杜書嵩，安明欣，趙偉東

(中國醫(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)體活動所需的氧氣及各種營養(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出新的血管分支[1].血管系統(tǒng)形成的過程分為以下時期：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，使腫瘤血管化是促進(jìn)腫瘤生長和轉(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候內(nèi)皮細(xì)胞就會分化成靜止的隊(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過程.在血管出芽時，在濃度梯度血管內(nèi)皮生長因子(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，或尖端細(xì)胞的VEGF信號受到抑制的時候，新的出芽則會收縮，留下一個空的細(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減弱而抑制血管生成的信號增強(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)血管新生的生長因子包括血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)，血小板衍生生長因子(PDGF)，腫瘤壞死因子α(TNF-α)，轉(zhuǎn)化生長因子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(例如VEGF-A)時，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.血管出芽時尖端細(xì)胞和莖細(xì)胞間的競爭以及表型的確定，主要由VEGF和Notch信號通路調(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)胞比較不具備競爭優(yōu)勢[11].簡言之，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的另一個配體Jagged1，Jagged1與Dll4能夠競爭性結(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，只起到競爭性拮抗的作用，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信號通路對血管生成的抑制作用[14].當(dāng)新生血管有血流灌注時，血流沖擊血管內(nèi)皮細(xì)胞會下調(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，但是血管新生時的出芽卻不依賴于線粒體的氧化呼吸作用，出芽時血管內(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，就會暴露在低氧環(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；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.通過對尖端細(xì)胞調(diào)控機(jī)理的研究，能夠更好的認(rèn)識血管新生這一復(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).