新生血管形成

血管生成（angiogenesis）是指由血管内皮细胞分化形成新的血管。血管是人体中遍布全身的复杂网络，也是胚胎发育过程中形成的第一个器官。能否形成一个良好的血管网，是组织工程化产品能否正常行使功能的一个不可或缺的条件。

血管的形成是一个非常复杂的生理过程，包括许多的环节。迄今人们对血管形成的机制仍不十分明确。组织工程中新生血管化与胚胎中血管形成起源于成血管细胞不同，是直接由内皮细胞形成，但随后内皮细胞迁移，形成毛细血管的过程是类似的。血管新生在经过促进分化信息的传递后，可分为4个期，即血管内皮细胞的启动，血管内皮细胞的增生，增生细胞的移行，以及血管内空腔的形成。之后毛细血管多以芽生方式再生。首先，在蛋白分解酶作用下基膜分解，该处内皮细胞分裂增生形成突起的幼芽，随着内皮细胞向前移动及后续细胞的增生而形成一条细胞索，数小时后便可出现管腔，形成新生的毛细血管，进而彼此吻合构成毛细血管网。增生的内皮细胞分化成熟时还分泌Ⅳ型胶原、层粘连蛋白和纤维粘连蛋白，形成基底膜的基板。成纤维细胞分泌Ⅲ型胶原及基质，组成基底膜的网板，本身则成为周细胞（即血管外膜细胞）。至此，毛细血管的结构遂告完成。新生的毛细血管基底膜不完整，内皮细胞间空隙较多较大，故通透性较高。为适应功能的需要，这些毛细血管还会不断改建，如有的管壁增厚发展为小动脉、小静脉，其平滑肌等成分可能由血管外未分化间叶细胞分化而来。

在这个过程中，有一系列血管生成因子在起调控作用。对血管生成中相应分子的了解是把握血管生成过程的重要基础，也是研制组织工程化产品的重要基础。

一、内皮细胞分化和早期血管发生的调控基因

早期血管的形成需要bFGF和VEGF的调节，它们与间质细胞、内皮细胞上相应的酪氨酸激酶受体FGFR、VEGFR－1（Flt－1）、VEGFR－2（Flk－1／KDR）和VEGFR－3（Flt－4）结合，引起新的内皮细胞分化、形成、增生并形成管腔样结构。而由新形成的内皮组装成管腔样结构则需要VEGFR－1的表达和激活，VEGFR－3的表达与内皮细胞形成静脉或淋巴管有关。后期血管树的膨大，血管生成、发展和血管壁的形成除与前述因子有关外，还需要另外两种蛋白激酶（PTKs）家族成员Tie－1和Tie－2（Tek）及其与相应配体的结合来调控。Angiopoietin－1、Angiopoietin－2是由生长中的血管周围细胞产生的、Tie－2的特异性结合配体，它们的结合不引起细胞增生和形成管腔样结构，Angiopoietin－2的功能与Angiopoietin－1相拮抗，它可阻止Angiopoietin－1与Tie－2的结合。Angiopoietin－1与其受体可能刺激生长因子的产生，继而又刺激周围间质分化形成周细胞或平滑肌细胞共同构成血管壁，从而维持血管的稳定。从上述可知早期血管的分化和成型，至少需要两套PTKs及其相应配体表达的信息来调控。

二、细胞外基质和基质黏附受体在血管发生和发展中的作用

除了生长因子和化学趋化因子，合适的ECM对于血管生成也是必需的。细胞外基质蛋白的三维凝胶对培养的内皮细胞的影响显著大于单层蛋白包被对内皮细胞的影响。内皮细胞表面存在介导细胞－细胞外基质的蛋白聚糖和蛋白，其中研究最多的是整合素家族，它具有黏附和信息传递功能。整合素与其配体的结合使细胞骨架在细胞膜表面的特殊位点聚合，以便细胞运动或维持组织稳定；同时还会激活调控细胞复制或编程性死亡的胞内通道。

三、内皮细胞之间的共同作用与血管形成

不同的细胞表面受体介导细胞之间的连接，包括内皮细胞黏附分子（PECAM－1）和血管内皮钙黏素（VE－cadherin）。当血管成熟后，依赖不同血管床形成更多的连接复合体，如紧密连接、缝隙连接。因而在血管发展中，初期主要是细胞间的识别、黏附，然后才形成连接复合体，但具体的调节尚未阐明。

四、蛋白酶与血管形成

内皮细胞在ECM上的运动严格受控，它先需要整合素介导的细胞－基质间黏附复合体的形成，继而再解聚此复合体，此涉及可复性整合素－基质的结合及解聚；细胞骨架组分的复位与基质的降解过程的循环，除整合素及配体外，金属蛋白酶和纤溶酶原激活物与它们的底物、抑制因子也参与该过程的调节。当内皮细胞接受血管生成因子的刺激，其产生的蛋白酶、胶原酶等使局部基膜降解，为细胞的移出开辟了通道。

五、血管的成熟

血管成熟的最后阶段也叫作“塑形”，主要涉及血管壁细胞（周细胞或平滑肌细胞）对血管的包围、基底膜的产生、血管退化或血管床特化的诱发等。创伤愈合过程中，可见壁细胞包绕毛细血管，与血管生长的停止有暂时相关性，提示周细胞进入增殖中的毛细血管基底膜可能是血管增殖抑制的机制。血管腔和血管壁细胞之间的物理连接表现传递血管稳定的信息。早期血管依赖于外源性生长因子（如VEGF）的作用，VEGF可使内皮形成并维持管腔样结构；除需要壁细胞包围新形成的管腔样结构和基底膜产生外，局部TGF－β1的活化是稳定新生血管结构的重要因素，TGF－β1可抑制内皮细胞的增生、迁移同时刺激周细胞、血管平滑肌细胞的增生和分化，这样才能使血管样结构成为稳定的、成熟的血管床。总之，血管的稳定是由微环境内刺激因子与抑制因子的平衡来决定的，异种细胞之间的作用、局部控制生长因子的表达、基底膜通道的信息传递等都发挥了重要作用。

有了以上信息，就可假设血管生成的一系列过程。实质性损伤后引起组织细胞破坏和缺氧，细胞裂解后释放有效的血管生成因子，如bFGF，而缺氧导致VEGF生成。蛋白水解酶释放进入结缔组织，降解细胞外基质蛋白。与许多必然产生的因子一样，胶原蛋白、纤维连接蛋白和弹性蛋白的特异性片段趋化外周血单核细胞到受伤处，活化成巨噬细胞，释放出更多的血管生成因子。某些血管生成因子，如bFGF，刺激内皮细胞释放纤维蛋白溶酶原激活物和前胶原酶。纤维蛋白溶酶原激活物使纤维蛋白溶酶原转变成纤溶酶，前胶原酶变成活性胶原酶。这两种蛋白酶一起消化基底膜成分。

基底膜的碎裂使内皮细胞在FGF、纤维连接蛋白碎片、肝素和其他内皮细胞化学引诱物刺激下迁移到损伤的地方，肝素由裂解的肥大细胞释放出来。为迁移到富含纤维蛋白和纤维连接蛋白的伤口，内皮细胞表达αν β3整合素。新形成的血管首先沉积在含有纤维连接蛋白和蛋白多糖的暂时性基质上，最终形成基底膜。TGF－β能诱导内皮细胞产生纤维连接蛋白和蛋白多糖的暂时性基质，使毛细血管管状结构形成呈现正确的表型。FGF和其他促有丝分裂原，如VEGF，刺激内皮细胞增殖，为毛细血管的延伸提供源源不断的内皮细胞。毛细血管芽在其顶端分出分支，并交织在一起形成毛细血管回路，通过回路血流开始流动。新的分支从这些回路中延伸出来，形成毛细血管丛。

在组织工程血管化进程中，除了需要必要的细胞因子外，基质材料表面性能和三维结构特征也是非常重要的，它不仅起着细胞的黏附、增殖、分化的支架作用，而且合适的三维结构还有利于营养物质和氧气的渗透交换，为新生血管长入提供通道，并可作为生长因子缓释剂的载体。为便于内皮细胞的黏附和新生血管的长入，组织工程使用的生物材料必须满足一定的要求，要有良好的生物相容性，包括表面相容性和结构相容性。