Кровеносные сосуды возникают в ходе эволюции, чтобы доставлять кислород к удаленным органам. Не удивительно, что эти сосуды являются критическими для роста органов у эмбрионов и для репарации поврежденных тканей у взрослых. Но дисбаланс в росте кровеносных сосудов вносит вклад в патогенез многочисленных болезней.

Здесь будут рассмотрены некоторые ключевые механизмы ангиогенеза и благоприятные возможности для развития новых терапевтических стратегий, направленных на этот процесс, чтобы минимизировать побочные эффекты от таких воздействий.

У примитивных животных, таких как червь Caenorhabditis elegans и плодовая мушка Drosophila melanogaster, кислород способен диффундировать через из небольшие тела ко всем клеткам. У др. видов, которые эволюционно более поздние и достигают более крупных размеров, кислород поставляется кровью через сосудистую к удаленным клеткам. Только в 1628 William Harvey открыл, что сердце качает кровь в артерии всего тела и что вены возвращают кровь обратно в сердце. В 1661, Marcello Malphighi идентифицировал капилляры как мельчайшие сосуды, соединяющие артерии и вены (Рис. 1a). Примерно в то же время, Caspar Aselius открывает др. тип сосудов, лимфатические сосуды. Благодаря кровяному давлению плазма крови постоянно выходит из капилляров, а лимфатические сосуды возвращают эту жидкость обратно в кровообращение. Хотя кровеносные сосуды возникают очень рано в ходе эволюции, лимфатические сосуды присутствуют, начиная с амфибий¹ (Рис. 1b).

У эмбрионов кровеносные сосуды снабжают растущие органы необходимым для развития кислородом. Помимо своей питательной функции сосуды также предоставляют инструктивные трофические сигналы, чтобы способствовать морфогенезу органов (см. rev Coultas, Chawengsaksophak and Rossant in this issue, p. 937). Кровеносные сосуды возникают из эндотелиальных предшественников, которые имеют общий источник с гематопоэтическими предшественниками. Эта тесная связь между кровью и кровеносными сосудами остаётся важной для ангиогенеза в течение всей жизни и даже при болезнях. Эти предшественники собираются в примитивный сосудистыый лабиринт из небольших капилляров - процесс, известный как васкулогенез (Рис. 1c). Интересно, что уже на этой стадии капилляры приобретают или артериальную или венозную судьбу, указывая тем самым, что спецификация сосудистых клеток генетически запрограммирована, а не предопределяется только гемодинамическими силами (см p. 937).

Во время фазы ангиогенеза, сосудистые сплетения прогрессивно разрастаются за счёт пускания ростков (sprouting) и ремоделируются в высоко организованную и стереотипированную сосудистую сеть из крупных сосудов, разветвляющиеся на более мелкие (Рис. 1c). Возникающие из endothelial-cell (EC) каналы покрываются перицитами (pericytes (PCs)) и smooth muscle cells (SMCs), которые обеспечивают прочность и делают возможной регуляцию перфузии через сосуды, процесс называемый артериогенезом. Alitalo, Tammela and Petrova (p. 946), показали. что лимфатическая система развивается по-другому, большинство лимфатических сосудов образуется из вен.

В последнее время получена информация о ключевых механизмах и молекулярных участниках, которые регулируют рост кровеносных сосудов (ангиогенез) или лимфатических сосудов (лимфангиогенез) у эмбрионов ( p. 937 и p. 946). Напр., члены семейства Notch управляют программами артериальных генов, тогда как орфановый рецептор COUP-TFII регулирует спецификацию вен. Гомеобоксный ген Prox-1, напротив, является мастером переключения на предопределение лимфатической судьбы. VEGF и его гомолог VEGF-C являются ключевыми регуляторами прорастания (sprouting) сосудистых и лимфатических EC, соотв., тогда как platelet-derived growth factor (PDGF)-BB and angiopoietin-1 привлекают к эндотелиальным каналам муральные клетки. Образование сосудов является сложным процессом, регулируемым тонко настроенным балансом между многочисленными стимулирующими и ингибирующими сигналами, такими как integrins, angiopoietins, chemokines, junctional молекулы, сенсоры кислорода, эндогенные ингибиторы и многие др. ². Очень важным явилось открытие связей между сосудами и нервами и в частности, как аксон-наводящие сигналы, такие как Ephrins, Semaphorins, Netrins и Slits позволяют сосудам достигать своих мишеней или контролируют морфогенез сосудов³. Ангиогенные сигналы также ведут аксоны и влияют на нейроны в норме и при болезни (p. 954).

После рождения ангиогенез всё ещё вносит вклад в рост органов, во время взрослого периода большинство кровеносных сосудов являются молчащими, а ангиогенез происходит только во время циклических изменений в яичниках и в плаценте во время беременности. Однако, ECs сохраняют свою замечательную способность быстро делиться в ответ на физиологические стимулы, такие как гипоксия для кровеносных сосудов и воспаление для лимфатических сосудов² (p. 946). Как таковой, (lymph)angiogenesis реактивируется и во время заживления ран и репарации. Но при многих нарушениях эти стимулы становятся избыточными и баланс между стимулирующими и ингибирующими сигналами сдвигается, приводя в результате к (lymph)angiogenic сдвигу. Наиболее известными состояниями, при которых происходит сдвиг в ангиогенезе, являются злокачественные, глазные и воспалительные нарушения, но вовлекаются и многие др. дополнительные процессы, такие как ожирение, астма, диабет, цирроз, множественный склероз, эндометриоз, СПИД, бактериальные инфекции и аутоиммунные заболевания (полный список см. Supplementary Table 1). Существует также тесная связь между ангиогенезом, нейральными стволовыми клетками и обучением.

При др. заболеваниях, таких как, ишемическая болезнь сердца или preeclampsia, ангиогенного переключения недостаточно, возникает дисфункция EC, пороки сосудов или регрессия сосудов или не происходит ре-васкуляризации, заживления и регенерации (полный список см Supplementary Table 2). Помимо своей активности в сосудах, VEGF является также трофическим для нервных клеток, эпителиальных клеток лёгких и сердечных мышечных волокон, эт о объясняет, почему недостаточные уровни VEGF вносят вклад в нейродегенерацию⁴, респираторное истощение (distress) и возможно сердечную недостаточность (Supplementary Table 2). Нарушения ангиогенеза участвуют в более чем 70 подобных нарушениях и этот список постоянно растет. Gariano and Gardner, и Ferrara and Kerbel обсуждают ключевые сигналы (lymph)angiogenesis в патологических состояниях (см pp. 960 и 967. См. также p. 946). Интересно, что некоторые молекулы, такие как PlGF (гомолог VEGF), играют роль в ангиогенезе при заболеваниях без нарушения молчащих сосудов в здоровых органах, что делает их привлекательными терапевтическими мишенями для разработки надежных анти-ангиогенных лекарств⁵.

В последнее время предпринимаются серьезные усилия в разработке терапевтических стратегий для ре-васкуляризации ишемических тканей или для ингибирования ангиогенеза при раке, болезнях глаз, суставов и кожи. К сожалению, клинические испытания про-ангиогенного потенциала VEGF или fibroblast growth factor (FGF) не дают ожидаемых результатов⁶. Хотя часть этих неудач приписывается субоптимальности стратегий доставки, однако продолжительное стимулирование роста и функциональность сосудов являются наиболее значительным препятствием, чем это представлялось ранее. Новые стратегии, связанные с трансплантацией клеток, происходящих из костного мозга или введение молекул, способных стимулировать рост не только дистальных капилляров, но и проксимальных коллатеральных проводящих сосудов, могут быть затребованы в будущем⁶. Стимулирование лимфангиогенеза также выступает в качестве нового лечения лимфоотеков (см p. 946).

Ангиогенез не инициирует злокачественного роста, но способствует росту опухолей и метастазированию. В отличие от опухолевых клеток, ECs были геномно стабильны и первоначально рассматривались как идеальные терапевтические мишени, которые не становятся устойчивыми к анти-ангиогенной терапии. Большие усилия были направлены на разработку анти-ангиогенных агентов, которые нацелены преимущественно на ECs (rev. Jain и др.⁷), они завершились клиническим использованием первых двух одобренных FDA антагонистов VEGF при глазных и злокачественных заболеваниях и обсуждением условий для ингибирования лимфангиогенеза при раке. Недавние клинические испытания ингибиторов VEGF выявили ряд важных, но неожиданных обстоятельств и поставили различные вопросы. Во-первых, anti-VEGF антитела Avastin (Genentech) обеспечивали только общее улучшение жизнеспособности коллатералей у пациентов с раком colorectal, груди и лёгких при комбинировании с обычной химиотерапией. Всё ещё неясно, почему anti-VEGF монотерапия неэффективна у людей, тогда как эффективна у грызунов. Во-вторых, монотерапия многоцелевыми receptor tyrosine kinase inhibitors (RTKIs) Sorafenib (Bayer and Onyx) или Sutent (Pfizer), которые нацелены на ECs, а также на рак и возможно на стромальные и гематопоэтические клетки, демонстрирует клинический успех при определенных раковых опухолях. Это указывает ли на то, что в будущем анти-ангиогенные стратегии д.быть нацелены как на ECs, так и на non-EC типы клеток? В-третьих, несмотря на свою способность блокировать все три VEGF рецепторы, Vatalanib (Novartis и Schering AG) не создают существенных преимуществ для обычной химиотерапии. Как может объяснить это отличие от Avastin? В-четвертых, несмотря на многообещающие успехи, раковые больные, получающие одиночный класс ангиогенных ингибиторов, даже в комбинации с химиотерапией, всё-таки погибают. Говорит ли это о том, что анти-ангиогенная стратегия неэффективна или что возникает резистентность, и если этот так, то как от неё избавиться? Возможно ли получение реальных биомаркеров для мониторинга эффективности анти-ангиогенной терапии⁷ (p. 967)? В-пятых, описаны побочные эффекты. Каковы молекулярные механизмы этих эффектов? Необходимо рассматривать комплементарные терапевтические стратегии, которые нацелены на др. ангиогенные факторы или мишени в комбинации с др. не-EC типами, которые косвенно влияют на ангиогенез (Box 1). Кроме того, необходимо подчеркнуть возможные механизмы побочных эффектов и резистентности к анти-ангиогенной терапии (Box 2).

Хорошо известными анти-ангиогенными агентами этого класса являются ингибиторы VEGF. Наиболее успешными в клинике являются антитела анти-VEGF Avastin, VEGF165 aptamer (Macugen, Eyetech) и различные RTKIs, которые разрушают VEGFRs и др. рецепторы (see p. 967 и ref. 7). Дополнительные соединения, разрушающие членов семейства VEGF, находятся в разработке, включая VEGF trap (Regeneron) и антитела против VEGFR-2 или VEGFR-1 (Imclone) и против VEGFR-1 лиганда PlGF (Thrombogenics Ltd and BioInvent International). Этот класс анти-ангиогенных агентов не только останавливает пролиферацию EC и предупреждает рост сосудов, но и индуцирует регрессию существующих сосудов за cxrn повышения гибели EC (Box 1). Незрелые сосуды, лишенные перицитов, наиболее чувствительны. Кроме того, ингибиторы VEGF супрессируют мобилизацию endothelial progenitor cells (EPCs) из костного мозга. Anti-VEGF улучшает также доставку цитотоксических лекарств путем нормализации хаотического паттерна и аномальной архитектуры опухолевых сосудов и редуцирования сосудистой проницаемости и интерстициального давления жидкости, это объясняет, почему эти антитела действуют как химиосенсибилизаторы и усиливают эффективность химиотерапии⁸. Помимо этой anti-EC активности VEGF ингибиторы являются также цитотоксическими для некоторых злокачественных клеток, активиаруют противо-опухолвую иммунную атаку и супрессируют про-ангиогенную активность гематопоэтических клеток (Box 1). Химиотерапевтические агенты, которые нацелены на делящиеся клетки, также могут ингибировать рост EC, когда вводятся в metronomic режиме (т.е. непрерывными малыми дозами)^{7, 9} (см p. 967).

Дополнительные анти-ангиогенные агенты проходят тестирование. Однако, потенциал комбинирования VEGF антагонистов с др. ингибиторами определенных ангиогенных мишеней остается в основном не изученным в клинике, несмотря на появляющиеся доказательства, что многие из более ангиогенных факторов помимо VEGF вносят вклад в подключение ангиогенеза в опухолях, особенно на стадиях усиленного роста. Такая анти-ангиогенная комбинированная терапия может довольно сильно увеличивать эффективность и понижать резистентность к ингибированию ангиогенеза.

Сосуды в опухолях, покрыты перицитами¹⁰. Эти муральные клетки дифференцируются из пула c-Kit⁺Sca-1⁺VEGFR-1⁺ периваскулярных клеток предшественников, которые мобилизируются из костного мозга в ответ на PDGF-BB¹¹. С помощью локального высвобождения VEGF (фактора жизнеспособности EC) и angiopoietin-1 (который скрепляет сосуды посредством матрикса и межклеточных контактов) эти муральные клетки способствуют стабилизации сосудов. При избыточной экспрессии PDGFs опухолевые сосуды покрывает большее количество перицитов и опухолевый рост ускоряется¹⁰. Напротив, когда ингибируется передача сигналов PDGFRβ, то рекрутируется мало перицитов и опухолевые сосуды расширяются и в них усиливается апоптоз. Комбинированное воздействие RTKIs, разрушающих VEGFRs и PDGFRβ, усиливает анти-ангиогенный эффект, даже часто на поздней трудноизлечимой стадии плотных опухолей¹². Ингибиторы PDGRβ дестабилизируют также крупные, покрытые SMC сосуды, которые обеспечивают основную массу кровоснабжения опухолей и делают их чувствительными к EC-специфическим ингибиторам (Box 1).

В 1889 Paget предположил, что 'семена' опухолевых клеток образуют метастатические отложения только, если они оказываются на соотв. 'почве'. Реактивная опухолевая строма является не просто невинным свидетелем, но активным вкладчиком в прогрессирования опухоли. В отличие от нормальной ткани, опухолевая строма содержит воспалительные инфильтраты, повышенную плотность микрососудов и нефункционирующие лимфатические сосуды, отличающийся и более плотный внеклеточный матрикс (ECM) и carcinoma-activated fibroblasts (CAFs). CAFs ускоряют опухолевый рост и могут усиливать их злокачественность; они также затрагивают опухолевую васкулатуры многими способами. В самом деле, CAFs экспрессируют PDGFRβ и рекрутируют в опухоли пролиферативные и высвобождаемые ангиогенные факторы, такие как VEGF и PlGF в ответ на PDGF-BB¹⁰. Кроме того, супрессируя ангиогенез, антагонисты PDGF-BB понижают давление интерстициальной жидковсти и улучшают доставку лекарств посредством опухолевой сосудистой сети (Box 1). Хотя точные причины in vivo остаются дискуссионными, но CAFs оказывают давление на сети микрофибрилл in vitro и если они стимулируются с помощью PDGF-BB, то контрактируют интерстициальный м атрикс, сжимая тем самым опухолевые сосуды¹³. Стромальные фибробласты рекрутируют также EPCs путем высвобождения stromal-cell-derived factor 1α (SDF-1α)¹⁴. Ингибирование этого chemokine ингибирует также опухолевый рост (Box 1). Остаются без ответа вопросы, может ли строма делать также ECs резистентными к химиотерапевтическим агентам посредством cell-adhesion-mediated drug resistance (CAM-DR)¹⁵ и могут ли стромальные клетки создавать ниши для раковых (или эндотелиальных) стволовых клеток.

В 1863, Virchow постулировал, что воспаление стимулирует прогрессирование рака. Опухолевые клетки продуцируют различные цитокины и хемокины, которые привлекают макрофагов, дендритные клетки, поддерживающие (mast) клетки, T клетки и гематопоэтические предшественники. Продуцируемые опухолями VEGF и PlGF также рекрутируют и стимулирую выживание некоторых из этих клеток. Помимо этого, высвобождаемые митогенные и survival факторы для опухолевых и стромальных клеток, стимулирующие повреждения ДНК, облегчающие инвазию посредством моделирования ECM и ускользающие от хозяйской защиты воспалительные клетки стимулируют (lymph)angiogenesis в опухолях¹⁶ (Box 1). Напр., tumour-associated macrophages (TAMs) накапливаются в гипоксичных областях опухоли и продуцируют (lymph)angiogenic факторы, такие как VEGF, VEGF-и VEGF-D. Tie2-expressing monocytes (TEMs), mast клетки и тромбоциты также высвобождают про-ангиогеннные факторы¹⁷. Некоторые, привлекающие лейкоциты хемокины, такие как IL-8 непосредственно стимулируют рост EC; ингибирование этих хемокинов задерживает рост опухолей. Блокирование сигналов, которые способствуют инфильтрации и жизнеспособности лейкоцитов, ингибирует ангиогенез в опухолях.

У эмбрионов haematopoietic stem cells (HSCs) мигрируют в безсосудистые области и привлекают врастание ECs путем высвобождения ангиогенных факторов, таких как angiopoietin-1 (ref. 18). У взрослых происходящие из костного мозга гематопоэтические клетки, экспрессирующие маркеры, такие как Sca-1, c-Kit, CXCR4 и/или VEGFR-1 рекрутируются часто вместе с EPCs, в опухолевые или ишемические ткани в ответ на VEGF и PlGF^{14, 19, 20}. Эти компетентные к ангиогенезу клетки выходят из сосудов вокруг формирующихся сосудов, где они удерживаются с помощью SDF-1α, и стимулируют рост уже имеющихся сосудов посредством высвобождения ангиогенных факторов. таких как VEGF, PlGF и angiopoietin-2 (Box 1). В др. случаях эти клетки функционируют как гемангиобласты, продуцируя и гематопоэтических и гематопоэтических предшественников, которые дают новые кровеносные сосуды. Более того, в ответ на P1GF, высвобождаемый опухолевыми клетками, VEGFR-1⁺ гематопоэтических предшественников, происходящих из костного мозга, подготавливают специфичные для опухолей метастатические сайты, куда они рекрутируют опухолевые клетки и EPCs; anti-VEGFR-1 антитела препятствуют формированию таких пред-метастатических ниш²¹. Блокирование мобилизации этих клеток путем взаимодействия их с SDF-1 и PlGF является новой стратегией уменьшения опухолевого ангиогенеза, роста и даже метастазирования. Широкий спектр RTKIs, которые блокируют c-Kit, могут оказывать сходные эффекты. Стимулирующую функцию dendritic cells (DCs) также необходимо учитывать, т.к. эти антиген-презентирующие клетки не только поднимают анти-опухолевую имунную атаку, но также высвобождают эндогенные анти-ангиогенные цитокины. Т.к. PlGF и VEGFR-1 супрессируют функцию DC²², то ингибирование этих молекул открывает новые возможности (Box 1).

Будущее стандартное лечение рака д. использовать цитотоксические облучение или разрушающие опухолевые клетки биологические инструменты, чтобы разрушать злокачественные клетки. Эти режимы также ингибируют и опухолевый ангигенез непосредственно или косвенно (Box 1). В самом деле, кровяные и лимфатические сосуды часто спадаются под высокими сдавливающими механическими стрессами вне опухолей. В результате разрушения опухолевых клеток сосуды декомпрессируются в результате чего усиливается перфузия и доставка лекарства. Более того, опухолевые клетки высвобождают многочисленные ангиогенные молекулы и индуцируют экспрессию ангиогенных рецепторов в опухолевых сосудах (напр., endothelial growth factor (EGF) индуцирует рецепторы EGF и VEGFRs в сосудах, ассоциированных с опухолями) (см p. 967). Поэтому Herceptin (Genentech), анти-EGFR антитела используются для блокирования роста неопластических эпителиальных клеток, а также действует как анти-ангиогенный коктейль путем понижения ангиогенных факторов и усиления активности эндогенных ингибиторов ангиогенеза²³. Многие др. ингибиторы EGFR может обладать сходной анти-ангиогенной активностью⁷. Благодаря продукции факторов, которые индуцируют лимфангиогенез в лимфатических узлах, первичные опухоли также подготавливают своё будущее лимфатическое метастазирование в охраняющие лимфатические узлы²⁴.

Анти-ангиогенные факторы могут также быть цитостатическими или цитотоксическими для опухолевых клеток (Box 1). В самом деле, опухолевые клетки часто экспрессируют рецепторы для VEGF (VEGFR-1 и Neuropilin1), PDGF, FGF, EGF, stem-cell factor (SCF) и др. ангиогенные факторы²⁵ (см. p. 967). Следовательно, анти-ангиогенные лекарства д. приводить к прямому убийству опухолевых клеток путем взаимодействия с путями жизнеспособности и/или усиления чувствительности к др. воздействиям. Потенциал широкого спектра RTKIs Sorafenib или Sutent по ингибированию делений и EC и опухолевых клеток (а возможно, что часто и не-ECs) может объяснить их эффективность при монотерапии почечно-клеточной карциномы и желудочно-кишечных стромальных опухолей, соотв. Интересно, что Neuropilin1 обеспечивает обусловленные VEGF выживаемость и миграцию опухолевых клеток, но лишен тирозин киназного домена и поэтому не ингибируется с помощью RTKIs.

Angiogenesis inhibitors are likely to change the face of medicine in the next decade. Because of VEGF's predominant role in angiogenesis, inhibition of VEGF seems to be necessary but is probably insufficient to permanently halt this process in many disorders. In fact, emerging evidence indicates that inhibition of a single target leads to upregulation of additional angiogenic factors: for instance, PlGF is upregulated after anti-VEGF therapy, VEGF after anti-VEGFR-2 or anti-EGFR administration, and interleukin (IL)-8 after hypoxia-inducible facotor 1 (HIF-1) deletion (see Supplementary Table 3 for more information). Combined treatment of anti-angiogenic agents with distinct complementary mechanisms of action, targeting other angiogenic molecules and/or targeting not only ECs but also other pro-angiogenic cell types, may thus offer advantages of increased efficacy — at least if toxicity is not a concern (see below). Another advantage is that such combinations may give the tumour less chance to escape from anti-angiogenic treatment. Exploring strategies to delay, minimize or even avoid resistance to anti-angiogenic agents might further increase the benefit of anti-angiogenic treatments. A number of known and hypothetical mechanisms of resistance to anti-angiogenesis are listed in Box 2 and Supplementary Table 3.

As anti-angiogenic agents are likely to be delivered earlier and earlier to more and more patients for less advanced, life-threatening disease, probably in combination with additional medications, the safety of anti-angiogenic treatment is a topic of emerging importance. On the basis of pharmacological and genetic studies in mice, inhibition of VEGF-driven angiogenesis might have been expected to cause many more adverse effects (Supplementary Table 4). Fortunately, such toxicity has not been observed in humans, but it may emerge in conditions where the risk is increased by genetic predisposition or pharmacological treatment. Some of the adverse effects of anti-VEGF therapy can be explained by the requirement of threshold levels of VEGF for the survival and maintenance of quiescent vessels in healthy organs (Supplementary Table 4). An attractive, novel class of target thus includes molecules, such as PlGF, that only affect angiogenesis in disease without affecting quiescent vessels in healthy organs⁵. The challenge for the future is to develop such novel anti-angiogenic strategies and to optimize combinatorial treatment regimens to fully exploit the therapeutic potential of angiogenesis inhibition.