Ангиогенез (литературный обзор)

Регуляция ангиогенеза осуществляется за счет стимуляторов и ингибиторов роста, а также за счет эндотелиальных клеток и перицитов [4, 19]. Эндотелиальные клетки выстилают внутреннюю поверхность сосудов всего организма. Перициты располагаются по периферии эндотелиальных клеток и играют важную роль в ангиогенезе, синтезируя целый ряд вазоактивных веществ [6, 8]. На стадии раннего эмбрионального развития островки кроветворения представлены предшественниками клеток крови (гемопоэтическими клетками) и предшественниками эндотелиальных клеток (ангиобластами), дифференцирующимися из мезодермы [1]. Формирование новых сосудов происходит через стадии индукции, дифференцировки и организации ангиобластов. Поначалу этот процесс носит хаотичный характер, но затем осуществляется его упорядочивание за счёт резорбции одних сосуди стых ветвей и развития других. В период внутриутробного развития и в постнатальном периоде происходит формирование новых отростков из уже существующих сосудов с формированием богато разветвленной сети, которая подвергается ремоделированию несколько раз, пока не сформируется зрелая сосудистая система [9]. Ангоибласты, высвобождающиеся из костного мозга, дифференцируются в эндотелиоциты и участвуют как в физиологическом, так и патологическом неоангиогенезе. Способность организма спонтанно формировать коллатеральные сосуды является важным фактором, определяющим тяжесть остаточной тканевой ишемии. Неоваскуляризация сердечной или скелетной мышцы, находящейся в состоянии ишемии, может быть достаточной для сохранения их целостности и функции, что позволяет поддерживать нормальную перфузию тканей всего организма в целом. У взрослого организма ги- поксия и воспаление считаются основными факторами, стимулирующими неоваскуляризацию [10, 16]. Наряду с этим, замедленная или чрезмерная васкуляризация может существенно нарушить функцию органа и часто приводит к развитию заболевания. При артритах новые коллатерали прорастают в сустав и повреждают хрящ, в то время как неоваскуляризация сетчатой оболочки глаза при диабете является причиной слепоты. Неконтролируемый ангиогенез может приводить к псориазу и развитию младенческих гемангиом у детей, при которых количество вновь образованных сосудов значительно превышает метаболические потребности тканей. Кроме этого, опухолевый рост и метастазирование являются зависимыми от ангиогенеза [44]. Растущая опухоль нуждается в развитии капиллярной сети, обеспечивающей питание и оксигенацию. В результате новые внутриопухолевые сосуды создают путь для попадания в общий кровоток опухолевых клеток и метастазированию в отдаленные органы [37, 42].

Физиологический ангиогенез

Ангиогенез – это комплексный процесс, реализующийся путем взаимодействия между клетками, растворимыми факторами роста и компонентами экстрацеллюлярного матрикса (ЭЦМ) [16]. Создание новой сосудистой сети проходит в несколько этапов: освобождение протеаз из активированных эндотелиальных клеток (ЭК), деградация базальной мембраны, миграция ЭК в интерстициальное пространство, их пролиферация с формированием просвета сосуда. Далее происходит создание новой базальной мембраны с привлечением перицитов, слияние вновь образованных сосудов и запуск кровотока. Органоспецифические сосудистые структуры могут формироваться за счет целенаправленного спрутинга. При таком механизме каждый новый сосуд формируется в тканях путем получения стимулирующих и ингибирующих сигналов. Как альтернатива, беспорядочный спрутинг заключается в создании обширной сосудистой сети с последующей резорбцией и ремоделированием сосудов. Последние исследования подтвердили существование обоих этих механизмов [41].

Тубулярный морфогенез зависит от функциональной специализации клеток и опосредуется через их прямую миграцию за счет филоподий. ЭК, расположенные на конце растущих сосудов, внедряются в ткань множественными филоподиями, и вслед за этим стебельковые клетки пролиферируют и формируют просвет сосуда. Направление миграции верхушечных клеток зависит от градиента концентрации васкулоэндотелиального фактора роста (VEGF) на концах филоподий. По-видимому, активация VEGF рецептора-2 (VEGFR-2) приводит к различным функциональным ответам в верхушечных клетках, стимулируя их миграцию путем роста филоподий, и в стебельковых клетках, стимулируя их пролиферацию и формирование сосудистой системы [23]. Дисбаланс между этими двумя процессами может приводить к образованию аномальных сосудистых сетей при патологии. Инвагинационный ангиогенез подразумевает процесс, при котором новая сосудистая сеть образуется и развивается из уже существующих сосудов посредством формирования множественных вдавлений в их стенке [18]. Ангиогенез путем спрутинга является длительными процессом, характеризующимся интенсивной пролиферацией эндотелиальных клеток, деградацией экстрацеллюлярного матрикса и повышением сосудистой проницаемости, в то время как инвагинационный ангиогенез не сопровождается пролиферацией ЭК и характеризуется низким уровнем сосудистой проницаемости. Последние исследования показали, что первоначально капиллярная сеть формируется путем спрутинга с последующим переходом в фазу инвагинаци-онного ангиогенеза.

Предполагаемыми активаторами спрутин-га являются ангиопоэтины и их Tie-рецепторы, тромбоцитарный фактор роста (PDGF-B), эф-рины (Eph-B) и их рецепторы [21], которые, вероятно, также могут влиять на ремоделирование сосудов. Первым активатором ангиогенеза очевидно является VEGF, а ангиотензи-нины, так же как эфрины и их рецепторы регулируют процессы инвагинации на более поздних стадиях [12, 30]. VEGF стимулирует формирование нового капиллярного сегмента посредством вовлечения перицитов и гладкомышечных клеток [2]. Указанные периэндо-телиальные клетки важны для целостности формирующихся сосудов. В частности, для перицитов описаны три основные функциональные роли: сократимость, регуляция активности ЭК и макрофагов [39]. Известно, что взаимодействие Tie-2 и ангиопоэтина-1 поддерживает межклеточные связи ЭК, стабилизирует сосудистую стенку и способствует формированию сосуда. Для осуществления ангиогенеза необходимо, чтобы произошли серьезные изменения в архитектонике сосуда. Неактивированные сосуды формируются за счет внутренней выстилки ЭК, базальной мембраны, состоящей из ламинина и фибронектина, слоя периваскулярных клеток, перицитов в капиллярах и гладкомышечных клеток в крупных венах и артериях. Дестабилизация этого процесса происходит за счет секреции ЭК металлопротеиназы (MMPs), которая разрушает базальную мембрану, расщепляет экстрацеллюлярный матрикс и создает дополнительное пространство для роста коллатеральных сосудов [38], и за счет секреции ангиопоэтина-2, стимулирующего отсоединение перицитов. Другая система, играющая ключевую роль в миграции и инвазии ЭК в фибринозный матрикс, представлена тканевым активатором плазминогена (t-PA) и урокиназным активатором плазминогена (u-PA), которые обеспечивают взаимодействие между интегринами и рецепторами u-PA. Фибрин является субстратом, к которому адгезируются вновь сформированные ЭК с последующей миграцией и формированием новых сосудов.

В настоящее время открыт целый ряд ингибиторов ангиогенеза, представляющий собой продукты деградации протеинов экстрацеллюлярного матрикса или протеаз системы гемостаза. Первоначально были открыты ангиостатин и эндостатин. Ангиостатин оказывает антиангиогенную активность за счет индуцирования эндотелиального апоптоза, в то время как эндостатин ингибирует VEGF-индуцированную миграцию и апоптоз [20]. В процессе созревания сосудов формируется новая базальная мембрана за счет эндотелия, а периваскулярные клетки привлекаются за счет секреции ангиопоэтина-1. Целый ряд функций предложен для перицитов: измерение гемодинамических сил, регуляция капиллярного кровотока и морфогенез кровеносных сосудов. Привлечение перицитов опосредуется PDGF-B, который выделяется из ЭК, расположенных на окончаниях формирующихся сосудов [22]. Моноциты и макрофаги также вносят свой вклад в формирование капилляров. Связь между ними и ЭК осуществляется по двум направлениям: рост капилляра опосредуется присутствием моноцитов, в свою очередь ЭК может влиять на мобильность моноцита. Этот процесс стимулируется VEGFR-1, который обильно экспрессируется моноцитами. Для формирования новых капилляров необходима миграция ЭК. Поскольку существует механическое сопротивление тканей, ЭК должны прокладывать себе «путь» деградацией экстрацеллюлярного матрикса. Этот процесс может происходить за счет моноцитов и макрофагов, которые хорошо оснащены для проникновения в ткани, а также вырабатывают растворимые проангиогенные факторы, способствующие капиллярной пенетрации и приживлению ангиобластов костного мозга [11]. Адгезия циркулирующих в кровеносном русле моноцитов к активированным ЭК коллатеральных артериол является ключевым моментом ангиогенеза. Основными медиаторами подобных процессов являются селекти-ны, молекулы межклеточной адгезии эндотелиальных клеток (ICAM-1, ICAM-2) и ин-тегрины моноцитов (Mac-1, LFA-1). Такие факторы как VEGF, которые предположительно выделяются ЭК, обладают способностью стимулировать экспрессию интегринов на моноцитах и повышают клеточную адгезию. Взаимодействие моноцитов с эндотелием коллатеральных капилляров является комплексным многоступенчатым процессом. После первоначального взаимодействия с эндотелием, регулируемым несколькими селек-тинами, прочная адгезия моноцита ЭК осуществляется за счет интегринов. Интегрины взаимодействуют с соответствующими адгезивными молекулами, расположенными на поверхности ЭК главным образом с ICAM-1, ICAM-2 и VCAM-1, сгруппированных в локальных адгезивных комплексах [28]. В процессе инвазии моноциты дифференцируются в макрофаги с появлением типичных признаков воспаления, характеризующие первую фазу артериогенеза. В дальнейшем преобладает клеточная пролиферация в основном гладкомышечных клеток и адвентициальных фибробластов, а также эндотелиоцитов с выраженным тканевым ремоделированием [36]. Процесс ангиогенеза строго контролируется стимулирующими и ингибирующими сигналами. Негативная регуляция в основном осуществляется протеолитическими фрагментами и большими протеинами, хорошо известными представителями которых являются ангиостатин и эндостатин [5]. Позитивная регуляция осуществляется семейством васкуло-эндотелисального фактора роста и ангипоэти-нами [3]. Одним из наиболее важных и сильных ангиогенных факторов является VEGF-A [40]. При целом ряде опухолей VEGF-A кор- релирует с усиленным кровоснабжением и плохим прогнозом [43]. VEGF-A индуцирует пролиферацию ЭК, экспрессию тканевых факторов и металлопротеиназ, формирование просвета сосудов и их проницаемость [7]. VEGFR-2 предположительно регулирует основную часть следующих процессов: пролиферацию и миграцию, мобилизацию ионов кальция, продукцию простациклина (PGI2), продукцию окиси азота, активность фосфатидилинозитола 3-киназы (PI3K)/Akt. Функция VEGFR-1 связана с миграцией ЭК и моноцитов. Гипоксия вызывает экспрессию факторов индуцируемых гипоксией 1 и 2 (HIF-1 and HIF-2) и повышает транскрипцию факторов для VEGF [26, 31]. Васкулоэндотелиальный фактор роста, секретируемый в состоянии гипоксии, связывается с рецепторами на поверхности ЭК. Таким образом, гипоксическая стимуляция VEGF обеспечивает компенсаторный механизм, благодаря которому ткани повышают свою оксигенацию посредством индукции роста кровеносных сосудов. Напротив, нормоксия понижает продукцию VEGF и приводит к регрессии некоторых вновь образованных кровеносных сосудов. Благодаря этим противоположным процессам, васкуляризация точно соответствует метаболическим потребностям тканей. Несмотря на то, что гемодинамические силы, такие как раневой стресс, являются фундаментальными для ремоделирования, тканевая гипоксия, очевидно, играет критическую роль в координационной экспрессии всех вышеперечисленных факторов роста. Как только оксигенация достигает нормального уровня, они быстро уменьшаются, что приводит к снижению уровня HIF [27]. Вероятно VEGF, ангиопоэтины, PDGF, эфри-ны, эритропоэтин и дополнительные факторы роста действуют координированно и сообща.

Несмотря на изобилие ангиогенных факторов в различных тканях, обновление ЭК в здоровом организме взрослого человека находится на низком уровне. Поддержание эндотелиального покоя осуществляется за счет негативной эндогенной регуляции. Причем позитивная и негативная регуляция часто сосуществуют в тканях с выраженным ангиогенезом. Эти наблюдения позволяют выдвинуть гипотезу о том, что пролиферация эндотелия зависит от баланса между оппозиционными регуляторами [29]. При доминировании позитивных регуляторов происходит активация пролиферации эндотелия, а негативные регу-

Ангиогенез (литературный обзор) ляторы приводят эндотелий в состояние покоя. Таким образом, процесс ангиогенеза может быть разделен на активную фазу (инициацию и прогрессирование ангиогенного процесса) и фазу угасания (прекращение роста и стабилизации сосудов). Пока недостаточно ясно, происходит ли фаза угасания в результате повышенной регуляции ингибиторов или вследствие истощения позитивных регуляторов.

Описан целый ряд эндогенных ингибиторов ангиогенеза, которые воздействуют на ЭК и вызывают блокирование их миграции, пролиферации и/или их способности к формированию функционально полноценных капилляров. К ним относятся протеины, такие как ангиостатин, тромбоцитарный фактор-4 (PF-4), тромбоспондин-1(TSP-1), интерферон-альфа (IFN-α), тканевой ингибитор металлопротеин-зы (TIMPs), ингибиторы активации плазминогена (PAIs) и др. Поскольку эндотелий является структурой, которая удерживает жидкость и макромолекулы в кровеносном русле, он является ключевым регулятором проницаемости плазмы. Как только ЭК повышают адгезию протеинов, что приводит к адгезии лейкоцитов и экстравазации в процессе воспаления, фармакологические препараты, специфически ограничивающие ответ ЭК на воспаление, могут быть полезны при лечении воспалительных заболеваний, таких как острая легочная травма, ревматоидный артрит и псориаз.

Патологический ангиогенез

Сосудистые аномалии разделяются на две большие группы: мальформации и опухоли. Сосудистые мальформации возникают в результате аберрантного развития сосудистых элементов в процессе эмбриогенеза и созревания плода [14, 15, 24]. Они могут затрагивать один тип сосудов (капиллярные, артериальные, венозные, лимфатические) или быть комбинированными [13, 27]. Развитие ангио-генез-зависимых нарушений зависит от ремоделирования экстрацеллюлярного матрикса [17, 34]. Его чрезмерная деградация в результате воздействия металлороптеиназ приводит к структурной нестабильности сосудов, вызывая нарушения центральной нервной системы. Артерио-венозные мальформации головного мозга человека (BAVMs), например, ассоциируются с аномальной экспрессией металлопротеиназы и ее ингибиторами (TIMPs), результирующий баланс между MMPs и TIMPs может определять клиническое течение не- стабильных сосудистых новообразований. Деградация ЭЦМ посредством металлопротеиназы 9 (MMP-9) очевидно является критическим моментом ангиогенеза и сосудистого ремоделирования. Высокий уровень MMP-9 обнаруживается в аневризмах и артериях пораженных атеросклерозом. Высокий уровень экспрессии VEGF и его рецепторов был обнаружен при BAVMs. Таким образом, нарушение экспрессии MMPs и VEGF вносит общий вклад в формирование патологического фенотипа. У пациентов с сосудистыми мальформациями отмечается повышенный уровень MMPs, bFGF и VEGF в моче, что следует принимать во внимание при назначении ан-тиангиогенных препаратов для подавления прогрессирования этих заболеваний [25, 32, 33, 35].

Злокачественная опухоль может оставаться в состоянии ремиссии в течение многих лет при условии поддержания баланса между пролиферацией и апоптозом, чего можно достичь путем подавления или введения ингибиторов ангиогенеза. При нарушении баланса происходит запуск ангиогенеза, что приводит к росту опухоли. Поскольку нормальные ЭК генетически стабильны, аниан-гиогенная терапия изначально считалась неэффективной. Первые исследования ксенотрансплантатов подтвердили теоретические предположения широко распространенной активности, ограниченной токсичности и отсутствия резистентности [27]. Химеотерапия индуцирует гибель опухолевой клетки, снижая выработку про-ангиогенных пептидов, что приводит к уменьшению васкуляризации опухоли с повышением ее гипоксии, тем самым стимулируя экспрессию VEGF, что, в свою очередь, может стимулировать ангиогенез. Ряд исследований подтвердил, что комбинация анти-VEGF с химеотерапией усиливает эффективность противоопухолевого лечения. Комбинация малых и частых доз химеотерапии с препаратами, специфически повреждающими опухолевые ЭК, эффективнее контролируют рост опухоли по сравнению с монотерапией цитостатиками [32].

Доклинические и клинические исследования терапевтического ангиогенеза демонстрируют, что VEGF-индуцированный сосудистый рост не является беспорядочным и безграничным, но, напротив, ограничен зонами ишемии. Полученные данные подтверждают, что фундаментальный механизм, благодаря которому обеспечивается коллатеральная терапевтическая неоваскуляризация, осуществляется путем снабжения цитокиновыми препаратами пациентов, которые в силу старческого возраста, диабета, гиперхолисте-ринемии или других невыявленных факторов утратили способность к необходимому повышению уровня цитокинов в ответ на тканевую ишемию [4].

Заключение. Детальное изучение процесса ангиогенеза позволяет лучше понять механизм формирования новых сосудов в физиологических условиях, уточнить патогенез некоторых заболеваний, разработать меры их профилактики и лечения.