Рожченко Л.В.

«РНХИ им. проф. А.Л. Поленова» — филиал ФГБУ «СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия

Молекулярные механизмы роста и рецидивирования церебральных артериовенозных мальформаций

Журнал: Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2020;84(1): 94-100

Просмотров : 437

Загрузок : 18

Как цитировать

Рожченко Л. В. Молекулярные механизмы роста и рецидивирования церебральных артериовенозных мальформаций. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2020;84(1):94-100.
Rozhchenko L V. Molecular mechanisms of growth and relapse of cerebral arteriovenous malformations. Zhurnal Voprosy Neirokhirurgii Imeni N.N. Burdenko. 2020;84(1):94-100.
https://doi.org/10.17116/neiro20208401194

Авторы:

Рожченко Л.В.

«РНХИ им. проф. А.Л. Поленова» — филиал ФГБУ «СЗФМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия

Все авторы (1)

АВМ — артериовенозные мальформации

ТСП-1 — Thrombospondin-1, тромбоспондин 1-го типа

ALK — activin receptor-like kinase, активин-рецептороподобная киназа

ANG — angiopoietin, ангиопоэтин

Dll — delta like ligand, трансмембранные лиганды системы Notch

ENG — эндоглин

HIF — hypoxiainducible factor, индуцированный гипоксией фактор

IL-6 — интерлейкин-6

MMP — matrix metalloproteinase, матриксная металлопротеиназа

PDGF — platelet-derived growth factor, тромбоцитарный фактор роста

SNP — одиночный нуклеотидный полиморфизм

TIE — endothelial cell-specific tyrosine kinase, тирозинкиназный рецептор эндотеальных клеток для ANG

TGF — transforming growth factor, трансформирующий фактор роста

VEGF — vascular endothelial growth factor, фактор роста эндотелия сосудов

Артериовенозные мальформации (АВМ) встречаются с частотой около 1,1 на 100 тыс. взрослого населения в год и являются не самым распространенным сосудистым заболеванием головного мозга [1, 2]. АВМ могут образовываться спорадически или в рамках генетических синдромов; первично ассоциированной с АВМ является наследственная геморрагическая телеангиэктазия (синдром Ослера—Вебера—Рандю). За последние два десятилетия выяснено, какие генетические, молекулярные и клеточные факторы участвуют в процессе образования, роста и разрыва АВМ [3—8]. Открытие и распространение новых данных об основных механизмах развития АВМ может стать стимулом к выявлению биомаркеров риска и прогноза, а также появлению новых методов лечения [7].

Известно, что более 860 генов участвуют в формировании церебральных АВМ, из них около 300 проявляются с повышенной экспрессией и 560 являются подавленными. Одиночные нуклеотидные полиморфизмы (SNP) ангиогенных факторов, представляющие собой последовательность вариаций ДНК, впервые связаны с образованием и риском разрыва церебральных АВМ [3, 5, 7].

Формирование сосудистой системы мозга проходит в два этапа. Первый — васкулогенез — формирование кровеносной сосудистой системы в период раннего эмбриогенеза, когда мезодермальные клетки дифференцируются в гемангиобласты (общие предшественники клеток гемопоэза и эндотелиальных клеток (ангиобластов), дающих начало кровеносным сосудам). Стадия васкулогенеза проходит вне мозговой трубки и завершается формированием первичного сосудистого сплетения. Все дальнейшие преобразования сосудистой сети происходят в процессе второго этапа — ангиогенеза, при котором новые сосуды образуются из уже существующих [8, 9]. На стадии ангиогенеза первичное сосудистое сплетение превращается в высокоорганизованную сосудистую сеть за счет роста и ветвления капилляров. Ангиогенез начинается с локального разрушения стенки ранее существующего сосуда, активации пролиферации и миграции клеток эндотелия. Клетки эндотелия сливаются в трубчатые структуры, вокруг которых в дальнейшем формируются стенки сосудов. Для понимания механизмов ангиогенеза важно изучать процессы, регулирующие биологическую активность двух основных типов клеток: клеток эндотелия и перицитов — клеток, формирующих стенки сосудов [5, 8—10]. Активацию эндотелиальных клеток обеспечивают факторы роста, образующиеся в самих эндотелиальных клетках, а также компоненты внеклеточного матрикса. Прекращение действия этих факторов возвращает эндотелиальные клетки в состояние покоя. Факторами роста называют группу белковых молекул, индуцирующих синтез ДНК в клетке. Каждый тип факторов роста связывается с его собственным специфическим рецептором и запускает процессы регуляции роста, дифференцировки и экспрессии генов, а также апоптоз. Факторы роста разделяют на индукторы и ингибиторы ангиогенеза, последние в норме превалируют над индукторами. В результате во взрослом организме процесс ангиогенеза подавлен, и только у 0,01% эндотелиальных клеток сохраняется способность к делению. Уменьшение синтеза ингибиторов или увеличение секреции индукторов приводит к стимуляции ангиогенеза [9].

АВМ представляет собой конгломерат артерий и вен, формирующих сеть прямых артериовенозных шунтов с высокой скоростью кровотока. Согласно общепринятой гистопатологической концепции, АВМ — это очаг, в котором отсутствует истинное капиллярное ложе. Тем не менее доказано наличие группы дилатированных капилляров, находящихся в непосредственной близости от АВМ (так называемых giant bad capillaries), диаметр которых в 10—25 раз превышает диаметр нормальных. Они связаны через артериолы и венулы не только со структурами АВМ, но и с системой нормальной капиллярной сети, изменяя гемодинамику и приводя к ишемизации мозговой ткани. Вполне возможно, что эта аномальная капиллярная сеть является морфологическим резервом роста и рецидивирования АВМ. Клетки, культивируемые из хирургических образцов АВМ головного мозга, демонстрируют скорость пролиферации, в 1,8—6,4 раза превышающую таковую в нормальных покоящихся цереброваскулярных эндотелиальных клетках, что приближается к скорости роста эндотелиальных клеток в прогрессирующих опухолях [11]. Главным регулятором как физиологического, так и патологического ангиогенеза является фактор роста эндотелия сосудов (VEGF — Vascular endothelial growth factor), стимулирующий рост и деление только эндотелиальных клеток. Он активирует два близких по строению мембранных тирозинкиназных рецептора VEGF, локализованых на поверхности клеток эндотелия (VEGFR1 и VEGFR2), предварительно связываясь с ними. Экспрессия VEGF максимальна во время эмбрионального развития, но во взрослой церебральной сосудистой сети этот фактор роста в норме подавлен. Тот факт, что в АВМ экспрессируются эмбриологические субстраты, подразумевает, что образование мальформаций является активным процессом, начинающимся внутриутробно и продолжающимся после рождения.

Если бы все клетки эндотелия реагировали на ангиогенный стимул VEGF в равной степени, то часть сосудистой сети, на которую оказано воздействие, должна была бы разрушиться, и кровоснабжение ткани в этой области было бы нарушено. Чтобы этого не происходило, существует механизм, с помощью которого для инициации ангиогенного разрастания отбираются лишь некоторые из клеток эндотелия, находящихся внутри сосуда (так называемые tip-клетки). При росте новых сосудов они занимают лидирующее положение: реагируют на градиент VEGF, задающий направление их миграции, и возглавляют продвижение растущего капилляра [12—14]. Под действием ангиогенного стимула VEGF у tip-клеток кардинально меняется фенотип, они приобретают инвазивность и способность к перемещению, активируют матриксные металлопротеиназы (ММР), разрушающие прилежащую базальную мембрану, что изменяет контактные взаимодействия между tip-клетками и окружающими клетками эндотелия. Отбор tip-клеток контролируется рецепторами семейства Notch и их трансмембранными лигандами Dll4 (Delta like ligand 4) [13]. VEGF, воздействуя на клетки эндотелия, активирует в них экспрессию Dll4 и его рецепторов Notch. В ответ на это tip-клетки выбрасывают филоподии в направлении градиента VEGF в ткани. При этом пролиферации самих tip-клеток в ответ на воздействие VEGF не происходит. Пониженные уровни экспрессии Dll4 или блокирование Notch-зависимого каскада сигнализации усиливают образование tip-клеток, приводящее к чрезмерному усилению локального ангиогенеза и к нарушению правильного формирования новых сосудов. Сверхэкспрессия VEGF при развитии мозга вызывает чрезмерное образование аномальных кровеносных сосудов с формированием АВМ.

После того как отобрались и начали свое продвижение tip-клетки, начинают формироваться новые капилляры за счет пролиферации и миграции других клеток эндотелия (stalk-клеток), также стимулируемых VEGF. Таким образом, VEGF независимо контролирует миграцию двух различных субпопуляций клеток эндотелия: tip-клеток и stalk-клеток. P. Murphy и соавт. (2014) получили данные о том, что белки, участвующие в передаче сигналов Notch, экспрессируются в удаленных во время операции церебральных АВМ [13, 15]. Из множества генов, вовлеченных в регуляцию васкулогенеза и ангиогенеза, значительные дефекты развития сосудистой системы и гибель эмбрионов возникают лишь в случае потери участка ДНК только одного из аллелей генов VEGF и Dll4 [16, 17]. Эндотелиальная сверхэкспрессия Notch-4 и его лигандов (Jagged 1 и 2 — лигандов stalk-клеток и Dll 1, 3, 4 — лигандов tip-клеток) приводит к образованию церебральных АВМ у мышей [18]. Усиление экспрессии лигандов Notch (Jagged 1 и 2) изменяет синтез маркеров артериального и венозного эндотелия (Ephrin B2 и Eph B4) в сосудах экспериментальных АВМ. Это приводит к нарушению специфичности эндотелиальных клеток (артериальных и венозных) при образовании АВМ [16, 17]. Таким образом, Notch и его лиганды участвуют в патогенезе церебральных АВМ несколькими способами: 1) усиление ангиогенеза; 2) ухудшение конструкции стенки сосуда; 3) изменение артериальной и венозной специфичности эндотелиальных клеток [19, 20].

После открытия ангиогенных факторов основное внимание исследователей привлечено к регуляции клеток эндотелия. Однако клетки, образующие стенки сосудов, также функционально важны, поскольку нарушение правильного формирования стенок вызывает повышение проницаемости сосудов. Начальным этапом созревания сосуда является слияние вновь образованного капилляра с другими капиллярами. При этом меняется поведение tip-клеток: вступая в контакт с другими tip-клетками или с уже существующими капиллярами, tip-клетки перестают двигаться, в месте контакта устанавливаются высокоадгезивные межклеточные взаимодействия и образуется просвет сосуда. Возникающий поток крови способствует стабилизации вновь образованного сосуда, а доставка кислорода, приносимого потоком крови, снижает локальный уровень экспрессии VEGF и других ангиогенных сигналов, ранее индуцированных гипоксией. Важным этапом созревания является привлечение клеток, формирующих стенки сосудов, — перицитов и гладкомышечных клеток. Перициты прилегают к эндотелию и формируют стенки капилляров и незрелых кровеносных сосудов, а накопление белков внеклеточного матрикса в прилежащей к клеткам эндотелия базальной мембране способствуют созреванию сосуда и его переходу в покоящееся состояние. В привлечении перицитов ключевую роль играет тромбоцитарный фактор роста (Platelet-Derived Growth Factor, PDGF). В процессе ангиогенеза повышенная экспрессия мРНК PDGF-β в tip-клетках вызывает пролиферацию, направленную миграцию и инкорпорацию в стенку сосуда перицитов, на поверхности которых экспрессирован рецептор PDGFR-β [21]. В stalk-клетках эндотелия экспрессия рецептора PDGFR-β не обнаружена, поэтому PDGF-β не оказывает на них воздействия. Уменьшение количества сосудистых перицитов коррелирует с нарушением целостности сосудов АВМ и риском развития внутричерепного кровоизлияния [22]. Более высокая экспрессия PDGF-β обнаружена в церебральных АВМ человека по сравнению с нормальными сосудами [23].

Важную роль в процессе ангиогенеза играет трансформирующий фактор роста TGF-β1 (transforming growth factor β1), который активируется при возникновении контакта между клетками эндотелия и перицитами. Активация TGF-β1 под влиянием PDGF, ANG и TIE-рецепторов приводит к угнетению пролиферации и миграции эндотелия и индуцирует дифференцировку мезенхимальных клеток-предшественников в перициты. Однако роль TGF-β1 в ангиогенезе более сложна, поскольку существует 2 типа рецепторов TGFβ с разнонаправленным действием — эндотелиально-специфичный подтип рецептора ALK1 увеличивает миграцию и пролиферацию эндотелия, а ALK5-рецептор, наоборот, угнетает их пролиферацию и миграцию. Ген эндоглин (ENG) кодирует белки в рецепторном комплексе TGFβ1. В норме эндоглин блокирует рецептор ALK5 (угнетение пролиферации эндотелия) и усиливает работу рецептора ALK1 (активация пролиферации эндотелия). При возникновении мутации эндоглина и/или ALK1 происходит формирование избыточной сосудистой сети АВМ. Блокирование действия ALK5/эндоглина усиливает развитие эндотелия, что приводит к дефициту созревания капиллярного сплетения, перекрывающего артериовенозный интервал, и образованию артериовенозных фистул. Таким образом, TGFβ может иметь решающее значение в росте и образовании АВМ de novo [7, 17].

В регуляции сложных взаимодействий между эндотелием и окружающими клетками принимает участие еще одна сигнальная система — экспрессируемый клетками эндотелия тирозинкиназный рецептор TIE2 и его лиганды ангиопоэтины (ANG 1 и 2) [24]. Хотя оба эти лиганда связываются с TIE2, последствия их взаимодействия с рецептором оказываются различными. ANG1 стимулирует фосфорилирование TIE2, ANG2 представляет собой конкурентный ингибитор ANG1. TIE2 активирует транскрипцию PDGF и VEGF, стимулируя миграцию мезенхимных клеток к примитивному эндотелиальному сосуду. TIE2/ANG1-зависимый каскад сигнализации обеспечивает ассоциацию перицитов и эндотелия, уменьшает проницаемость сосудов и тем самым стабилизирует находящуюся в процессе созревания сосудистую систему [24]. Подавление ангиопоэтином-2 каскада передачи сигнала через рецептор TIE2 ингибирует приток перицитов, нарушает созревание сосуда и придает сосудам гиперчувствительность к стимулирующему действию VEGF. В норме в зрелой сосудистой сети выработка ANG2 подавляется, но в периваскулярной области вокруг церебральных АВМ наблюдается его сверхэкспрессия, обеспечивающая формирование аномально расширенных сосудов без зрелой структуры стенок. Выявлено, что в церебральных АВМ уровень ANG-1 на 30% ниже нормы, в то время как концентрация мРНК ANG-2 на 40% выше по сравнению с контролем [24, 25].

Важным звеном в передаче сигналов VEGF и ANG-2, способствующим ангиогенному разрастанию и разрыву АВМ, являются матриксные металлопротеиназы (MMP). Это протеолитические ферменты, которые деградируют перицеллюлярные вещества и базальную мембрану, запуская процесс ангиогенеза. Экспрессия MMP-9 выше в церебральных АВМ, чем в контрольной ткани [26]. R. Starke и соавт. обнаружили, что уровни MMP-9 в плазме у больных с АВМ, разрывавшимися до операции, были значительно выше, чем у больных с АВМ без разрыва и значительно увеличивались сразу после операции [27]. SNP MMP-9 и тканевого ингибитора MMP-4 (TIMP-4) также связаны с повышенным риском разрыва АВМ головного мозга. Это отмечено у пациентов с АВМ, которым проводился анализ генотипирования [28].

Таким образом, мы рассмотрели возможные роли факторов ангиогенеза в патогенезе церебральных АВМ: VEGF индуцирует эндотелиальный митогенез, мутации генов, ответственных за возникновение АВМ (ALK1, ЕNG, MPG), активируют измененный Notch-каскад, который затем снижает передачу сигналов PDGF, а ангиогенный ответ приводит к образованию сосудов с аномальной структурой стенки. Исследования на животных показали, что, либо коррекция сигналов Notch [14], либо увеличение экспрессии PDGF [21] восстанавливают аномальную сосудистую структуру АВМ, следовательно, путем модуляции этих двух путей можно будет разрабатывать новые методы лечения АВМ.

Выявлено, что VEGF и его рецепторы экспрессируются в эндотелии сосудов почти 80% АВМ, резецированных после неполной эмболизации. В то же время, только 25% АВМ, которые не подвергнуты предоперационной эмболизации, экспрессируют эти факторы [20]. Это может объяснить, почему частично эмболизированные АВМ растут.

Далее обсуждаются механизмы стимуляции ангиогенеза после частичной эмболизации АВМ.

1. Ангиогенез, опосредованный гипоксией. Неполная эмболизация АВМ приводит к перестройке кровотока и формированию местной гипоксии внутри тела АВМ, повышая экспрессию проангиогенных факторов, в частности, индуцируемого транскрипционного фактора (HIF-1). HIF-1 способствует секреции SDF-1 (stromal-derived factor-1) в эндотелиальных клетках и увеличивает экспрессию VEGF примерно в 30 раз в течение нескольких минут после гипоксического воздействия [29]. В гипоксической среде HIF-1 проникает через ядерную мембрану в ядро, где действует как фактор, ускоряющий транскрипцию VEGF, PDGF, TGF, Notch. Одновременно повышается стабильность VEGF, в результате чего в 4 раза увеличивается период его полураспада [30]. Это необходимо, так как VEGF обеспечивает ангиогенез и сосудистую пролиферацию, пока метаболические потребности тканей не будут удовлетворены.

2. Ангиогенез, опосредованный воспалением. Гистологическое исследование выявило развитие асептического воспаления и ангионекроза в АВМ уже через сутки после эмболизации ониксом [31]. Эта воспалительная реакция в стенке сосудов АВМ увеличивает высвобождение эндотелием АВМ интерлейкина 6 (IL-6), активирует экспрессию ММР-9, которая повреждает эндотелий сосудов АВМ и может привести к ее разрыву. Влияние воспаления на ангиогенез усилено полиморфизмом в генах провоспалительных цитокинов у пациентов с АВМ (аллеля IL6−174G). Локальное интранидальное повышение уровня мРНК IL-6 коррелирует с повышением уровня мРНК ММР-3, ММР-9. Наличие корреляции позволяет заключить, что IL-6 играет ключевую роль в ангиогенном каскаде [31].

3. Ангиогенез, опосредованный изменениями гемодинамики в АВМ. Перестройка кровотока после эмболизации АВМ с увеличением размеров высокопотоковых артериальных приводящих сосудов и сдвигом внутрипросветного напряжения потока крови в неэмболизированной порции АВМ стимулирует экспрессию VEGF, TGF, ММР-9, ENG в клетках эндотелия АВМ [29, 32].

Современные хирургические, эндоваскулярные и радиохирургические методы лечения высокопотоковых крупных АВМ сопровождаются относительно высокой инвалидизацией и летальностью [33], поэтому целесообразна разработка новых клеточных и молекулярных биологических методов лечения [34]. Текущая парадигма лечения AВМ не учитывает каких-либо особых факторов, связанных с генетикой или молекулярной конституцией конкретного пациента. Наступило время задуматься о том, что улучшение понимания механизмов роста АВМ может позволить нам изменить их естественное течение и оптимизировать тактику лечения [35].

Учитывая, что механизм разрыва AВM, как полагают, связан со способностью AВM к местному сосудистому ремоделированию, препараты, препятствующие этому процессу, образуют группу, теоретически привлекательную в качестве терапевтических средств. Например, доксициклин в очень низких дозах, как показано, ингибирует экспрессию мРНК ММР-9 и уменьшает активность церебральной ММР-9, обладая хорошей переносимостью и приемлемыми показателями осложнений [36]. Некоторые исследователи возлагают надежды на внутриартериальное использование бевацизумаба (моноклональное антитело к VEGF) [37]. Преимуществом такого введения перед внутривенным путем является более высокая концентрация при доставке лекарства в пораженный участок при значительном уменьшении общей дозы, что ведет к снижению системной токсичности и стоимости лечения. Несмотря на то что VEGF остается потенциальной мишенью антиангиогенной терапии, некоторые авторы считают, что прямая антиvegf-терапия может оказаться неэффективной или даже вредной из-за воздействия на нормальные сосудистые клетки [38]. Изучение Thrombospondin-1 (ТСП-1), естественного антагониста VEGF, имеющего очень низкую концентрацию в АВМ, может представлять интерес как альтернативный способ антиvegf-терапии. Доказано, что увеличение ТСП-1 может блокировать VEGF в АВМ, а микроРНК-18а, участвующая в посттранскрипционной регуляции экспрессии генов, увеличивает концентрацию ТСП-1 в АВМ. Это приводит к значительному снижению уровня VEGF в эндотелии мальформации, уменьшению его пролиферации и улучшению формирования структуры сосудистой стенки, не влияя при этом на эндотелий здоровых сосудов [38]. Более того, микроРНК-18а успешно проникает в клетки-мишени без дополнительных реагентов при внутривенной инфузии, что делает ее перспективным терапевтическим вариантом.

Заключение

Выяснение молекулярных характеристик церебральных артериовенозных мальформаций и моделей их роста оказалось сложной задачей. Большая часть лабораторных работ по изучению артериовенозных мальформаций головного мозга имеет ограничения в виде иммуногистохимического исследования удаленных мальформаций, то есть биологически неактивной системы. Исследование моделей in vivo, таких как линии эндотелиальных клеток из образцов артериовенозных мальформаций, а также изучение молекулярных механизмов действия факторов роста артериовенозных мальформаций важны для создания новых потенциально эффективных лекарств. В обозримом будущем развитие новой биологической медикаментозной терапии в сочетании с эндоваскулярными технологиями и микрохирургическими методами оптимизирует клинические результаты.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Рожченко Л.В. — https://orcid.org/0000-0002-0974-460X; e-mail: rozhch@mail.ru

Автор, ответственный за переписку: Рожченко Л.В. — e-mail: rozhch@mail.ru

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail