGF、血管生成素等。
与正常内皮细胞相比,肿瘤组织的内皮细胞会发生代谢重塑。现有认识表明,肿瘤微环境内皮细胞的糖酵解、脂肪酸氧化及谷氨酰胺代谢在肿瘤血管新生过程中发挥了不可或缺的作用。在肿瘤血管新生时,不同类型内皮细胞的代谢特征也有所不同。此外,与正常组织不同,肿瘤组织由于肿瘤细胞糖酵解的增强造成的低糖环境也会上调VEGF的表达;肿瘤微环境中的代谢产物乳酸水平的升高在血管新生过程中也发挥了一定功效。肿瘤微环境中的血管新生受到血管生成信号分子和环境中代谢产物的共同驱动。
1、葡萄糖代谢异常
葡萄糖代谢异常是肿瘤细胞代谢最突出的特点,肿瘤细胞有氧糖酵解能力是正常细胞的20~30倍。与肿瘤细胞一样,肿瘤血管内皮细胞比正常的内皮细胞更依赖于糖酵解来产生ATP,表现出高糖酵解表型,其作用机制可能与葡萄糖转运蛋白GLUTI和糖酵解代谢酶PFKFB3的表达增加有关。肿瘤微环境低氧和促炎性细胞因子都会上调PFKFB31。此外,与正常内皮细胞相比,肿瘤微环境中的内皮细胞会激活磷酸戊糖和丝氨酸生物合成途径,用于核苷酸的合成。针对以上特点,有研究证明可以通过抑制PFKFB3降低肿瘤微环境中内皮细胞的糖酵解以阻止肿瘤细胞的增殖,PFKFB3的小分子抑制剂3-(3-pyridinyl-1-4pyridiny)-2-propen-l-one(3-PO)能剂量依赖地抑制中皮细胞糖酵解;低剂量的3-PO使肿瘤附近的血管趋向于正常化,高剂量的3-PO则会抑制内皮细胞增殖影响血管的完整性,从而干扰肿瘤的生长。值得关注的是,这种治疗策略的目的是将肿瘤微环境中内皮细胞的糖酵解降低到正常内皮细胞水平,而不是将其降低过多或完全消除糖酵解通量。因为过量降低内皮细胞糖酵解水平会诱导内皮细胞死亡,导致血管结构的完整性受损,从而促进肿瘤细胞的逃逸和转移。
尽管糖酵解至关重要,但肿瘤微环境中的内皮细胞仍然保留了线粒体的基本功能。线粒体氧化磷酸化不但能够增加细胞利用其他营养物质产生能量的灵活性,而且还提供用于生物合成的代谢产物以支持细胞增殖,这对于过度增殖的肿瘤微环境中的内皮细胞尤为重要。目前鲜有报道肿瘤微环境中内皮细胞的磷酸戊糖途径、己糖胺合成途径以及多元醇途径是否发生改变,还有待深入研究。
2、氨基酸代谢异常
谷氨酰胺对于肿瘤内皮细胞的存活及血管新生过程具有重要作用,但其主要是促进肿瘤内皮细胞的增殖而非迁移。与肿瘤细胞不同,补充抗氧化剂或三羧酸循环(TCA)中间代谢物无法弥补正常内皮细胞在谷氨酰胺饥饿时受到的增殖抑制,而这意味着肿瘤微环境中的内皮细胞可能以不同方式更加依赖于利用谷氨酰胺代谢通路。有研究发现肿瘤微环境中的血管内皮细胞可以利用谷氨酰胺进行多胺类化合物的合成;内皮细胞中26%的鸟氨酸来源于谷氨酰胺,而鸟氨酸正是多胺合成重要的前体物质。同时,谷氨酰胺对于精氨酸的合成也至关重要。有研究发现,额外添加精氨酸对于内皮细胞克服谷氨胺缺失有重要作用。
3、脂肪酸代谢
增殖的内皮细胞可利用脂肪酸来维持TCA循环,支持内皮细胞在增殖过程中从头合成核苷酸。有研究发现,敲除内皮细胞中的脂肪酸氧化关键限速酶CPTIA并不会导致内皮细胞的能量缺乏,也不会破坏其氧化还原稳态,而是会阻碍核苷酸从头合成,进而抑制DNA复制。通过同位素标记实验发现,脂肪酸可以进入TAC循环,通过合成天冬氨酸和尿苷酸参与DNA合成。敲除CPTIA并阻断这一过程能降低内皮细胞的天冬氨酸及脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)储备,抑制病理性血管增生。此外,还有研究表明抑制脂肪酸合成也会抑制肿瘤血管新生。靶向脂肪酸合酶FASN的奥利司他可以通过减少内皮细胞脂肪酸合成、降低内皮细胞迁移能力以及减缓内皮细胞的增殖来发挥抗血管生成的效应 。以上证据提示,内皮细胞脂肪酸代谢阻断剂可通过抑制肿瘤血管新生而抑制肿瘤生长和转移。同时,有研究发现,抑制内皮细胞表面的脂肪酸转位酶(FAT/CD36)的功能也可有效抑制血管新生,提示通过多种手段干预脂肪酸在内皮细胞的转运或代谢都能有效抑制血管新生,具有潜在的抗肿瘤作用。
六、肿瘤微环境与肿瘤血管生成
肿瘤微环境是一个动态的网络,它由多种类型的细胞(如肿瘤细胞、内皮细胞、成纤维细胞、免疫细胞和周细胞等)以及细胞外成分(如细胞因子、生长因子和细胞外基质等)组成。肿瘤微环境对肿瘤发展的影响日益引人注目。另一方面,肿瘤血管生成是实体肿瘤生长、浸洞和转移的重要标志,越来越多的研究表明其与肿瘤微环境密切相关。因此,充分了解肿瘤微环境对肿瘤血管生成的影响,对于抗肿瘤药物研发具有重要意义。
(一)内皮细胞与肿瘤血管生成
肿瘤相关的内皮细胞(TAEC)主要来源于3种方式:一是在肿瘤微血管基础上,血管内皮细胞通过“芽生”的方式迁移并增殖而来;二是血管内皮细胞的前体细胞迁移到肿瘤内,在血管生成相关的细胞因子刺激下分化成内皮细胞;三是在特定的微环境中,肿瘤干细胞可定向分化为内皮祖细胞或内皮细胞参与肿瘤血管生成。肿瘤血管是由内皮细胞和肿瘤细胞衬于血管腔内形成的复合体。肿瘤血管生成与血管内皮细胞的分裂和增殖有关,也与血管内皮细胞向肿瘤组织内部迁移密切相关。目前,许多血管内皮细胞的标志物如CD31、CD34、血管内皮细胞生长因子受体(VEGFR)和Tie-2等已经被用来评估血管生成,并成为抗血管生成治疗的主要靶点。
肿瘤血管内皮细胞与正常血管内皮细胞在生长因子受体、信号转导分子、黏附分子,以及细胞活性相关分子的表达上具有明显差异。其中,TAEC与肿瘤血管生成更为密切,这是因为内皮细胞表面具有酪氨酸激酶活性的Tie-2受体及VEGFR与肿瘤血管生成密切相关。Tie-2受体的配体是促血管生成素1(Angl )和Ang2,主要调节内皮细胞和周围间质的相互作用;;VEGFR的配体是血管内皮细胞生长因子(VEGF),主要调节内皮细胞的增殖和迁移。
另外,肿瘤细胞和内皮细胞直接相互作用,通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和Notch等信号通路,促进肿瘤血管生成。Notch信号通路参与血管形成中的多个步骤,如顶端细胞的分化、内皮细胞的增殖,以及成熟血管结构的形成等。此外,内皮细胞和肿瘤细胞通过E-选择素和配体唾液酸化的路易斯寡糖X的相互作用,促进肿瘤血管生成。
(二)免疫细胞与肿瘤血管生成
1、T淋巴细胞
T细胞按CD4和CD8表型,分为CD4+和CD8+T细胞。CD4+T细胞依据其分泌的不同细胞因子,又分成辅助性T细胞(Th1)、Th2、Th17和调节性T细胞(Treg)等。
实体瘤中常浸润着大量的免疫细胞。当肿瘤进展到一定程度,其免疫微环境处于抑制状态。 Th1细胞分泌的γ-干扰素(IFN-γ)是一种抗血管生成的细胞因子。Treg细胞可以直接释放VEGF和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等,从而诱导血管生成;也可以分泌一些细胞因子如IL-6和IL-17等,通过STAT3转录因子,间接诱导VEGF和bFGF生成,从而促进肿瘤血管生成。
2、树突状细胞(DC)
DC是机体功能最强大的一类抗原提呈细胞,具有摄取、处理和提呈抗原等作用,在抗肿瘤免疫应答中发挥重要作用。肿瘤在快速生长过程中,会持续外泌VEGF、转化生长因子B (TGF-B).
IL-6. CXC趋化因子配体8 (CXC chemokine ligand 8,CXCL8)、前列腺素E2 (prostaglandin E2, PGE2)、乳酸和骨桥蛋白等细胞因子,抑制肿瘤组织内DC的成熟,促进血管生成。
肿瘤微环境能明显影响DC的功能及其表面标志蛋白的表达,导致肿瘤浸润性DC不能有效递呈抗原并激活T細胞。
3、肥大细胞(MC)
MC根据其细胞质中蛋白酶的不同,分为MCT和MCTC两个亚群。MCT型含有类胰蛋白酶;MCTC型除含有类胰蛋白酶外,还含有类糜蛋白酶。类胰蛋白酶和类糜蛋白酶直接作用于内皮细胞,或间接作用于细胞外基质,从而诱导肿瘤血管生成。其中,类胰蛋白酶几乎是专一性地由MC外泌,因此常被作为MC及其活化的特异性标志。在肿瘤形成的早期阶段,MC蛋白酶可诱导血管生成,而在肿瘤晚期其可以调控血管生长。在研究MCT亚群对胰腺癌生长的影响时发现,MCT可通过MCT/Ang1/Tie-2/MAPK信号通路,促内皮细胞的增殖和血管生成。类胰蛋白酶促肿瘤血管生成的环节可能是,先促进细胞外基质降解,以及内皮细胞增殖和迁移,然后诱导内皮细胞形成管腔样结构。
MC通过多种途径诱发和促进血管生成。MC可产生多种促血管生成因子,如VEGF、TGF-β、IL-8、bFGF、
MMPs、TNF-α、IL-18、组胺、丝氨酸蛋白酶和神经生长因子,它们可调控血管内皮细胞的生长和迁移。另外,MC可释放趋化因子,促使单核巨噬细胞和淋巴细胞在癌巢周围募集,发挥促血管生成作用。因此,MC能促进肿瘤血管生成,成为肿瘤抗血管生成治疗的一个重要靶点。
4、巨噬细胞
肿瘤间质中的巨噬细胞称为肿瘤相关巨噬细胞(TAM)。目前公认,CD163是TAM的特异性分子标志物。已有研究报道,在胃癌、结肠癌和乳腺癌等肿瘤组织中,TAM可促进肿瘤血管生成。
TAM释放多种促血管生成因子,如TNF-α、VEGF、bFGF、血小板衍生生长因子(PDGF)、肝细胞生长因子(HGF)、趋化因子、胸苷磷酸化酶、肾上腺髓质素(ADM),、Semaphorin 4D(Sema4D)、炎性细胞因子和MMPS等。
在炎性因子的刺激下,TAM衍生的ADM可诱导内皮型一氧化氮合酶,在血管内皮细胞中通过旁分泌作用促进血管生成。有效去除TAM后,发现血管生成因子表达水平和MVD均明显降低,证明抗TAM治疗具有良好的抗肿馆血管生成效果。
(三)成纤维细胞与肿瘤血管生成
肿痛相关成纤维细胞(CAF)是肿瘤微环境中最常见的间质细胞类型,它可以分泌及释放多种促血管生成因子,如VEGF、 bFGF、PDGF、TGF-β 、IL、表皮生长因子受体或配休(即ErbB家族)和集落刺激因子等,促进肿瘤的血管生成。
(四)周细胞与肿瘤血管生成
周细胞为血管提供结构支持,并在血管新生和维持血管稳定中发挥重要作用。周细胞与内皮细胞在解剖结构上关系密切,它们相互作用对微血管的发生、发展、稳定、成熟和重塑至关重要。相关的信号通路包括PDGF-B/PDGF-B受体(PDGF-B ,PDGFR-B)、TGF-B/间变性淋巴激酶1(ALK1)-ALK5、Ang/Tie-2 Notch通路、音猬因子(Shh)/Patched (Ptc)通路、人肝素结合性表皮生长因子/ErbBs和SDF-1a/CXCR4。通过这些信号通路,周细胞与内细胞之间的信号转导得以加强。因此,周细胞及相关的信号通路可作为抗肿瘤血管生成的重要靶点,为抗肿增
管生成治疗提供了新的方向。
低氧导致肿瘤产生一系列细胞信号分子,干扰周细和内皮细胞之间的稳定连接,使新生血管的通透性增加。毛细血管出芽再生过程包括内皮细胞和周细胞的协同生长,而不仅仅是内皮管腔的延伸,周细胞也能单独启动血管生成。所以,应联合周细胞和内皮细胞的靶向治疗,更好地抑制肿瘤血管生成。
(五)细胞外基质与肿瘤血管生成
细胞外基质是由细胞合成并分泌到细胞外的高度水合性纤维三维大分子网络凝胶结构,可大致归纳为4类:胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白。
蛋白多糖(PG)是细胞外基质中主要的非胶原糖蛋白成分。PG通过与细胞表面受体结合或与多种血管生成因子相互作用,促进或抑制肿瘤血管生成。 Syndecan-1是跨膜硫酸类肝素蛋白聚糖家族的一个成员,其通过核心蛋白跨膜区定位于细胞膜。Syndecan-1通过VEGFR2、整合素αγβ3、血管内皮型钙黏蛋白(VE-cadherin)的参与,与IGF-1受体相互作用,促进血管生成:Syndecan-1还通过FGF2和VEGF-VEGFR2信号,促进血管生成。含sushi重复蛋白X连锁2 (SRPX2)是一种新发现的硫酸软骨素蛋白多糖,其可以促进HUVEC的体外增殖、迁移和管腔形成,从而发挥促血管生成的作用。在血管内皮细胞中,SRPX2可通过与尿激酶型纤溶酶原激活物间的相互作用,调节内皮细胞迁移和管腔形成能力,促进血管生成过程。Lumican属于小富亮氨酸蛋白多糖家族,通过抑制整合素αγβ3、p38、MAPK活性和MMIP-14表达,抑制内皮细胞迁移和管腔形成,同时激话Fas通路,诱导内皮细胞凋亡,从而抑制肿瘤血管生成。
整合素是内皮细胞和细胞外基质的桥梁。MMPs降解基膜糖蛋白及细胞外基质成分后,内皮细胞激活,整合素分子和配体相结合;大多数整合素家族成员的配体是细胞外基成分,如层黏连蛋白(LN)和纤黏连蛋白等;整合素将细胞内外的信号转导联系起来,参与内皮细胞的激活、迁移和增殖,并抑制内皮细胞调亡;而且整合素与多种细胞因子相互作用,最终促进新生血管的成熟和稳定。
(六)血管生成拟态与肿瘤血管生成
肿瘤血管生成拟态是指肿瘤细胞模拟机体血管生成,先形成肿瘤细胞条索,进而形成输送血液的管道,是肿瘤组织不依赖血管内皮细胞而获得血液供应的一种新方式。
肿瘤血管生成拟态的形成与肿瘤微环境、肿瘤细胞基因型的转化、多条信号通路和调控因子有关。经典的信号通路包括VE-cadherin/EphA2/PI3K/MMPS/LN-5 γ2、VEGF-A/VEGFR1/PI3K/Akt/蛋白激酶Ca(PKCa)和整合素信号通路,可促进肿瘤血管生成拟态的形成。Notch和Nodal信号通路相互作用也可以调节肿瘤血管生成拟态形成。
其他影响因素如PGE2/上皮祖细胞蛋白1 (EP1)/PKC路、JAK/STAT通路、CXCR4/Akt/EMT通路、COX-2、caspase 3和迁移诱导蛋白,也可促进肿瘤血管生成拟态形成。而环磷酸腺苷(cAMP) 一方面通过激Epac/Rap1,抑制PI3K/Akt信号通路,并使ERK1/2激活,从而抑制肿瘤血管生成拟态形成;另一方面通过Notch4,使Noda1表达增加,促进肿瘤血管生成拟态形成。然而,cAMP对肿瘤血管生成拟态总的效应是促进还是抑制,尚需要进一步研究探讨。
肿瘤血管生成拟态现象部分解释了抗血管生成治瘤疗效不佳的原因,并为抗肿瘤血管生成策略的改变提取了新的理论依据。可以肯定的是,针对肿瘤血管和肿管生成拟态进行联合治疗,能更好地干预肿瘤血管生成。
(七)神经递质与肿瘤血管生成
肿瘤微环境中的神经信号与血管生成之间有着密切联系。许多肿瘤细胞上存在着自主神经受体,尤其是交感神经受体异常分布。研究表明,神经递质(儿茶酚胺、多巴胺等)与肿瘤血管生成有密切关系。
多巴胺(DA)是儿茶酚胺类神经递质,可以通过DAD2受体诱导细胞发生VEGFR-2受体内吞,从而显著抑制血管通透性因子(VPF) /VEGF诱导的血管生成。DA也可以降低VEGF-A诱导的细胞外信号ERK1/2磷酸化。总之, DA和DAD2受体激动剂可以抑制VEGF诱导的内皮细胞增殖,以及骨髓间充质干细胞和内皮祖细胞迁移,从而抑制肿瘤血管生成。在血管内皮细胞中,5-羟色胺(5-HT)通过活化其受体5-HTR1和5-HTR2,激活p70核糖体蛋白S6激酶、ERK和Src/PI3K/Akt/mTOR信号通路,从而促进肿瘤血管生成。
七、肿瘤微环境与肿瘤干细胞
肿瘤干细胞(CSC)是肿瘤中具有自我更新能力并能产生异质性肿瘤细胞的细胞。
肿瘤干细胞对肿瘤的存活、增殖、转移及复发有着重要作用。从本质上讲,肿瘤干细胞通过自我更新和无限增殖维持着肿瘤细胞群的生命力;肿瘤干细胞的运动和迁徙能力又使肿瘤细胞的转移成为可能;肿瘤干细胞可以长时间处于休眠状态并具有多种耐药分子而对杀伤肿瘤细胞的外界理化因素不敏感,因此肿瘤往往在常规肿瘤治疗方法消灭大部分普通肿瘤细胞后一段时间复发。
传统观念认为,肿瘤是由体细胞突变而成,每个肿瘤细胞都可以无限制地生长。但这无法解释肿瘤细胞似乎具有无限的生命力以及并非所有肿瘤细胞都能无限制生长的现象。肿瘤细胞生长、转移和复发的特点与干细胞的基本特性十分相似,因此,有学者提出肿瘤干细胞(成CSC)的理论。这一理论为我们重新认识肿瘤的起源和本质,以及临床肿瘤治疗提供了新的方向和视觉角度。
(一)肿瘤干细胞的特性
1、极强的致瘤能力
CSC数目极其稀少,成瘤能力较普通肿瘤细胞大数百倍以上,是肿瘤发生、发展与维持的基础。
2、自我更新并多向分化
CSC具备自我更新与多向分化能力。
3、CSC与成体干细胞
肿瘤细胞突变最早发生于干细胞:干细胞与CSC具有无限增殖相似的生物学特性,只需突变获得过度增殖能力, 就可以转化成为肿瘤;干细胞比分化细胞周期性更新快,寿命长,突变更容易累积。干细胞是突变的靶。
4、干细胞与CSC有相似的生长调控机制
Wnt、SHH、Notch途径,也往往调控干细胞的生长分化,提示机体一生中细胞的生长分化由相似的生长调控机制调节,其异常可引起细胞过度增殖,导致肿瘤。CSC与干细胞有相同的起源。
5、自我更新信号传导途径的负反馈机制已破坏。
6、缺乏分化成熟的能力。
7、肿瘤干细胞分裂与分化处于失控状态,并通过不断自我更新与分化,最终产生大量的肿瘤细胞,维持着肿瘤的生长与异质性,具有高度的抵抗力和转移性。
(二)肿瘤微环境与肿瘤干细胞
肿瘤微环境在肿瘤自我更新、多向分化、持续存活及转移中都发挥要作用,肿瘤干细胞是肿瘤复发和转移的根源。乏氧、低pH、肿瘤血管等肿瘤微环境对肿瘤干细胞的干性维持和促进肿瘤浸润转移有重要作用。
与正常组织不同,肿瘤微环境有炎细胞浸润、血管密度增加、结缔组织增多、细胞外基质成分改变以及出现了活化的成纤维细胞等诸多改变。这些变化促进肿瘤微环境从不同方面影响肿瘤细胞的生物学行为,进而对肿瘤产生促进或抑制作用。肿瘤微环境具有多种反馈控制机制,一旦某种不利环境发生,这种微环境会反馈形成多条互补或可替代的代谢途径,当某条通路受到抑制时,相似的通路会迅速补充。
另外,肿瘤微环境具有低氧、低pH、高压、富含大量生长因子等特点,调控着肿瘤的复发、转移等多种生物学行为。靶向"CSC巢”可能代表一种新的治疗策略,认识肿瘤微环境从而针对肿瘤微环境进行治有望提高肿瘤治愈率。
八、结语
肿瘤的生长和肿瘤血管生成是一个极其复杂的过程,涉及肿瘤的自身特点及其所处的机体环境和微环境,与肿瘤血管生成、血管内皮细胞代谢、肿瘤干细胞等多种因素和多种途径及其相互作用密切相关。针对肿瘤生长和肿瘤血管生成机制,探索开发多靶点抗肿瘤药物,对于肿瘤治疗具有重要意义。
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