李 娜,邢書娟,黃國友,冷 歡,李 鵬,王 琳

(1.西安外事學院醫(yī)學院,中國陜西 西安 710077; 2.西安外事學院生命科學應用研究中心,中國陜西 西安 710077;3.西安交通大學仿生工程與生物力學中心,中國陜西 西安 710049; 4.西安醫(yī)臻生物醫(yī)藥科技有限公司,中國陜西 西安 710086)

癌癥,又稱惡性腫瘤,國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer,IARC)于2018年發(fā)布的最新全球癌癥數(shù)據(jù)報告指出,2018年將新增約1 810 萬癌癥確診病例和960萬癌癥死亡病例[1]。從發(fā)病率和死亡率數(shù)據(jù)來看,肺癌是最常見且死亡率最高的癌癥,其次是乳腺癌和結直腸癌。然而,由于不同國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度以及相關的社會和生活方式等不同,這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出較大差異[2]。很多癌癥患者發(fā)現(xiàn)患病時已處于晚期,癌細胞發(fā)生了惡化和轉移,這是導致患者死亡的重要原因。因此,深入研究腫瘤轉移和復發(fā)的調控機制將為抗癌藥物的未來發(fā)展提供新思路。

血管生成(angiogenesis)是腫瘤發(fā)生、發(fā)展以及轉移的重要條件[3]。腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment)中的各組成成分可通過多種途徑調節(jié)腫瘤新血管生成,促使腫瘤的發(fā)生和轉移。因此,以血管生成通路為靶點而研發(fā)的新型抗腫瘤藥物,不僅可以清除腫瘤生長和轉移所必需的血管,還可以重組腫瘤免疫微環(huán)境。臨床研究結果表明,血管靶向治療在腫瘤綜合治療中占據(jù)著重要地位。但是,與其他抗腫瘤藥物一樣,抗血管生成治療藥物也難以避免耐藥(drug resistance)現(xiàn)象的產(chǎn)生[4]?；诖?本文闡述了腫瘤血管生成在腫瘤發(fā)展中的作用機制、現(xiàn)有血管靶向藥物存在的問題與不足以及未來抗腫瘤的研究策略和方向。

1 腫瘤新血管生成

血管生成是從現(xiàn)有的內皮細胞中生成新的血管,進而向各種器官提供充足氧氣和營養(yǎng)的過程,其對于腫瘤的生長和轉移至關重要,已被證明是腫瘤治療的重要靶標[5]。腫瘤血管生成是一個復雜的過程,受到多種促血管生成因子(pro-angiogenic factors)和抗血管生成因子(anti-angiogenic factors)的嚴格調控。

在腫瘤新生血管形成過程中,支持腫瘤生長的促血管生成因子主要有：血管內皮細胞生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、胎盤生長因子(placental growth factor,PlGF)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)、血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)、表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)、血管生成蛋白(angiogenin,Ang)和轉化生長因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)等,這些因子通過與相應的受體結合,激活下游信號通路,從而調控腫瘤新血管的生成;抗血管生成因子主要有：血小板應答蛋白-1 (thrombospondin-1,TSP-1)、血管抑素(angiostain)、內皮抑素(endostain)、金屬蛋白酶組織抑制物(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)以及干擾素-α (interferon-α,IFN-α)等,這些內源性抑制劑可直接抑制血管內皮細胞的增殖與遷移活性,從而抑制血管生成,并阻斷腫瘤的生長與轉移[6]。

正常生理狀態(tài)下,腫瘤組織中的促血管生成因子與抗血管生成因子處于動態(tài)平衡中,使得腫瘤處于休眠狀態(tài)。當平衡被打破,并朝向促血管方向發(fā)展時,腫瘤細胞將分泌血管生成因子。單核細胞、巨噬細胞等相關細胞受促血管生成因子上調或抗血管生成因子下調的刺激,產(chǎn)生血管生成分子,導致新血管生成,促進腫瘤細胞發(fā)生轉移[7]。因此,針對血管生成因子及其受體的靶向藥物的使用將成為臨床治療腫瘤的重要策略之一。

2 抗腫瘤血管生成藥物

大多數(shù)抗血管生成藥物是靶向作用于促血管生長因子及其受體,或下游信號通路中的關鍵分子,通過阻斷腫瘤的營養(yǎng)供應,從而抑制腫瘤的生長和轉移。在抗血管生成藥物中,小部分藥物是由腫瘤細胞中分離出的內源性抑制因子經(jīng)人工改造而成[8]?，F(xiàn)有獲FDA (Food and Drug Administration)批準上市的抗血管生成藥物主要包括：大分子單抗藥物和小分子靶向抑制劑,可單獨使用,亦可與化療藥物聯(lián)合使用,在臨床上均取得了一定的療效[9]。但是,這些藥物在臨床應用中也存在一些局限性,例如：嚴重的毒副作用、長期使用導致耐藥現(xiàn)象的產(chǎn)生。目前,這些抗血管生成藥物產(chǎn)生耐藥的機制尚不清楚,探究其耐藥產(chǎn)生的機理將為腫瘤治療及新藥研發(fā)提供新的方向和策略。

2.1 抗體藥物

貝伐單抗(bevacizumab)為重組人源化的靶向VEGF 的單克隆抗體[10]。2004年,全球首個抗血管生成藥物安維汀(Avastin)——貝伐珠單抗注射液,憑借其優(yōu)異的腫瘤抑制作用于眾多藥物中脫穎而出。與化療藥物的不同在于,安維汀能夠準確靶向VEGF,進而直接、快速地阻止腫瘤血管生成。許多研究均證明,它可以和多種化療藥物聯(lián)合使用,只要每2～3 周使用一次,即可獲得良好的效果[11]。安維汀的出現(xiàn),使得腫瘤藥物的治療新策略最終得以實施[12]。盡管如此,貝伐單抗在臨床應用中同樣也會產(chǎn)生耐藥性、免疫反應,而且其靜脈給藥的方式使得患者的依從性受限,同時,價格因素使其在臨床上的普及受限。

此外,還有一些與貝伐單抗作用靶點不同的抗體藥物,如阿柏西普(aflibercept)、西妥昔單抗(cetuximab)、帕尼單抗(panitumumab)等。其中,阿柏西普是一種作用靶標為VEGF-A 和PlGF 的人重組融合蛋白[13],而西妥昔單抗和帕尼單抗均為與人EGF 受體特異性結合的單克隆抗體[14～15]。兩者的區(qū)別在于,西妥昔單抗屬于嵌合型IgG1 單克隆抗體,而帕尼單抗是IgG2 且為完全人源化的單克隆抗體。盡管這些單抗在臨床上已取得一定療效,但在改善患者的總生存時間(overall survival,OS)和無進展生存期(progress free survival,PFS)方面也不盡如人意,并且缺乏可靠的療效預測因子; 同時,使用一段時間后,會有耐藥現(xiàn)象的出現(xiàn),并存在嚴重的毒副作用[16]。

2.2 小分子抑制劑

舒尼替尼(sunitinib)是一種多靶向血管生成抑制藥物,可與多種受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases,RTKs)結合,包括血小板衍生生長因子受體-α (platelet-derived growth factor receptor-α,PDGFR-α)、PDGFR-β、血管內皮細胞生長因子受體-1 (vascular endothelial growth factor receptor-1,VEGFR-1)、VEGFR-2、VEGFR-3、干細胞因子受體(stem cell factor receptor,SCFR)、fms 樣酪氨酸激酶-3 (fms-like tyrosine kinase-3,Flt-3)、集落刺激因子-1 受體(colony-stimulating factor-1 receptor,CSF-1R)和 Ret (rearranged during transfection),從而預防腫瘤生長、病理性血管生成和癌轉移進展[17]。安洛替尼(anlotinib)是一種可口服給藥的多受體酪氨酸激酶小分子抑制劑,其通過VEGFR-2 和間質表皮轉化因子信號通路的雙重阻斷而抑制骨肉瘤的生長、轉移和血管生成[18]。此外,沙利度胺(thalidomide)可以使放療后癌細胞內VEGF 的表達減少,降低腫瘤體內微血管密度,抑制癌細胞的轉移[19]。然而,這些小分子抑制劑的選擇性較差,對其他不相關的靶點也有一定的抑制作用,并且由此產(chǎn)生的脫靶毒性給其耐受性和安全性帶來影響。因此,選擇性高、親和力強的小分子抑制劑在腫瘤臨床治療上仍有較大的需求,亟待開發(fā)。

3 抗血管生成藥物介導的耐藥機制

抗血管生成藥物介導的耐藥性主要由腫瘤微環(huán)境反應性的變化引起,包括：其他促血管生成因子的表達、缺氧加重以及其造成的腫瘤細胞自噬、周細胞的覆蓋增加等。

3.1 多種血管生成因子的參與

腫瘤血管生成受到多種因素的共同作用,涉及多種生長因子和信號通路。其中,VEGF 是參與血管生成的主要因子,其能夠刺激血管內皮細胞增殖,促進體內新血管生成; Ang、FGF、PDGF 等其他促血管生成因子可通過與內皮細胞或其上的受體作用促進內皮細胞的遷移、增殖、成管等活性[20]。因此,VEGF 信號通路靶向治療是主要的而非唯一的抗血管生成療法。當藥物作用于VEGF/VEGFR時,阻斷VEGF/VEGFR 參與的信號通路并造成腫瘤微環(huán)境的改變,與此同時,其他血管生成因子介導的信號通路可能被激活,從而導致腫瘤復發(fā)[21]。研究發(fā)現(xiàn),小鼠胰島細胞瘤在接受VEGFR 抑制劑的初期,血管結構和腫瘤退化,藥物出現(xiàn)短暫穩(wěn)定的有效性。然而,抑制劑的短期使用會造成腫瘤微環(huán)境缺氧,進而上調腫瘤細胞中其他血管生成因子如FGFs 等的表達,導致腫瘤血管的重建和再生成。而同時使用FGFs 的抑制劑,則有助于限制腫瘤血管的再生成,降低腫瘤的發(fā)展[22]。多種血管生成信號傳導途徑的激活可導致腫瘤細胞逃避抗血管生成療法,這可能是臨床上抗血管生成藥物產(chǎn)生抗藥性的主要原因。因此,通過多靶向血管生成抑制劑的聯(lián)合使用來降低耐藥現(xiàn)象的產(chǎn)生是未來治療癌癥的重要研究方向。

3.2 其他方式的耐藥

除了多種血管生成因子介導的耐藥外,越來越多的證據(jù)表明自噬可能在抗血管生成治療的腫瘤耐藥中發(fā)揮作用。例如,在腫瘤治療中,貝伐單抗會導致膠質母細胞瘤中轉錄因子IRF1 (interferon-regulatory factor 1)等表達上調,此時受IRF1調控的自噬會增強腫瘤對貝伐單抗的耐藥性[23]。抑制IRF1 介導的自噬可促進細胞凋亡,進而增強抗VEGF 治療的有效性。而且,抗血管生成治療會促使腫瘤微環(huán)境缺氧區(qū)域的增加,同時增加癌癥干細胞數(shù)量,促進腫瘤細胞克服營養(yǎng)不良,并使其通過增殖、侵襲、擴散、轉移等途徑逃避惡劣的微環(huán)境,產(chǎn)生耐藥[24]。

缺氧與蛋白激酶B(serine/threonine protein kinase,Akt)活性之間存在一定的聯(lián)系。相關研究表明,在缺氧的細胞中,Akt 被激活,從而促進細胞生存和腫瘤發(fā)生,這為抑制腫瘤耐藥提供了線索[25]。周細胞是包裹內皮細胞的細胞,其作為血管脈絡的重要調控者,能夠維持血管的穩(wěn)定、生長和生存。當抑制劑BRAFV600E 單獨使用,或與靶向周細胞介導的酪氨酸激酶受體的藥物聯(lián)合使用時,周細胞會分泌一種特殊因子,誘發(fā)癌細胞對抑制劑產(chǎn)生耐受性[26]。因此,靶向作用這些特殊因子可作為一種新型策略,并可將其轉化到臨床中來治療對常規(guī)療法產(chǎn)生耐藥性的惡性腫瘤患者。

4 未來策略

4.1 血管預防

盡管抗血管生成療法提高了部分癌癥的治療效果,但對大多數(shù)患者來說,其總體臨床效益并不高,并且主要以延長無進展生存期(PFS)的單一形式來評判。因此,癌癥預防愈發(fā)成為一個迫切追尋的目標。越來越多的證據(jù)支持臨床前模型以及流行病學和臨床干預研究中的血管預防(angioprevention)方法[27]。早在 1971年,Folkman[28]就提出,可以通過預防顯微癌癥的新生血管形成來維持腫瘤的休眠狀態(tài)。血管預防可用來抑制血管生成的誘發(fā)條件,如慢性炎癥、腫瘤發(fā)生前的病變以及隱匿性腫瘤等。血管預防藥物是對抗血管生成或潛在炎癥的化學預防藥物,其通過影響腫瘤微環(huán)境來加強宿主防御系統(tǒng),進而更持久地抑制臨床上可檢測到的腫瘤的發(fā)展。

現(xiàn)有的血管預防藥物大致包含三類：第一類,綠茶、黃酮類化合物、有機硫化合物、丁香酚、姜黃色素、水飛薊賓等,通過抑制蛋白酶參與血管基底膜和細胞外基質的降解來抑制血管生成和轉移[29～30];第二類,咪喹莫特、它莫西芬、植物雌激素(染料木黃酮、腸內酯、槲皮素、姜黃素)等,可通過誘導內源性抗血管生成因子和激素使先天性血管生成和微小腫瘤生長受到抑制; 第三類,白蘆藜醇、植物素(芹黃素、木樨草素、楊梅酮)、普萘洛爾、阿司匹林等抗炎藥物,可靶向作用于信號轉導及轉錄激活因子3 (signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)通路以及其他重要的炎癥介質,預防腫瘤血管生成[31]。研究報道,抗炎藥物——環(huán)氧合酶2 (cyclooxygenase-2,COX-2)抑制劑通過抑制 COX-2 而干擾 MMP-2、MMP-9、VEGF 以及αvβ3 等介導的血管生成[32]。

人體內在的防止腫瘤血管生成的能力可使癌細胞處于長期休眠狀態(tài)。盡管目前還不清楚隱性癌癥是否會繼續(xù)發(fā)展成臨床疾病,但是血管預防在一定程度上能避免這種情況的發(fā)生。另外,研究表明,阻斷慢性炎癥可預防促腫瘤極化作用和血管生成[33]。因此,針對當今社會所面臨的癌癥大流行,血管預防及其臨床發(fā)展將減緩癌細胞的惡化,加快癌癥治療進程。

4.2 IFN-α與VEGF相關抗體的聯(lián)合使用及分子改造

干擾素-α (IFN-α)作為治療血液腫瘤和實體瘤的多效性細胞因子,可單獨使用,也可與其他藥物聯(lián)合使用[34]。盡管IFN-α 有著極強的抗腫瘤效應,但其在體內的半衰期比較短,需要頻繁使用。在臨床上,有效劑量的IFN-α 會產(chǎn)生毒副作用,包括嚴重的抑郁、發(fā)燒、頭疼、關節(jié)和肌肉疼痛等,這使得很多病人放棄使用IFN-α 治療。為了延長 IFN-α 的半衰期,將 IFN-α 與腫瘤靶標的CD20 抗體連接形成融合蛋白,結果顯示其半衰期在藥物動力學和抗腫瘤研究中得到了改善[35]。

IFN-α 與抗VEGF 的抗體具有協(xié)同作用。相關研究報道,IFN-α2 與抗VEGFR-2 抗體JZA00融合形成的融合蛋白JZA01[36],可通過抑制腫瘤細胞遷移、擴散以及血管生成,激活抗腫瘤免疫反應。盡管融合蛋白JZA01 中IFN-α2 的活性有所減弱,但是在結直腸癌細胞HCT-116 和SW620 中,其可特異性結合VEGFR-2,表現(xiàn)出極強的抗腫瘤效應。體外實驗中,JZA01 在NOD-SCID 小鼠HCT-116 腫瘤模型中也表現(xiàn)出有效性。這樣,IFN-α 與抑制血管生成的抗體聯(lián)合使用不僅會重新激活腫瘤微環(huán)境的抗腫瘤免疫功能,同時會阻斷腫瘤血管生成,減少營養(yǎng)供給。因此,VEGF/VEGFR-2 信號通路靶向因子與IFN-α 的聯(lián)合在阻斷腫瘤增殖和促進癌細胞凋亡方面具有廣闊的應用前景。

4.3 尋找新的靶標和開發(fā)新藥物

血管生成是一個復雜的生理過程,是腫瘤發(fā)育和進展不可或缺的一部分。因此,切斷腫瘤血管生成的信號通路可使得腫瘤的發(fā)展受到抑制。臨床常用化療藥物在應用中存在一些局限性,包括耐藥性、逃避VEGF 依賴性的血管生成、減少放療反應等。因此,基于納米顆粒的抗血管生成藥物傳遞系統(tǒng)已成為抗血管生成研究領域的熱點之一。

金納米粒子(AuNPs)具有生物相容性好、尺寸可調、合成方便、表面修飾方便、載藥量大等優(yōu)點,長期以來被用作抗癌納米藥物。Mukherjee 等[37]首次展示了5 nm 大小的球形裸金納米粒子的抗血管生成特性。該研究證實,AuNPs 能夠抑制VEGF165 (HBGF)的活性。Pan 等[38]發(fā)現(xiàn) AuNPs 通過VEGF165 誘導 VEGFR-2 和 Akt 磷酸化,從而抑制腫瘤血管生成,并且AuNPs 的抗腫瘤活性在小鼠異種移植和腹水模型中也得到了證實。除了金納米粒子,二氧化硅和銅納米顆粒也被用于抗腫瘤血管生成研究。Setyawati 等[39]的研究表明,介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nanoparticle,MSNP)的抗血管生成治療對粒子的大小具有依賴性,可導致細胞內活性氧類產(chǎn)生,激活p53 腫瘤抑制通路,由此產(chǎn)生的信號級聯(lián)反應會限制內皮細胞的增殖、遷移和侵襲,最終阻礙腫瘤的生長。Song 等[40]報道了銅納米顆粒的抗血管生成特性,其能夠抑制HUVEC 細胞增殖、成管和遷移,并可劑量依賴性地導致細胞周期阻滯。此外,銅納米顆?？梢詣┝亢蜁r間依賴的方式抑制VEGFR-2的表達,這在蛋白質和mRNA 水平上均得到驗證。

盡管納米藥物在腫瘤的實驗室研究中具有顯著的效果,但是在臨床實施之前仍需要考慮一些問題,包括納米材料的急性和慢性毒性以及藥物動力學和藥效學評價、生物降解和清除能力、給藥途徑、劑量以及頻率等; 并且,將納米藥物用于癌癥的抗血管生成治療需要更多關于生理屏障、癌細胞代謝特性和其他與材料特性相關的重要信息,以提高其抗癌效率[41]。因此,未來的挑戰(zhàn)是設計和開發(fā)新的專門針對癌癥細胞且沒有任何副作用的抗血管生成納米藥物。此外,與美國FDA批準的化療藥物的聯(lián)合治療將有助于改善抗血管生成納米材料的抗癌作用。

5 展望

在腫瘤的發(fā)展進程中,腫瘤新生血管形成非?；钴S,并伴隨著大量的分子事件,包括多種信號通路的激活。因此,抗血管生成治療方法在腫瘤的治療過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。多年來,抗血管生成治療藥物取得的臨床療效大多是血管靶向藥物與化療藥物聯(lián)合作用的結果[11],這說明,血管靶向藥物聯(lián)合化療比單獨化療或血管靶向治療更有優(yōu)勢。因此,關于治療策略,一方面要殺傷癌細胞,另一方面要調節(jié)腫瘤的微環(huán)境,尤其是支持腫瘤生長的重要微環(huán)境因素,如新血管生成。如果兩者可以組合,則可產(chǎn)生協(xié)同效應。未來,將血管靶向治療與現(xiàn)有治療方法相結合來治療腫瘤,應備受關注。另外,雖然很多抗腫瘤血管生成藥物正逐漸應用于臨床,且在臨床研究中也有不錯的表現(xiàn),但還需開展許多相關的臨床試驗,以評估藥物在腫瘤治療中的效果。

目前已上市的抗血管生成藥物是攻擊為腫瘤生長提供營養(yǎng)的新生血管,改變腫瘤微環(huán)境的靶向治療藥物,并沒有針對明確驅動腫瘤血管生成的基因。腫瘤的發(fā)生涉及多基因的改變且依賴血管生成,針對血管生成特定基因的靶向治療可控制腫瘤的發(fā)展?？寡苌苫蛑委熓峭ㄟ^基因工程技術有選擇性地靶向作用于腫瘤血管生成信號通路中的關鍵基因(如Raf-1、Rac-1 等),下調促血管生成因子基因的表達,或增強血管生成抑制因子基因的表達,從而抑制腫瘤的生長。該策略已在動物實驗中得到驗證,但在臨床應用中面臨諸多問題,例如：靶基因序列的選擇,載體遞送材料產(chǎn)生的細胞毒性、免疫原性等。因此,深入了解腫瘤血管生成的分子機制,根據(jù)基因突變情況,準確選擇靶基因和合適的載體遞送體系,將為腫瘤的治療帶來新的希望。

此外,在臨床應用中,抗血管生成藥物產(chǎn)生的耐藥性給癌癥治療帶來了新的挑戰(zhàn)?？寡苌芍委煯a(chǎn)生的耐藥機制由多因素介導,涉及多種因子和信號途徑。因此,深入探索抗血管生成治療藥物耐藥的調控機制,將為新藥開發(fā)及其臨床應用提供新的方案。