游离组织瓣缺血再灌注后血管形成调节机制的研究进展

2018-4-11 10:04  来源:北京口腔医学
作者:曲艺 韩正学 阅读量:1183
    游离组织瓣移植是修复口腔颌面部大面积缺损的重要手段,提高游离组织瓣移植的成活率对修复重建有重要意义。组织瓣正常代谢及功能的维持,有赖于良好和稳定的血液循环。但从组织瓣断蒂,到完成显微血管吻合形成再灌注,常因缺血、血管栓塞和血管痉挛等因素导致组织血流不足,组织瓣处于低血和低氧状态。在这一过程中,吻合的血管周围还伴随着组织自身的血管形成,有利于进一步恢复正常血供。     血管形成的发生始于被激活的内皮细胞在原先存在的血管壁萌芽,血管形成包括动脉生成、血管新生和血管发生3种方式。动脉生成指的是与原有动脉并行的直径20~100μm,具有完整被膜的新生血管,它们能够介导血管舒张,调节血流量。这些血管能够大量生长,几乎可以代替闭合的大动脉,承担血液供应的职责。动脉生成不依赖于氧水平和缺血程度,但内皮细胞通过一氧化氮(nitric oxide,NO)产物可以促进动脉生成。组织缺血同样可以导致在原有血管上有新的毛细血管萌芽,这个过程被称为血管新生。这些新生的毛细血管直径约为8~12μm,它们位于缺血再灌注区域,与来源于正常灌注小动脉的毛细血管相连接。     尽管这一过程能够明显产生大量的毛细血管,但并不能完全补偿缺血所造成的损伤。与动脉生成不同,血管新生受到缺血和低氧信号通路的影响。还有一种血管形成方式称为血管发生,指的是原有血管的形成,只限于胚胎发育阶段。游离组织瓣在缺血缺氧条件下能够自发产生众多促血管形成因子和炎症因子,促进血管形成以恢复正常的血流灌注,这一缺血环境下的血管再生是一个多种途径和细胞类型参与的复杂过程。以往的研究已证实血管内皮细胞、血管平滑肌细胞、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF),成纤维细胞生长因子(fiborblast growth factors,FGF)和血管紧张素(angiotensin,Ang)等在血管形成过程中发挥了重要的作用,其作用机制也已基本明确。     随着近年来的研究深入,又发现了一些在缺血再灌注后,对于促进血管形成有巨大潜能的细胞因子,例如肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF),白细胞介素家族(Interleukin,IL),粒细胞集落刺激因子(Granulocyte-colony stimulating factor,G-CSF)等。     1.肝细胞生长因子     HGF最初是从肝部分切除大鼠的血浆中分离纯化得到,研究发现HGF是具有多种生物活性的细胞因子,参与细胞增殖、血管新生、细胞形态生成、有丝分裂发生、抑制炎症反应、细胞凋亡和纤维变性等生物反应,这些反应都是通过酪氨酸激酶受体c-Met发挥的。c-Met主要存在于上皮细胞和内皮细胞中,血管壁中存在的大量间充质干细胞也可以表达c-Met。缺血再灌注区域内HGF的水平显著增加,并且HGF能够上调c-Met和磷酸化Met在间充质干细胞中的表达。HGF和c-Met通过配体和受体的相互作用,吸引内源性和外源性的间充质干细胞至缺血再灌注区域,从而促进血管再生的过程。     HGF还能够促进血管壁中的间充质干细胞形成广泛的毛细血管网,发挥类似血管整合素或粘附分子的作用,使得内皮细胞的连接更加稳固,更有利于血管的形成。HGF主要通过两种途径来影响血管再生:直接改善血管内皮细胞和平滑肌细胞的增殖与迁移,促进血管新生;通过促进细胞信号转导通路中VEGF基因的高水平转录,间接促进血管新生。一个成功的治疗性的血管形成过程,在细胞水平上主要面临着3个难题,包括细胞凋亡,细胞衰老和组织纤维化,而HGF通过HGF-c-Met系统募集细胞膜上强力的抗细胞凋亡B淋巴细胞瘤-XL基因(B cell lymphocytoma-XL,Bcl-XL)受体和抗细胞坏死细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)受体,抑制组织细胞凋亡、坏死;激活蛋白激酶B(Akt)信号通路,减少胶原的产生、装配从而抑制组织纤维化。     近期,在日本进行的一项亿万先生三期试验和美国进行的一项亿万先生二期试验中,使用HGF基因可以治疗严重的四肢缺血损伤,进一步证实HGF在众多促血管生成因子中具有显著的促血管形成的能力,为其将来在亿万先生上的应用提出了可行的依据。     2.白细胞介素     IL是由多种细胞产生并作用于多种细胞的一类细胞因子,它和血细胞生长因子相互协调、相互作用,共同完成造血和免疫调节功能。目前至少发现了38个白细胞介素,分别命名为IL-1~IL-38,功能复杂,这其中在缺血再灌注区域内影响血管形成的主要有IL-19和IL-21。IL-19是一种独特的抗炎症Th2的细胞因子,对血管内皮细胞具有趋化性,促进细胞传播、迁移、激发多种信号通路蛋白包括p44/42和Rac1GTP酶,诱导管状结构和微血管形成。     研究发现IL-19发挥促进血管新生的生物学效能并不是通过常见的FGF和VEGF途径,其主要存在以下3种机制:直接促进血管内皮细胞的血管新生效应;诱导缺血区域内巨噬细胞极化,转变为巨噬细胞M2,表达VEGF-A(巨噬细胞M2能够表达多种促血管生长因子,比如VEGF-A、转换生长因子α(transforming growth factor α,TGFα)、胰岛素样生长因子(Insulin-like Growth Factor-1,IGF-1)、血小板源性生长因子(platelet derived growth factor-β,PDGF-β)、HGF等);抑制IL-12在巨噬细胞中的表达。除此之外,还有研究证明IL-19能够诱导人微血管内皮细胞中的IL-8、趋化因子1(CXCL1)和HGF的表达。     IL-21是一种典型的I型细胞因子,它的受体是由6条相同的γ链组成的异二聚体。IL-21具有多种功能,主要作用于淋巴细胞和骨髓细胞。最初主要发现的是它在调节免疫方面的作用,不过近年来发现在缺血缺氧条件下,IL-21可以通过IL-21受体和γc构成的异二聚体,激活STAT3,ERK1/2,AKT-1这三条信号通路,提高组织细胞存活率和血管新生能力。在激活STAT3信号通路的过程中,STAT3转变成磷酸化的酪氨酸残基(Y705),构成同源二聚体并转移自身在细胞核中的位置,调节目标基因的转录。STAT3通过增加抗细胞凋亡基因BCL-2的表达,减少促细胞凋亡基因BAX的表达,从而发挥促进血管形成,恢复组织血流灌注的作用。     IL-21受体在缺血区域的成熟血管内皮细胞中的表达显著增加,IL-21作用于上述内皮细胞中,提高内皮细胞生存能力,形成管状结构,减少细胞凋亡的发生。这一保护效应是通过IL-21激活STAT3信号通路,诱导BCL-2/BAX比率的增加而实现。但是对于同样状况下的心肌细胞和血管平滑肌细胞并不能检测出IL-21R的明显表达,说明在缺血再灌注条件下IL-21R主要在血管内皮细胞中激活,发挥促进血管新生的作用。     3.粒细胞集落刺激因子     G-CSF主要由内毒素、TNF-α和干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)活化单核细胞和巨噬细胞产生,基因全长2.5kb,包括5个外显子和4个内含子。近年来发现G-CSF在血管改建过程中能够诱导动脉生成。动脉生成是由白细胞所释放的生长因子和细胞因子介导,依赖于外周血白细胞的浓度;白细胞渗透进入生长中的小动脉;细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)所介导的细胞黏附。G-CSF通过:增加循环内骨髓源性细胞(Bone marrow-derived cells,BMDC)的积累,转化为血管内皮细胞和平滑肌细胞;动员骨髓源性白细胞至缺血区域,通过激活p38MAPK通路增加小动脉内ICAM-1的表达;促进原有血管内皮细胞的增殖和迁移,来实现促进缺血再灌注组织动脉生成的过程。     G-CSF还可以通过作用于血管内皮,激活Akt/eNOS通路,诱导NO合酶磷酸化,产生NO,NO作为血管张力的重要调节物质,在一定浓度下有利于血管形成。除此之外,G-CSF通过:刺激粒细胞和单核细胞释放金属蛋白酶(metal matrix proteinase,MMP),增加MMP-1和MMP-9的活性,减少组织肉芽组织的产生,组织纤维化;激活组织细胞内Akt/Stat通路,抑制细胞凋亡,保护内皮细胞等方式,有利于缺血区域血管形成顺利进行。     4.血红素氧合酶-1     血红素氧合酶(hemeoxygenase,HO)是血红素降解的限速酶,将血红素转变为胆绿素、一氧化碳(carbonmonoxide,CO)和铁,胆绿素随即被还原为胆红素。现已知HO有3种同工酶:HO-1、HO-2、HO-3。HO-1属诱导型,广泛分布于哺乳动物多种组织细胞中,可由多种刺激因子诱导表达,如氧化应激、缺血再灌注、重金属、细菌脂多糖、细胞因子和NO以及其底物血红素。近年来的研究认为,HO-1可能具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、信号传导和免疫调节以及抑制黏附分子表达活性等作用。     HO-1不仅可以在慢性炎症反应中抑制白细胞迁移,还可以在缺血再灌注区域促进VEGF诱导修复性血管的新生。HO-1与VEGF之间存在复杂的相互关系,首先VEGF的合成可以因HO-1的活性而改变,增加HO-1的活性可以提高VEGF的释放,在前列腺素J2(prostaglandinJ2,PGJ2),氯化血红素和缺氧环境下,HO-1受到抑制,将会减少VEGF的释放;其次VEGF能够增强HO-1的表达和活性,意味着两种因子间存在一种积极的反馈调节通路和内源性的扩增效应。     若HO-1缺乏,内皮细胞中p27表达将增加,细胞周期蛋白A1将会减少,细胞周期蛋白依赖激酶2的活性则会减弱。此外,HO-1的消耗会抑制VEGF诱导的钙蛋白活性和波形蛋白裂解,而当波形蛋白表达沉默的时候HO-1所介导的细胞增殖将会被减弱,两者相互影响,相互作用。因此,波形蛋白,细胞周期蛋白A1,E1是VEGF介导的血管新生过程中HO-1的下游分子靶标。除了上述主要的机制之外,HO-1还可以通过过表达来增强间充质干细胞在缺血再灌注区域诱导治疗性血管新生效应。     5.血管生成调节因子相互间的作用     血管内皮细胞、血管生长因子及细胞外基质是调节血管生成的3个重要因素。VEGF,ICAM-1和FGF是目前已知的对血管生成发挥关键作用的几种细胞因子。VEGF通过与血管内皮细胞表面特异性受体结合,促进血管内皮细胞分裂,增强血管通透性从而发挥促进血管生成的能力。但是亿万先生试验证明,单纯应用VEGF难以纠正大多数缺血类疾病的血流灌注量,如果使用剂量过大还可能会引起血管瘤状结构形成,组织细胞水肿等不利结果。     HGF和VEGF具有协同作用,通过增强内皮祖细胞的存活和生长,诱导其迁移至缺血区域,结合HGF抑制组织纤维化的能力,更有利于新生血管的形成。HO-1作为VEGF调节血管新生的下游靶标,两种细胞因子间存在积极的正反馈调节机制以及内源性扩增效应。血管生成过程中需要血管内皮细胞与细胞外基质间、内皮细胞与内皮细胞间及内皮细胞与其他周围细胞间的相互作用。这种作用是通过粘附因子完成的,ICAM-1在增生的血管内皮细胞上表达最强,其促进白细胞与内皮细胞之间的黏附以及基质金属蛋白酶通过降解基底膜糖蛋白和细胞外基质成分,启动了内皮细胞的激活和迁移,被认为是血管生成的始动因素。     G-CSF通过激活p38MAPK通路,显著增强位于缺血再灌注区域边界小动脉内皮细胞上ICAM-1的表达,有利于新生动脉的形成。FGF通过与靶细胞表面高亲和力酪氨酸激酶FGF受体结合,促进内皮细胞分泌纤维蛋白溶解酶活化剂,促进内皮细胞增殖和游走,进而形成管腔,管腔之间吻合形成血管网。FGF-2能够抑制缺氧所引起的HGF表达释放的减少,促进乳牙来源的牙髓干细胞分泌VEGF和HGF,从而增强其促血管新生的潜能。     IL-19通过诱发巨噬细胞极化,表达为M2巨噬细胞表型,增强VEGF-A在巨噬细胞中的表达,同时间接诱导促血管生成因子HGF大量生成。游离组织瓣移植成功的影响因素包括患者的全身情况、供区与受区局部条件以及术者等众多因素。在这些因素当中,组织缺血往往被认为是组织瓣移植后损伤的主要原因,如何尽快恢复正常血流灌注、促进血管形成,改善血运循环则成为当前提高组织瓣成活率的研究重点。当前对于缺血再灌注后促血管形成的亿万先生应用研究主要还是集中在心,脑,肾等组织器官领域,对于游离组织瓣缺血再灌注后相关方面的亿万先生研究还比较匮乏。如何结合其他重要脏器已经取得的亿万先生研究成果应用于组织瓣移植的促血管形成治疗,以及对于新发现的血管形成因子进一步机制的明确,相互间是否具有稳定的协同或抑制作用,如何将其运用于亿万先生等相信会是未来研究的主要方向。
编辑: 陆美凤

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