想象一个快速发展的城市——它需要道路、管道和电力线才能繁荣发展。肿瘤也是如此。为了从微小的细胞团块继续生长，肿瘤必须建立自身的供给系统——既能输送氧气和营养物质，又能排出代谢废物和二氧化碳，同时还需具备向远处转移的通路。这一关键网络通过血管生成形成——这是一个由现有血管衍生出新血管的过程。
本博客探讨了促使肿瘤诱导血管生成的部分信号转导机制和事件，血管生成是癌症的标志之一，其中许多机制已成为治疗干预的靶标。
发育性血管生成与肿瘤血管
在正常生理条件下，血管生成受到促进或阻止新血管生长的信号转导通路的严格调控。在脊椎动物中，血管系统的大部分结构在胚胎发育阶段形成，经历两个连续且相互独立的过程：血管发生与血管生成。
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在胚胎发育过程中，血管发生指的是间充质干细胞分化为内皮细胞并建立最初血管系统的过程。一旦初始框架建立起来，血管生成便开始接力，通过从现有血管中萌生出新的血管来扩展这一网络。该过程受到严格的调控和协调，以确保形成既具功能性又具稳定性的血管系统。一旦发育成熟，该系统在成年阶段总体上保持稳定，仅在某些特定情况下（例如伤口修复或月经周期）会暂时重新被激活。 |
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《癌症的标志》是什么？《癌症的标志》1-3是一个里程碑式的概念框架，用于系统整理癌细胞为实现生长、存活和扩散所获得的关键特征。该框架最初由 Douglas Hanahan 和 Robert Weinberg 于 2000 年提出，将癌症的潜在机制划分为多个子集，以推进研究。这一概念最初包括六个基本特征，于 2011 年进行了扩展，新增了两个标志特征和两个促进特性，并于 2022 年进一步补充了一个新的标志特征和四个新的促进特征。
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诱导或获得血管供应最初提出的标志之一，最早在《癌症的标志》（2000 年）一文中被描述为持续性血管生成。井然有序的血管结构与一座精心规划的新城并无二致——主干道与街区布局有序。
与之相对，肿瘤血管生成是一种病理过程，其中部分相同的机制被利用并失调。肿瘤血管的重塑主要通过血管出芽机制实现，而这一过程在很大程度上受促血管生成因子调控，其中最具代表性的是血管内皮生长因子 (VEGF) 信号传导。肿瘤的快速且失控的生长导致其血管网络呈现出混乱、渗漏且结构紊乱的特征，血液灌注效率极低。如果说健康的血管系统如同布局完善的社区，那么肿瘤血管生成则更像是一座无序蔓延的城市——道路规划混乱、桥梁结构不稳，排泄系统漏洞百出。使抗肿瘤免疫细胞难以渗入并在其中巡逻，还为部分癌细胞提供了逃逸通道，使其能够迁移至远处器官并形成继发性肿瘤（转移灶）。
血管生成和肿瘤血管生成信号转导通路
肿瘤血管的特征
肿瘤血管常表现为扩张、不均匀、呈囊状，分支结构多为三分叉，而非正常血管中呈层级式分支的二分叉结构。内皮细胞衬层（标记物：CD31/PECAM-1）在结构上受损，基底膜呈不连续状态，细胞连接也因 VE-钙粘素表达下调而不完整。这会导致血管出现严重的渗漏，从而导致血管通透性增加和液体外渗。
肿瘤内部的血流往往呈现紊乱且不均一的特征，局部区域可出现血流停滞或分流现象，其中分流是指肿瘤内或肿瘤周围的血管绕过富含毛细血管的组织，选择更短且直接的通路。此外，新形成的肿瘤血管通常缺乏足够的周细胞覆盖（标记物：α-平滑肌肌动蛋白），一种通常为毛细血管提供结构支持的壁细胞因此，这些血管往往脆弱且易于塌陷或退化。
使用以下产品对石蜡包埋的人胃腺癌组织进行 SignalStar® 多重免疫组织化学分析：CD31 (PECAM-1) (89C2) & CO-0028-488 SignalStar Oligo-Antibody Pair #83823（绿色）、CD68 (D4B9C) & CO-0007-594 SignalStar Oligo-Antibody Pair #77318（黄色）、Pan-Keratin (C11) & CO-0003-647 SignalStar Oligo-Antibody Pair #16373（红色）α-Smooth Muscle Actin (D4K9N) & CO-0024-750 SignalStar Oligo-Antibody Pair #29280（青色）和 ProLong Gold Antifade Reagent with DAPI #8961（蓝色）。
血管渗漏和淋巴引流功能缺失共同作用，会导致间质液压 (IFP) 升高，从而形成一种物理屏障，阻碍氧气、免疫细胞、化疗药物及其他治疗性分子的有效递送。结果，肿瘤环境逐渐呈现酸化与缺氧状态（低氧水平），进而诱发对放射治疗和化疗等手段的耐受性。
缺氧、肿瘤发生和“血管生成开关”
在肿瘤发生的早期阶段，当肿瘤团块仍微小至难以肉眼可见时，最早出现的事件之一便是所谓的“血管生成开关”的触发，当促血管生成因子与抑制因子之间的平衡被打破、趋向于新生血管形成之时，就会发生这种情况。驱动这一过程的最有效的促血管生成信号转导通路由缺氧所诱导，并经由缺氧诱导因子 1 (HIF-1) 和 VEGF 蛋白家族成员介导。
在正常、氧合良好的细胞中，HIF-1α 被氧感应脯氨酰-4-羟化酶 (PHD) 羟基化，从而标记其降解并防止在细胞内积累。然而，在 TME 的缺氧条件下，HIF-1α 能逃避免于降解，转位至细胞核内，并与 HIF-1β 结合形成转录因子复合物。该复合物随后“开启”一系列基因的转录，上调多种参与血管生成的蛋白表达，其中最具代表性的是 VEGF-A。
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| 使用 HIF-1α (E1V6A) Rabbit mAb #48085 进行的免疫组织化学分析，显示 HIF-1α 在石蜡包埋的胃肠道间质瘤中的核定位。 |
氯化钴是一种广泛使用的细胞处理试剂，可模拟缺氧对 HIF1A 蛋白的影响，从而提高其稳定性并促进其向细胞核转位。使用 HIF-1α (D1S7W) XP Rabbit mAb #36169（绿色）对未经处理（左图）或经氯化钴处理的 HepG2 细胞（人肝癌）进行免疫荧光 (IF) 分析。 |
值得注意的是，TME 内的肿瘤相关巨噬细胞 (TAM) 除分泌其他促血管生成介质外，还能产生 VEGF-A。这一过程可进一步放大血管生成开关的效应，促进肿瘤血管化的形成。
肿瘤血管生成信号转导通路和蛋白质
一旦肿瘤细胞中的血管生成开关被打开，促血管生成信号转导级联便会被激活。为了诱导血管系统，VEGF-A 与其主要受体 VEGF 受体 2 (KDR/Flk-1) 结合，从而重新激活现有血管中处于静止状态的内皮细胞。这一过程导致受体磷酸化和二聚化，并进一步通过 PI3K/Akt、mTOR 和 MAPK/ERK 通路启动信号转导，以促进内皮细胞增殖和迁移。
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使用 VEGF Receptor 2 (D5B1) Rabbit mAb #9698 对石蜡包埋的人血管肉瘤组织进行免疫组织化学分析。
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VEGFR2 可在多种肿瘤的内皮细胞表面检测到。左图：使用 VEGF Receptor 2（55B11）Rabbit mAb #2479 对石蜡包埋的乳腺血管肉瘤组织进行免疫组织化学分析。右图：连续切片用内皮细胞标记物 CD31（PECAM-1）染色。 |
在血管新生芽的最前端，活化的内皮尖端细胞会分泌基质金属蛋白酶 (MMP)，以分解周围的细胞外基质 (ECM)，包括现有血管的基底膜。这一过程为尖端细胞向肿瘤内部迁移开辟了通路，其迁移由诸如 αv β3 和α5 β1 之类的整合素介导，这些分子帮助尖端细胞黏附于临时形成的 ECM。在尖端细胞之后，柄细胞增殖，使血管新生芽逐渐延伸。最终，血管新生芽彼此连接，形成管腔，并在肿瘤周围建立起功能性血管网络。
与此同时，活化的内皮细胞会分泌 PDGF-β，其与周细胞表面的受体 PDGFR-β 结合。从而引导周细胞向新生的血管芽募集，在此过程中周细胞协助稳定正在形成的血管系统。
许多其他配体和信号转导通路也参与了肿瘤血管生成过程。其中包括以下几类：
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DLL4/Notch 信号转导通路DLL4/Notch 信号转导通路有助于调节尖端细胞和柄细胞之间的平衡，以确保血管出芽过程的有序进行。通常情况下，迁移的尖端细胞表现出较低的 Notch 水平，而增殖的柄细胞则具有较高的 Notch 表达。在肿瘤中，DLL4/Notch 信号转导的失调会导致血管形成紊乱和血管通透性增加，并促进肿瘤转移。 查看 Notch 信号转导通路 |
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血管生成素和 Tie 受体信号转导血管生成素家族（Ang1、Ang2）及其受体（Tie1、Tie2）调节血管成熟和稳定性。在正常组织中，Ang1/Tie2 信号转导可支持内皮细胞的存活，强化内皮细胞与周细胞之间的相互作用，并维持成熟血管处于非出芽状态。在正常情况下，Ang2 的表达水平较低，且仅限于发生血管重塑的部位（如女性生殖道），在这些部位，Ang2 作为 Ang1 的天然拮抗因子，在需要时促进血管的不稳定化。 然而，在许多癌症中，Ang2 的表达显著上调，并与肿瘤的恶性程度密切相关。其功能取决于所处的环境：在缺乏 VEGF-A 的情况下，Ang2 可作为 Tie2 受体的激动剂，破坏内皮细胞与周细胞之间的连接，促进血管消退，进而导致组织缺氧的加剧。在肿瘤中高水平的 VEGF-A 刺激下，Ang2 会诱导内皮细胞的活化与出芽，通过使静止状态的内皮细胞失去稳定性，促进其增殖与迁移。Ang2 水平的升高还可抑制 Tie2 的稳定作用，使细胞平衡向血管功能异常转变。此外，Ang2 还能直接促进内皮细胞的增殖和迁移，并导致肿瘤血管呈现出特有的高通透性。 |
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转化生长因子-β (TGF-β) 信号转导许多肿瘤组织中具有高水平的 TGF-β，而这种因子已知可诱导血管出芽，并上调基质金属蛋白酶 MMP2 和 MMP9 的表达，这些酶作用于细胞外基质 (ECM)，从而促进血管生成和肿瘤侵袭。TGF-β 还可上调 CTGF、VEGF、bFGF 和 IL-1 的表达，进一步促进血管生成。 除促进血管生成外，TGF-β 还有助于上皮-间质转化 (EMT)、肿瘤侵袭、纤维化过程以及对抗肿瘤免疫反应的抑制。 查看 TGF-β 信号转导通路 |
其他 VEGF 受体
虽然 VEGF-A 主要通过与 VEGF 受体 2 的相互作用来驱动血管生成，但它也与 VEGF 受体 1 (Flt-1) 结合，后者在调控血管出芽及髓系细胞募集方面发挥作用。VEGF-C 和 VEGF-D 可与受体 VEGFR3 (Flt-4) 结合，主要参与促进淋巴管生成（即淋巴管生长）。成纤维细胞生长因子 (FGF) 也能促进血管生成，通常与 VEGF 信号转导通路协同发挥作用。
此外，NFκB 信号转导通路通过上调大量促血管生成和促存活基因（包括 VEGF-A 和白细胞介素 8 (IL-8)），在肿瘤血管生成中发挥作用，这些基因可促进邻近内皮细胞的增殖和迁移。NFκB 还可促进基质金属蛋白酶 (MMP) 的转录，如 MMP-2 和 MMP-9。这些酶在分解细胞外基质 (ECM) 中发挥关键作用，ECM 的降解是内皮细胞出芽和肿瘤细胞侵袭的先决条件。在肿瘤细胞中，NFκB 活性可促进细胞的存活和增殖，这为肿瘤的生长及其后续对新生血管的需求奠定了基础。NFκB 的这一活性是肿瘤能够维持炎症性和血管化微环境的主要原因之一。
免疫成分及其与肿瘤微环境的相互作用
肿瘤血管系统不仅仅是供养通道。它同时也是肿瘤微环境中具有活性和影响力的重要组成部分，肿瘤血管与免疫细胞及其他基质元素密切相互作用，共同推动癌症进展。
免疫细胞对血管生成的贡献
- 肿瘤相关巨噬细胞 (TAM)：TAM 是肿瘤发展的关键参与者，通常极化为促肿瘤发生的 M2 样表型。它们分泌大量促血管生成因子，包括 VEGF、MMP 和各种细胞因子（例如 IL-8、TNF-α 和 HGF），从而进一步促进血管生成。
- 中性粒细胞：它们可以通过释放 MMP，并诱导 VEGF 和其他血管生成因子的释放，从而促进肿瘤血管生成。
- 其他免疫细胞：淋巴细胞（例如 B 细胞和 T 细胞）可以通过分泌各种促血管生成介质间接影响血管生成。
- 间质细胞：除了免疫细胞之外，脂肪细胞还可以通过释放多种促血管生成因子来促进肿瘤微环境 (TME) 内的血管生成。这种效应在脂肪组织或肥胖症中表现得很明显，脂肪细胞可以变得具有免疫活性并分泌影响 TME 的免疫信号转导分子。
对免疫细胞浸润和功能的影响
- 物理屏障：异常且渗漏的肿瘤血管结构，连同致密的 ECM 和高间质液压 (IFP)，共同形成一道物理屏障，从而阻碍抗肿瘤免疫细胞（例如细胞毒性 T 淋巴细胞）向肿瘤核心部位的浸润。
- 免疫抑制微环境： 缺氧和酸化的 TME，加上肿瘤细胞和促肿瘤免疫细胞（例如 TAM）分泌的多种因子，共同营造出一种免疫抑制性环境，削弱了浸润性免疫细胞的功能，并促进肿瘤的免疫逃逸。
- 作为免疫调节剂的血管内皮细胞：肿瘤内皮细胞 (TEC) 本身可以通过表达免疫检查点或分泌抑制性因子，主动参与免疫抑制过程，从而削弱抗肿瘤免疫反应。
博客：癌症的标志：避免免疫破坏
抗血管生成癌症疗法
通过了解肿瘤血管形成的复杂机制，研究人员已开发出多种抗血管生成药物，其中包括针对 VEGF-A 的单克隆抗体贝伐单抗 (Avastin)，以及靶向 VEGFR 的各种小分子酪氨酸激酶抑制剂 (TKI)（例如舒尼替尼、索拉非尼、帕唑帕尼）。这些疗法旨在通过抑制新生血管生长，实现肿瘤血管的“正常化”或切断肿瘤的血液供应，从而改善化疗药物的递送效率，甚至增强机体的免疫反应。
然而，尽管早期的抗血管生成疗法曾显示出良好疗效，但肿瘤往往会逐渐产生耐药性。因此，当前研究的重点包括：
- 识别新的、冗余性较低的血管生成靶标。
- 开发联合疗法（例如，抗血管生成疗法与免疫疗法或化学疗法）。
- 了解耐药机制。
- 开发能够正常化而非单纯抑制肿瘤异常血管生成的治疗策略，以改善药物递送和免疫细胞浸润。
揭示肿瘤血管生成的复杂机制，仍是抗击癌症研究中的关键战场，当前的研究正致力于揭示肿瘤关键供给线中的新弱点。
其他资源
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参考文献
- Hanahan D, Weinberg RA (January 2000). "The Hallmarks of Cancer". Cell. 100 (1): 57–70. doi:10.1016/S0092-8674(00)81683-9
- Hanahan D, Weinberg RA (March 2011). "Hallmarks of Cancer: the next generation". Cell. 144 (5):646-74. doi: 10.1016/j.cell.2011.02.013.
- Hanahan D. Hallmarks of Cancer: New Dimensions. Cancer Discov. 2022;12(1):31-46. doi:10.1158/2159-8290.CD-21-1059
- Liu ZL, et al. Signal Transduct Target Ther. 2023. Angiogenic signaling pathways and anti-angiogenic therapy for cancer.
- Liu X, et al. Biomark Res. 2025 Decoding tumor angiogenesis: pathways, mechanisms, and future directions in anti-cancer strategies.
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