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血管發育（Vascular Development）

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tags皮膚科, vascular_biology, vasculogenesis, angiogenesis, wound_healing, vegf, leukocyte_adhesion
aliases血管發育, Vascular Development

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血管發育（Vascular Development）

血管生成（Vasculogenesis）

  • 胚胎發育期最初的血管由 vasculogenesis 形成，定義為未分化的 angioblasts 分化為內皮細胞並形成原始血管網。
  • Angioblasts 源自卵黃囊胚外中胚層的血島（blood islands）。
  • 血島是上皮樣細胞的叢集：外層細胞分化為 angioblasts，內層細胞分化為原始造血細胞，提示兩種細胞來自共同的胚胎前驅細胞——hemangioblast。
  • Hemangioblasts 在 fibroblast growth factors（FGFs）影響下由更早的前驅細胞衍生，且已表現 VEGF-A 的高親和力受體 VEGFR-2（KDR [人]／Flk-1 [鼠]）。
  • Angioblasts 在 VEGF-A 刺激下發育，表現多種血管內皮細胞標記：Tie-1 與 Tie-2 受體、VE-cadherin，以及高親和力 VEGF 受體 1（Flt-1）、2（KDR）、3（Flt-4）。
  • 胚胎內沿前腸門（anterior intestinal portal）與體節（somites）側緣出現的 angioblasts 融合形成背側主動脈與身體的大血管原基。
  • Angioblasts 是高度移行性的「前血管」內皮細胞，遍布胚胎各處，例外為軟骨與上皮等組織。

原始血管叢的形成與重塑

  • Angioblasts 形成管腔後即成為具極性表現型並產生基底層的內皮細胞。
  • 內皮表面的 integrin 受體與基底膜的交互作用對原始血管叢的形成至關重要；VE-cadherin 則是形成內皮間黏著連結（adherence junctions）的必要條件。
  • 早期血管系統由排列成多邊形蜂巢型態的竇狀微血管組成。
  • 此原始血管叢隨後被中胚層細胞包圍，這些細胞衍生為 pericytes 與血管平滑肌細胞。
  • 下一步在 VEGF-A、angiopoietins 與 ephrins 影響下發生原始血管叢的深度重塑；重塑包含血管的形成與退縮，以及血管內皮細胞的凋亡。

血管新生（Angiogenesis）與 tip/stalk 細胞

  • Angiogenesis 指自既有原始血管萌芽出新血管，是新血管形成的主要機制。
  • 特化的內皮細胞（tip cells）伸出偽足（filopodia），感測環境中的導引訊號如 VEGF-A。
  • Tip cells 之後跟隨 stalk cells，藉增生延伸芽體並形成管腔；tip cells 可與鄰近的 tip cells 連接形成新的血管分支。
  • Tip 與 stalk 細胞的分工由 Notch 訊息傳遞調控：VEGF-A 活化 tip cells 的 VEGFR-2，使 Notch 配體 Delta-like 4（Dll4）表現增加，Dll4 結合鄰近 stalk cells 上的 Notch；stalk cells 的 Notch 訊息使 VEGFR-2 表現下降，因而對 VEGF-A 較不敏感。
  • 這是高度動態的過程，內皮細胞相互競爭 tip cell 位置。
  • 除基因訊號外，糖解作用（glycolysis）在調節血管萌芽上也扮演關鍵角色。

Tie-2／Angiopoietins 與 Eph–ephrin

  • 內皮細胞上的 Tie-2 受體酪胺酸激酶在早期胚胎血管新生的萌芽與重塑中扮演關鍵角色。
  • Pericyte 衍生的 angiopoietin-1（Ang-1） 活化 Tie-2 受體；而 Ang-2 在血管新生狀態下可作為 Ang-1 的抑制劑。
  • Eph–ephrin 受體透過雙向訊息傳遞，在血管重塑與血管身分（vascular identity）決定上扮演重要角色。
  • Ephrin B2 專一表現於動脈內皮，其受體 Eph-B4 表現於靜脈內皮；兩者參與界定動脈與靜脈內皮細胞間的邊界。

其他調控分子

  • 參與胚胎血管新生與血管重塑的其他分子：semaphorins、TGF-β、endoglin（TGF-β 的低親和力受體）、activin receptor-like kinase-1。
  • 後兩者的功能失常見於遺傳性出血性微血管擴張症（hereditary hemorrhagic telangiectasia）。
  • 內皮細胞分泌的 PDGF-B（platelet-derived growth factor subunit B）在招募與分化 pericytes 及內皮周平滑肌細胞上扮演關鍵角色，這些細胞有助於成熟血管的穩定。

皮膚血管新生的調節

  • 血管新生是胚胎期發育中皮膚的共同特徵；相對地，健康成人皮膚的血管大多處於靜止狀態，例外是毛髮週期中毛囊周血管的擴張與退縮。
  • 但成人皮膚仍保有在傷口癒合、發炎與新生物生長時迅速啟動血管新生的能力。
  • 血管新生的兩種形式：
    1. 自既有後微血管小靜脈萌芽長出新微血管。
    2. 非萌芽性的既有血管重塑——透過周向生長／血管擴大，或透過血管內內皮細胞柱的形成（intussusception，套疊）。
  • 血管新生是多步驟過程，第一步常是誘導微血管超通透性（血管滲漏增加），導致 fibrinogen、prothrombin 等血漿蛋白外漏。
  • Fibrinogen 進一步被處理成 fibrin，作為移行內皮細胞的臨時基質；thrombin 的生成則啟動外源性凝血級聯，導致多種基質蛋白被切割活化。
  • 這些過程共同形成高度促血管新生的基質（stroma）。

Pericytes 與 Ang-1/Ang-2 的開關

  • Pericytes 的主要功能似為維持成熟且靜止的血管（此功能在血管新生時被中斷）。
  • 正常成人皮膚中，pericytes 分泌 Ang-1，使 Tie-2 受體（僅表現於內皮細胞）磷酸化，維持成熟血管建構與低血管通透性。
  • 反過來，內皮細胞分泌招募 pericytes 的生長因子，包括結合 pericytes 上 PDGFR-β 的 PDGFB。
  • 血管新生時，內皮細胞大量表現 Ang-2（活化內皮中 Ang-1 的功能性拮抗劑），阻斷 Ang-1 誘導成熟的作用，導致 pericytes 自血管內皮細胞脫離。
  • 有 VEGF-A 存在時，內皮細胞進行血管新生的後續步驟；缺乏 VEGF-A 時，血管內皮細胞則走向凋亡。
  • VEGF-A 與 Ang-2 表現在血管新生性皮膚疾病（包括乾癬）中均上升；角質細胞衍生的 VEGF-A 與 PlGF 都能強力誘導真皮微血管內皮細胞表現 Ang-2。
  • 骨髓衍生的前驅細胞也參與血管新生反應，其中多數分化為分泌血管新生因子（含 VEGF-A）的血管周巨噬細胞。

基底膜降解與內皮細胞移行

  • 血管基底膜是天然屏障，防止靜止血管的內皮細胞萌芽；pericytes 協助維持靜止狀態。
  • 血管新生反應的早期步驟是降解血管基底膜成分（如 collagen type IV），由活化的蛋白酶協同作用（包括 MMP-2 與 MMP-9）。
  • 活化內皮細胞表面的 integrin 受體（特別是原文所列的 integrins 與 αvβ integrin）隨後與原生或降解的基質分子（如 collagen type I、fibronectin）交互作用，促進內皮細胞移行。
  • 內皮細胞移行方向朝著血管新生因子的濃度梯度，這些因子通常由表皮產生，但也可由巨噬細胞與其他基質細胞分泌。
  • 內皮細胞隨後在強效血管新生因子（如 VEGF-A 與 basic fibroblast growth factor, bFGF）促進下進行一連串細胞分裂。
  • 最後內皮細胞形成血管管腔，並發育為具基底膜與 pericytes 的成熟新血管。

VEGF-A

  • 正常皮膚的血管靜止狀態，是由強效內源性血管新生抑制因子對血管新生刺激的優勢影響所維持；血管新生由血管新生因子分泌增加和／或抑制因子下調所誘發。
  • VEGF-A 是皮膚主要的血管新生因子，最初因腫瘤細胞培養液可誘導腹水積聚的活性而被發現，當時稱為 vascular permeability factor（VPF）。
  • VEGF-A 是同源二聚體、結合 heparin 的醣蛋白；人類皮膚中至少有四種同型異構物，分別為 121、165、189、201 個胺基酸（源自 alternative splicing）。
  • VEGF-A 結合兩種主要表現於血管內皮細胞的第 III 型酪胺酸激酶受體：Flt-1/VEGFR-1 與 KDR/Flk-1/VEGFR-2。
  • 此外 VEGF-A165 也結合內皮與其他細胞上的 neuropilin-1 受體。
  • 體外：VEGF-A 是人類真皮微血管內皮細胞的專一生長因子，並誘導內皮細胞移行。體內：VEGF-A 增強微血管通透性與血管新生。
  • 正常表皮中 VEGF-A 表現量低；但在癒合中的傷口與伴血管新生及血管超通透性的皮膚疾病（特別是乾癬），表皮角質細胞的 VEGF-A 表現顯著增加。

VEGF-A 的調控機制

  • 缺氧（hypoxia）：透過 hypoxia-inducible factors 造成轉錄活化，並穩定 VEGF-A mRNA。皮膚中缺氧使表皮角質細胞、真皮纖維母細胞與真皮內皮細胞的 VEGF-A 表現上升。此機制可能對傷口癒合時表皮 VEGF-A 的誘導，以及皮膚癌缺氧區的表現很重要。
  • 表皮增生相關生長因子：在乾癬、癒合傷口與鱗狀細胞癌（SCCs），基底上層角質細胞釋放 TGF-α 與其他 EGFR 配體。
    • 這些生長因子以自泌（autocrine）迴路誘導表皮增生，同時誘導表皮角質細胞的 VEGF-A 基因表現與蛋白分泌，透過與皮膚微血管上 VEGF 受體交互作用以旁泌（paracrine）方式誘導血管新生。
    • 此機制將表皮增生與血管化增加連結起來，為增生的角質細胞提供更多血管支持以滿足升高的營養需求。
  • 其他刺激角質細胞增生的生長因子——keratinocyte growth factor（KGF）、bFGF、hepatocyte growth factor（HGF）——也可促進表皮角質細胞產生 VEGF-A。

VEGF-A 的基因鼠模式證據

  • 表皮角質細胞過度表現 VEGF-A 的基因轉殖鼠特徵為真皮血管延長迂曲，且對循環血漿蛋白呈超通透性。
  • 這些小鼠無法下調實驗誘發的皮膚發炎，並發展出與人類乾癬極為相似的慢性發炎皮膚病灶。
  • 許多人類癌症的特徵是腫瘤細胞 VEGF-A 表現增加，以及腫瘤相關血管 VEGF 受體表現增加。
  • VEGF-A 也促進皮膚致癌作用：在表皮角質細胞選擇性過度表現 VEGF-A 造成腫瘤發展與轉移增加。

PlGF（Placental Growth Factor）

  • 屬 VEGF 家族；人類皮膚表現兩種同型異構物：PlGF-1（149 個胺基酸）與 PlGF-2（170 個胺基酸）。
  • 與 VEGF-A 相似，PlGF 表現在皮膚 SCCs、傷口進展緣的表皮角質細胞，以及乾癬的增生表皮中上升。
  • 與 VEGF 不同，PlGF 不活化 VEGFR-2（KDR），而是選擇性結合 VEGFR-1。
  • 此外，結合 heparin 的 PlGF-2 同型異構物會結合 neuropilin-1 受體。
  • 基因鼠模式證據顯示 PlGF 與 VEGF-A 協同誘導血管新生與血管滲漏，且 PlGF 有促發炎作用。
  • 其他在血管新生性皮膚狀況中上升的促血管新生分子：interleukin-8、PDGF、bFGF，以及數種血管新生性趨化因子。

內源性抑制因子：TSP-1 與 TSP-2

  • Thrombospondin（TSP）-1 與 TSP-2 是皮膚血管新生的主要抑制因子，在正常人類皮膚即有表現。
  • 這些基質細胞性（matricellular）蛋白介導細胞外基質分子與細胞 integrin 受體間的交互作用。
  • TSP-1：體外抑制內皮細胞增生，體內抑制血管新生。
    • 正常人類皮膚由真皮細胞與表皮角質細胞表現；沉積於真皮—表皮基底膜帶，構成阻止血管長入表皮的屏障。
    • TSP-1 表現在皮膚 SCCs 中下降；將 TSP-1 重新導入 SCCs 可抑制小鼠腫瘤生長，並伴腫瘤血管新生受抑與腫瘤細胞死亡增加。
    • 基因轉殖鼠皮膚過度表現 TSP-1 導致肉芽組織形成與傷口血管化受損、皮膚致癌延遲並減少、慢性 UVB 照射的光損傷減輕。
    • 值得注意：人類皮膚受 UVB 照射會產生「血管新生開關」——VEGF-A 上升、TSP-1 下降。
    • TSP-1 抑制皮膚血管新生的機制：透過與內皮 CD36 受體的特異交互作用誘導內皮細胞凋亡、活化潛伏型 TGF-β、抑制基質金屬蛋白酶活性。
  • TSP-2：亦為內源性血管新生抑制因子。
    • TSP-2 缺乏的小鼠顯示皮膚血管化增加、發炎反應增強且延長、皮膚致癌增加。
    • 相應地，在鼠表皮標的性過度表現 TSP-2 可防止皮膚癌發生，並抑制既有皮膚癌的生長。
  • 血管基底膜表現分子的多種切割產物也有抗血管新生活性，包括 collagen type IV（tumstatin）、type XV 與 type XVIII（endostatin）的片段。

血管新生與傷口癒合

  • 自既有血管長出微血管是皮膚傷口癒合增生期的必要組成。
  • 內皮細胞暴露於 thrombin 後釋放 MMP-2（gelatinase-A），造成基底膜與細胞外基質（ECM）局部溶解，使內皮細胞得以穿過基底膜移行。
  • 微血管芽隨後侵入 ECM 與傷口床的 fibrin 血塊，數天內形成新的基質。
  • 此肉芽組織的特徵是血管增生、纖維母細胞移行與膠原合成；在此新基質中，血管新生芽組織成緻密的微血管網，為細胞提供養分與氧氣。

調控因素

  • 未成熟傷口基質內的血管萌芽受多項因素調控：缺氧（源自微血管損傷），以及傷口癒合發炎期由血小板釋放或由嗜中性球、巨噬細胞、纖維母細胞與角質細胞產生的各種生長因子與細胞激素。
  • 受傷與健康組織間的低氧梯度誘導轉錄活化因子 HIF-1（hypoxia-inducible factor-1），透過多重機制促進血管新生：
    1. 上調大量促血管新生標的基因。
    2. 產生促血管新生生長因子如 VEGF-A 與 SDF-1（stromal cell derived factor-1，即 CXCL12）。
  • 除缺氧外，細胞破壞也透過釋放 fibroblast growth factors（FGF-1/2）啟動血管新生。
  • 內皮前驅細胞（endothelial progenitor cells）也被招募至傷口部位，在此分化為成熟內皮細胞。

微血管網的成熟與退縮

  • 傷口癒合初期，促血管新生環境形成不成熟的微血管網，特徵為血管高度迂曲，常導致死路（dead-end）血流路徑。
  • 新形成微血管網的血管密度超過正常皮膚。
  • 初期達到最大血管密度後，因釋放多種抗血管新生因子而出現微血管退縮，包括 pigment epithelium-derived factor（PEDF）、IFN-γ-inducible protein-10（CXCL10）、Sprouty-2。
  • 同時，血管間質細胞（平滑肌細胞與 pericytes）穩定新形成的微血管。
  • 支持新血管網穩定的主要生長因子為 PDGF-B，可刺激 pericyte 分化，並已用於糖尿病傷口的治療。
  • Angiopoietins Ang-1 與 Ang-2 及其受體 Tie-2 在整個皮膚傷口癒合過程中調節血管新生反應。
  • 皮膚血管新生缺陷會使肉芽組織形成受損、癒合延遲，導致數種慢性皮膚傷口出現無法癒合的環境。

白血球—內皮細胞交互作用的調節

  • 白血球堆積是急性與慢性發炎性皮膚疾病的顯著特徵，也是發炎反應的速率限制步驟。
  • 白血球招募是多步驟過程，由白血球與血管內皮細胞上多種黏附分子的序列活化，以及多種發炎細胞激素與趨化因子所控制。
  • 白血球外滲主要發生在皮膚的後微血管小靜脈，因這些血管對黏附分子的誘導特別敏感。

三個步驟

  1. 繫留與滾動（tethering and rolling）：白血球與內皮細胞間相對弱的黏附交互作用，涉及特定 selectins 及其配體，使白血球在血管壁上繫留並滾動。
  2. 牢固黏附（firm adhesion）與爬行（crawling）：主要由免疫球蛋白超家族的黏附分子與其配體介導。
    • 從滾動期切換到管腔內牢固黏附與爬行，需要 integrins 活化，從低親和力構型轉為高親和力構型。
    • 此活化由趨化因子訊息傳遞介導；趨化因子或由內皮細胞自身表現並呈現在其表面，或由血管周細胞表現後經內皮進行胞吞轉運（transcytose）。
  3. 移行（transmigration）：白血球最後透過相鄰內皮細胞之間的空隙移行進入真皮。
    • 內皮細胞間的連結因 VE-cadherin、junctional adhesion molecules（JAMs）等的交互作用而通常非常緊密，需暫時打開白血球才能穿越。
    • 此過程中 VE-PTP（vascular endothelial-protein-tyrosine phosphatase） 扮演主要角色：VE-PTP 正常與 VE-cadherin 結合，但在白血球穿越時暫時與之分離。


圖 102-8：Angiopoietins 在靜止血管與血管新生血管中內皮細胞與 pericytes 交互作用的角色。Pericyte（PC）衍生的 Ang-1 活化內皮 Tie-2 受體以維持血管成熟；血管新生內皮細胞（EC）中 Ang-2 上升，透過內皮 Tie-2 受體阻斷 pericyte 衍生 Ang-1 的血管穩定作用。VEGF-A 與 Ang-2 表現在血管新生性皮膚疾病（包括乾癬）中均上升。


圖 102-9：VEGF-A 與 PlGF 對皮膚血管新生的分子調控。


圖 102-11：導致白血球招募進入發炎皮膚的白血球—內皮細胞交互作用多步驟過程。外滲包含繫留與滾動（主要由 selectins 及其配體介導），接著是牢固黏附與穿越移行（主要由黏附分子及其 integrin 配體介導）。白血球上的 selectin 配體包括 ESL-1 與 PSGL-1。


表 102-3：參與白血球—內皮細胞交互作用的主要黏附分子：細胞型別特異性表現、配體與功能。CLA；ESL；GlyCAM；ICAM；JAM；LFA；Mac-1；MAdCAM；PECAM；PSGL；VCAM；VLA。