1、四川大學華西醫(yī)院胸部腫瘤科 李潞,腫瘤血管生成及抗血管生成治療,綱要,什么是血管生成？ 腫瘤血管生成機理 血管生成與腫瘤生長及轉(zhuǎn)移的關系 抗腫瘤血管生成療法 抗腫瘤血管生成治療的策略,掌握的要點,腫瘤血管生成的定義 腫瘤血管生成的特點 腫瘤血管生成的步驟 腫瘤血管生成的調(diào)控機制 什么是VEGF 什么是TAI（血管生成抑制劑） 現(xiàn)有的TAI及臨床應用現(xiàn)狀 抗血管生成治療存在的問題,腫瘤是什么？腫瘤（Tumor）是機體在各種致癌因素作用下，局部組織的某一個細胞在基因水平上失去對其生長的正常調(diào)控，導致其克隆性異常增生而形成的新生物。一般認為，腫瘤細胞是單克隆性的，即一個腫瘤中的所有瘤細胞均是一個突變

2、的細胞的后代。 一般將腫瘤分為良性和惡性兩大類。所有的惡性腫瘤總稱為癌癥（cancer）。 離體細胞生長的條件有什么？溫度、PH、滲透壓、營養(yǎng)物、水、光、氣體、無菌條件。 營養(yǎng)物和氧氣提供的途徑有？彌散作用；血流灌注,實體腫瘤形成早期為無血管生長期，在此期腫瘤可以通過彌散作用獲得充足的營養(yǎng)和氧氣，并及時運走代謝產(chǎn)物，但此時腫瘤體積很少超過2-3 mm3，細胞數(shù)量保持在幾百萬個。 當體積增加到2-3mm3時，腫瘤已不能單純依靠彌散作用獲取氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，如果沒有血管長入，腫瘤組織將保持休眠狀態(tài)或發(fā)生退化。而若有新生血管長入腫瘤組織, 腫瘤將迅速生長, 并且其浸潤和轉(zhuǎn)移能力也大為加強。,Sever

3、al critical mechanisms are involved in tumor growth,Angiogenesis is 1 of the 6 acquired cellular capabilities leading to malignant growth,Tumor Angiogenesis,Poor blood supply Proliferated blood supply,Normal and Tumor Vasculature,腫瘤新生血管的特點,結(jié)構(gòu)紊亂、內(nèi)皮不完整、血管扭曲、盲端和動靜脈吻合； 通透性高，缺乏引流多余液體的淋巴網(wǎng)絡，造成間質(zhì)高壓，有利于腫瘤細胞的

4、擴散和轉(zhuǎn)移，但是抗癌藥物通過的障礙；,腫瘤新生血管的特點,正常人體的血管內(nèi)皮細胞的倍增時間大約為一年，而腫瘤的血管內(nèi)皮細胞倍增時間僅為4天。,概述,Angiogenesis Pioneer,Dr. Judah Folkman Boston Childrens Hospital Judah Folkman 教授 腫瘤血管生成理論之父 波士頓兒童醫(yī)院醫(yī)療中心外科研究室主任 美國國家藝術和科學院以及國家科學院(NAS)院士 1970s Postulated process of angiogenesis in cancer tumors 1983 identified growth factors

5、stimulating new capillary growth,古希臘偉大的思想家、科學家亞里士多德(Aristole ,公元前384前322)在他的著作Parts Of Animals中詳細地記錄了從雞蛋到小雞孵出期間雞胚的血管發(fā)展情況。1868 年,希斯(His) (18311904) 作了可能是人類早期對雞胚血管發(fā)育最為詳盡的研究。 1863 年病理學家魏爾嘯( Virchow , 1821 1902 ) 在他的著作DieKrankhaften Greschwulste中描述了腫瘤具有豐富的血管的現(xiàn)象。20 世紀40 年代,一些研究人員已經(jīng)認識到腫瘤可誘導血管生成,但他們認為是一種炎性

6、反應,是腫瘤生長的副作用。 外科醫(yī)生也經(jīng)常注意到腫瘤周圍豐富的血管,但這一現(xiàn)象被簡單地認為是已有血管的擴張。20 世紀60 年代,格瑞布萊特( Greenblatt) 、夏比克(Shubik) 等提提出了腫瘤可產(chǎn)生可溶性促血管生成物質(zhì)的假設。,將血管生成作為理論提出并探討其治療意義是哈佛大學?？寺?Folkman) 教授的杰出貢獻。 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)人之一,諾貝爾獎獲得者沃森(Wat son)則將“血管生成之父”?？寺? Folkman) 教授與達爾文相提并論。血管生成研究的歷史是一個典型的科學家契而不舍地探索,最后獲得廣泛認同的歷史。 1961 年?？寺蚍鄣矫绹＼娽t(yī)院作研究工

7、作,被要求的工作是找出紅細胞的代用品來解決航空母艦上備血的問題。在實驗中,?？寺馔獾赜^察到移植到小鼠的腫瘤在生長過程中,周圍必會有新生小血管來滋養(yǎng)腫瘤;沒有足夠的血供,腫瘤的體積只能維持在較小的尺寸。,1971 年,?？寺诳偨Y(jié)自己和前人觀察基礎上大膽地提出了腫瘤血管生成的理論,即:腫瘤生長和轉(zhuǎn)移都依賴于血管生成,抗血管生成可起到治療腫瘤的作用 Folkman J . Tumor angiogenesis : Therapeutic implication. N Engl J Med ,1971 ,285 :1182 1186.,1973 年研究人員首次從臍靜脈分離培養(yǎng)內(nèi)皮細胞成功。1979

8、 年,?？寺冉⒘嗣氀軆?nèi)皮細胞長期培養(yǎng),內(nèi)皮細胞培養(yǎng)的成功極大地促進了血管生成的研究。此后,一系列的血管生成模型相繼出現(xiàn),如經(jīng)典的雞胚絨毛尿囊膜(chickchorioallantoic membrane ,CAM) 模型、角膜移植模型、皮下基質(zhì)膠(Matrigel)模型等。,20 世紀70 年代末,研究人員逐漸認識到腫瘤的血管網(wǎng)是新生的血管,對血管生成進行定性定量是可能的。但大多數(shù)人仍然認為這些新生的血管是由于腫瘤壞死產(chǎn)物引起的炎性反應,甚至是機體對腫瘤的防御反應。并且,一部分研究人員認為腫瘤的血管會和傷口的血管一樣逐漸成熟,不可能成為治療的靶點。,有意思的是,在腫瘤血管生成領域的很多

9、重要發(fā)現(xiàn)都出乎人們的意料。TNP - 470 是人類發(fā)現(xiàn)的第一種特異性地抑制血管內(nèi)皮細胞生長的物質(zhì),也是第一個進入臨床實驗的抗血管生成藥物。TNP - 470 的發(fā)現(xiàn)是科學史上又一個“偶然”的例子。福克曼實驗室的英格勃( Ingber) 在一次培養(yǎng)內(nèi)皮細胞時,偶然發(fā)現(xiàn)細胞被真菌污染,引起內(nèi)皮細胞的退化。細胞培養(yǎng)被污染是研究人員經(jīng)常會遇見的事情。但英格勃沒有簡單地扔掉細胞,而是推測真菌中可能含有抑制血管生長的物質(zhì),最終從真菌中純化得到了TNP - 470 。,1991 年,魏德納(Weidner) 、?？寺劝l(fā)現(xiàn)乳腺癌中微血管密度越大,預后越差,第一次報道了血管生成與腫瘤預后的關系。此后陸續(xù)在膀

10、胱癌、前列腺癌、肺癌、黑色素瘤等腫瘤中發(fā)現(xiàn)了這種相關性。 早在1977 年,許格貝克(Sugarbaker) 等就觀察到除去原發(fā)腫瘤將導致轉(zhuǎn)移部位腫瘤的迅速生長。1994 年,?？寺鼘嶒炇业臍W瑞里(OReilly) 從荷有Lewis 肺癌的小鼠尿中分離到一種纖維蛋白溶酶原的剪切片斷,命名為angiostatin ,該物質(zhì)可完全抑制小鼠皮下移植Lewis 肺癌的肺轉(zhuǎn)移。以類似的方法,歐瑞里等在1997 年又發(fā)現(xiàn)了endostatin,1998 年,在美國媒體的推波助瀾下,?？寺挠绊戇_到了顛峰。1998 年5 月3 日星期天的紐約時報在頭版報道了?？寺热嗽赼ngiostatin 和endost

11、atin 方面的研究成果。報道引用了兩位權(quán)威人士的話,諾貝爾獎獲得者沃森(Walt son) 說:?？寺鼘⒃趦赡陜?nèi)征服腫瘤。美國國家癌癥研究所主任克勞斯勒( Klausner) 說:angiostatin 和endostatin 是抗癌藥物中最令人振奮的發(fā)現(xiàn)。,目前研究發(fā)現(xiàn)血管生成所涉及的疾病領域已遠不止腫瘤一種,還包括風濕性關節(jié)炎、Crohns 病、銀屑病、糖尿病視網(wǎng)膜病變、動脈粥樣硬化、先兆子癇、子宮內(nèi)膜異位、Alzheimer 氏病、肥胖癥等。促進血管生成對于心血管疾病、器官移植、傷口愈合也有重要意義。血管生成理論在應用上已分成了抑制血管生成,治療性血管生成( therapeutic a

12、ngiogenesis) 兩大領域。,Tumor Growth Is Angiogenesis Dependent.Angiogenesis Is Required for Spread .,J. Folkman （1972）,腫瘤血管生成,Derived from two Greek words: “angio,” which means “blood vessel” “genesis,” which means “beginning” Or The formation of new blood vessels Occurs in healthy people when wound heal

13、ing and during pregnancy. Occurs in cancer; tumors cannot grow without their own constant blood supply.,腫瘤新生血管形成的步驟,腫瘤細胞及其它相關細胞如血管內(nèi)皮細胞釋放多種血管生成因子。 在血管生成因子的作用下, 血管內(nèi)皮細胞發(fā)生形態(tài)改變, 包括細胞器數(shù)目的增多、大小的改變以及偽足的形成。 內(nèi)皮細胞和腫瘤細胞釋放多種蛋白溶酶以降解細胞外基質(zhì)和毛細血管基底膜, 繼而引起細胞外基質(zhì)重塑。 內(nèi)皮細胞從毛細血管后微靜脈遷移出來, 形成血管新芽。 血管內(nèi)皮細胞增殖。 腫瘤血管結(jié)構(gòu)重建。,一.腫瘤血管生

14、成機理？,正常的血管生成 胚胎期的血管生成; 婦女經(jīng)期的血管生成; 創(chuàng)傷愈合的血管生成.,1935年由Hertig描述胚胎血管形成的過程時首先采用: “血管生成 Angiogenesis）”一 詞; 但對于血管生成過程的真正了解，緣于觀察實體瘤的生長過程。,Folkman對腫瘤血管生成解釋 實體瘤周邊部分 的宿主毛細血管靜脈端的基底膜降解，導致血管內(nèi)皮細胞的迅速增殖并向腫瘤遷徙，逐步發(fā)育成熟并形成有功能的管狀結(jié)構(gòu)（毛細血管袢），繼而與宿主血管發(fā)生吻合，由此構(gòu)成腫瘤的血液循環(huán)系統(tǒng)。,種植瘤細胞綠色熒光蛋白顯像 上右：存活的三個原位癌細胞開始復制，并趨向于鄰近血管生長 下左：瘤細胞已到達鄰近血管；

15、 下右：當瘤細胞增殖，僅只達到100-300的數(shù)量時，腫瘤已建立了新的功能完善的血管系統(tǒng),腫瘤血管形成的過程 腫瘤細胞釋放出多種血管生成因子； 血管內(nèi)皮細胞（EC）在血管生成因子的作用下出現(xiàn)形態(tài)改變，包括各種細胞器數(shù)目和大小的增加以及偽足的出現(xiàn)； EC和腫瘤細胞釋放蛋白酶以降解毛細血管基底膜和周圍的細胞外基質(zhì)，繼而引起細胞外基質(zhì)重塑； EC從毛細血管后微靜脈 遷徙出來形成血管新芽； EC增殖； 腫瘤微血管分化和成型。,From L. J. Kleinsmith, Principles of Cancer Biology. Copyright (c) 2006 Pearson Benjamin

16、Cummings.,血管新生和血管生成,腫瘤細胞及成纖維細胞 合成并分泌VEGF/或bFGF等因子 與血管內(nèi)皮細胞表面的相應受體結(jié)合 基因活化 分泌基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP) 降解血管基底膜，形成腫瘤新生血管,血管生成的信號傳導系統(tǒng),腫瘤血管生成,毛細血管基底膜降解,血管內(nèi)皮細胞遷移增殖,形成管狀結(jié)構(gòu),基底膜形成,血流貫通,三大關鍵因素,血管生成因子 血管內(nèi)皮細胞 血管基底膜和細胞外基質(zhì)的降解,Tumor angiogenic factors (TAFs),血管內(nèi)皮細胞生長因子（VEGF） 堿性成纖維細胞生長因子（bFGF) 成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor,

17、FGF 血管生成素-1（angiopoietin-1,Ang-1） 血小板衍化生長因子（platelet-derived growth factor,PDGF） 正常的間質(zhì)細胞在這些分子的誘導下發(fā)生增殖和遷移，同時分泌一些蛋白裂解酶，在血管內(nèi)皮遷移的過程中降解基質(zhì)蛋白，同時釋放被基質(zhì)蛋白結(jié)合的血管生長因子，進一步促進血管生成，這一過程稱為血管新生。,血管生成的天然活化因子,VEGF的作用 增加血管通透性; 特異性促進內(nèi)皮細胞分裂增殖; 促進內(nèi)皮細胞表達PA、PAI、間質(zhì)膠原酶及凝血酶： -導致血漿纖維蛋白外滲，纖維素在腫瘤間質(zhì)中沉積，成為新生血管的支持物，從而誘發(fā)新生血管形成并在腫瘤的生長中起

18、重要作用。,腫瘤患者VEGF的臨床意義 抗血管生成藥物的作用靶點 預后指標 監(jiān)測抗腫瘤治療的反應 選擇具有高復發(fā)危險的病人進行治療 腫瘤復發(fā)的監(jiān)測器 診斷價值,多種腫瘤表達，包括惡性血液系統(tǒng)疾?。?表達水平與MVD相關； 可用ELISA的方法定量測定； 血清中樣本采集簡便、無創(chuàng)、可重復，與瘤組織中的表達程度正相關。,The “Angiogenic Switch” Hypothesis,A balance between positive and negative regulators that usually is weighted to the inhibitors.,Mechanisms

19、of Vascularization,內(nèi)皮細胞Endothelial cells,Autocrine and paracrine control : cytokines, growth factors and receptors,血管內(nèi)皮細胞活化導致基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP)的產(chǎn)生，從而使血管內(nèi)皮細胞移動成為可能，進而分裂形成血管。,基底膜和胞外基質(zhì)的降解(Basement Membrane BreakdownAnd Degradation of the ECM) Matrix metalloproteases（MMP)含Zn的蛋白水解酶; 可分解細胞外基質(zhì)（由蛋白質(zhì)及多糖組成）; 由活化的血管

20、內(nèi)皮細胞及腫瘤細胞分泌產(chǎn)生.,基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP) Group I Matrilysin MMP-7 Nonfibrillar collagen, gelatin, LM, FN, PGs, proMMP-1,9 Group II Collagenases, Stromelysin 1-3, Metalloelastase MMP-1,8,13,3,10-12,19,20 Fibrillar collagens, non-fibrillar, LM, FNn pro-MMPs Group III Gelatinase A,B, MMP-2,9 Gelatin, collagens Grou

21、p IV MT1-4-MMP, MMP-14-17: proMMP-2,與癌轉(zhuǎn)移相關的主要基質(zhì)金屬蛋白酶: 膠原酶A（MMP-2) 膠原酶B (MMP-9),血管生成的其它元素,細胞成分 Macrophages Mast Cells Endothelial Cells Fibroblasts,控制血管生成的因子 Growth factors； Pro-angiogenic cytokines； Angiogenesis modulators ； Angiogenesis inhibitors。,正向 調(diào)節(jié) 因子 VS 負向 調(diào)節(jié) 因子： 失平衡,二.血管生成與腫瘤生長及轉(zhuǎn)移的關系？,腫瘤生長和

22、轉(zhuǎn)移過程,原發(fā)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移均依賴于血管生成 腫瘤通過腫瘤血管從宿主獲取營養(yǎng)和氧氣 營養(yǎng)代謝通路； 原發(fā)腫瘤通過血管源源不斷地向宿主輸送轉(zhuǎn)移細胞，并在機體的其他部位繼續(xù)生長和誘導血管形成，導致腫瘤轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移的直接途徑。,血管生成與腫瘤生長 腫瘤直徑1mm時無血管， 超過1mm需生成血管。如果沒有血管生成，腫瘤生長直徑不會超過2mm。,腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移前血管 生成明顯增強，增強程度與腫瘤轉(zhuǎn)移能力呈正相關。,血管生成與腫瘤轉(zhuǎn)移,Metastasis: Correlation With Blood Vessel Number and VEGF Levels,Adapted with permission

23、 from Takahashi et al. Cancer Res. 1995;55:3964.,腫瘤血管生成研究的臨床意義 腫瘤血管生成是其生長和轉(zhuǎn)移的關鍵限速步驟； 診斷和預后價值； 作為抗腫瘤治療的新靶點。 Folkman,Cancer Treatment Surgery Chemotherapy Radiation Future Directions Inhibiting angiogenesis Blocking hormone receptors Inducing differentiation Blocking telomerase Inducing apoptosis,Anti

24、-angiogenetic therapy,Tumor shrinks with tumors blood vessels regress,Shrinked Tumor,Tumors blood vessels regress,Antiangiogenic Strategies,VEGF Pathway One the most effective factors stimulating angiogenesis.,VEGF Is Overproduced in the Majority of Human Cancers,CancerAngiogenic Correlation With Ty

25、peFactor Poor Prognosis BreastVEGFpositivebFGFnone/reversePD-ECGFpositive ColorectalVEGFpositivebFGFpositive/nonePD-ECGFpositive/reverse LungVEGFpositivebFGFpositive/nonePD-ECGFpositive,VEGF Pathway,Endothelial,Tumor,What makes an ideal therapeutic target? Present in the majority of patients with a

26、specific tumour type Causative link with tumourigenesis Essential function in tumour cells Not essential for normal cellular function,Target in VEGF Pathway,腫瘤的新生血管系統(tǒng)業(yè)已成為抗腫瘤治療的新靶點，大有希望；而腫瘤新生血管抑制劑（TAI）是當今新型抗腫瘤藥物研究最活躍的領域之一。,TAI的應用 抑制腫瘤的生長; 防治轉(zhuǎn)移和復發(fā).,TAI作用的五大主要環(huán)節(jié) 阻止腫瘤細胞分泌TAFs ; 阻斷TAFs的效應，即通過抗TAFs抗體或抗TAF

27、s受體的抗體來中和或阻斷其生物學效應； 抗內(nèi)皮細胞增殖及遷徙； 干擾內(nèi)皮細胞與細胞外基質(zhì)（EMC）的相互作用，阻止血管網(wǎng)的形成； 抑制血管平滑肌細胞的生長。,Angiogenesis Inhibitor Research Goals Target endothelial cells； Chronic long-term dosing； Resistance to be determined； Aim for very low toxicity； Combination therapy may be needed。,TAI的優(yōu)勢 腫瘤發(fā)生時，血管形成程序已被啟動，TAI抑制新生血管，可以阻止腫瘤

28、的增殖和擴散；正常細胞不會受到影響，因為其營養(yǎng)血供早已建立，故TAI具有高度特異性； 腫瘤血管內(nèi)皮細胞是藥物經(jīng)靜脈途徑首先到達的部位，暴露于血流中，藥物能直接發(fā)揮作用，故劑量小、療效高、不良反應小; 內(nèi)皮細胞基因表達相對穩(wěn)定，不易產(chǎn)生耐藥性； 放大效應：腫瘤血管內(nèi)皮細胞的有限損害就可以造成大量腫瘤細胞的生長抑制； 具有一定的廣譜性。,特異性和安全性 正常細胞是非血管新生性的(nonangiogenic)。無論是在癌前期還是癌變轉(zhuǎn)化期,都必須發(fā)生從非血管新生性到血管新生性的表型轉(zhuǎn)換，腫瘤才能得以生長。 內(nèi)皮細胞的增殖，在腫瘤組織中比正常組織中快50倍。,TAI的分類 直接抑制血管內(nèi)皮細胞的藥物;

29、 阻斷基質(zhì)分解的藥物; 阻斷血管生成活性物的藥物; 其它藥物：如抑制整合蛋白分子的藥物整合蛋白(integrin) 是細胞粘附分子,具有粘附、移動及信號轉(zhuǎn)導功能,全球TAI研究概況 全球有300多家公司正在研究抗血管生成藥物; 目前有70+種藥物正在進行腫瘤治療的臨床試驗; 17個國家的10000個病人曾使用過抗血管生成藥物; 據(jù)血管生成研究基金會估計:至少有40億美元投資到有關研究上。,Major Antiangiogenesis drugs,Thalidomide (Celgene Corp ) infamous morning sickness prescription banned in the 1960s. Targets VEGF, bFGF,TNF, an