VEGF和内皮抑素对血管生成作用的研究进展

王 韧综述,侯立军审校

(第二军医大学长征医院神经外科,上海200003)

脑组织缺血、缺氧是创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)最常见的继发性损害,直接影响患者的预后。血管再生是创伤及缺血组织的病理生理反应,由血管再生因子和血管再生抑制因子共同参与调控。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)是一种多功能糖蛋白,是主要的促血管生成因子。迄今发现,内皮抑素(endostatin,ES)是一种特异性作用最强的血管形成抑制剂。现将VEGF和ES对血管生成的作用研究进展作一综述。

1 TBI

TBI是一种常见的致死、致残性疾病,随着现代交通工具的发展,其发病率呈逐年上升趋势,对人类的健康构成严重威胁。脑损伤可能对人体认知、情感、行为产生影响,这种影响可以完全恢复,也有可能导致永久性残疾,甚至死亡[1]。在发达国家颅脑损伤已成为青少年死亡的首位病因。据统计,美国每年约有150万的脑损伤患者,其中10%现场死亡,57%重型颅脑损伤患者预后不良[2]。随着中国现代化交通、建筑事业的高速发展,致使颅脑损伤的发生率及死亡人数居高不下。颅脑损伤已成为我国非常严重的经济、社会和医学问题。

TBI按损伤的部位可以分为颅损伤(头皮裂隙、头皮血肿、头皮撕脱伤、颅骨骨折等)和脑损伤。按损伤的性质可分为闭合性脑损伤和开放性脑损伤。闭合性脑损伤是指脑组织与外界不相交通的损伤;开放性脑损伤是指脑组织与外界相交通的损伤,有头皮颅骨开裂,并有脑脊液和(或)脑组织外溢。另外,当头部被高速的枪弹击中时,弹头或弹片可击穿头皮与颅骨,并造成脑损伤,这类损伤称火器伤,通常也属于开放性脑损伤。

TBI按发生时间与机制分为原发性脑损伤和继发性脑损伤。原发性脑损伤是指暴力作用于头部时立即发生的脑损伤,是不可逆的,包括脑挫伤、脑震荡等。而继发性脑损伤系指在原发性脑损伤的基础上,随着伤后的组织反应、病理生理改变甚至个体差异等因素所发生的水肿、肿胀或血管痉挛、缺血与出血等,且在很大程度上决定了TBI的最终结果,因此,目前研究的重点主要针对继发性脑损伤。1978年Miller等[3]首次提出二次脑损伤(secondary brain insult,SBI)的概念,即二次致伤因素对脑组织造成的第2次损伤,实际上属于继发性脑损伤范畴。脑组织缺血、缺氧是脑损伤后继发性损害中最常见的病理生理改变,也是造成TBI预后不良的最重要的因素。有报道称重型颅脑损伤后早期脑缺血的发生率高达90%,且缺血程度与预后明显相关[2,4]。因此,改善颅脑损伤患者预后的关键在于控制原发性脑损伤后的继发性缺血损伤[5]。

2 血管再生与TBI

随着医疗技术的不断发展,脑损伤患者的存活率得到显著提高,但在避免继发性脑缺血方面并未取得明显的成果。脑组织缺血、缺氧是脑损伤最常见的继发性损害,直接影响患者预后。血管再生能够加速缺血区侧支循环重塑,尽快恢复缺血区的血供,挽救濒临死亡的神经元[6-7]。最近有研究表明,TBI后血管再生可能在创伤修复过程和继发性损伤进展中起重要作用,促进血管再生有望成为脑损伤后缺血性损害治疗的新途径[8]。

血管再生是指从原有的血管上以出芽或分裂的方式而形成新的血管网络,并使其功能与局部需要相适应的过程。新生成的血管网可以为组织细胞提供氧和营养物质,从而改善组织缺血。新生血管的形成是一个多步骤的复杂过程,包括基膜蛋白的降解,内皮细胞的去黏附、增殖及迁移至周围基质,最后内皮细胞再黏附形成新生血管。脑损伤后发生的血管再生主要是填充式的血管生成,内皮细胞分裂、增殖,在原有血管的管腔内形成新的血管壁,从而使母血管分裂形成新血管[9]。

血管再生由不同类型细胞所表达的内源性血管再生调节因子——血管再生因子和血管再生抑制因子共同参与调控。正常生理状态下,血管内皮的新生受到血管生成开关系统的精密调控,使血管的再生和抑制因子对其的调节处于一种动态平衡,血管再生机制处于关闭状态。病理状态下,血管的再生和抑制因子的共同作用处于失平衡状态,从而引起血管再生[10]。最近有研究显示,上述两类细胞因子在中枢神经系统损伤后组织再生和修复的过程中发挥至关重要的作用[11]。

2.1 脑损伤后内源性血管再生因子的表达 目前已经分离和纯化的血管再生因子有20余种之多,包括VEGF、低氧诱导因子、胰岛素样生长因子、氧化亚氮合酶、转化生长因子、肿瘤坏死因子、血管再生素、血管营养素等。其中VEGF处于核心地位,其他血管生成因子大都通过增强VEGF的表达产生血管生成的作用[12]。

2.1.1 VEGF VEGF又名血管通透因子(vascular permeability factor,VPF),最早于 1989年由 Shore等[13]从牛脑垂体滤泡星状细胞的条件培养基中提纯,是一种多功能糖蛋白。VEGF在正常成人和动物组织中表达水平较低,广泛分布于人和动物的脑、肾、肝、脾、肺及骨骼等组织内。人VEGF基因位于染色体6p21.3,全长14 kb,由8个外显子和7个内含子组成,相对分子质量为(35～45)×103,等电点为8.5,有很强的耐酸、耐热能力,如被还原则丧失所有生物活性。VEGF属于血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)家族,其结构与 PDGFβ链部分相同,其中有8个相同半胱氨酸为PDGF家族的标志。VEGF是由血管内皮细胞邻近的细胞所产生,通过旁分泌机制,刺激体内新生血管生成,增加血管通透性[14]。

2.1.2 VEGF受体 VEGF生物学效应的发挥需要通过与VEGF受体(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR)结合。目前,已在血管内皮细胞膜上检出两种具有与VEGF高度特异结合的受体,VEGFR1(fms-like tyrosine kinase,flt1)和VEGFR2(fetal liver kinase,flk1亦称kinase insert domain containing receptor,KDR),分别位于染色体13q12和4q11,属于酪氨酸激酶受体家族第3亚型[15]。在正常情况下,VEGFR基因仅在正常血管内皮细胞中表达,且VEGFR水平甚低。虽然这两种受体都与VEGF具有高度的亲和力,但有研究发现,其功能却存在差异[16-17]。

2.1.3 VEGF的生物学功能 VEGF在炎症、创伤愈合、心脏缺血、动脉粥样硬化、糖尿病性视网膜病变等诸多与血管生成和组织愈合及再生相关的过程中发挥重要作用。VEGF特异地作用于血管内皮细胞,通过选择性与血管内皮细胞膜上的酪氨酸受体特异性高亲和力结合后形成二聚体,发挥一系列生物学作用,主要有:(1)促进血管内皮细胞的增殖。VEGF是一种血管内皮细胞特异性有丝分裂原,在体外能促进内皮细胞生长,在体内可诱导血管发生。(2)增加血管的通透性。VEGF能够增加微小血管,主要是后毛细血管和小静脉对大分子的通透性,使血浆蛋白溢出血管外,致纤维蛋白凝结,形成血管生成的临时基质,促进新血管生成。(3)血管维持功能。VEGF作为一种局部内生性调节剂,起着维护血管正常状态及完整性的作用[18]。VEGF可刺激内皮细胞产生氧化亚氮,并使其浓度呈剂量依赖性升高,从而起到血管维持作用[14]。(4)促进损伤部位血管的生成,参与肉芽组织的构建,从而提高机体对损伤的修复作用。

2.2 VEGF与脑损伤

2.2.1 VEGF与脑损伤修复 近年来,有研究显示,VEGF在创伤性脑组织中阳性表达[19]。对婴幼儿和儿童脑损伤患者脑脊液研究发现,创伤后VEGF水平显著升高[13]。脑损伤后继发性病理损害常引起脑组织缺血、缺氧,VEGF参与促进血管内皮细胞的增殖,增加血管的通透性,使组织修复所必需的大分子蛋白物质易于渗入损伤部位。脑损伤后VEGFR的表达也同样增加[20]。损伤后VEGF及其受体表达的上调可能作为损伤后一种重要的内源性细胞保护机制,以促进新生血管生长,改善缺血脑组织的血液供应[19,21-23]。

2.2.2 其他血管再生因子在脑损伤修复中的作用 除VEGF及其受体调节通路外,血管生成素及其受体调节通路也是调节血管再生的重要信息途径[24-25]。胰岛素样生长因子-1也被证明能够通过HIF-1-VEGF通路诱导脑血管内皮细胞生长、刺激损伤部位的血管再生,参与创伤后脑组织的血管重塑[26]。有研究发现,脑损伤后转化生长因子-β等多种结缔组织生长因子被诱导表达,提示其在损伤后血管再生及修复过程中扮演重要角色[27]。低氧诱导因子、碱性成纤维细胞生长因子、血小板衍生生长因子、氧化亚氮合酶、肿瘤坏死因子、血管营养素等其他血管再生因子也都在血管生成中发挥着重要的作用。

3 TBI内源性血管再生抑制因子的表达

血管再生因子通过促进血管内皮细胞的分裂、增殖,并防止其凋亡,进而诱导新生血管的生成;血管再生抑制因子则通过干扰血管生成过程的各个阶段,如内皮基底膜的降解、胞外基质重建、内皮细胞迁移及微管形成等发挥抗血管生成的作用。在已发现的血管再生抑制因子中ES和血管抑素(angiostatin,AS)是目前认为最强的血管再生抑制剂,其中研究较多的是ES。

3.1 ES ES是O′Reilly等[28]从鼠内皮细胞瘤(EOMA)培养液中首次分离出内源性的血管生成抑制剂。内源性ES由184个氨基酸组成,是血管周围基底膜部位的胶原Ⅹ、Ⅷ羧基末端的一个酶解片段,相对分子质量约20×103,其结构中有一个由11个精氨酸组成的碱性区域,这一区域与其分子对肝素有较高亲和力有关,也可能是ES发挥血管内皮细胞生长抑制作用的关键结构区域。人体内的ES广泛分布于全身血管外周的基底膜,主要在一些高度血管化的组织表达,肝脏中的肝实质细胞是其最重要的来源。

3.2 ES的生物学功能 体内、外实验表明ES能有效抑制血管内皮细胞增殖、迁移及新生血管形成。ES可以抑制血管内皮细胞的增殖,其主要途径为促进内皮细胞凋亡、抑制血管内皮增殖、抑制细胞因子诱导的血管内皮细胞迁移等[29-31]。ES对血管内皮细胞增殖具有选择性的抑制作用,能够特异性抑制血管内皮细胞在碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)诱导下的增殖。ES可以通过阻断VEGF通路而抑制新生血管生成,选择性调节内皮细胞功能,特异性抑制内皮细胞增殖,有效抑制血管生成,其相互作用可能调节着新生血管生成的程度。ES抑制新生血管形成的作用机制非常复杂,其中涉及很多生长调控因子、酶和受体,并与多条细胞信号传导通路有关[32]。ES已被广泛应用于抑制肿瘤新生血管生成,阻断肿瘤细胞的血液供应,使肿瘤消退[33-34]。

3.3 ES与脑损伤修复 目前,关于ES在脑损伤后变化的报道并不多见。有研究发现,脑缺血后ES蛋白及其mRNA在缺血脑组织中的表达增加,表明ES可能对脑缺血后微血管的再生产生重要影响[35]。有研究证实,ES在颅脑损伤中表达阳性[36]。体外实验研究发现,胶质细胞释放ES的主要诱发因素是脑组织的缺氧状态。有研究发现,ES在硝普钠(SNP)等外源性氧化亚氮供体药物作用下表达明显上调[37]。ES的表达主要位于血管修剪退化区的内皮下和小胶质细胞/巨噬细胞,可能在脑损伤后血管再生反应的终止过程中发挥重要的作用[38]。由于ES具有抑制血管内皮细胞增殖和迁移、诱导其凋亡的抗血管再生作用,其在脑损伤后的表达增加,有可能加重脑组织缺血、缺氧,不利于受损脑组织的结构重塑以及缺损神经功能的修复。总之,ES在创伤脑组织中的表达增加提示其可能在脑损伤后血管再生的发生与发展中发挥了重要的作用。

4 问题与展望

尽管关于脑损伤后血管再生的研究目前报道不多,但是国内外利用外源性血管再生因子蛋白和(或)基因治疗脑缺血的研究已取得了令人满意的成果。VEGF通过促进内皮细胞增生,在缺血区诱导大量新生血管形成,改善微循环,增加受累脑组织再灌注及供氧量,从而有利于减轻脑水肿、促进受损脑组织修复,加强神经元的营养和神经元功能的恢复,为脑损伤后血管再生方面的药物干预研究提供了基础。然而,由于VEGF的血管通透作用非常强烈,因此可能会加重缺血后继发性脑损害。而且有研究发现,VEGF注射的方式、剂量及其作用受体的不同都可影响其疗效。已有研究证实,VEGF在TBI早期的表达有可能会加重脑水肿[39-40]。另外,VEGF与脑肿瘤的生长、转移等密切相关,使用VEGF可能会促进肿瘤的生长。而且,局部高浓度的VEGF可能诱发血管过度生长和血管瘤的形成。因此,如何控制理想的VEGF浓度、减少其不良作用尚需进一步的研究。

ES从发现至今已有十多年,有关其体外重组表达和临床应用研究取得了飞速发展,目前研究中使用的ES主要为重组人ES和重组鼠ES,ES基因治疗血管新生性疾病的研究为脑损伤后血管再生的治疗提供了参考。有研究表明,ES特异性抑制血管内皮细胞作用肯定,对多种依赖血管生成的实体瘤都有抑制作用,且无耐药性和明显不良反应。随着ES作用机制的完全阐明及如何选择安全、高效的合适载体来进行基因治疗,如何正确地选择适应证和治疗对象等这一系列问题的解决,最终可以抑制其抗血管生成作用,促进血管再生,从而减轻脑损伤后继发性损害。此外,静脉注射或局部种植神经干细胞或骨髓基质细胞也能刺激一系列促神经和血管新生的生长因子的分泌,从而促进脑损伤后血管新生及内源性神经再生,为改善预后提供有利途经[41]。

综上所述,尽管目前国内损关于脑外伤后血管再生的研究尚不多见,但随着血管再生过程中相关调控因子间的协调作用的阐明,治疗性血管再生将在TBI的治疗中显示出非常广阔的应用前景和发挥重要的作用。

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