杜書嵩，安明欣，趙偉東

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院發(fā)育細(xì)胞生物學(xué)教研室，遼寧 沈陽 110122)

0 引言

血管系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將血液輸送到全身的組織器官，以滿足機(jī)體活動(dòng)所需的氧氣及各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要，再將代謝終產(chǎn)物運(yùn)送到肺、腎等器官排出體外.血管系統(tǒng)的發(fā)育經(jīng)歷兩個(gè)主要過程.其一為血管發(fā)生(vasculogenesis)，即胚胎早期由血管祖細(xì)胞原位分化組裝形成的血管；其二為血管新生(angiogenesis)，即從原先存在的小血管上通過出芽的方式長(zhǎng)出新的血管分支[1].血管系統(tǒng)形成的過程分為以下時(shí)期：1)初期：主要由體內(nèi)外的各種刺激導(dǎo)致促血管生成因子分泌增多并在局部聚集，從而誘導(dǎo)血管新生.這些體內(nèi)外刺激包括：血管損傷、缺氧、腫瘤、創(chuàng)傷及炎癥反應(yīng)等；2)增生侵入期：細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生降解，使得血管組成細(xì)胞與周圍組織間的附著力下降.3)成熟分化期：血管的管腔形成，內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生分化，血管重新改建，根據(jù)組織需要產(chǎn)生變化，形成血管結(jié)構(gòu)，并逐漸形成血管網(wǎng)絡(luò).血管新生是一個(gè)涉及多種細(xì)胞和多種分子的復(fù)雜過程.正常情況下血管新生與血管重塑處于平衡狀態(tài)，一旦此平衡打破，會(huì)發(fā)生血管過度生成或血管退化，比如周圍組織血管向腫瘤內(nèi)過度生長(zhǎng)，使腫瘤血管化是促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的重要事件[2].因此，了解血管新生的調(diào)控機(jī)理，可望發(fā)現(xiàn)新的用于血管相關(guān)疾病治療的靶標(biāo).

1 尖端細(xì)胞及其在血管新生過程中的作用

血管出芽是血管新生的關(guān)鍵過程，血管出芽過程依賴于血管內(nèi)皮細(xì)胞被誘導(dǎo)所形成的特殊亞型.在血管出芽時(shí)所伸出的分支的最前端的細(xì)胞，稱為尖端細(xì)胞(tip cell)，尖端細(xì)胞可以發(fā)出放射狀的絲狀偽足，用于引導(dǎo)血管出芽的方向.在尖端細(xì)胞后端緊鄰的細(xì)胞稱為莖細(xì)胞(stalk cell)[3]，其增殖能力強(qiáng)，主要起延長(zhǎng)新生血管分支的作用.血管間發(fā)生粘附吻合后，新生血管內(nèi)開始有血液灌注的時(shí)候內(nèi)皮細(xì)胞就會(huì)分化成靜止的隊(duì)列細(xì)胞(phalanx cell)[4].

自從1996年Kurz首次發(fā)現(xiàn)并提出尖端細(xì)胞的概念之后，人們對(duì)這尖端細(xì)胞的研究逐漸深入[5].尖端細(xì)胞的作用主要分為出芽和吻合兩個(gè)過程.在血管出芽時(shí)，在濃度梯度血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等因子的作用下，尖端細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)降解位于其表面的細(xì)胞外基質(zhì)，同時(shí)VEGF等因子通過促進(jìn)血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(vascular endothelial cadherin，VE-cadherin)的內(nèi)吞導(dǎo)致細(xì)胞間連接不穩(wěn)定，從而促進(jìn)出芽形成.當(dāng)新生成的血管沒有血流灌注時(shí)，或尖端細(xì)胞的VEGF信號(hào)受到抑制的時(shí)候，新的出芽則會(huì)收縮，留下一個(gè)空的細(xì)胞外基質(zhì)殼；如果新生血管有血流灌注，則血管內(nèi)皮鈣粘蛋白會(huì)被肌球蛋白(myosin)沿細(xì)胞骨架轉(zhuǎn)運(yùn)至尖端細(xì)胞前端絲狀偽足的末梢，使得新出芽的血管與其他血管新芽或者原有血管形成吻合.血管吻合形成后，局部的促血管生成的信號(hào)減弱而抑制血管生成的信號(hào)增強(qiáng)，此處尖端細(xì)胞的延伸能力下降；然后，在血管的其他位置則又開始新的血管出芽，繼續(xù)形成新的血管吻合[6].

2 尖端細(xì)胞的調(diào)控機(jī)理

2.1 分子調(diào)控機(jī)制

促進(jìn)血管新生的生長(zhǎng)因子包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)，血小板衍生生長(zhǎng)因子(PDGF)，腫瘤壞死因子α(TNF-α)，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)和血管生成素(Ang)等[7].其中誘導(dǎo)血管內(nèi)皮尖端細(xì)胞出芽的關(guān)鍵因子是血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A(VEGF-A).在小鼠胚胎脊髓、出生后小鼠的視網(wǎng)膜以及在斑馬魚中均發(fā)現(xiàn)，VEGF-A的濃度梯度可以促進(jìn)血管的定向出芽[8].當(dāng)血管內(nèi)皮細(xì)胞暴露于促血管生成信號(hào)(例如VEGF-A)時(shí)，只有少部分血管內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為尖端細(xì)胞表型，而其他血管內(nèi)皮細(xì)胞則在尖端細(xì)胞后端保持血管床的完整性并維持血流灌注.血管出芽時(shí)尖端細(xì)胞和莖細(xì)胞間的競(jìng)爭(zhēng)以及表型的確定，主要由VEGF和Notch信號(hào)通路調(diào)控[9].Notch的配體一共五種：分別是Dll1、Dll3、Dll4、jagged-1、jagged-2[10].VEGF誘導(dǎo)血管出芽后，使得尖端細(xì)胞VEGF受體2(VEGFR2)表達(dá)升高，進(jìn)而促進(jìn)Dll4表達(dá)；Dll4作為配體和相鄰的莖細(xì)胞表面Notch受體結(jié)合，激活莖細(xì)胞Notch信號(hào)通路，Notch胞內(nèi)區(qū)被γ-分泌酶水解釋放出Notch 胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而使莖細(xì)胞的VEGFR1表達(dá)增高.由于VEGFR1促進(jìn)血管新生的能力較VEGFR2弱，導(dǎo)致莖細(xì)胞和尖端細(xì)胞比較不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[11].簡(jiǎn)言之，尖端細(xì)胞上表達(dá)的Dll4通過激活莖細(xì)胞上Notch受體，從而抑制莖細(xì)胞誘發(fā)血管新生的能力.另一方面，莖細(xì)胞表面表達(dá)Notch的另一個(gè)配體Jagged1，Jagged1與Dll4能夠競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合尖端細(xì)胞上的Notch受體，但是Jagged1與Notch結(jié)合后卻無法激活Notch通路，只起到競(jìng)爭(zhēng)性拮抗的作用，因此Jagged1和Dll4在尖端細(xì)胞誘導(dǎo)的血管生成過程中發(fā)揮相反的作用(圖1)[12，13].

圖1 VEGF-Notch信號(hào)通路協(xié)同作用調(diào)節(jié)尖端細(xì)胞與莖細(xì)胞間的平衡

2.2 代謝調(diào)控機(jī)制

新近研究顯示，血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)的糖酵解途徑對(duì)于血管新生過程具有重要意義.6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1)是糖酵解途徑中一個(gè)關(guān)鍵的限速酶，其主要作用是合成2，6雙磷酸果糖，能夠促進(jìn)糖酵解途徑；而PFKFB(2，6雙磷酸果糖激酶)是PFK-1的變構(gòu)激活劑.新近研究顯示，PFKFB的主要成員PFKFB3的過表達(dá)可以增強(qiáng)糖酵解途徑，并能夠促進(jìn)血管生成，且這種促進(jìn)效應(yīng)的強(qiáng)度要強(qiáng)于Notch信號(hào)通路對(duì)血管生成的抑制作用[14].當(dāng)新生血管有血流灌注時(shí)，血流沖擊血管內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)下調(diào)PFKFB3的表達(dá)而抑制糖酵解途徑，使細(xì)胞處于靜息狀態(tài)[15].盡管血管內(nèi)皮細(xì)胞排列在血管腔內(nèi)，與血液中的高濃度氧氣直接接觸，但是血管新生時(shí)的出芽卻不依賴于線粒體的氧化呼吸作用，出芽時(shí)血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)85%的ATP來源于糖酵解途徑.血管新生時(shí)血管內(nèi)皮細(xì)胞主要依賴糖酵解途徑產(chǎn)生能量的意義在于：1)血管內(nèi)皮細(xì)胞只有自身低耗氧，才能夠更好地為其他組織器官供氧；2)在血管發(fā)育過程中，當(dāng)血管內(nèi)皮細(xì)胞出芽深入至無血管組織時(shí)，就會(huì)暴露在低氧環(huán)境中，而糖酵解途徑供能則有利于血管內(nèi)皮細(xì)胞適應(yīng)這種低氧環(huán)境；3)尖端細(xì)胞在延伸的過程中其絲狀偽足的活動(dòng)依賴于ATP的能量供應(yīng)，但是由于線粒體體積較大，無法進(jìn)入纖薄的偽足結(jié)構(gòu)中，而糖酵解途徑則能夠高效快速的實(shí)現(xiàn)局部ATP的生成，從而促進(jìn)尖端細(xì)胞的遷移和延伸.

除糖酵解外，脂肪酸氧化代謝對(duì)于血管的生成也很重要.肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1)是脂肪酸氧化代謝的限速酶，該酶能夠運(yùn)輸脂肪酸進(jìn)入線粒體進(jìn)行β氧化，代謝產(chǎn)物乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán).最近有研究顯示，體外抑制CPT1后，血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖能力下降，影響了血管出芽過程，而細(xì)胞遷移能力沒有受到影響[16].血管內(nèi)皮細(xì)胞特異性敲除CPT1的轉(zhuǎn)基因小鼠中，其視網(wǎng)膜微血管由于增殖能力降低導(dǎo)致血管分支數(shù)量和血管伸展面積減少，但血管成熟和消退過程不受影響，其原因在于CPT1敲除后使得DNA復(fù)制的原料dNTP的水平下降，從而抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖；當(dāng)補(bǔ)充dNTP后，則血管出芽能力得以恢復(fù)，這說明脂肪酸氧化代謝來源的dNTP對(duì)于血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖是必須的.此外，這種現(xiàn)象是血管內(nèi)皮細(xì)胞特異性的，因?yàn)槠渌?xì)胞如成纖維細(xì)胞則不能利用脂肪酸氧化代謝來源的dNTP參與DNA復(fù)制[17].

2.3 血管外環(huán)境因素

血管新生過程也受到血管周圍微環(huán)境的影響，血管周圍的其他細(xì)胞能夠與新生血管通過直接相互作用或者通過旁分泌信號(hào)來影響血管出芽和吻合等過程.研究顯示，在小鼠出生后的視網(wǎng)膜中，無血管區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以分泌VEGF-A，形成VEGF-A濃度梯度，誘導(dǎo)血管的定向出芽[8].Amir Rattner等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在小鼠大腦的星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性敲除缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)后，使得VEGF分泌減少，通過影響腦血管內(nèi)皮的尖端細(xì)胞，抑制腦血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移過程[17].這些結(jié)果都說明星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過分泌VEGF調(diào)控腦血管新生.Alessandro Fanti最近研究發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)巨噬細(xì)胞能夠促進(jìn)腦血管發(fā)育，他們的結(jié)果顯示，巨噬細(xì)胞在不依賴于VEGF的情況下能夠促進(jìn)尖端細(xì)胞出芽和生長(zhǎng)；此外，巨噬細(xì)胞還直接參與了尖端細(xì)胞介導(dǎo)的血管間的吻合過程[18].另有研究顯示，利用藻酸鹽生物材料結(jié)合Th1、Th2、Th17型T細(xì)胞，注射到小鼠的缺血后肢肌肉中后，能夠釋放多種促血管生成的因子(如IFN-γ，TNF-α，IL-4和IL-13)，促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞出芽和遷移的能力，從而促進(jìn)了缺血后肢體的血管再生修復(fù)[19].然而，血管周圍微環(huán)境中參與血管新生的各型細(xì)胞發(fā)揮作用的時(shí)間順序，仍有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論與展望

尖端細(xì)胞對(duì)于血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建形成十分重要，血管出芽依賴尖端細(xì)胞末端形成的偽足結(jié)構(gòu)，尖端細(xì)胞的表型不僅受到表面受體和細(xì)胞代謝的調(diào)控，還受到血管周圍微環(huán)境的影響.通過對(duì)尖端細(xì)胞調(diào)控機(jī)理的研究，能夠更好的認(rèn)識(shí)血管新生這一復(fù)雜的生物學(xué)過程，有助于解決生理及病理過程中的血管新生相關(guān)問題，為進(jìn)一步尋找新型治療方法提供理論依據(jù).