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编号:10246411
血管生成抑制素Endostatin研究新进展
http://www.100md.com 《中国肿瘤生物治疗杂志》 2000年第1期
     作者:贺祥 潘卫 芮耀诚 戚中田

    单位:贺祥 潘卫 芮耀诚 戚中田(第二军医大学微生物学教研室 上海 200433)

    关键词:血管;抑制素;Endostatin;进展

    中国肿瘤生物治疗杂志000125 摘 要 1997年O'Reilly从小鼠血管内皮细胞瘤中分离到一种新的20 kD具有特异抑制血管内皮细胞生长的抑制因子——Endostatin,它对牛毛细血管内皮细胞、牛肺主动脉内皮细胞有特异的抑制增殖作用,而对非血管内皮细胞系细胞如NIH3T3,A10平滑肌细胞等则无增殖抑制作用,实验证实大肠杆菌生产的复性及未复性的Endostatin及杆状病毒生产的重组Endostatin均有抑制鸡胚血管生成的作用,而且Endostatin没有象肿瘤化疗药物那样引发肿瘤产生抗药性,其作用机理尚待进一步研究。

    《中国图书资料分类法》分类号 R73-362
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    Folkman等发现[1]实体肿瘤及其转移物的生长、维持必须有新生血管的形成。为了刺激血管形成,肿瘤分泌一系列细胞生长因子(aFGF和bFGF)等[2]。然而,奇怪的是许多恶性肿瘤还形成血管的抑制因子,如angiostatin[3],糖蛋白G[4]。另一些血管抑制因子则与肿瘤无关,包括血小板因子4[5],IFN-α,IFN诱导蛋白10[6],gro-beta[7],催乳素N端片断[8]。近来O'Reilly[9]继1994年从小鼠Lewis肿瘤细胞中分离出的38 kD具有肿瘤血管内皮细胞生长抑制作用的angiostatin后,又从小鼠血管内皮细胞瘤中分离到一种新的20 kD,且具有特异抑制血管内皮细胞生长的抑制因子Endostatin。该物质在小鼠中对肿瘤诱导的血管生成具有几乎完全的抑制作用,显示出很强的抗肿瘤活性。

    1 Endostatin的发现及特性
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    O'Reilly[9]等发现一种小鼠血管内皮瘤细胞系EOMA的培养基具有血管内皮细胞抑制作用。将该培养基过赖氨酸葡聚柱后,其抑制活性并不存在于结合物质,而在流穿部分中,表明该抑制活性不是由angiostatin引起。但如许多具有血管抑制剂的物质一样,具有该抑制活性对肝素sephrose有亲和力。经肝素亲和层析及S200凝胶过滤及几轮C4柱反相HPLC后,该活性物质纯化到单一电泳纯,从10 L含500 mg纯蛋白的培养基中纯化到2 μg的活性物质,抑制活性提高5 000倍,活性回收率为2%。该物质分子量为20 kD左右,在(100~600) ng/ml浓度对血管内皮细胞有剂量依赖的特异抑制生长作用,对其它细胞无作用。N端氨基酸序列测定结果表明,该物质为胶原ΧⅧ C未端片段,被命名为Endostatin。其核酸及推导的氨基酸序列如图1所示:

    1 CAC AGC CAC CGC GAC TTC CAG CCG GTG CTC CAC CTG GTT GCG CTC AAC 48
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    1 H S H R D F Q P V L H L V A L N 16

    49 AGC CCC CTG TCA GGC GGC ATG CGG GGC ATC CGC GGG GCC GAC TTC CAG 96

    17 S P L S G G M R G I R G A D F Q 32

    97 TGC TTC CAG CAG GCG CGG GCC GTG GGG CTG GCG GGC ACC TTC CGC GCC 144

    33 C F Q Q A R A V G L A G T F R A 48

    145 TTC CTG TCC TCG CGC CTG CAG GAC CTG TAC AGC ATC GTG CGC CGT GCC 192
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    49 F L S S R L Q D L Y S I V R R A 64

    193 GAC CGC GCA GCC GTG CCC ATC GTC AAC CTC AAG GAC GAG CTG CTG TTT 240

    65 D R A A V P I V N L K D E L L F 80

    241 CCC AGC TGG GAG GCT CTG TTC TCA GGC TCT GAG GGT CCG CTG AAG CCC 288

    81 P S W E A L F S G S E G P L K P 96

    289 GGG GCA CGC ATC TTC TCC TTT GAC GGC AAG GAC GTC CTG AGG CAC CCC 336
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    97 G A R I F S F D G K D V L R H P 112

    337 ACC TGG CCC CAG AAG AGC GTG TGG CAT GGC TCG GAC CCC AAC GGG CGC 384

    113 T W P Q K S V W H G S D P N G R 128

    385 AGG CTG ACC GAG AGC TAC TGT GAG ACG TGG CGG ACG GAG GCT CCC TCG 432

    129 R L T E S Y C E T W R T E A P S 144

    433 GCC ACG GGC CAG GCC TCC TCG CTG CTG GGG GGC AGG CTC CTG GGG CAG 480
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    145 A T G Q A S S L L G G R L L G Q 160

    481 AGT GCC GCG AGC TGC CAT CAC GCC TAC ATC GTG CTC TGC ATT GAG AAC 528

    161 S A A S C H H A Y I V L C I E N 176

    529 AGC TTC ATG ACT GCC TCC AAG TAG 552

    177 S F M T A S K * 184

    图1 Endostatin的核酸及氨基酸序列

    2 Endostatin的生物学特性

, 百拇医药     2.1 Endostatin的产生及其结构特点

    胶原ΧⅧ是1994 Rehn[10]鉴定出的一种新的非纤维性胶原,与胶原XⅤ同为胶原超家属的multiplexin亚组(multiple triple-helix domains and interruptions)。其结构特点是分三个部分,第一部分为N端大球形结构,中间部分是含有多个间隔序列的三股超螺旋(triple-helical)区,C端为含4个保守半胱氨酸的球形结构(其中含endostatin序列)。肝脏是重要的胶原XⅧ产生器官[11]。有二种形式的胶原ΧⅧ存在,一种N端区域为303个氨基酸(NC-303),另一种为493个氨基酸残基(NC-493)。分别为基底膜存在形式及血浆存在形式。Endostatin为分子量20 kD的胶原ΧⅧ C球形未端部分片段。小鼠的C未端结构含315个氨基酸,Endostatin是132~315肽段,结构见图2。
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    图2 体内二种胶原蛋白ΧⅧ的结构及Endostatin位置

    在体内,胶原ΧⅧ可以通过好几种蛋白水解途径产生Endostatin(22 kD)和/或全C未端结构蛋白(38 kD)及介于二者中间的蛋白。38 kD的全C片段对基底膜蛋白的亲和力要高于22 kD的Endostatin。在人体多种组织抽提物中含丰富的Endostatin样多肽,其分子量同全C未端蛋白,其中鼠肝100 mg组织中含2 μg该蛋白。健康人的血液中含各种类型的22 kD Endostatin样蛋白,免疫法测定为120~300 ng/ml,推测肌体组织中含有与基底膜蛋白结合的Endostatin池,蛋白的水解作用释放入血,血清中产生可溶性的Endostatin。此外,肝脏的疾病也影响胶原XⅧ及Endostatin的产生。

    2.2 Endostatin的血管生长抑制作用

    O'Reilly证实大肠杆菌生产的复性、未复性的Endostatin及杆状病毒产生的重组Endostatin均有抑制鸡胚血管生成的作用(chick chorioallantoic membrane, CAM)。同样,酵母产生的Endostatin也证实存在同样的作用。Blezinger等[12]证实,直接肌肉内注射Endostatin表达质粒可以降低肿瘤血管形成3倍以上,可以抑制65%的实验性角膜新生血管诱导生长。
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    2.3 Endostatin抑制血管内皮细胞增殖及诱导凋亡作用

    Endostatin对牛毛细血管内皮细胞、牛肺主动脉内皮细胞有特异的抑制增殖作用,而对非血管内皮细胞系细胞如NIH3T3,A10平滑肌细胞等则无增殖抑制作用。这种抑制作用在含血管形成促进因子bFGF(3 ng/ml)时更为明显。该生长抑制作用与细胞的凋亡相伴随[13]。牛肺主动脉内皮细胞经Endostatin(10 μg/ml)作用后,细胞变圆,并与基质相脱离。细胞凋亡的早期表现为12 h后annexinV-FLFC结合试验中磷脂酰丝氨酸(PS)由细胞膜内侧面转位至细胞膜外侧,24 h后细胞内的半胱天冬酶活性明显增加。TUNEL法也测到核内DNA的降解,同时细胞内抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL含量也下降。

    2.4 Endostatin的抗肿瘤作用

    O'Reilly证实了Endostatin对肿瘤的转移和原发性种植肿瘤具有抑制作用。当给予小鼠0.3 mg/kg/d 皮下注射时,小鼠Lewis肺癌的转移几乎完全被抑制。重组的复性或非复性的Endostatin在小鼠中几乎完全抑制种植已达100~200 mm3大小的Lewis肺癌、T241纤维肉瘤、Eoma血管内皮细胞瘤、B16F10黑色素瘤的生长,原发性肿瘤消退至显微镜可见的休眠期。免疫组化证实肿瘤血管形成被阻断,肿瘤细胞的凋亡指数提高7倍。在Endostatin的治疗中没有发现任何毒副作用。
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    更有意思的是Folkman[14]实验室的Endostatin抗肿瘤实验结果。用Endostatin治疗小鼠Lewis肺癌后,肿瘤缩小,停止给药后,肿瘤又回复到原来大小;再用Endostatin治疗,肿瘤再次缩小,这样持续6轮循环治疗后,Endostatin治疗仍然有效,而且肿瘤在被观察的5个月内未再复发。这一实验表明Endostatin没有引发肿瘤产生抗药性。除了直接注射重组Endostatin引起肿瘤抑制外,Blezinger P直接肌肉注射Endostatin的表达质粒也形成了对原发性肿瘤及肿瘤转移的抑制。他们给小鼠肌肉注射240 μg的表达质粒,注射后第3天,血循环中的Endostatin水平达3 μg/ml,第7天最高达8 μg/ml,至14 d后降至4 μg/ml。接种的BALB/c小鼠肾细胞癌(Renca)和C57BL CLC在注射后第13天与对照相比,肿瘤被抑制40%,二者有统计学的差别。肺部肿瘤有6倍转移数的抑制,肺重量减少32%。由于Endostatin具有如此明显的体内抗肿瘤作用以及无毒性和不产生抗药性的特性,美国NCL和Entre Med公司准备今年底破例进行小规模的人体临床试治。
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    3 Endostatin的作用机理

    有关血管生成抑制因子对内皮细胞的作用机理及其受体,至今尚不清楚。对糖蛋白G和血小板因子4的研究证明,它们的肝素结合区域与活性相关,提示可能与bFGF竞争其蛋白多糖受体,同样Endostatin及Angiostatin也有很强的肝素亲和性,提示Endostatin的作用机理也是与bFGF竞争。比较支持这一假说的证据有:①Endostatin的血管内皮细胞抑制作用在有bFGF存在的情况下更为明显;②Endostatin的作用浓度为(100~300) ng/ml,符合竞争抑制所需要的高浓度。③鼠Endostatin的晶体结构研究表明,其分子表面15个Arg参与形成了稳定的肝素结合区。然而,也有一些研究证明,并非只有肝素结合区参与抑制活性的形成,如糖蛋白G的非肝素片段也具有抑制活性作用,该片段能结合CD36受体。这些提示了血管抑制机理的复杂性,同样Endostatin也可能存在复杂的抑制血管形成机理,需进一步研究。

    参 考 文 献
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    1,Folkman J, Watson K, Ingber D, et al. Induction of angiogenesis during the transition from hyperplasia to neoplasia. Nature, 1989, 339(6219): 58

    2,Kandel J, Bossy-Wetzel E, Radvanyi F, et al. Neovascularization is associated with a switch to the export of bFGF in the multistep development of fibrosarcoma. Cell, 1991, 66(6): 1095

    3,O'Reilly MS, Holmgren L, Shing Y, et al. Angiostatin: A novel angiogenesis inhibitor that mediates the suppression of metastases by a Lewis lung carcinoma. Cell, 1994, 79(2): 315
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    4,Good DJ, Polverini PJ, Rastinejad F, et al. A tumor suppressor-dependent inhibitor of angiogenesis is immunologically and functionally indistinguishable from a fragment of thrombospondin. Proc Natl Acad Sci USA , 1990, 87(17): 6624

    5,Maione TE, Gray GS, Petro J, et al. Inhibition of angiogenesis by recombinant human platelet factor-4 and related peptides. Science, 1990, 247(4938): 77

    6,Angiolillo AL, Sgadari C, Taub DD, et al. Human interferon-inducible protein 10 is a potent inhibitor of angiogenesis in vivo. J Exp Med, 1995, 182(1): 155
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    7,Cao Y, Chen C, Weatherbee JA, et al. gro-beta, a -C-X-C-chemokine, is an angiogenesis inhibitor that suppresses the growth of Lewis lung carcinoma in mice. J Exp Med, 1995, 182(6): 2069

    8,Clapp C, Martial JA, Guzman RC, et al. The 16-kilodalton N-terminal fragment of human prolactin is a potent inhibitor of angiogenesis. Endocrinology, 1993, 133(3): 1292

    9,O'Reilly MS, Boehm T, Shing Y, et al. Endostatin: An endogenous inhibitor of angiogenesis and tumor growth. Cell, 1997, 88(2): 277
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    10,Rehn M, Pihlajaniemi T. Alpha 1(XⅧ), a collagen chain with frequent interruptions in the collagenous sequence, a distinct tissue distribution, and homology with type XV collagen. Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91(10): 4234

    11,Musso O, Rehn M, Saarela J, et al. Collagen XⅧ is localized in sinusoids and basement membrane zones and expressed by hepatocytes and activated stellate cells in fibrotic human liver. Hepatology, 1998, 28: 98
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    12,Blezinger P, Wang J, Gondo M, et al. Systemic inhibition of tumor growth and tumor metastases by intramuscular administration of the endostatin gene. Nat Biotechnol, 1999, 17(4): 343

    13,Dhanabal M, Ramchandran R, Waterman MJ, et al. Endostatin induces endothelial cell apoptosis. J Biol Chem, 1999, 274(17): 11721

    14,Boehm T, Folkman J, Browder T, et al. Antiangiogenic therapy of experimental cancer does not induce acquired drug resistance. Nature, 1997, 390(6658): 404

    (1999-02-20收稿; 1999-05-10修回), http://www.100md.com