肿瘤血管生成、流体动力学及物质转运改变的研究进展

赵振江 孙峰 崔建岭

迄今为止，通过实验方法对肿瘤血管生成、流体动力学及物质转运改变的病理生理机制研究都有了较大的进展。了解这些对显示肿瘤特征的影像学研究及诊断有较大意义。

1 肿瘤血管生成

20世纪70年代初，Forkman提出肿瘤的生长需要丰富的血液供应，并把肿瘤生长分为非血管期及血管期两个阶段［1］。在非血管化的肿瘤细胞增殖初期，由于不伴随血管的增殖，因而往往导致肿瘤局部继发性缺氧。因此，缺氧被认为是肿瘤血管生成的始动因素［2］。

1.1 肿瘤血管的生成非常复杂 国内外报道肿瘤血管生成方式主要有内皮依赖性血管、血管生成拟态、马赛克血管、成血管细胞募集以及共同选择这几种。

1.1.1 内皮依赖性血管(endodermis dependent vessel):包括出芽式和套入式血管生成。出芽式血管生成(sprouting angiogenesis，SA)指肿瘤血管起源于宿主原有血管的内皮细胞，通过出芽的方式形成新的肿瘤性毛细血管。其特点是局部血管舒张、通透性升高、内皮细胞增殖，基质在肿瘤血管外侧，内皮细胞沉积在血管内侧，因内皮细胞间有较大的窗口，使得红细胞易从血管内漏到肿瘤之间，管道内常有微血栓，肿瘤常有中心坏死。在体内启动SA是个较为迟缓的过程［2］。

套入式血管生成(intussusceptive angiogenesis，IA)是通过宿主原有或已形成的肿瘤内的毛细血管柱状结构插入肿瘤内已有血管的内腔，导致原有血管腔的分割和新生血管的形成。这种方式是通过在已有的血管管腔内形成大量的跨血管组织微柱使毛细血管在自身基础上扩张，这一过程在几小时甚至几分钟内就会出现［3］。IA形成血管的速度比SA更快，无需内皮细胞的增殖，因此人体中大多数肿瘤通过套入式血管生成方式快速形成血管［4］。

1.1.2 血管生成拟态(vasculogenic mimicry，VM):肿瘤细胞通过自身变形和与细胞外基质相互作用，模拟血管壁结构形成可输送血液的管道系统，并且可与宿主血管相连通使肿瘤获得血液供应，从而重构肿瘤的微循环。VM的肿瘤特点是:恶性度高、生长迅速、转移率高、易发生血道转移，这些可能与血管无内皮细胞衬覆，肿瘤直接与血液接触有关。最近研究发现VM结构只是一种暂时性的血液供应模式，在内皮依赖性血管长入肿瘤内部之前代替其行使血液供应功能［5］。

1.1.3 马赛克血管(mosaic blood vessels，MBV):MBV是由瘤细胞和血管内皮细胞相间排列在肿瘤血管壁上，共同围成肿瘤的血管腔，肿瘤细胞嵌入肿瘤的血管壁，以便活化的自然杀伤细胞穿透并进入肿瘤组织内部。张诗武等［6］通过实验推测，MBV可能是血管生成拟态和内皮依赖性血管之间的一种过渡形式，由肿瘤细胞构成的血管生成拟态随着肿瘤组织中内皮细胞的不断分裂增殖，部分肿瘤细胞逐渐被内皮细胞所代替形成MBV。

1.1.4 成血管细胞募集(angioblasts recruitment):是指肿瘤组织分泌的促血管生成因子动员骨髓中的循环内皮前体细胞(circulating endothelial precursors，CEPs)，引导它们到达肿瘤局部直接参与肿瘤血管的形成。CEPs的激活及聚集依赖于促血管生成因子-A(VEGF-A)和(或)促血管生成素1(Ang1)的作用，在循环中依赖于金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinases，MMP-9)诱导的可溶性配体的释放［7］。

1.1.5 共同选择(cooption):是肿瘤细胞以套袖的形式围绕在肿瘤血管周围，促进肿瘤血管的生成。被肿瘤细胞包绕的血管内皮细胞能够合成Ang2和它的受体Tie2。Ang2结合Tie2后活化，能够促使血管内皮细胞凋亡，使肿瘤血管数量大规模减少，并使肿瘤内血管直径增大。肿瘤内血管数量减少导致肿瘤缺氧，使得肿瘤细胞VEGF-A的表达上调，最终肿瘤周围就会有显著地血管生成［8］。

1.2 肿瘤血管结构及功能的异质性 人体内正常小动脉的管径由大变小，管壁逐渐变薄。较大的小动脉有完整的三层膜:内皮细胞、薄层纤维组织及少量弹性纤维构成的内膜;平滑肌、弹性纤维和胶原纤维组成的中膜;结缔组织构成的外膜。较小的小动脉，内皮外只有一层平滑肌和少量的结缔组织;最小的动脉为接近毛细血管的动脉，管壁有环形的平滑肌，舒缩时可以改变血管口径，对血压及血流量有重要的调节作用。小静脉的管壁也分为内膜、中膜和外膜三层。内膜由内皮和内皮下层构成，比动脉内膜薄;中膜也比动脉中膜薄，仅有2～3层平滑肌;外膜由结缔组织构成，含有血管和神经。人体中成熟的毛细血管结构包括以下几个部分:(1)由内皮细胞围成的血管管腔;(2)管腔外完整的基膜;(3)基膜外的周细胞(pericyte)，又称为Rouget细胞或壁细胞;(4)毛细血管相互连接构成的网络结构。

肿瘤新生血管分为:(1)不成熟的无血流灌注的内皮细胞芽;(2)无周细胞及内皮细胞环绕的小的灌注血管;(3)有周细胞环绕的成熟血管［9］。肿瘤血管大多管径不规则且分支异常，绝大多数是较幼稚的血管或血管芽，参与肿瘤血供的灌注血管(即功能性毛细血管)很少，很难划分为小动脉、毛细血管或小静脉。肿瘤血管多呈窦状、粗细不均、分支紊乱、走形迂曲、管腔不规则，且管壁薄，部分血管缺乏周细胞，内皮细胞间连接松散，盲端与动静脉吻合［10］。肿瘤很少侵及宿主的动脉、小动脉及平滑肌细胞，而是围绕在它们及神经器的周围。故宿主原有结构可对刺激起反应，但新形成的肿瘤血管缺乏平滑肌细胞，不能对刺激起反应。因此，肿瘤血管对刺激的反应依赖于宿主血管与新生血管的比例，这个比例对同种肿瘤的不同部位或不同时间或不同的肿瘤都是不同的［11］。

内皮细胞是血液和组织的屏障，允许水及小分子物质的交换，调节组织与血液的物质交换;是前列腺素(PGI2)的主要合成场所，而PGI2是最强的血小板聚集抑制因子，所以内皮细胞具有抗血栓功能，平衡抗血液凝固纤溶系统和抗血小板机能，维持血液的流动;内皮细胞还能抑制血管周细胞的游走及增殖。

周细胞是一种多能细胞，有多种与收缩有关的蛋白质，可调节血管周径和曲度，从而调节微循环的灌流量。周细胞和内皮细胞一起构成了微血管和组织间隙的屏障，是维持内环境稳定的重要因素。周细胞和内皮细胞相互作用参与血管形成和创伤愈合，还能和基底膜阻止大分子物质和血内物质的外渗。

绝大多数肿瘤血管都有内皮细胞，但排列松散，形态不规则，细胞表面有许多窗孔，而正常情况下，只有内分泌腺的血管内皮细胞有这种结构。大多数肿瘤血管内皮细胞周围的周细胞与内皮细胞结合松弛，数量有限，对局部代谢改变不能做出准确的血管反应性调节，不能使血管保持相对静止而稳定的状态，导致肿瘤血管内皮细胞始终保持增殖活跃状态［12］。血管基底膜覆盖绝大部分肿瘤血管，但与内皮细胞及周细胞仅松散结合，且包含多层结构，这些过多的基底膜结构反映了肿瘤血管不断重塑的过程。所以尽管肿瘤新生血管的数目增多，但不能形成正常的单层结构，因此肿瘤血管通透性增加并且不具备正常的屏障功能［13］。肿瘤血管结构异常并不意味着所有的肿瘤血管都有构成血管的细胞成分的缺乏，相反却常有过量的内皮细胞和周细胞参与构建一部分肿瘤血管［12］。但过量的内皮细胞及异常的周细胞可导致扭曲、扩张甚至囊性的血管形成，造成血管结构混乱，通透性增加;此外，由于肿瘤细胞的挤压，血流阻力增加，引起血液供应减少。由于肿瘤细胞与内皮细胞等氧耗的增加以及伴随的氧供减少，导致肿瘤内部乏氧［14］。

肿瘤细胞和肿瘤血管的生成是一个不能自我调控的无休止的恶性循环过程。肿瘤细胞的增殖造成肿瘤局部缺血缺氧，缺氧促使肿瘤血管生成，新形成的血管改善了肿瘤细胞的血氧供应，但由于肿瘤细胞无限增殖的特性，新形成的血管进一步促进了肿瘤的增殖而造成新的缺氧。

2 肿瘤血管内的流体动力学改变

肿瘤的生长所需的营养成分靠肿瘤内毛细血管床供给，但因为很多毛细血管床都是有缺陷的，所以会导致肿瘤缺氧或坏死出现［2］。较大的病变(直径＞10 cm)即便为良性，由于可获得的血液供应有限，中心部分也常常发生坏死［15］。肿瘤边缘由于血供丰富，新生血管周围的肿瘤细胞增殖最为明显，但肿瘤组织中心的细胞往往增殖缓慢甚至发生缺血坏死［2］。在恶性肿瘤，这种血管分布的规律性更加明显，恶性肿瘤边缘区域的血管化程度有高于中心区域的趋势［15，16］。在恶性肿瘤边缘区域，肿瘤血管生成因子的作用和宿主小静脉参与构成肿瘤血管这两方面的因素造成高度血管化、高血流灌注。恶性肿瘤中心区域造成血管化和血流灌注率低的因素为:(1)肿瘤血管自身的缺陷:主要包括毛细血管内皮细胞缺乏或不完整、外皮细胞缺乏、小动脉缺乏平滑肌细胞支架等，容易导致血管壁的塌陷。(2)肿瘤中心间质内压增高:由于肿瘤血管的高通透性，水的渗出增加，而又缺乏有效的淋巴回流，导致间质内压增高，肿瘤的血管内压由肿瘤表面至深部逐渐降低，以致在深部难以建立有效的微循环血压［15］。良性肿瘤由于生长缓慢，中心区域坏死较少，灌注较好，所以这种中心-边缘血流灌注差异较小。

肿瘤组织比正常组织有更高的间质液压(interstitial fluid pressure，IFP)和流速，高的大分子间质扩散系数［16］。

肿瘤组织的高间质液压与额外的液体滤过和液体在间质中的逐渐聚集相关，还与肿瘤的低血流量相关。Roh等［17］认为肿瘤间质高压还与肿瘤大小、良恶性、细胞分化及肿瘤的细胞起源相关，肿瘤越大，恶性者间质压高。

组织的血流速度与动静脉压力差成正比，与血管阻力及血液粘度成反比。(1)动脉侧微血管压在肿瘤及非肿瘤血管系统中相当，肿瘤组织小动脉中的血管压显著低于非肿瘤组织的，静脉侧微血管压肿瘤低于非肿瘤组织，导致肿瘤微血管压低于非肿瘤组织。(2)血管网的血管阻力是各种不同类型血管数量、分支类型、长度直径以及血管形态等多方面复杂功能集合的表现。血管阻力与血管长度成正比，与血管直径的四次方成反比。有学者认为:①在一定的动脉压下，肿瘤的血管阻力高于正常组织;②正常组织中，从主动脉到外周动脉，血压由高到低，血压降落的幅度与血管的血流阻力呈正比。而在肿瘤中，血管阻力是随着肿瘤的增大及动脉压力的下降而升高的。(3)血液粘度在大血管(＞500μm)中与血细胞比容呈正比，与流速梯度呈反比。给予低PH值、高温及高血糖等刺激均可以增加红细胞硬度，且癌细胞比红细胞硬度更高，所以均可以增加血液粘度而引起血液短暂淤滞。Wike-Hooley等［18］研究表明肿瘤间质的PH值低于正常组织，是因为肿瘤组织产生质子的速度高于正常组织65%～100%。

3 物质转运的改变

毛细血管及静脉的大表面积及结构是物质交换的理想场所。组织的分子弥散系数与组织细胞间隙、糖胺聚糖含量、分子的大小、形态、所带电荷及它所结合的分子相关。

肿瘤的物质转运不同于正常组织。(1)正常组织的细胞间质是由血管壁和细胞膜分别构成两侧壁，而在肿瘤中这些结构被破坏或缺失。因此肿瘤的细胞间隙明显大于相同起源的正常组织，在肿瘤中就有更多的空间进行物质转运，这样就相对降低了对分子转运的抑制。(2)转运分子越小越易扩散，所以在稳定状态下，大多数小分子物质对溶质渗透压梯度影响不大。因正常组织对物质转运的抵制强于肿瘤，故而大分子物质在肿瘤中更易扩散。

尽管不同的肿瘤其血管生成方式不同，但均是肿瘤细胞通过筛选及一定的病理生理改变从而获得了一种适应机体内环境的生成方式。肿瘤血管的这些结构及功能的特异性、病理生理改变均为影像学研究及鉴别诊断肿瘤提供了一定的理论基础。而且肿瘤检测的有效性和治疗都与肿瘤血管内外物质转运相关。近年来，影像学无创性探测肿瘤血管的方式也越来越多，可检测肿瘤血管密度、血流量、血容量、渗透性等参数。但是各种方法还有很多的不足，我们需要大量的重复实验来增加我们的经验，希望能够得到更多的数据，定量参数，从而为临床诊断及治疗肿瘤提供更多的帮助。

1 Folkman J，Merler E，Abernathy C，et al.Isolation of a tumor factor responsible for angiogenesis.JExp Med，1971，133:275-288.

2 詹启敏主编.分子肿瘤学.第1版.北京:人民卫生出版社，2005.474-491.

3 Rafii S，Lyden D，Benezra R，et al.Vascular and haematopoietic stem cells:novel targets for anti-angiogenesis therapy?Nat Rev Cancer，2002，2:826-835.

4 Patan S，Munn LL，Tanda S，et al.Vascular Morphogenesis and Remodeling in a Model of Tissue Repair blood vessel formation and growth in the ovarian pedicle after ovariectomy.Circulation Res，2001，89:645-657.

5 张凡，孙保存，赵秀兰等.小鼠黑色素瘤移植瘤中血管生成拟态的时空变化.河北北方学院学报(医学版)，2005，22:37-42.

6 张诗武，郭华，张丹芳，等.黑色素瘤组织内三种血液供应模式时间关系的初步探讨.中国肿瘤临床，2007，34:96-99.

7 Caduff JH，Fischer LC，Burri PH.Scanning electron microscope study of the developing microvasculature in the postnatal rat lung.Anat Rec，1986，216:154-164.

8 Holash J，Maisonpierre PC，Compton D，etal.Vessel cooption，regression，and growth in tumorsmediated by angiopoietins and VEGF.Science，1999，284(5422):1994-1998.

9 Gee MS，Procopio WN，Makonnen S，et al.Tumor Vessel Development and Maturation Impose Limits on the Effectiveness of Anti-Vascular Therapy.Am JPathol，2003，62:183-193.

10 Verheul HM，Voestl EE，Schlingemann RO.Are tumour angiogenesisdependent?JPathol，2004，202:5-13.

11 Guuino PM，Grantham FH，Smith SH，Haggerty AC.Modifications of the acid-base status of the internalmilieu of tumors.J Natl Cancer Inst，1965，34:857-869.

12 McDonald DM，E.Foss AJ.Endothelial cells of tumor vessels:abnormal but not absent.Cancer and Metastasis Rev，2000，19:109-120.

13 Baluk P，Morikawa S，Haskell A，etal.Abnormalities of BasementMembrane on Blood Vessels and Endothelial Sprouts in Tumors.Am J Pathol，2003，163:1801-1815.

14 Jain RK.Normalizing tumor vasculature with anti-angiogenic therapy:A new paradigm for combination therapy.NatMed，2001，7:987-989.

15 Ma LD，Frassica FJ，McCarthy EF，etal.Benign andmalignantmusculoskeletalmasses:MR imaging differentiation with rim-to-center differential enhancement ratios.Radiology，1997，202:739-744.

16 Jain RK，et al.Transport of Molecules in the Tumor Interstitium:A Review.Cancer Res，1987，47:3039-3051.

17 Roh HD，Boucher Y，Kainicki S，Buchsbaum R，BloomerWD，Jain RK.Interstitial hypertension in carcinoma of uterine cervix in patients:possible correlation with tumor oxygenation and radiation response.Cancer Res，1991，51:6695-6698.

18 Wike-Hooley JL，Haveman J，Reinhold HS.The relevance of tumor pH to the treatment of malignant disease.Radiother Oncol，1984，2:343-366.