整合素αｖβ3在肿瘤血管生成中的作用
作者：黄云鹏 林建华 林志雄
【摘要】 整合素是一种重要的黏附分子，整合素αVβ3是整合素家族中的重要成员。作为内皮细胞与细胞外基质的桥梁，整合素αVβ3通过调节内皮细胞的黏附、迁移、增殖、凋亡等功能，在肿瘤血管生成的过程中发挥重要的作用。整合素αVβ3的单克隆抗体和拮抗剂能抑制肿瘤血管的生成，可能是一种肿瘤的新途径。
【关键词】 整合素αVβ3 肿瘤 血管生成
整合素(integrins)为细胞黏附分子家族的重要成员之一，是一组广泛分布于细胞表面的跨膜糖蛋白受体，主要介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质（extracellular matrix, ECM）之间的相互粘附,并介导细胞与ECM之间的双向信号传导,对细胞的粘附、增殖、分化、转移、凋亡起着重要的调控作用。最近研究表明整合素在肿瘤血管生成过程中发挥重要作用，其中整合素αVβ3的作用尤为重要。本文就αVβ3在肿瘤血管生成中的作用进行探讨。
1 整合素的基本结构和功能
整合素是由α和β亚基以非共价键结合而形成的跨膜异二聚体糖蛋白，迄今已发现18种不同的α亚单位和8种β亚单位，组成至少24种的整合素[1]。整合素识别配体是多种的ECM成分,如纤维黏连蛋白（fibronectin，FN），层黏连蛋白（laminin，LM），玻璃黏连蛋白（vitronectin，VN），血小板反应蛋白-1 (thrombospondin-1，TSP-1)和von Willebrand 因子（von Willebrand factor，vWF）等。大多数的整合素与ECM分子形成复合体后在细胞膜的表面积聚成簇，通过β亚基的胞浆部分将信号传给细胞骨架蛋白。这种由ECM蛋白、整合素和细胞骨架形成的灶性粘附(focal adhesion)是细胞粘附与ECM的基础，也是整合素介导信号传导的结构基础。这些信号途径包括Ras、FAK、Src、PI3激酶、MAP激酶、整合素连接激酶（integrin linked kinase, ILK）等激活，还可增加细胞内pＨ值、Ca2+水平和脂肌醇的合成。整合素通过信号传导影响细胞的增殖、基因转导、凋亡等生物学行为[2]。
2 αVβ3的结构和功能特点
αVβ3由αV亚基（CD51，150kD）和β3亚基（CD61，105kD）形成的跨膜异二聚体糖蛋白，又名VN受体。αVβ3能识别配体分子中的精-甘-天冬序列（arg-gly-asp，RGD）。这类配体包括FN、VN、TSP-1和vWF等。αVβ3可以表达于多种细胞类型，并与多细胞活动过程中的多种配体结合，参与肿瘤的血管生成，侵袭转移、炎症、伤口愈合和凝血等生理和病理过程。
3 αVβ3在血管内皮细胞上的表达特点
静息期的内皮细胞（endothelial cell，EC）表面αVβ3呈低水平表达，EC受到血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、白介素-8（interleukin-8, IL-8）和其他多种刺激因子的调控，研究表明在这些因子的作用下，EC的αVβ3表达上调[3]。
4 αVβ3在肿瘤血管生成中的机制
血管生成是一种复杂的，多步骤的过程，需要许多因子间的相互作用，这些作用需要以特定的时—空方式相互协调，目前至少有8种的整合素（α1β1、α2β1、α3β1、α6β1、α6β4、α5β1、αVβ3、αVβ5）参与肿瘤血管生成，其中αVβ3发挥着重要作用，其可能机制如下。
4.1 参与内皮细胞的激活和迁移
αVβ3能促进EC、肿瘤细胞分泌和诱导蛋白水解酶如金属基质蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)的激活。此外，αVβ3可同时粘附MMP和ECM，从而使MMP导向靶目标，通过MMP降解ECM成分为EC迁移提供便利。此外，MMP对ECM的降解可使以储存形式而无生物学活性的VEGF[4]从ECM中释放出来并具有生物活性，而后者是EC的特异性激活因子。因此认为αVβ3通过MMP参与了EC的激活和迁移。
4.2 介导内皮细胞增殖
激活后的EC增殖是微血管生成的一个重要步骤。整合素信号则能控制EC从Ｇ1期进入Ｓ期过程。EC的增殖需要通过整合素与生长因子（growth factor，GF）的紧密协同作用。整合素与生长因子能通过黏着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)等激活Ras和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase, ErK）。ErK控制CyclinD1和p21的表达进而控制EC从Ｇ1期进入Ｓ期。生长因子激活Erk作用强烈但短暂，不足以产生CyclinD1，而整合素介导Erk激活微弱，也不能刺激CyclinD1的表达。只有联合整合素和生长因子两种信号，才能产生适当的动力和Erk激活程度。整合素和生长因子协同作用影响ErK激活的分子机制具体还不太清楚,可能是这两种信号传导途径之间的部分重叠、相互影响、相互协调作用的结果。小鸟苷三磷酸（guanosine triphosphate, GTP）结合蛋白也参与整合素介导的细胞增殖。所以，αVβ3表达异常可使肿瘤细胞和EC持续增生[5]。
4.3 抑制内皮细胞凋亡
Boudreau等[6]研究发现：αVβ3与胞外配体结合后能抑制p53的生物学活性，降低细胞周期抑制剂p21WAF1/CIP1的表达，增加Bcl-2/Bax的比值，抑制EC的凋亡，从而促进了EC的存活，应用αVβ3的单克隆抗体后则可以引起EC凋亡。Scatena等[7]进一步研究发现，αVβ3与配体的结合激活了核因子Kappa B（NF κB）活性，从而抑制EC凋亡。以上结果提示：αVβ3可能是通过与胞外配体结合后向EC提供生存信号，抑制增殖细胞的凋亡，促进新生血管的生成。Bao W等[8]研究还发现整合素αV是维持MAPK激酶MEK1和Erk活性所必需的，而抑制MEK1活性会导致凋亡。αVβ3和VEGF在抗EC凋亡中存在协同作用。研究发现αVβ3、VEGF[9]能诱导EC的几种抗凋亡效应分子的表达，其中包括Bcl-2和Al、XIAP和survivin等抗凋亡家族成员。VEGF165，VEGF189还可以通过α3β1、αVβ3和其它αV而非同源性的VEGF受体介导的细胞的黏附而避免凋亡[10]。
4.4 参与bFGF诱导的血管生成
Naik MU等[11]研究发现在无bFGF作用时，无活性的连接黏附分子1/A(junctional adhesion molecule 1/A，JAM-1/A)位于静止EC细胞的连接处，并与αVβ3结合成一个复合物。bFGF可分解αVβ3与JAM-1/A形成的复合物，激活JAM-1/A与αVβ３并通过两者进行信号传导。通过抑制JAM-1/A或αVβ3信号可抑制bFGF诱导的血管生成，表明JAM-1/A和αVβ3的信号途径在bFGF诱导的血管生成是必不可少的。
4.５ 参与VEGF诱导的血管生成
Hall H等[12]研究发现L1Ig6是αVβ3的一种配体。基质结合的L1Ig6或VEGF-A165可刺激鸡绒(毛)膜尿囊膜（chicken chorioallantoic membranes, CAM）中αVβ3表达的上调，两者协同作用可进一步上调αVβ3的表达。De S等[13]研究发现表达VEGF/VEGFR-2的前列腺肿瘤细胞能激活起其表面的αVβ3和αVβ5（共存在）活性，从而使细胞转移并结合到骨组织内的富含半胱氨酸的酸性分泌形蛋白(secreted protein，acidic and rich in cysteine，SPARC)，刺激肿瘤生长和VEGF进一步的产生以支持血管生成，最终导致转移肿瘤细胞的顺利生长。Brown CK等[14]研究表明用抗VEGF抗体治疗神经胶质瘤可减少整合素αV族整合素、DNA-PK(CS)和共济失调毛细血管扩张基因（ataxia telangiectasia gene, ATG）的表达而增加细胞的凋亡。
激活FAK是许多整合素信号传导系统中最重要的一个过程，同时FAK也是生长因子受体介导磷酸化的一个靶点。因此，生长因子和整合素信号存在交叉联系。Iizuka M等[15]发现VEGF通过VEGFR-2诱导EC表达下游症候群选择区域-１（down syndrome critical region 1，DSCR1），而DSCR1通过与αVβ3相互作用来调节EC的粘附和迁移。α1β1，α2β1，αVβ3 或αVβ5促进VEGF激活p44/p42、MAPK信号途径，在血管的生成上出现功能重叠和协同作用[16]。Masson-Gadais等[17]发现VEGF可通过VEGFR-2和αVβ3将激活应力活化蛋白激酶-2/p38(stress-activated protein kinase-2/p38, SAPK2/p38)，FAK信号传导途径而调节EC迁移和灶状粘附。
Soldi R等[18]研究发现：αVβ3介导的EC与ECM之间的粘附对VEGFR-2的激活至关重要，αVβ3协同强化了VEGF-A165引起的VEGFR-2的磷酸化及促有丝分裂作用，参与了VEGF-A165对VEGFR-2的完全激活，从而促进血管的生成。Hall H等[１2]研究发现在αVβ3和VEGFR-2存在共同配体L1Ig6，即使在缺乏外源性VEGF-A165，L1Ig6仍可使VEGFR-2磷酸化，表明VEGFR-2和αVβ3存在着紧密的关系。
4.6 诱导环加氧酶的产生
αVβ3和配体的结合可诱导环加氧酶（cyclooxygenase，COX）和PG-12的产生。COX已经被证明在肿瘤形成和肿瘤周围的血管生长中起重要的作用。其中，COX-2是一种关键前列腺素合成酶。αVβ3和配体的结合通过多种信号途径促进COX-２的mRNA的合成和阻止溶酶体依赖性降解来保持COX-2在内皮细胞中的水平[19]。
5 αVβ3和肿瘤诊疗
整合素αVβ3受体在多种恶性肿瘤细胞表面和肿瘤组织新生血管内皮细胞膜高表达，而在成熟血管内皮细胞和绝大多数正常器官系统不表达，为设计含有RGD序列的αVβ3受体小分子拮抗肽修饰的选择性肿瘤靶向显像剂和αVβ3的单克隆抗体和拮抗剂肿瘤提供理论基础[20]。
5.1 αVβ3与选择性肿瘤靶向显像
含RGD序列的小分子多肽是肿瘤αVβ3受体强有力的拮抗剂，向多肽中引入不同的功能基团进行一定修饰，并用放射性核素125I，99Tcm，111In或18F 标记，因未改变这类多肽的空间结构，故并不影响标记配体与αVβ3受体结合的亲和力与选择性。这类多肽不仅是具有潜在临床应用价值的肿瘤受体靶向显像剂，而且为进一步开展实体肿瘤受体靶向核素治疗研究奠定了坚实的基础。
Sipkins等[21]在兔实验中应用表面脂双层分子被LM609修饰的包裹钆的脂粒体作为肿瘤受体靶向显像剂进行磁共振扫描（MRI），可显示在普通MRI扫描中无法显示的肿瘤血管生成的热点。正发射X线成像断层术(positron emission tomography，PET)是评估肿瘤血管生成的另一种有效方法。Haubner等[22]研究表明一种18F标记含RGD序列多肽作为PET检查的显像剂可在鼠αVβ3阳性的肿瘤中累积并呈剂量依赖性，能清晰辨别恶性组织和正常组织界限。
5.2 αVβ3和抗肿瘤治疗
由于αVβ3在血管生成中的重要作用，因此被作为靶点以抑制血管生成。抗αVβ3的单克隆抗体LM609[23]，在体内和体外实验中均能有效抑制血管生成，并能抑制肿瘤的增殖，有望成为抗肿瘤治疗的辅助药物。一种可用于人体的LM609，又名Vitaxin，已经进入Ⅰ期临床药物试验，初步的临床试验并未观察到抗肿瘤的疗效，这可能是因Vitaxin毒性极小，试验没有得出药物的最大耐受量而无法确定药物的最佳剂量，所以观察不到抗肿瘤的临床疗效[24]。
ECM分子中的RGD序列，是多种整合素与配体结合的位点。环状RGD(cRGD)能封闭此结合点，从而抑制多种整合素包括αVβ3和αVβ5整合素的功能。在体外实验中，cRGD的作用较LM609更强。甲基化cRGD能选择性抑制αVβ3整合素与FN的结合，其抑制肿瘤血管生成的疗效更加明确。αVβ3、αVβ5整合素的抑制剂Cilengitide是一种低分子多肽，在联合放射治疗等其他疗法能增加EC和肿瘤细胞的凋亡[25]。
6 小 结
肿瘤的生长、侵袭和转移的过程始终贯穿着血管的生成。作为EC和ECM的桥梁，αVβ3在肿瘤血管的生成过程中起着重要的作用。αVβ3作为靶点以抑制肿瘤血管生成具有潜在应用效果。然而有研究[25]表明单独地抑制αVβ3并不足以抑制肿瘤新生血管的形成。另有研究[25]表明αVβ3和αVβ5缺陷能促进大鼠的肿瘤血管生长，而不与配体结合的αVβ3能促进细胞凋亡。这说明αVβ3在调节肿瘤血管生成中存在正相和反相作用，是通过特定的平衡微环境的各种错综复杂因素来实现的。未来的研究重点应是弄清αVβ3的基因调控、表达，在不同微环境下的作用机制及其与其他促血管生成因子的协作关系，为临床抑制肿瘤血管生成提供理论基础。
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