Ангиогенез: Формирование новых кровеносных сосудов

Введение

Формирование кровеносных сосудов, когда новые сосуды появляются из существующих сосудов.

Ангиогенез – это физиологический процесс, посредством которого новые кровеносные сосуды формируются из уже существующих сосудов, образованных на более ранней стадии васкулогенеза. Ангиогенез продолжает рост сосудистой сети главным образом за счет прорастания и расщепления, но такие процессы, как коалесцентный ангиогенез, удлинение сосудов и кооптация сосудов, также играют роль, наряду с неоваскуляризацией, хотя терминология не всегда используется последовательно (особенно в более ранних публикациях). Первые сосуды в развивающемся эмбрионе формируются посредством васкулогенеза, после чего ангиогенез отвечает за большую часть, если не за весь, рост кровеносных сосудов в процессе развития и при заболеваниях. Ангиогенез – это нормальный и жизненно важный процесс роста и развития, а также заживления ран и формирования грануляционной ткани. Однако он также является ключевым этапом в переходе опухоли из доброкачественной в злокачественную форму, что обуславливает использование ингибиторов ангиогенеза в лечении рака. Существенная роль ангиогенеза в росте опухоли была впервые предложена в 1971 году Джудой Фолкманом, который описывал опухоли как "горячие и обильно кровоснабжаемые", подчеркивая, что для многих типов опухолей характерны интенсивная перфузия и даже гиперемия.

Прорастание ангиогенеза

Прорастающий ангиогенез был первой идентифицированной формой ангиогенеза, и поэтому он гораздо лучше изучен, чем интуссусцептивный ангиогенез. Он протекает в несколько хорошо охарактеризованных стадий. Начальный сигнал поступает из областей ткани, лишенных сосудистой сети. Гипоксия, наблюдаемая в этих областях, вызывает потребность тканей в питательных веществах и кислороде, необходимых для осуществления метаболической активности. В результате паренхимальные клетки секретируют сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF A), являющийся проангиогенным фактором роста. Эти биологические сигналы активируют рецепторы на эндотелиальных клетках, присутствующих в уже существующих кровеносных сосудах. Далее, активированные эндотелиальные клетки, также известные как клетки-лидеры, начинают высвобождать ферменты, называемые протеазами, которые разрушают базальную мембрану, позволяя эндотелиальным клеткам покинуть стенки исходного (родительского) сосуда. Затем эндотелиальные клетки пролиферируют в окружающий матрикс и формируют твердые отростки, соединяющие соседние сосуды. Клетки, которые пролиферируют, расположены позади клеток-лидеров и называются клетками-стволами.

Коалесцентный ангиогенез

Коалесцентный ангиогенез – это тип ангиогенеза, рассматриваемый как противоположность интуссуцептивному ангиогенезу, при котором капилляры объединяются, или коалесцируют, формируя более крупный кровеносный сосуд, что увеличивает кровоток и циркуляцию. Коалесцентный ангиогенез вышел за пределы области эмбриологии. Считается, что он играет роль в формировании неоваскулятуры, например, в опухолях.

Механическая стимуляция

Механическая стимуляция ангиогенеза изучена недостаточно. Существует значительный спор относительно роли напряжения сдвига, воздействующего на капилляры и вызывающего ангиогенез, хотя современные данные свидетельствуют о том, что усиление мышечных сокращений может способствовать ангиогенезу. Это может быть обусловлено увеличением продукции оксида азота во время физической нагрузки. Окись азота вызывает вазодилатацию кровеносных сосудов.

Химическая стимуляция

Химическое стимулирование ангиогенеза происходит под воздействием различных ангиогенных белков, таких как интегралины и простагландины, в том числе нескольких факторов роста, например, VEGF и FGF.

Обзор

Стимулирующий механизм FGF Способствует пролиферации и дифференцировке эндотелиальных клеток, клеток гладкой мускулатуры и фибробластов. VEGF Влияет на проницаемость. VEGFR и NRP 1 Интегрируют сигналы выживания. Ang1 и Ang2 Стабилизируют сосуды. PDGF (BB гомодимер) и PDGFR рекрутируют клетки гладкой мускулатуры. TGF β, эндоглин и TGF β рецепторы ↑ производство внеклеточного матрикса. CCL2 Рекрутирует лимфоциты в очаги воспаления. Гистамин. Интегрины αVβ3, αVβ5 (?) и α5β1 Связывают макромолекулы матрикса и протеиназы. VE-кадгерин и CD31 – молекулы эндотелиальных соединений. Эфрин Определяет формирование артерий или вен. Активаторы плазминогена ремоделируют внеклеточный матрикс, высвобождают и активируют факторы роста. Ингибитор активатора плазминогена 1 стабилизирует близлежащие сосуды. eNOS и COX 2. AC133 регулирует дифференцировку ангиобластов. ID1/ID3 Регулирует трансдифференцировку эндотелия. Семафорины 3 класса Модулируют адгезию, миграцию, пролиферацию и апоптоз эндотелиальных клеток. Изменяют сосудистую проницаемость. Nogo A Регулирует миграцию и пролиферацию эндотелиальных клеток. Изменяет сосудистую проницаемость.

ФГФ

Семья факторов роста фибробластов (ФГФ), включающая прототипичные FGF 1 (кислотный ФГФ) и FGF 2 (базовый ФГФ), на сегодняшний день насчитывает не менее 22 известных члена. Большинство из них – одноцепочечные пептиды массой 16-18 кДа, обладающие высоким сродством к гепарину и гепарансульфату. В целом, ФГФ стимулируют разнообразные клеточные функции, связываясь с рецепторами ФГФ на поверхности клеток в присутствии гепариновых протеогликанов. Семейство рецепторов ФГФ состоит из семи членов, и все рецепторные белки являются одноцепочечными рецепторными тирозинкиназами, которые активируются посредством аутофосфорилирования, индуцированного механизмом димеризации рецепторов, опосредованным ФГФ. Активация рецепторов запускает каскад передачи сигналов, приводящий к активации генов и различным биологическим ответам, включая дифференцировку клеток, пролиферацию и растворение матрикса, тем самым инициируя процесс митогенной активности, критически важный для роста эндотелиальных клеток, фибробластов и клеток гладкой мускулатуры. FGF 1, уникальный среди всех 22 членов семейства ФГФ, способен связываться со всеми семью подтипами рецепторов ФГФ, что делает его наиболее широкодействующим членом семейства ФГФ и мощным митогеном для различных типов клеток, необходимых для развития ангиогенного ответа в поврежденных (гипоксических) тканях, где происходит повышение уровня экспрессии рецепторов ФГФ. FGF 1 стимулирует пролиферацию и дифференцировку всех типов клеток, необходимых для формирования артериального сосуда, включая эндотелиальные клетки и клетки гладкой мускулатуры; этот факт отличает FGF 1 от других проангиогенных факторов роста, таких как сосудистый фактор роста эндотелия (VEGF), который преимущественно стимулирует образование новых капилляров. Помимо FGF 1, одной из важнейших функций фактора роста фибробластов 2 (FGF 2 или bFGF) является стимуляция пролиферации эндотелиальных клеток и их физическая организация в трубчатые структуры, тем самым способствуя ангиогенезу. FGF 2 является более мощным ангиогенным фактором, чем VEGF или PDGF (фактор роста, полученный из тромбоцитов); однако, он менее мощный, чем FGF 1. Наряду со стимуляцией роста кровеносных сосудов, aFGF (FGF 1) и bFGF (FGF 2) играют важную роль в заживлении ран. Они стимулируют пролиферацию фибробластов и эндотелиальных клеток, что приводит к ангиогенезу и развитию грануляционной ткани; оба фактора усиливают кровоснабжение и заполняют раневую полость на ранних этапах процесса заживления.

The fibroblast growth factor (FGF) family with its prototype members FGF 1 (acidic FGF) and FGF 2 (basic FGF) consists to date of at least 22 known members. Most are single chain peptides of 16 18 kDa and display high affinity to heparin and heparan sulfate. In general, FGFs stimulate a variety of cellular functions by binding to cell surface FGF receptors in the presence of heparin proteoglycans. The FGF receptor family is composed of seven members, and all the receptor proteins are single chain receptor tyrosine kinases that become activated through autophosphorylation induced by a mechanism of FGF mediated receptor dimerization. Receptor activation gives rise to a signal transduction cascade that leads to gene activation and diverse biological responses, including cell differentiation, proliferation, and matrix dissolution, thus initiating a process of mitogenic activity critical for the growth of endothelial cells, fibroblasts, and smooth muscle cells. FGF 1, unique among all 22 members of the FGF family, can bind to all seven FGF receptor subtypes, making it the broadest acting member of the FGF family, and a potent mitogen for the diverse cell types needed to mount an angiogenic response in damaged (hypoxic) tissues, where upregulation of FGF receptors occurs. FGF 1 stimulates the proliferation and differentiation of all cell types necessary for building an arterial vessel, including endothelial cells and smooth muscle cells; this fact distinguishes FGF 1 from other pro angiogenic growth factors, such as vascular endothelial growth factor (VEGF), which primarily drives the formation of new capillaries. Besides FGF 1, one of the most important functions of fibroblast growth factor 2 (FGF 2 or bFGF) is the promotion of endothelial cell proliferation and the physical organization of endothelial cells into tube like structures, thus promoting angiogenesis. FGF 2 is a more potent angiogenic factor than VEGF or PDGF (platelet derived growth factor); however, it is less potent than FGF 1. As well as stimulating blood vessel growth, aFGF (FGF 1) and bFGF (FGF 2) are important players in wound healing. They stimulate the proliferation of fibroblasts and endothelial cells that give rise to angiogenesis and developing granulation tissue; both increase blood supply and fill up a wound space/cavity early in the wound healing process.

VEGF

Было показано, что фактор роста эндотелия сосудов (ФЭРС) является ключевым фактором, способствующим ангиогенезу, увеличивая число капилляров в сосудистой сети. Первоначальные исследования in vitro продемонстрировали, что эндотелиальные клетки капилляров крупного рогатого скота пролиферируют и формируют структуры, напоминающие трубки, при стимуляции ФЭРС и bFGF, хотя эффект был более выраженным при использовании ФЭРС. Повышение уровня ФЭРС является важным компонентом физиологической реакции на физические нагрузки, и его роль в ангиогенезе рассматривается как потенциальный метод лечения при сосудистых повреждениях. Исследования in vitro однозначно показывают, что ФЭРС является мощным стимулятором ангиогенеза, поскольку в его присутствии клетки эндотелия, помещенные в культуру, пролиферируют и мигрируют, в конечном итоге формируя трубчатые структуры, подобные капиллярам. Ang1 и Ang2 – белковые факторы роста, которые действуют, связываясь со своими рецепторами Tie 1 и Tie 2; хотя этот вопрос остается дискуссионным, представляется, что передача клеточных сигналов происходит преимущественно через Tie 2, хотя некоторые исследования также демонстрируют физиологическую передачу сигналов через Tie 1. Эти рецепторы являются тирозинкиназами, и, следовательно, способны инициировать клеточную сигнализацию, когда связывание лиганда вызывает димеризацию, запускающую фосфорилирование ключевых тирозинов.

МПП

Еще одним важным фактором ангиогенеза является матричная металлопротеиназа (ММП). ММП способствуют разрушению белков, поддерживающих целостность стенок сосудов. Этот протеолиз позволяет эндотелиальным клеткам проникать в интерстициальный матрикс, как наблюдается при прорастающем ангиогенезе. Ингибирование ММП предотвращает образование новых капилляров. Эти ферменты строго регулируются в процессе формирования сосудов, поскольку разрушение внеклеточного матрикса снижает целостность микрососудистой сети. Dll4 – трансмембранный лиганд для семейства рецепторов Notch. Было проведено множество исследований, направленных на определение последствий действия Delta-подобного лиганда 4. В одном из исследований в частности оценивалось влияние Dll4 на сосудистость и рост опухоли. Для роста и развития опухоли необходима сформированная сосудистая сеть. Путь VEGF имеет решающее значение для развития сосудов, что, в свою очередь, способствует росту опухолей. Комбинированная блокада VEGF и Dll4 приводит к ингибированию прогрессирования опухоли и ангиогенеза в ней. Это связано с нарушением передачи сигналов в эндотелиальных клетках, что подавляет их пролиферацию и прорастание. При таком ингибировании клетки не растут неконтролируемо, и, следовательно, развитие рака останавливается на этой стадии. Однако, если блокада будет снята, клетки возобновят пролиферацию.

Семафорины класса 3

Семафорины класса 3 (SEMA3s) регулируют ангиогенез, модулируя адгезию эндотелиальных клеток, миграцию, пролиферацию, выживание и рекрутинг перицитов. Следовательно, относительные уровни экспрессии SEMA3s и VEGF A могут быть важны для ангиогенеза. Применение специфических соединений, способных ингибировать или индуцировать создание новых кровеносных сосудов в организме, может помочь в борьбе с такими заболеваниями. Наличие кровеносных сосудов там, где их быть не должно, может повлиять на механические свойства ткани, повышая вероятность повреждения. Отсутствие кровеносных сосудов в регенерирующей или иной метаболически активной ткани может замедлить восстановление или другие важные функции. Некоторые заболевания, такие как ишемические хронические раны, являются результатом неспособности или недостаточного формирования кровеносных сосудов и могут быть устранены локальным расширением сосудов, доставляя новые питательные вещества в область и способствуя восстановлению. Другие заболевания, такие как возрастная макулярная дегенерация, 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 исследования ангиогенеза, и проангиогенная терапия. В то время как антиангиогенная терапия используется для борьбы с раком и злокачественными новообразованиями, которым требуется обилие кислорода и питательных веществ для пролиферации, проангиогенная терапия изучается как вариант лечения сердечно-сосудистых заболеваний – основной причины смерти в западном мире. Одним из первых применений проангиогенных методов у людей стало немецкое исследование с использованием фактора роста фибробластов 1 (FGF 1) для лечения ишемической болезни коронарных артерий. Что касается механизма действия, проангиогенные методы можно разделить на три основные категории: генная терапия, направленная на гены, представляющие интерес для амплификации или ингибирования; протеиновая заместительная терапия, которая в основном манипулирует ангиогенными факторами роста, такими как FGF 1 или сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF); и клеточная терапия, включающая имплантацию определенных типов клеток. Существуют серьезные нерешенные проблемы, связанные с генной терапией. Сложности включают эффективную интеграцию терапевтических генов в геном целевых клеток, снижение риска нежелательного иммунного ответа, потенциальную токсичность, иммуногенность, воспалительные реакции и онкогенез, связанные с вирусными векторами, используемыми для имплантации генов, а также сложность генетической основы ангиогенеза. Наиболее распространенные заболевания у людей, такие как болезни сердца, гипертония, диабет и болезнь Альцгеймера, скорее всего, вызваны комбинированным эффектом вариаций во многих генах, и, следовательно, введение одного гена может не принести значительной пользы при этих заболеваниях. Напротив, проангиогенная протеиновая терапия использует четко определенные, точно структурированные белки, с ранее установленными оптимальными дозами для конкретных заболеваний и хорошо изученными биологическими эффектами. Опухоли индуцируют рост кровеносных сосудов (ангиогенез) путем секреции различных факторов роста (например, VEGF) и белков. Факторы роста, такие как bFGF и VEGF, могут индуцировать рост капилляров в опухоль, которые, по мнению некоторых исследователей, обеспечивают необходимые питательные вещества, позволяя опухоли расти. В отличие от нормальных кровеносных сосудов, опухолевые сосуды расширены и имеют неправильную форму. Другие клиницисты полагают, что ангиогенез служит путем удаления отходов, выводя биологические продукты, выделяемые быстро делящимися раковыми клетками. В любом случае, ангиогенез является необходимым этапом перехода от небольшого безвредного скопления клеток, часто размером с металлический шарик на конце шариковой ручки, к большой опухоли. Ангиогенез также необходим для распространения опухоли, или метастазирования. Последующий рост таких метастазов также потребует поступления питательных веществ и кислорода, а также пути удаления отходов. Эндотелиальные клетки давно считаются генетически более стабильными, чем раковые клетки. Эта геномная стабильность дает преимущество при нацеливании на эндотелиальные клетки с помощью антиангиогенной терапии по сравнению с химиотерапией, направленной на раковые клетки, которые быстро мутируют и приобретают устойчивость к лечению. По этой причине эндотелиальные клетки считаются идеальной мишенью для терапии, направленной против них.

Class 3 semaphorins (SEMA3s) regulate angiogenesis by modulating endothelial cell adhesion, migration, proliferation, survival and the recruitment of pericytes. The relative expression levels of SEMA3s and VEGF A may therefore be important for angiogenesis. Application of specific compounds that may inhibit or induce the creation of new blood vessels in the body may help combat such diseases. The presence of blood vessels where there should be none may affect the mechanical properties of a tissue, increasing the likelihood of failure. The absence of blood vessels in a repairing or otherwise metabolically active tissue may inhibit repair or other essential functions. Several diseases, such as ischemic chronic wounds, are the result of failure or insufficient blood vessel formation and may be treated by a local expansion of blood vessels, thus bringing new nutrients to the site, facilitating repair. Other diseases, such as age related macular degeneration, may be created by a local expansion of blood vessels, interfering with normal physiological processes. The modern clinical application of the principle of angiogenesis can be divided into two main areas: anti angiogenic therapies, which angiogenic research began with, and pro angiogenic therapies. Whereas anti angiogenic therapies are being employed to fight cancer and malignancies, which require an abundance of oxygen and nutrients to proliferate, pro angiogenic therapies are being explored as options to treat cardiovascular diseases, the number one cause of death in the Western world. One of the first applications of pro angiogenic methods in humans was a German trial using fibroblast growth factor 1 (FGF 1) for the treatment of coronary artery disease. Regarding the mechanism of action, pro angiogenic methods can be differentiated into three main categories: gene therapy, targeting genes of interest for amplification or inhibition; protein replacement therapy, which primarily manipulates angiogenic growth factors like FGF 1 or vascular endothelial growth factor, VEGF; and cell based therapies, which involve the implantation of specific cell types. There are still serious, unsolved problems related to gene therapy. Difficulties include effective integration of the therapeutic genes into the genome of target cells, reducing the risk of an undesired immune response, potential toxicity, immunogenicity, inflammatory responses, and oncogenesis related to the viral vectors used in implanting genes and the sheer complexity of the genetic basis of angiogenesis. The most commonly occurring disorders in humans, such as heart disease, high blood pressure, diabetes and Alzheimer's disease, are most likely caused by the combined effects of variations in many genes, and, thus, injecting a single gene may not be significantly beneficial in such diseases. By contrast, pro angiogenic protein therapy uses well defined, precisely structured proteins, with previously defined optimal doses of the individual protein for disease states, and with well known biological effects. Tumors induce blood vessel growth (angiogenesis) by secreting various growth factors (e. g. VEGF) and proteins. Growth factors such as bFGF and VEGF can induce capillary growth into the tumor, which some researchers suspect supply required nutrients, allowing for tumor expansion. Unlike normal blood vessels, tumor blood vessels are dilated with an irregular shape. Other clinicians believe angiogenesis really serves as a waste pathway, taking away the biological end products secreted by rapidly dividing cancer cells. In either case, angiogenesis is a necessary and required step for transition from a small harmless cluster of cells, often said to be about the size of the metal ball at the end of a ball point pen, to a large tumor. Angiogenesis is also required for the spread of a tumor, or metastasis. The subsequent growth of such metastases will also require a supply of nutrients and oxygen and a waste disposal pathway. Endothelial cells have long been considered genetically more stable than cancer cells. This genomic stability confers an advantage to targeting endothelial cells using antiangiogenic therapy, compared to chemotherapy directed at cancer cells, which rapidly mutate and acquire drug resistance to treatment. For this reason, endothelial cells are thought to be an ideal target for therapies directed against them.

Формирование опухолевых кровеносных сосудов

Механизм образования кровеносных сосудов посредством ангиогенеза инициируется спонтанным делением опухолевых клеток вследствие мутации. Опухолевые клетки затем высвобождают ангиогенные стимуляторы, которые перемещаются к уже существующим, расположенным поблизости кровеносным сосудам и активируют их эндотелиальные рецепторы. Это индуцирует высвобождение протеолитических ферментов из сосудистой стенки. Эти ферменты воздействуют на конкретную точку кровеносного сосуда, вызывая образование поры – места, из которого будет расти новый сосуд. Опухолевым клеткам необходимо кровоснабжение, поскольку они не могут расти более чем до 2-3 миллиметров в диаметре без сформировавшейся сосудистой сети, что соответствует примерно 50-100 клеткам. Некоторые исследования указывают на то, что сосуды, формирующиеся внутри опухолевой ткани, отличаются большей нерегулярностью и крупным размером, что также связано с более неблагоприятным прогнозом.

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 организма на уменьшение кровоснабжения жизненно важных органов, а именно неоангиогенез: образование новых коллатеральных сосудов для преодоления ишемического повреждения. Эти неудачи указывают на то, что либо выбраны неверные молекулярные мишени для индукции неоваскуляризации, либо они могут быть эффективно использованы только при правильной разработке и введении, либо их презентация в контексте общей клеточной микросреды может играть важную роль в их эффективности. Возможно, потребуется представлять эти белки таким образом, чтобы имитировать естественные сигнальные события, включая концентрацию, пространственные и временные характеристики, а также их одновременное или последовательное представление с другими подходящими факторами.

Упражнения

Ангиогенез обычно связан с аэробными упражнениями и тренировками на выносливость. В то время как артериогенез вызывает изменения в сети, позволяющие значительно увеличить общий объем кровотока, ангиогенез вызывает изменения, обеспечивающие более эффективную доставку питательных веществ в течение длительного времени. Капилляры предназначены для максимальной эффективности доставки питательных веществ, поэтому увеличение их числа позволяет сети доставлять больше питательных веществ за тот же период времени. Увеличение количества капилляров также способствует более интенсивному обмену кислородом в сети. Это крайне важно для тренировок на выносливость, поскольку позволяет человеку продолжать тренироваться в течение продолжительного времени. Однако, экспериментальные данные не подтверждают необходимость увеличения капиллярности для повышения максимальной доставки кислорода при тренировках на выносливость. Показано, что PDGF стабилизирует васкуляризацию в коллагеновых гликозаминогликановых матрицах.

История

Первый отчет об ангиогенезе можно проследить до книги «Трактат о крови, воспалении и огнестрельных ранениях», опубликованной в 1794 году, где были собраны результаты исследований шотландского анатома Джона Хантера. В своем исследовании Хантер наблюдал процесс роста новых кровеносных сосудов у кроликов. Однако он не ввел термин «ангиогенез», который сегодня широко используется учеными. Хантер также ошибочно приписывал рост новых кровеносных сосудов действию врожденного жизненного принципа, содержащегося в крови. Считается, что сам термин «ангиогенез» появился лишь в 1900-х годах. Начало современных исследований ангиогенеза связано с докладом Джуды Фолкмана о ключевой роли ангиогенеза в росте опухолей.

Количественная оценка

Количественная оценка параметров сосудистой сети, таких как микрососудистая плотность, сопряжена с рядом трудностей из-за неравномерного окрашивания или неполного представления тканей в гистологических срезах. Недавние исследования продемонстрировали возможность полной трехмерной реконструкции сосудистой структуры опухоли и количественной оценки сосудистых структур в целых опухолях на животных моделях.