李 苗,趙瑩瑩,崔杰峰

李苗,復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝腫瘤內(nèi)科,肝癌研究所 上海市 200032

趙瑩瑩,復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝癌研究所 上海市 200032

崔杰峰,復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝癌研究所 上海市 200032

0 引言

血管新生是從已存在的血管中形成新血管的過程,涉及多個(gè)步驟,包括蛋白酶降解基底膜;內(nèi)皮細(xì)胞(endothelial cells,ECs)遷移到間質(zhì)出芽;遷移尖端ECs增殖;管腔形成,周細(xì)胞募集產(chǎn)生新的基底膜,形成吻合口,至新血管系統(tǒng)形成[1].血管新生在多種生理和病理過程中都起著十分關(guān)鍵作用.1971年Judah Folkman首先提出血管新生促實(shí)體瘤生長轉(zhuǎn)移理論[2],該理論是腫瘤抗血管治療策略形成的基礎(chǔ).目前臨床應(yīng)用的許多腫瘤靶向藥物如索拉非尼、侖伐替尼、瑞戈非尼、安羅替尼等,均重點(diǎn)干預(yù)血管生成相關(guān)靶點(diǎn),包括血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、血小板衍生生長因子受體(platelet-derived growth factor receptor,PDGFR)、成纖維細(xì)胞生長因子受體(fibroblast growth factor receptor,FGFR)等;貝伐珠單抗(人源化單克隆抗VEGF-A抗體)用于晚期腫瘤治療,同樣基于其可顯著抑制重要促血管調(diào)節(jié)因子-VEGF.盡管抗血管治療在腫瘤治療領(lǐng)域顯示出良好前景,但在肝癌、轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌中,索拉非尼、侖伐替尼等靶向藥物單藥治療的客觀緩解率(objective response rate,ORR)僅為1%-30%[3,4],而貝伐珠單抗治療通常在短暫臨床獲益后會再次出現(xiàn)疾病進(jìn)展[5,6].因此,從新角度探索腫瘤血管新生機(jī)制對發(fā)現(xiàn)血管干預(yù)新靶點(diǎn)、提高腫瘤抗血管治療的療效十分重要.

惡性腫瘤細(xì)胞具有強(qiáng)大誘導(dǎo)新生血管形成的能力[7],持續(xù)血管新生被認(rèn)為是包括肝癌、結(jié)腸癌等實(shí)體腫瘤的常見惡性特征之一.腫瘤血管結(jié)構(gòu)呈迂曲、擴(kuò)張及高滲漏性等異常表型[8],上述腫瘤血管特點(diǎn)有利于輸送更多氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)給腫瘤細(xì)胞,以促腫瘤生長與進(jìn)展,同時(shí)富含血管的腫瘤組織中的內(nèi)皮細(xì)胞也可釋放生長因子及基質(zhì)降解蛋白酶,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲,此外,擴(kuò)張的內(nèi)皮表面也使腫瘤細(xì)胞更易進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)以發(fā)生轉(zhuǎn)移[9,10].腫瘤血管新生多由微環(huán)境中生化、缺氧和機(jī)械力學(xué)因素刺激啟動,生化因素刺激主要來源于癌細(xì)胞及腫瘤相關(guān)基質(zhì)細(xì)胞所釋放的細(xì)胞因子、生長因子、胞外基質(zhì)蛋白和微泡等[11],其中VEGF,成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF),血管生長素(angiopoietins,Ang),血小板衍化內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(platelet-derived endothelial cell growth factor,PD-ECGF),白介素-8(interleukin,IL-8)等,通過誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞增殖、存活、異常生長和出芽促進(jìn)血管生成[9],是調(diào)節(jié)腫瘤血管新生最重要的途徑.缺氧則主要通過缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)刺激血管生成因子表達(dá)促進(jìn)腫瘤血管新生[12].力學(xué)因素刺激對腫瘤血管新生的影響近年才逐漸引起關(guān)注,機(jī)械力學(xué)因素刺激主要源于流體剪切應(yīng)力、脈管腔壓力及基質(zhì)硬度等.除了血液流動導(dǎo)致的剪切及壓力外,血管亦處不同機(jī)械性能支撐結(jié)構(gòu)的包圍,包括支持性壁細(xì)胞(周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞)和細(xì)胞外基質(zhì)(基底膜和間質(zhì)基質(zhì))[13].同時(shí),實(shí)體瘤隨疾病進(jìn)展常伴基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)重塑及基質(zhì)硬度增加[14],而組織硬度力學(xué)信號增加可明顯改變細(xì)胞行為,包括增殖、遷移和細(xì)胞-細(xì)胞粘附,這些生物學(xué)行為也是血管生成的必要條件[15].此外,基質(zhì)硬度力學(xué)信號的增加還可調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能,在腫瘤進(jìn)展和促腫瘤脈管系統(tǒng)異常中發(fā)揮作用.最近研究也顯示,基質(zhì)硬度增加可導(dǎo)致腫瘤對抗血管藥物的耐藥性,如基質(zhì)硬度增加導(dǎo)致肝細(xì)胞癌對索拉非尼敏感性降低[16],而結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移中,肝轉(zhuǎn)移瘤組織硬度增加會增強(qiáng)其對貝伐珠單抗治療的耐藥性[17].可見基質(zhì)硬度參與腫瘤血管生成調(diào)控.本文圍繞基質(zhì)硬度參與腫瘤血管新生調(diào)控研究的一些新進(jìn)展進(jìn)行歸納和總結(jié).

1 基質(zhì)硬度增加影響腫瘤血管表型特征

受持續(xù)促血管信號的刺激,腫瘤血管新生不斷被激活,新生血管呈現(xiàn)過度分支、異常凸起和盲端、ECs內(nèi)襯不連續(xù)以及基底膜和周細(xì)胞覆蓋缺陷等異常表型,說明腫瘤血管存在明顯的成熟受損和血管功能不良[11].脈管系統(tǒng)具有天然機(jī)械刺激敏感性,因此生物力學(xué)刺激如剪切應(yīng)力、脈動管腔壓力及周圍基質(zhì)硬度等對腫瘤血管異常表型有重要影響[18].

肝細(xì)胞癌、結(jié)腸癌、胰腺癌等實(shí)體瘤組織硬度通常比相應(yīng)正常組織硬度更高[19],膠原沉積和交聯(lián)增加是導(dǎo)致腫瘤基質(zhì)硬度增加的主要原因[20].研究顯示[21,22],在腫瘤組織質(zhì)硬的高變形區(qū)域,血管結(jié)構(gòu)表型改變明顯,血管結(jié)構(gòu)變薄,形狀細(xì)長,血管分支形成小的、散布的管腔,沒有完整小管形成,當(dāng)抑制肌動蛋白和肌球蛋白致組織無法收縮變形時(shí),血管結(jié)構(gòu)均勻生長,變寬、彎曲且方向隨機(jī).Bordeleau等[15]研究基質(zhì)硬度對乳腺腫瘤血管生長和完整性的影響,發(fā)現(xiàn)基質(zhì)硬度增加能夠上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)活性,促進(jìn)血管新生,且上述改變僅與基質(zhì)的硬度有關(guān),而與其密度無關(guān),同時(shí)基質(zhì)硬度增加還顯著影響內(nèi)皮細(xì)胞功能,導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能受損,血管內(nèi)皮鈣粘蛋白(VE-Cadherin)定位改變,使血管通透性增加,細(xì)胞-細(xì)胞連接松散,腫瘤血管呈現(xiàn)畸形、滲透性更強(qiáng)和更迂曲形態(tài)改變.

血管芽內(nèi)皮尖端細(xì)胞向外生長標(biāo)志著血管新生的開始[23],胞外基質(zhì)硬度力學(xué)信號可調(diào)節(jié)尖端細(xì)胞的形成從而調(diào)控新生血管的表型.Guo等[24]發(fā)現(xiàn),肝癌組織硬化外層CD31表達(dá)明顯高于周圍軟組織,體外實(shí)驗(yàn)顯示高硬度基底促進(jìn)ECs球體發(fā)芽,且上調(diào)尖端細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá);尖端細(xì)胞與ECs相比,表現(xiàn)為細(xì)胞剛度增加、肌動蛋白細(xì)胞骨架組織增多和Yes相關(guān)蛋白(Yes-associated protein,YAP)核轉(zhuǎn)位增強(qiáng),基質(zhì)硬度通過調(diào)節(jié)粘著斑中黏著斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)和樁蛋白(paxillin,PXN)磷酸化,促進(jìn)Rac1從非活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài),使YAP激活并轉(zhuǎn)位細(xì)胞核,導(dǎo)致ECs呈現(xiàn)出尖端細(xì)胞特性[24];而p-Paxillin可使細(xì)胞間連接松散,同樣表現(xiàn)為尖端細(xì)胞的特性[24].血管芽內(nèi)皮尖端細(xì)胞可分泌血小板衍生生長因子B(platelet-derived growth factor B,PDGF-B)募集周細(xì)胞到發(fā)芽血管中,周細(xì)胞可分泌血管生成素1(angiopoietin 1,ANGPT 1),與ECs上的血管生成素酪氨酸激酶蛋白受體2(TEK receptor tyrosine kinase 2,Tie2)結(jié)合,抑制ECs增殖,使ECs間的連接更加緊密從而穩(wěn)定新形成的血管,促進(jìn)血管成熟[11];腫瘤部位VEGFA增加觸發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)ANGPT2,與ANGPT1競爭內(nèi)皮細(xì)胞上的Tie2,破壞周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞相互作用,導(dǎo)致周細(xì)胞從腫瘤血管基底膜上脫離,誘導(dǎo)新血管生成并促進(jìn)血管系統(tǒng)的不成熟表型,表現(xiàn)為血管管腔不規(guī)則、滲透性增加、血管灌注不良,導(dǎo)致新生血管功能失調(diào)[11,23,25,26].

2 基質(zhì)硬度通過調(diào)控ECs內(nèi)部信號影響腫瘤血管新生

2.1 基質(zhì)硬度增加導(dǎo)致ECs機(jī)械傳感分子表達(dá)失調(diào) 腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞(tumor endothelial cells,TECs) 常表達(dá)多種機(jī)械傳感分子,包括離子通道蛋白、G蛋白偶聯(lián)受體及一些膜蛋白,如血小板內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子-1(platelet endothelial cell adhesion molecular,PECAM-1),VECadherin及整合素(integrin),這些機(jī)械傳感分子可感知來自ECM的力學(xué)刺激[24,27,28],使TECs對基質(zhì)硬度力學(xué)信號異常敏感.腫瘤基質(zhì)硬度增加可導(dǎo)致TECs機(jī)械傳感分子表達(dá)失調(diào),進(jìn)而引起腫瘤血管畸形[29,30].

機(jī)械敏感離子通道激活和鈣離子內(nèi)流是ECs對機(jī)械力刺激的最早反應(yīng)之一[31],多種機(jī)械敏感離子通道蛋白參與機(jī)械力學(xué)因素對腫瘤血管新生的調(diào)控.基質(zhì)硬度增加可導(dǎo)致機(jī)械敏感離子通道表達(dá)失調(diào),進(jìn)而調(diào)控腫瘤血管新生.機(jī)械敏感離子通道蛋白Piezo1是一種ECs力學(xué)感應(yīng)分子,當(dāng)細(xì)胞受到滲透壓、流體剪切應(yīng)力、基質(zhì)剛度等機(jī)械力刺激時(shí)會發(fā)生細(xì)胞膜形變,而激活Piezo1離子通道,導(dǎo)致鈣離子流入胞內(nèi),將機(jī)械力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為生化信號[32].Piezo1在多種腫瘤組織中高表達(dá),如腦膠質(zhì)瘤[33]、肝癌[34]、胃癌[35]、前列腺癌[36]等.研究發(fā)現(xiàn)[33,34],基質(zhì)硬度增加可上調(diào)肝癌細(xì)胞和惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞Piezo1表達(dá).此外,基質(zhì)硬度增加可誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞Piezo1高表達(dá)并促進(jìn)鈣離子內(nèi)流,進(jìn)而抑制HIF-1α泛素化導(dǎo)致其下游的促血管生成因子VEGF等表達(dá)增加,而促進(jìn)腫瘤血管新生[34].還有研究發(fā)現(xiàn),流體剪切應(yīng)力可觸發(fā)血管內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流,而激活MMP2和膜型基質(zhì)金屬蛋白酶1(membrane type 1 matrix metalloproteinase,MT1-MMP),并協(xié)同促進(jìn)血管出芽[37].機(jī)械敏感性離子通道瞬時(shí)受體電位香草素受體4型通道蛋白(transient receptor potential vanilloid receptor 4,TRPV4)是ECs中普遍表達(dá)的非選擇性鈣離子通道,研究顯示[38],TRPV4可作為ECs中血管變形和剪切應(yīng)力刺激的感應(yīng)分子,ECs中TRPV4低表達(dá)可調(diào)節(jié)ECs力學(xué)感應(yīng)而影響腫瘤血管生成與成熟,在TRPV4敲除小鼠中,TRPV4的缺失導(dǎo)致血管密度增加、血管直徑增加和周細(xì)胞覆蓋率降低,進(jìn)而促進(jìn)腫瘤生長;體外TRPV4過表達(dá)或激活則通過調(diào)節(jié)Rho活性恢復(fù)ECs的力學(xué)感應(yīng),促進(jìn)異常血管的正?；?

G蛋白偶聯(lián)受體1-磷酸鞘氨醇受體-1(sphingosine 1-phosphate receptor-1,S1PR1)是血源性脂質(zhì)介質(zhì)1-磷酸鞘氨醇(sphingosine 1-phosphate,S1P)的受體,可參與血管系統(tǒng)的調(diào)節(jié),其表達(dá)也受機(jī)械力學(xué)信號影響.視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),S1PR1在體內(nèi)、外均可對層流剪切應(yīng)力做出反應(yīng),從生長的血管前端到血管網(wǎng)絡(luò)的成熟區(qū)域,內(nèi)皮細(xì)胞S1PR1表達(dá)逐步增高,在內(nèi)皮細(xì)胞S1PR1表達(dá)缺失的情況下,內(nèi)皮細(xì)胞粘附連接不穩(wěn)定,屏障功能被破壞,血流受到干擾,導(dǎo)致血管過度發(fā)芽;而S1PR1的過表達(dá)會抑制尖端細(xì)胞形成和過度發(fā)芽,提示內(nèi)皮細(xì)胞S1PR1可被層流剪切應(yīng)力激活進(jìn)而保持血管的穩(wěn)態(tài)[28].

ECM機(jī)械力信號還可通過調(diào)節(jié)ECs表面膜蛋白,如integrin及其下游的磷酸化FAK、PXN、VE-cadherin等表達(dá)和活性,參與ECs的增殖、存活、擴(kuò)散和運(yùn)動進(jìn)而影響腫瘤血管新生[39,40].基質(zhì)硬度增加能夠調(diào)節(jié)ECs中integrin β1表達(dá)和活性,并影響粘著斑(focal adhesion,FA)的組裝和周轉(zhuǎn)[41].FAK是FA中的關(guān)鍵分子,可動態(tài)感知和/或傳遞機(jī)械力,是最先響應(yīng)胞外機(jī)械力刺激而招募到FA的蛋白分子,FAK磷酸化是誘導(dǎo)細(xì)胞粘附和整合素結(jié)合反應(yīng)所必需的[42].研究發(fā)現(xiàn)[40],當(dāng)ECs受到細(xì)胞外機(jī)械力刺激或細(xì)胞粘附到ECM配體時(shí),銜接蛋白如Shc被募集到integrin,integrin激活絲裂原激活蛋白激酶(mitogenactivated protein kinases,MAPK)和FAK,導(dǎo)致Src活化并定位到細(xì)胞-細(xì)胞連接,隨后Src介導(dǎo)VE-cadherin磷酸化以及FA在ECs的外腔側(cè)不斷重塑,促進(jìn)血管生成.ECM還可通過integrin對ECs的遷移進(jìn)行調(diào)控,ECs遷移對從已有脈管系統(tǒng)中萌發(fā)新血管至關(guān)重要,這種趨向性運(yùn)動嚴(yán)格依賴于ECs對ECM的粘附,直接受ECM調(diào)節(jié),該調(diào)節(jié)作用由integrin、ECM/細(xì)胞因子甚至纖維膠原驅(qū)動[43],ECs通過integrin粘附到ECM是Erk1/Erk2 MAPK信號通路的有效細(xì)胞因子激活所必需的,且該通路的激活是ECs增殖和血管生成所必需的.此外,胞外機(jī)械張力還可控制VEcadherin復(fù)合物組裝和拆卸,硬基底表面生長的血管內(nèi)皮細(xì)胞VE-cadherin磷酸化增加,其α-連環(huán)蛋白解離,粘附連接破壞,血管通透性增加[15,41].

2.2 基質(zhì)硬度增加導(dǎo)致血管生成信號失衡 腫瘤血管新生取決于促血管生成因子和抑血管生成因子間的平衡,目前許多刺激因子包括VEGF,FGF-2,PDGF,Ang,內(nèi)皮抑素等已明確參與血管新生調(diào)節(jié)[44].微環(huán)境中除了缺氧因素影響外,硬度力學(xué)信號同樣也顯著調(diào)節(jié)腫瘤血管生成相關(guān)因子表達(dá)[45].

2.2.1 ECM儲存和釋放血管生成相關(guān)因子: ECM是生長因子和其他生物活性分子的儲存庫,可儲存和濃縮促血管生成因子,并募集促血管生成細(xì)胞促進(jìn)血管新生[11,46-48],纖溶酶、MMP和其他蛋白酶對ECM水解加工可使促血管生成因子如VEGFA、FGF、PDGFB和轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor β1,TGF β1)等以生物活性形式釋放,調(diào)控腫瘤血管新生[47,49].腫瘤細(xì)胞也可表達(dá)血管生成調(diào)節(jié)因子,從ECM中調(diào)動血管生成蛋白,參與腫瘤血管新生過程[8].在已報(bào)道的促血管生成因子中,VEGF被認(rèn)為是最重要促血管新生調(diào)節(jié)因子[10],在肝癌組織中,VEGF與VEGFR-2結(jié)合,觸發(fā)酪氨酸激酶信號級聯(lián)反應(yīng),增加促血管生成因子生成,促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移,并有利于血管分化成熟[50].ECM中儲存有大量VEGF,在胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤中,即使血管豐度較少的胰島,VEGF在ECM中含量也很豐富[51],胰腺腫瘤細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶-9表達(dá)上調(diào),可將VEGF從ECM中釋放出來,使靜止血管狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的血管生成狀態(tài)[52].除了MMPs外,蛋白酶(如纖溶酶)也可將ECM結(jié)合的VEGF釋放為可溶形式[53].多種ECM成分包括纖維蛋白和I型膠原蛋白,能夠通過細(xì)胞因子的釋放刺激ECs的遷移調(diào)控血管新生[43],這些基質(zhì)蛋白的濃度梯度本身可獨(dú)立于細(xì)胞因子的刺激驅(qū)動ECs的遷移[54].此外,腫瘤ECM中部分基質(zhì)蛋白具有直接促血管生成活性,如骨膜素(periostin)、纖連蛋白(fibronectin,FN)、骨橋蛋白(osteopontin)、生腱蛋白C(tenascins C)等,同時(shí)也有部分ECM蛋白發(fā)揮血管抑制作用,如血小板反應(yīng)蛋白1(thrombospondin 1,THBS1)、骨連接蛋白和核心蛋白聚糖[11].腫瘤組織ECM重塑過程中還產(chǎn)生Ⅳ型和ⅩⅧ型膠原蛋白,上述蛋白生物活性片段與完整膠原纖維競爭性結(jié)合于ECs表面的integrin,抑制腫瘤血管新生[51].

2.2.2 基質(zhì)硬度可調(diào)控腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞血管生成因子的表達(dá)及活性: 除ECM中部分基質(zhì)蛋白本身生化因素的影響外,由基質(zhì)蛋白沉積、交聯(lián)增強(qiáng)所致的腫瘤基質(zhì)硬度增加,同樣參與調(diào)控腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞血管生成因子的表達(dá)活性.Rivron等[21,55]研究發(fā)現(xiàn),腫瘤組織基質(zhì)硬度增高、組織收縮性增強(qiáng),ECs感知這些微環(huán)境力學(xué)特性,調(diào)節(jié)VEGF和VEGFR2表達(dá)直接影響腫瘤血管生成.硬化的ECM通過促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和通過誘導(dǎo)GATA2和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2(transglutaminase 2,TFII-I)轉(zhuǎn)錄,增加內(nèi)皮細(xì)胞生長及VEGFR2受體表達(dá)來促進(jìn)血管生成[56,57].還有研究發(fā)現(xiàn)[50],基質(zhì)硬度力學(xué)信號既可通過激活integrin β1/PI3K/Akt信號通路上調(diào)肝癌細(xì)胞VEGF表達(dá),又可激活integrin αVβ5/Akt/Sp1通路上調(diào)血管內(nèi)皮細(xì)胞VEGFR2的表達(dá),促進(jìn)肝癌血管生成[58].基質(zhì)硬度增加還可通過激活肝癌細(xì)胞HepG2中Wnt-β/catenin信號通路促進(jìn)血管生成相關(guān)基因HIF-1α、VEGF的表達(dá),從而促進(jìn)血管新生[59].賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)可催化ECM中膠原蛋白和彈性蛋白的交聯(lián),在調(diào)控基質(zhì)硬度方面發(fā)揮重要作用[60].在肝癌[61]、胃腸道腫瘤[60]和胰腺腫瘤[62]等腫瘤組織中LOX呈高表達(dá),其高表達(dá)可促進(jìn)Ⅰ型膠原的表達(dá)和交聯(lián)導(dǎo)致ECM硬度增加,進(jìn)而激活多種信號通路,促進(jìn)腫瘤血管新生.在肝癌組織中,LOX高表達(dá)介導(dǎo)ECM硬度增加,一方面通過激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)復(fù)合物以及PI3K和Akt過度磷酸化刺激肝癌細(xì)胞VEGF的表達(dá);另一方面,在PDGFRβ的刺激下,促進(jìn)Akt信號通路,上調(diào)VEGF表達(dá),促進(jìn)腫瘤血管新生[60].VEGF表達(dá)升高又可反過來促進(jìn)基質(zhì)硬度的增高,研究發(fā)現(xiàn)[63],VEGF可通過上調(diào)尿激酶型纖溶酶原激活劑(urokinase plasminogen aetivator,uPA)/uPAR介導(dǎo)蛋白水解誘導(dǎo)基質(zhì)降解,致使ECM中膠原蛋白沉積并導(dǎo)致硬度增加,VEGF表達(dá)升高還可直接導(dǎo)致層粘連蛋白基質(zhì)沉積,誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)局部硬化并產(chǎn)生剛度梯度.基質(zhì)硬度增加還伴隨血管生成相關(guān)細(xì)胞因子定位增加和MMP產(chǎn)生增加,可以促進(jìn)血管ECs的遷移,而增加血管新生進(jìn)程[54].此外,ECM機(jī)械力傳遞可通過細(xì)胞間粘附分子PECAM-1實(shí)現(xiàn),研究發(fā)現(xiàn)組織收縮時(shí),外圍高變形區(qū)域PECAM-1+細(xì)胞區(qū)域VEGFR2表達(dá)水平增加,明顯高于受組織收縮影響較小的中心區(qū)域,且高變形區(qū)域細(xì)胞VEGF表達(dá)量明顯高于中心區(qū)域;當(dāng)收縮受損時(shí),細(xì)胞VEGFR-2/PECAM-1+表達(dá)下降,因此組織收縮性通過調(diào)節(jié)VEGF和VEGFR-2的空間差異表達(dá),誘導(dǎo)ECs增殖局部差異促進(jìn)血管結(jié)構(gòu)的形成[55].

也有研究顯示基質(zhì)硬度增加抑制腫瘤血管新生.Li等[64]對神經(jīng)母細(xì)胞瘤(neuroblastoma,NB)研究發(fā)現(xiàn),血管長度與NB組織的硬度呈負(fù)相關(guān),高基質(zhì)硬度抑制YAP表達(dá)和核內(nèi)聚集,通過Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt-related transcription factor 2,RUNX2)調(diào)節(jié)絲氨酸/精氨酸剪接因子1(serine/arginine splicing factor 1,SRSF1)的表達(dá),抑制NB腫瘤細(xì)胞VEGF165的表達(dá)和分泌,從而抑制腫瘤血管生成.VEGF與VEGFR2的結(jié)合可被多種共受體蛋白修飾,包括HSPG、NRP-1和integrin β1,細(xì)胞-ECM相互作用可通過改變VEGF受體的遷移率和接近度以及VEGF內(nèi)吞所需的其他細(xì)胞表面蛋白影響VEGF的結(jié)合與內(nèi)化[65,66].SACK等研究了ECM剛度對VEGF結(jié)合、加工和信號傳導(dǎo)能力的影響,發(fā)現(xiàn)ECM結(jié)合是VEGF內(nèi)化所必需的,連接于FN的integrin β1以硬度依賴的方式調(diào)節(jié)VEGF的攝取,軟基質(zhì)上生長的血管內(nèi)皮細(xì)胞integrin β1活化水平升高,VEGF基質(zhì)結(jié)合增加,形成更多FN-integrin β1-VEGF復(fù)合物,促進(jìn)VEGF內(nèi)吞作用和細(xì)胞內(nèi)信號的增強(qiáng)[67].還有研究顯示[45],高硬度基質(zhì)會損害血管完整性并激活MMP,上述研究提示基質(zhì)硬度改變對不同腫瘤類型的血管新生調(diào)控存在促進(jìn)或抑制的相反作用,可能與腫瘤所處的不同病理微環(huán)境特征有關(guān).

總之,腫瘤微環(huán)境中ECM一方面可充當(dāng)促血管生成因子和抗血管生成因子的儲存庫,通過釋放這些血管生成調(diào)控因子調(diào)控血管新生,另一方面,由ECM所致的硬度力學(xué)信號可調(diào)控腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞血管生成因子的表達(dá)及活性,導(dǎo)致腫瘤組織中血管生成信號失衡,對血管生成的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)促血管新生和抑血管新生的雙重作用.但是,基質(zhì)硬度對血管生成因子的調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過程,其作用還需更多的研究加以明確.

3 基質(zhì)硬度增加影響基質(zhì)細(xì)胞功能進(jìn)而調(diào)節(jié)腫瘤血管新生

基質(zhì)細(xì)胞在ECM內(nèi)的遷移、增殖和分泌活動是維持器官組織正常功能所必需的,在腫瘤進(jìn)展中具有重要作用[26,68].基質(zhì)細(xì)胞具有ECM重塑性[26,68],ECM可釋放多種細(xì)胞因子,如TGF β1,調(diào)節(jié)基質(zhì)細(xì)胞的功能,募集并誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞分化為腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancerassociated fibroblasts,CAFs)、募集誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分化為腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(tumor-associated macrophages,TAMs)、誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞(上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化)及內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的反應(yīng),間接促進(jìn)血管生成[21,46,55,69].

CAFs是腫瘤微環(huán)境中豐度較高的基質(zhì)細(xì)胞群,是一種具有機(jī)械活性的基質(zhì)細(xì)胞,CAFs可通過生長因子信號傳導(dǎo)、基質(zhì)重塑和收縮行為促進(jìn)血管生成.CAFs可分泌釋放多種血管生成因子,如VEGF,肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)、FGF和CXCL12等,當(dāng)CAFs暴露于循環(huán)應(yīng)變力或壓縮力后,會增加包括VEGF-A和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(stromal cell-derived factor,SDF-1)等生長因子的表達(dá),從而導(dǎo)致血管生成增加[70].此外,CAFs在TGFβ影響下可獲得強(qiáng)大的基質(zhì)蛋白生物合成和沉積能力,CAFs分泌LOX和羥化酶,可催化膠原蛋白與彈性蛋白和其他ECM分子的交聯(lián),通過控制腫瘤基質(zhì)的生物力學(xué)特性,包括基質(zhì)硬度、彈性和間質(zhì)液壓力,間接調(diào)節(jié)腫瘤中的血管形成和血流[11].

ECs分泌單核細(xì)胞趨化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)可促進(jìn)單核細(xì)胞趨化遷移,研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)硬度改變對ECs表面ICAM-1和VCAM-1表達(dá)存在明顯的調(diào)節(jié),8 kPa和40 kPa硬度基質(zhì)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞ICAM-1和VCAM-1表達(dá),而20kPa硬度基質(zhì)抑制內(nèi)皮細(xì)胞ICAM-1和VCAM-1表達(dá),基質(zhì)硬度調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞ICAM-1和VCAM-1表達(dá)增加,可誘導(dǎo)單核細(xì)胞的趨化性遷移和粘附,粘附的單核細(xì)胞遷移到內(nèi)膜,分化為巨噬細(xì)胞,介導(dǎo)血管壁的重塑[71,72].

總之,基質(zhì)細(xì)胞對腫瘤血管生成的調(diào)節(jié)是生物力學(xué)信號和生化信號互作的高度復(fù)雜的分子病理過程,在解析硬度力學(xué)信號調(diào)控血管生成機(jī)制時(shí),應(yīng)綜合考慮這些因素.

4 展望

微環(huán)境中基質(zhì)硬度增加不僅顯著影響腫瘤血管出芽模式及血管密度,同時(shí)改變血管內(nèi)皮細(xì)胞間連接及血管的通透性,表明生物力學(xué)因素在調(diào)控腫瘤血管新生及功能中發(fā)揮重要作用.然而,目前力學(xué)信號調(diào)控腫瘤血管新生的確切機(jī)制及相關(guān)干預(yù)研究依然面臨很多困難,包括體外如何模擬血管及硬度力學(xué)微環(huán)境,如何構(gòu)建理想硬度關(guān)聯(lián)動物模型,如何建立硬度力學(xué)信號、流體剪切力及管腔壓力對腫瘤TECs協(xié)同作用體系,以及關(guān)鍵力學(xué)感應(yīng)分子的篩查及鑒定,硬度力學(xué)信號的干預(yù)靶點(diǎn)等.雖然阻斷硬度力學(xué)信號的藥物,如整合素抑制劑、Hippo/YAP通路抑制劑等臨床試驗(yàn)已開展[73],但最終能否實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用尚需進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐.令人倍感振奮的是,一些新技術(shù)手段如微流控芯片、血管三維模擬、體內(nèi)示蹤技術(shù)、新型硬度基底細(xì)胞培養(yǎng)平臺及不同硬度背景腫瘤動物模型的涌現(xiàn),必將逐步解決制約基質(zhì)硬度調(diào)控腫瘤血管及其內(nèi)在機(jī)制研究的瓶頸,為未來基于硬度力學(xué)信號分子的診療應(yīng)用帶來希望.