Ангиогенез - Angiogenesis

Ангиогенез
Angiogenesis.png
Ангиогенез после васкулогенеза
Анатомическая терминология
3D-медицинская анимация по-прежнему демонстрирует ангиогенез

Ангиогенез - это физиологический процесс, посредством которого новые кровеносные сосуды формируются из ранее существовавших сосудов, сформированных на более ранней стадии васкулогенеза . Ангиогенез продолжает рост сосудистой сети за счет процессов прорастания и расщепления. Васкулогенез - это эмбриональное образование эндотелиальных клеток из предшественников клеток мезодермы и в результате неоваскуляризации , хотя обсуждения не всегда точны (особенно в старых текстах). Первые сосуды в развивающемся эмбрионе формируются в результате васкулогенеза, после чего ангиогенез отвечает за большую часть, если не за весь рост кровеносных сосудов во время развития и при болезни.

Ангиогенез - это нормальный и жизненно важный процесс роста и развития, а также заживления ран и образования грануляционной ткани . Однако это также фундаментальный шаг в переходе опухолей из доброкачественного состояния в злокачественное , что приводит к использованию ингибиторов ангиогенеза при лечении рака . Существенная роль ангиогенеза в росте опухоли была впервые предложена в 1971 году Джудой Фолкманом , который описал опухоли как «горячие и кровянистые», иллюстрируя, что, по крайней мере, для многих типов опухолей характерны приливная перфузия и даже гиперемия .

Типы

Прорастание ангиогенеза

Прорастание ангиогенеза было первой идентифицированной формой ангиогенеза, и поэтому он гораздо более понятен, чем инвагинальный ангиогенез. Это происходит в несколько хорошо охарактеризованных стадий. Первоначальный сигнал исходит от участков ткани, лишенных сосудистой сети. Гипоксия, которая отмечается в этих областях, заставляет ткани требовать наличия питательных веществ и кислорода, которые позволят тканям осуществлять метаболическую активность. Из-за этого паренхимные клетки будут секретировать фактор роста эндотелия сосудов ( VEGF-A ), который является проангиогенным фактором роста. Эти биологические сигналы активируют рецепторы на эндотелиальных клетках, присутствующих в уже существующих кровеносных сосудах. Во-вторых, активированные эндотелиальные клетки, также известные как концевые клетки, начинают выделять ферменты, называемые протеазами, которые разрушают базальную мембрану, позволяя эндотелиальным клеткам ускользать от исходных (родительских) стенок сосуда. В эндотелиальных клетках затем пролиферируют в окружающей матрицу и образуют твердые ростки , соединяющие соседние сосуды. Клетки, которые пролиферируют, расположены за кончиками клеток и известны как клетки стебля. Размножение этих клеток позволяет капиллярному отростку одновременно увеличиваться в длине.

По мере того, как ростки распространяются к источнику ангиогенного стимула, эндотелиальные клетки мигрируют в тандеме , используя молекулы адгезии, называемые интегринами . Эти отростки затем образуют петли, чтобы стать полноценным просветом сосуда, когда клетки мигрируют к месту ангиогенеза. Прорастание происходит со скоростью несколько миллиметров в день и позволяет новым сосудам прорастать через промежутки в сосудистой сети . Он заметно отличается от расщепления ангиогенеза, потому что он формирует совершенно новые сосуды, а не расщепляет существующие сосуды.

Инвагинальный ангиогенез

Инвагинальный ангиогенез , также известный как расщепляющий ангиогенез , представляет собой образование нового кровеносного сосуда путем разделения существующего кровеносного сосуда на два.

Инвагинация впервые наблюдалась у новорожденных крыс. При этом типе образования сосудов стенка капилляра расширяется в просвет, разделяя один сосуд надвое. Существует четыре фазы инвагинального ангиогенеза. Во-первых, две противоположные стенки капилляра устанавливают зону контакта. Во- вторых, эндотелиальные клеточные узлы реорганизованы и сосуд бислой является перфорированной , чтобы факторы роста и клетки проникают в просвет. В-третьих, между двумя новыми сосудами в зоне контакта образуется ядро, заполненное перицитами и миофибробластами . Эти клетки начинают закладывать волокна коллагена в ядро, чтобы обеспечить внеклеточный матрикс для роста просвета сосуда. Наконец, дорабатывается ядро ​​без изменений базовой конструкции. Инвагинация важна, потому что это реорганизация существующих клеток. Это позволяет значительно увеличить количество капилляров без соответствующего увеличения количества эндотелиальных клеток . Это особенно важно при эмбриональном развитии, поскольку ресурсов недостаточно для создания богатой микрососудистой сети с новыми клетками каждый раз, когда развивается новый сосуд.

Физиология

Механическая стимуляция

Механическая стимуляция ангиогенеза недостаточно охарактеризована. Существует значительное количество разногласий в отношении напряжения сдвига, действующего на капилляры и вызывающего ангиогенез, хотя современные знания предполагают, что усиление мышечных сокращений может усиливать ангиогенез. Это может быть связано с увеличением выработки оксида азота во время физических упражнений. Оксид азота вызывает расширение кровеносных сосудов.

Химическая стимуляция

Химическая стимуляция ангиогенеза осуществляется с помощью различных ангиогенных белков, например интегринов и простагландинов, включая несколько факторов роста, например VEGF, FGF.

Обзор

Стимулятор Механизм
FGF Способствует пролиферации и дифференцировке эндотелиальных клеток, гладкомышечных клеток и фибробластов.
VEGF Влияет на проницаемость
VEGFR и NRP-1 Интегрируйте сигналы выживания
Ang1 и Ang2 Стабилизируйте сосуды
PDGF (BB-гомодимер) и PDGFR задействовать гладкомышечные клетки
Рецепторы TGF-β , эндоглина и TGF-β внеклеточный матрикс производство
CCL2 Привлекает лимфоциты к участкам воспаления
Гистамин
Интегрины α V β 3 , α V β 5 (?) И α 5 β 1 Связывают макромолекулы матрикса и протеиназы
VE-кадгерин и CD31 эндотелиальные соединительные молекулы
эфрин Определить образование артерий или вен
активаторы плазминогена ремоделирует внеклеточный матрикс , высвобождает и активирует факторы роста
ингибитор активатора плазминогена-1 стабилизирует близлежащие сосуды
eNOS и COX-2
AC133 регулирует дифференцировку ангиобластов
ID1 / ID3 Регулирует эндотелиальную трансдифференцировку
Семафорины класса 3 Модулирует адгезию, миграцию, пролиферацию и апоптоз эндотелиальных клеток. Изменяет проницаемость сосудов
Ного-А Регулирует миграцию и пролиферацию эндотелиальных клеток. Изменяет проницаемость сосудов.

FGF

Семейство фактора роста фибробластов (FGF) с его членами-прототипами FGF-1 (кислый FGF) и FGF-2 (основной FGF) состоит на сегодняшний день по меньшей мере из 22 известных членов. Большинство из них являются одноцепочечными пептидами размером 16-18 кДа и обладают высоким сродством к гепарину и гепарансульфату. В целом, FGF стимулируют множество клеточных функций путем связывания с рецепторами FGF на поверхности клетки в присутствии протеогликанов гепарина. Семейство рецепторов FGF состоит из семи членов, и все рецепторные белки представляют собой одноцепочечные рецепторные тирозинкиназы, которые активируются посредством аутофосфорилирования, индуцированного механизмом димеризации рецепторов, опосредованной FGF. Активация рецептора вызывает каскад передачи сигнала, который приводит к активации генов и разнообразным биологическим ответам, включая дифференцировку клеток, пролиферацию и растворение матрикса, тем самым инициируя процесс митогенной активности, критической для роста эндотелиальных клеток, фибробластов и гладкомышечных клеток. . FGF-1 , уникальный среди всех 22 членов семейства FGF, может связываться со всеми семью подтипами рецепторов FGF, что делает его самым широкодействующим членом семейства FGF и мощным митогеном для различных типов клеток, необходимых для создания ангиогенного ответ в поврежденных (гипоксических) тканях, где происходит активация FGF-рецепторов. FGF-1 стимулирует пролиферацию и дифференцировку всех типов клеток, необходимых для строительства артериального сосуда, включая эндотелиальные клетки и клетки гладких мышц; этот факт отличает FGF-1 от других проангиогенных факторов роста , таких как фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), который в первую очередь управляет образованием новых капилляров.

Помимо FGF-1, одной из наиболее важных функций фактора роста фибробластов-2 (FGF-2 или bFGF ) является стимулирование пролиферации эндотелиальных клеток и физическая организация эндотелиальных клеток в трубчатые структуры, тем самым способствуя ангиогенезу. FGF-2 является более сильным ангиогенным фактором, чем VEGF или PDGF ( фактор роста тромбоцитов ); однако он менее эффективен, чем FGF-1. Помимо стимуляции роста кровеносных сосудов, aFGF (FGF-1) и bFGF (FGF-2) играют важную роль в заживлении ран. Они стимулируют пролиферацию фибробластов и эндотелиальных клеток, которые вызывают ангиогенез и развитие грануляционной ткани; оба увеличивают кровоснабжение и заполняют раневое пространство / полость на ранних этапах процесса заживления раны.

VEGF

Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), как было показано, вносит основной вклад в ангиогенез, увеличивая количество капилляров в данной сети. Первоначальные исследования in vitro продемонстрировали, что эндотелиальные клетки капилляров крупного рогатого скота будут пролиферировать и проявлять признаки трубчатых структур при стимуляции VEGF и bFGF , хотя результаты были более выраженными с VEGF. Повышающая регуляция VEGF является основным компонентом физиологического ответа на упражнения, и предполагается, что его роль в ангиогенезе является возможным лечением сосудистых повреждений. Исследования in vitro ясно демонстрируют, что VEGF является мощным стимулятором ангиогенеза, потому что в присутствии этого фактора роста эндотелиальные клетки на пластинах будут пролиферировать и мигрировать, в конечном итоге формируя трубчатые структуры, напоминающие капилляры. VEGF вызывает массивный сигнальный каскад в эндотелиальных клетках. Связывание с рецептором-2 VEGF (VEGFR-2) запускает сигнальный каскад тирозинкиназы, который стимулирует выработку факторов, которые по-разному стимулируют проницаемость сосудов (eNOS, продуцирование NO), пролиферацию / выживание (bFGF), миграцию (ICAM / VCAM / MMP) и, наконец, дифференцировка в зрелые кровеносные сосуды. Механически VEGF активируется мышечными сокращениями в результате увеличения притока крови к пораженным участкам. Повышенный поток также вызывает большое увеличение продукции мРНК рецепторов 1 и 2 VEGF. Увеличение продукции рецепторов означает, что мышечные сокращения могут вызывать усиление сигнального каскада, относящегося к ангиогенезу. Считается, что как часть ангиогенного сигнального каскада NO вносит основной вклад в ангиогенный ответ, поскольку ингибирование NO значительно снижает эффекты ангиогенных факторов роста. Однако ингибирование NO во время упражнений не подавляет ангиогенез, что указывает на то, что в ангиогенный ответ вовлечены и другие факторы.

Ангиопоэтины

В ангиопоэтины , Ang1 и Ang2, которые необходимы для формирования зрелых кровеносных сосудов, как показано с помощью мыши выбивают исследования. Ang1 и Ang2 представляют собой факторы роста белков, которые действуют путем связывания своих рецепторов, Tie-1 и Tie-2 ; хотя это несколько спорно, похоже, что клеточные сигналы передаются в основном через Tie-2 ; хотя в некоторых работах также показана физиологическая передача сигналов через Tie-1 . Эти рецепторы представляют собой тирозинкиназы . Таким образом, они могут инициировать передачу клеточных сигналов, когда связывание лиганда вызывает димеризацию, которая инициирует фосфорилирование ключевых тирозинов.

ММП

Другим важным участником ангиогенеза является матриксная металлопротеиназа (ММП). ММП помогают расщеплять белки, которые поддерживают твердость стенок сосудов. Этот протеолиз позволяет эндотелиальным клеткам проникать в интерстициальный матрикс, как это видно при прорастании ангиогенеза. Ингибирование ММП предотвращает образование новых капилляров . Эти ферменты сильно регулируются в процессе формирования сосудов, поскольку разрушение внеклеточного матрикса может снизить целостность микрососудов.

DII4

Дельта-подобный лиганд 4 (DII4) представляет собой белок с отрицательным регуляторным действием на ангиогенез. Dll4 является трансмембранным лигандом семейства рецепторов notch . Было проведено множество исследований, которые служили для определения последствий дельта-подобного лиганда 4. Одно исследование, в частности, оценивало влияние DII4 на васкуляризацию и рост опухоли. Чтобы опухоль могла расти и развиваться, она должна иметь надлежащую сосудистую сеть. Путь VEGF жизненно важен для развития сосудистой сети, которая, в свою очередь, помогает опухолям расти. Комбинированная блокада VEGF и DII4 приводит к ингибированию прогрессирования опухоли и ангиогенеза во всей опухоли. Это связано с препятствием передачи сигналов в передаче сигналов эндотелиальных клеток, что препятствует пролиферации и разрастанию этих эндотелиальных клеток. Благодаря этому ингибированию клетки не растут бесконтрольно, поэтому на этом этапе рак останавливается. Однако если бы блокада была снята, клетки снова начали бы размножаться.

Семафорины класса 3

Семафорины класса 3 (SEMA3) регулируют ангиогенез, модулируя адгезию, миграцию, пролиферацию, выживание и набор перицитов эндотелиальных клеток . Кроме того, семафорины могут мешать VEGF-опосредованному ангиогенезу, поскольку как SEMA3, так и VEGF-A конкурируют за связывание рецептора нейропилина в эндотелиальных клетках. Следовательно, относительные уровни экспрессии SEMA3 и VEGF-A могут быть важны для ангиогенеза.

Химическое ингибирование

Ингибитор ангиогенеза может быть эндогенным или прийти извне , как лекарственное средство или диетическую компоненту .

Применение в медицине

Ангиогенез как терапевтическая мишень

Ангиогенез может быть мишенью для борьбы с такими заболеваниями, как болезнь сердца, характеризующаяся либо плохой васкуляризацией, либо аномальной сосудистой сетью. Применение определенных соединений, которые могут ингибировать или вызывать образование новых кровеносных сосудов в организме, может помочь в борьбе с такими заболеваниями. Наличие кровеносных сосудов там, где их не должно быть, может повлиять на механические свойства ткани, увеличивая вероятность отказа. Отсутствие кровеносных сосудов в восстанавливающейся или иным образом метаболически активной ткани может препятствовать восстановлению или другим важным функциям. Некоторые заболевания, такие как ишемические хронические раны , являются результатом недостаточности или недостаточного образования кровеносных сосудов, и их можно лечить путем локального расширения кровеносных сосудов, таким образом доставляя новые питательные вещества к месту, облегчая восстановление. Другие заболевания, такие как возрастная дегенерация желтого пятна , могут быть вызваны локальным расширением кровеносных сосудов, нарушающим нормальные физиологические процессы.

Современное клиническое применение принципа ангиогенеза можно разделить на две основные области: антиангиогенная терапия, с которой начались ангиогенные исследования, и проангиогенная терапия. В то время как антиангиогенные методы лечения используются для борьбы с раком и злокачественными новообразованиями, которые требуют большого количества кислорода и питательных веществ для распространения, проангиогенные методы лечения изучаются как варианты лечения сердечно-сосудистых заболеваний , основной причины смерти в западном мире . Одним из первых применений проангиогенных методов у людей было испытание в Германии с использованием фактора роста фибробластов 1 (FGF-1) для лечения ишемической болезни сердца.

Что касается механизма действия , проангиогенные методы можно разделить на три основные категории: генная терапия , нацеливание на гены, представляющие интерес, для амплификации или ингибирования; белковая заместительная терапия , которая в первую очередь воздействует на ангиогенные факторы роста, такие как FGF-1 или фактор роста эндотелия сосудов , VEGF; и клеточная терапия, которая включает имплантацию определенных типов клеток.

Есть еще серьезные нерешенные проблемы, связанные с генной терапией. Сложности включают эффективную интеграцию терапевтических генов в геном клеток-мишеней, снижение риска нежелательного иммунного ответа, потенциальную токсичность, иммуногенность , воспалительные реакции и онкогенез, связанные с вирусными векторами, используемыми для имплантации генов, и явную сложность генетической основы ангиогенеза. Наиболее часто встречающиеся расстройства у людей, такие как сердечные заболевания, высокое кровяное давление, диабет и болезнь Альцгеймера , скорее всего, вызваны комбинированными эффектами вариаций многих генов, и, таким образом, введение одного гена может не принести существенной пользы при такие болезни.

Напротив, проангиогенная белковая терапия использует четко определенные, точно структурированные белки с заранее определенными оптимальными дозами отдельного белка для болезненных состояний и с хорошо известными биологическими эффектами. С другой стороны, препятствием для белковой терапии является способ доставки. Пероральный, внутривенный, внутриартериальный или внутримышечный пути введения белка не всегда столь эффективны, поскольку терапевтический белок может метаболизироваться или очищаться до того, как попадет в ткань-мишень. Клеточные проангиогенные методы лечения все еще находятся на ранней стадии исследований, и остается много открытых вопросов относительно лучших типов клеток и дозировок для использования.

Ангиогенез опухоли

Без ангиогенеза опухоль не может вырасти за пределы ограниченного размера.

Раковые клетки - это клетки, утратившие способность к контролируемому делению. Злокачественная опухоль состоит из популяции быстро делящиеся и растущие раковые клетки , которые постепенно накапливаются мутации . Однако опухоли нуждаются в специальном кровоснабжении для обеспечения кислородом и другими необходимыми питательными веществами, которые им необходимы для того, чтобы вырасти за пределы определенного размера (обычно 1-2 мм 3 ).

Опухоли вызывают рост кровеносных сосудов (ангиогенез), секретируя различные факторы роста (например, VEGF ) и белки. Факторы роста, такие как bFGF и VEGF, могут вызывать рост капилляров в опухоли, которые, как подозревают некоторые исследователи, поставляют необходимые питательные вещества, позволяя опухоли разрастаться. В отличие от нормальных кровеносных сосудов, кровеносные сосуды опухоли расширены и имеют неправильную форму. Другие клиницисты считают, что ангиогенез действительно служит отходом, убирая биологические конечные продукты, секретируемые быстро делящимися раковыми клетками. В любом случае ангиогенез является необходимым и обязательным этапом перехода от небольшого безвредного кластера клеток, который, как часто говорят, размером с металлический шарик на конце шариковой ручки, к большой опухоли. Ангиогенез также необходим для распространения опухоли или метастазов . Одиночные раковые клетки могут оторваться от сформировавшейся солидной опухоли, попасть в кровеносный сосуд и быть перенесены в отдаленное место, где они могут имплантироваться и начать рост вторичной опухоли. Сейчас данные свидетельствуют о том, что кровеносный сосуд в данной солидной опухоли на самом деле может быть мозаичным сосудами, состоящими из эндотелиальных клеток и опухолевых клеток. Эта мозаичность способствует значительному распространению опухолевых клеток в сосудистую сеть, что может способствовать появлению циркулирующих опухолевых клеток в периферической крови пациентов со злокачественными новообразованиями. Последующий рост таких метастазов также потребует поступления питательных веществ и кислорода и пути удаления отходов.

Эндотелиальные клетки долгое время считались генетически более стабильными, чем раковые клетки. Эта геномная стабильность дает преимущество для нацеливания на эндотелиальные клетки с использованием антиангиогенной терапии по сравнению с химиотерапией, направленной на раковые клетки, которые быстро мутируют и приобретают лекарственную устойчивость к лечению. По этой причине эндотелиальные клетки считаются идеальной мишенью для лечения, направленного против них.

Формирование кровеносных сосудов опухоли

Механизм образования кровеносных сосудов путем ангиогенеза запускается спонтанным делением опухолевых клеток из-за мутации. Затем опухолевые клетки высвобождают ангиогенные стимуляторы. Затем они перемещаются к уже установленным близлежащим кровеносным сосудам и активируют их рецепторы эндотелиальных клеток. Это вызывает высвобождение протеолитических ферментов из сосудистой сети. Эти ферменты нацелены на определенную точку кровеносного сосуда и вызывают образование пор. Это точка, из которой будет расти новый кровеносный сосуд. Причина, по которой опухолевые клетки нуждаются в кровоснабжении, заключается в том, что они не могут расти более чем на 2-3 миллиметра в диаметре без установленного кровоснабжения, что эквивалентно примерно 50-100 клеткам.

Ангиогенез при сердечно-сосудистых заболеваниях

Ангиогенез представляет собой отличную терапевтическую мишень для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Это мощный физиологический процесс, лежащий в основе естественной реакции нашего организма на уменьшение кровоснабжения жизненно важных органов, а именно на неоангиогенез : образование новых коллатеральных сосудов для преодоления ишемического инсульта. Было проведено большое количество доклинических исследований с использованием белковой, генной и клеточной терапии на животных моделях сердечной ишемии, а также на моделях болезни периферических артерий. Воспроизводимые и достоверные успехи в этих ранних исследованиях на животных вызвали большой энтузиазм по поводу того, что этот новый терапевтический подход может быть быстро использован для получения клинической пользы для миллионов пациентов в западном мире, страдающих этими заболеваниями. Однако десятилетие клинических испытаний как генной, так и белковой терапии, разработанной для стимуляции ангиогенеза в недостаточно перфузированных тканях и органах, привело от одного разочарования к другому. Хотя все эти доклинические данные, которые открывали большие перспективы для перехода терапии ангиогенеза от животных к человеку, тем или иным образом были включены в ранние стадии клинических испытаний, FDA на сегодняшний день (2007 г.) настаивает на том, что первичные Конечной точкой для одобрения ангиогенного агента должно быть улучшение физических упражнений у пролеченных пациентов.

Эти неудачи предполагали, что либо это неправильные молекулярные мишени для индукции неоваскуляризации, что они могут быть эффективно использованы только при правильном составлении и введении, либо их представление в контексте общего клеточного микросреда может играть жизненно важную роль в их полезности. Может возникнуть необходимость представить эти белки таким образом, чтобы имитировать естественные сигнальные события, включая концентрацию , пространственные и временные профили, а также их одновременное или последовательное представление с другими подходящими факторами.

Упражнение

Ангиогенез обычно связан с аэробными упражнениями и упражнениями на выносливость . В то время как артериогенез вызывает изменения в сети, которые позволяют значительно увеличить общий поток в сети, ангиогенез вызывает изменения, которые обеспечивают большую доставку питательных веществ в течение длительного периода времени. Капилляры предназначены для обеспечения максимальной эффективности доставки питательных веществ, поэтому увеличение количества капилляров позволяет сети доставлять больше питательных веществ за то же время. Большее количество капилляров также способствует большему обмену кислорода в сети. Это жизненно важно для тренировки на выносливость, поскольку позволяет человеку продолжать тренировки в течение длительного периода времени. Однако нет экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что при упражнениях на выносливость требуется повышенная капиллярность для увеличения максимальной доставки кислорода.

Дегенерация желтого пятна

Сверхэкспрессия VEGF вызывает повышенную проницаемость кровеносных сосудов в дополнение к стимуляции ангиогенеза. При влажной дегенерации желтого пятна VEGF вызывает пролиферацию капилляров в сетчатку. Поскольку усиление ангиогенеза также вызывает отек , кровь и другие жидкости сетчатки просачиваются в сетчатку , вызывая потерю зрения. Антиангиогенные препараты, нацеленные на пути VEGF, теперь успешно используются для лечения этого типа дегенерации желтого пятна.

Тканевые инженерные конструкции

Важное значение имеет ангиогенез сосудов из организма-хозяина в имплантированные тканевые инженерные конструкции. Успешная интеграция часто зависит от тщательной васкуляризации конструкции, поскольку она обеспечивает кислород и питательные вещества и предотвращает некроз в центральных областях имплантата. Было показано, что PDGF стабилизирует васкуляризацию коллаген-гликозаминогликановых каркасов.

Количественная оценка

Количественная оценка параметров сосудистой сети, таких как плотность микрососудов, имеет различные осложнения из-за предпочтительного окрашивания или ограниченного представления тканей на гистологических срезах. Недавние исследования показали полную трехмерную реконструкцию сосудистой структуры опухоли и количественную оценку сосудистых структур целых опухолей на животных моделях.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки