胶质母细胞瘤的血管和血管模拟 引言 胶质母细胞瘤（GB）是最常见的颅内恶性肿瘤，每年的发病率约为每100，000人中有3-5例。就整体癌症负担而言，胶质母细胞瘤并不常见，然而，其脑部定位.侵袭性和极差的预后使其成为所有癌症诊断中最令人恐惧的一种。目前胶质母细胞瘤的总中位生存时间为12-15个月，尽管采用了神经外科.放射线和联合热疗等最大限度的联合治疗。值得注意的是，有效疗法/治疗的发展极其缓慢，这与迅速扩大的有关这种疾病的分子发病机制的知识基础形成鲜明对比。神经肿瘤学领域的绝大多数研究都是在过去20-30年里发表的，主要是由对脑瘤遗传学的进一步了解所推动。最近的分子分类为高级别原发性胶质母细胞瘤存在四种不同的类型提供了依据：经典型.间质型.神经型和原神经型亚型。这些亚型是根据各种蛋白质组学特征.特征性突变.甲基化特征和目前确定的转录调节器进行分子区分。高级别胶质瘤的全面分子分类刚刚开始改变目前的分类方法，目前的分类方法是按照世界卫生组织的组织病理学标准。尽管有复杂的分子分类方案，但由于相当多的组织学重叠，相对较高比例的胶质瘤仍然难以重复分类。从表型上看，肿瘤显示出明显的高细胞性，坏死的绢状区域，以及扩张的内皮细胞增生，肿瘤血管是折磨人的，无序的，高度渗透的。与II级和III级肿瘤相比，IV级肿瘤表现出极其积极的内皮细胞增生。血管通透性的增加导致了脑水肿和炎症的加重。内皮细胞壁.周细胞覆盖和基底膜的异常也导致关键血脑屏障的结构和功能丧失。 胶质瘤血管的形成至少有三个不同的过程。1) 血管生成；从原有血管的改道和重塑中产生新的血管的过程，2) 血管生成；传统上被认为是一个胚胎过程，但后来在肿瘤中被确定为原始血管的新生，由循环的骨髓-衍生的内皮祖细胞分化而成。 3）血管模仿（VM）；最近发现胶质瘤细胞经分化为肿瘤来源的内皮细胞（TDECs），对肿瘤血管有贡献。 分子途径 有人说，无论原发肿瘤如何，癌症转移是按照与原发肿瘤不同的规则进行的，而癌症的死亡主要是由于入侵和转移，而这些入侵和转移对传统疗法有抵抗力，否则可能会有效地治疗原发肿瘤。肿瘤的生存依赖于丰富的血液供应，以维持肿瘤的生长和进一步转移。恶性胶质瘤，像其他肿瘤一样，需要血管生成来建立营养/氧气的来源，并消除细胞废物。肿瘤血管还创造了一个局部的 “利基 “微血管环境，在这个环境中，肿瘤起始细胞可能能够有效地抵御治疗。血管生成是一个关键的病理事件，也是一个单独的局部肿瘤向高度侵袭性肿瘤发展的必要条件。这个关键的租户随后点燃了肿瘤血管生成的研究领域，它主要针对形成生长中的肿瘤新血管的内皮细胞，并作为各种临床试验的药物开发的主要组织原则。因为GB是血管最丰富的肿瘤之一，而VEGF（血管内皮生长因子）是由肿瘤细胞产生的，所以抗VEGF抗体（贝伐珠单抗/阿瓦斯丁）已被用于临床试验中。临床试验的结果至少可以说是令人失望的，超过一半的GB患者对阿瓦斯丁和伊立替康的联合治疗只有短暂的反应。提出的解释抗血管内皮生长因子治疗的机制包括：1）激活其他促进血管生成的信号通路；2）招募骨髓（BM）衍生的骨髓细胞来保护和培育血管细胞；和/或3）通过增加周细胞覆盖来保护血管。在GBs中，抗血管生成疗法的抗肿瘤作用可能是由于血管的正常化，这也减少了水肿。血管生成抑制剂试验的结果令人失望，加上对人类GB肿瘤进展的分子和动物研究产生的新证据，使人们对肿瘤灌注的分子机制有了深入了解，特别是那些表达侵略性侵袭表型的肿瘤，如GB。 在肿瘤血管生成中，骨髓来源的内皮细胞前体（ECPs）历来被认为是血管内皮细胞的主要来源。然而，最近有研究表明，骨髓来源的内皮细胞前体细胞并不只对血管内皮细胞有贡献，现在人们了解到，GB中的TDECs是从神经外胚层转分化出来的，而肿瘤细胞本身也可以参与到肿瘤血管生成中。最近的证据表明了另一种机制，即肿瘤微血管直接来自肿瘤细胞，这个过程被称为血管模仿（VM）。VM描述了侵袭性癌细胞形成新血管网络的功能可塑性，为扩大肿瘤提供灌注途径，从泄漏的血管中输送液体，和/或连接到有内皮的血管。有证据表明，这种血液灌注的微血管在肿瘤的发展中起着关键作用，而且与内皮细胞的血管生成无关。有趣的是，VM网络还被证明通过抗凝血分子的局部表达表现出抗凝血特性，其总体目标是促进血液流入侵略性肿瘤和在肿瘤之间流动。最初描述VM的研究是基于显示注射的荧光染料在整个VM网络中运输的证据。随后的实验证据显示，利用微珠循环的多普勒成像，在内皮衬里的小鼠血管和人类肿瘤异种移植的VM网络之间进行实时的生命生理学的血液灌注。这项研究继续表明，侵袭性黑色素瘤细胞能够形成新的三维血管结构，这一发现随后被高分辨率电子显微镜验证，显示了肿瘤形成的血管的形态/结构细节以及VM和传统内皮衬里血管之间的超微结构的相似性。黑色素瘤研究还显示，肿瘤细胞可能同时表达内皮细胞.胚胎/干细胞和肿瘤细胞标记。一项非常有趣的研究表明，缺氧是VM表型的催化剂，该研究将人类转移性黑色素瘤细胞移植到缺血的小鼠肢体中，从而形成了由人类黑色素瘤和小鼠内皮细胞组成的混合脉管。在肢体的血流被切断后，黑色素瘤细胞形成了一个大的肿瘤，这项研究表明微环境对黑色素瘤细胞的跨内皮分化有惊人的影响，随着环境线索的改变，黑色素瘤细胞会恢复到更容易致瘤的表型。GB干细胞（GSCs）转分化为壁细胞（血管平滑肌/皮细胞）的肿瘤细胞，突出了GSCs的可塑性。神经元干细胞的多能性进一步显示了GSCs的可塑性，它能够分化为多个细胞系（即星形胶质细胞.神经元和少突胶质细胞）；以及分化为多种细胞，如血细胞.肌肉细胞和血管内皮细胞。 许多关于VM的分子细节已经被破译，但与其他科学研究课题一样，仍有许多问题没有答案。然而，众所周知，关键的VM调节基因与血管（VE-cadherin，EphA2，VEGF1）胚胎和/或干细胞（Nodal，Notch4），以及缺氧相关（HIF，Twist1）信号通路有关。本文将简要讨论几个选定的常见基因和途径。1）Notch和Nodal信号通路是被证明对胚胎干细胞调节和肿瘤细胞行为都很关键的牵引通路；有趣的是，这些通路之间的串扰可以调节肿瘤细胞的行为.侵略性和VM网络的形成。Nodal信号调节脊椎动物的胚胎发育，在左右不对称性决定和干细胞多能性方面发挥作用；在成人组织中一般不存在，但已知在侵袭性癌症中会重新激活。值得注意的是，侵袭性癌症重新激活Nodal，但不激活其调节蛋白Lefty，因此Nodal信号不受控制地进行，并能够促进侵略性肿瘤细胞行为。Notch信号在干细胞分化和自我更新中非常重要，并在各种胚胎和成人组织中表达。2）缺氧诱导因子（HIF）复合物是生理和病理环境中氧平衡的一个关键调节器。HIF可以调控并与Notch和Nodal信号通路交叉对话。癌症中HIF的过度表达会诱导参与血管生成的基因产品的表达（即，VEGF）。值得注意的是，缺氧已被证明可以通过HIF1-α/2-α和HRE信号诱导Notch和Nodal途径。HIF1-α和Notch信号之间存在明显的交叉作用，总体上在肿瘤细胞内发挥作用，促进未分化的细胞状态。因此，可以想象，抗血管生成药物的治疗使用可能会反过来促进肿瘤的可塑性和转移性/侵袭性进展。 通过显微切割对单个ECs进行遗传分析，然后对GB ECs进行遗传分析，结果显示，GB肿瘤中50-90％的ECs带有在肿瘤细胞中发现的遗传异常，这表明有共同的起源。
此外，小鼠实验显示，肿瘤内皮细胞起源于肿瘤起始细胞，而不是由ECs和肿瘤细胞融合而来。同一研究中的体外分化试验表明，缺氧是GB肿瘤细胞向ECs分化的关键性因素，并且与VEGF无关。肿瘤衍生的内皮细胞（TDEC）的形成不仅对抗VEGF受体抑制剂有抵抗力，而且还导致其频率的增加。可以推测，TDECs对GB对抗VEGF治疗的耐药性有重要贡献，因此它也可以成为GB治疗的一个潜在目标。总的来说，肿瘤细胞VM很好地说明了侵袭性癌症表型的功能可塑性，并作为需要灌注的快速生长肿瘤的选择优势。VM可以为肿瘤血液供应提供几个来源之一，可以直接或间接地与其他脉管系统相互作用。文献一致认为，诱导VM的根本原因似乎与缺氧有关，而缺氧又激活了各种基因的改变，如前所述，然后直接促进肿瘤细胞的跨内皮表型，使其能够产生VM。 治疗障碍 如前所述，胶质母细胞瘤分子生物学的详细和精确的信息与治疗的缺乏形成了鲜明的对比。随着分子生物学知识的不断扩展，更多的潜在靶点已经被发现，关键是要开发有效的抑制剂，并以适当和有针对性的方式有效地使用它们的组合。靶向药物输送的一个主要限制是，迁移的原发性肿瘤GB细胞与正常组织混合在一起，难以识别和瞄准，并且不会引起血管生成反应。额外的治疗障碍包括：1）没有针对已确定目标的有效激动剂/拮抗剂；2）治疗分子必须通过BBB才能到达入侵的细胞，包括那些位于离肿瘤中心部分较远的细胞。在一个给定的GB肿瘤内存在不同程度的BBB失调，就其本身而言，BBB对治疗分子有效转运到大脑是一个挑战，需要继续研究肿瘤环境中的BBB，以深入了解GB的有效药物输送，以及3）目前缺乏GB治疗研究的理想动物模型。 除了针对肿瘤细胞的细胞毒性药物外，针对壁状肿瘤细胞和内皮细胞的联合抗血管治疗可能有希望。看来，针对肿瘤细胞可塑性的最有效方法是同时抑制多种信号传导途径。实验中发现的关键性参与VM的分子途径。实验中发现的关键性参与VM的分子通路，以及失败的临床试验数据应作为药物开发的战略路线图，目标是克服肿瘤细胞的可塑性.耐药性.肿瘤性血管生成.侵袭和转移。新出现的关于胚胎途径的数据，即Notch和Nodal，在侵袭性肿瘤细胞中被重新激活，可能提供有价值的治疗目标，利用胚胎和致瘤信号的融合。抑制这些途径的结果是抑制VM的致瘤性，并将干细胞的表型还原为分化的细胞类型。同时针对Notch和VEGF途径，或许可以提供一种更可行的组合方法，用抗VEGF疗法来针对癌症干细胞。 结论和未来工作 几个世纪的研究表明,侵略性肿瘤具有高度的可塑性。最近，随着复杂的分子工具的增加，肿瘤细胞病理的确切机制.病因和影响已被进一步阐明。在此期间，研究表明，一小部分GSCs的存在与放疗和抗血管生成疗法的抗性密切相关。然而，单纯使用抗血管生成疗法的临床治疗通常不能显著影响患者的生存和临床结果。我们可以推测，GSCs在抗血管生成剂的作用下能够存活，并从休眠的原发肿瘤中重新出现，这是其能力的一部分，GSCs可能经历了另一种血管化，形成壁状细胞相关网络，滋养大部分生长中的肿瘤细胞。从肿瘤血管生成领域的文献来看，现在人们认识到，肿瘤血管是非常复杂的，可以来自各种来源，包括血管生成的血管.原有血管的共存.由肿瘤细胞和内皮细胞组成的镶嵌式血管，以及出生后的血管生成。此外，最近的研究表明，在特定的癌症中，内皮样细胞的肿瘤起源，血管模仿，使针对基因不稳定和异质性血管的策略进一步复杂化。 对GB的基因组特征的研究推动了对这种癌症的理解，特别是在过去的5-10年里，取得了重大进展。广泛的基因组特征分析为GB的各种分子改变提供了一个高分辨率的图像，并表明这种疾病确实代表了几种组织学上相似但分子上不相同的疾病。这种肿瘤的异质性，无论是在肿瘤内部还是在不同的肿瘤之间，都强调了开发有效治疗方法的难度，并为注释肿瘤和为试验和治疗对患者进行分层提供了挑战。 尽管在了解胶质母细胞瘤的遗传基础方面取得了巨大的进展，但基于已知基因组改变的靶向治疗方法尚未被证明是有效的。促使最初将高级别胶质瘤命名为 “多形性 “的形态异质性，确实已经延伸到了分子水平。瘤内异质性和靶点合作性很可能共同创造了一种多重依赖状态，即单靶点抑制剂不足以显著减弱肿瘤生长。对GB中的许多突变基因的功能后果也没有完全了解。研究刚刚开始了解这种分子异质性是如何表现的，以及这些基因改变的功能后果到底是什么。目前还不清楚这些具有独特基因组改变的混合细胞群是作为独立的肿瘤行为还是相互依赖。除了了解GB异质性的分子基础外，还必须考虑不同的非肿瘤细胞类型的贡献和表型，如基质细胞和炎症细胞，它们也是胶质瘤微环境中的组成部分。要充分了解GB的生物学特性，确实需要进一步的工作，并需要进行综合研究，包括基因组学.疾病的动物模型，并一如既往地对人体组织进行仔细研究。