Yếu tố tăng trưởng nội mạch là gì? Các nghiên cứu khoa học

Khái niệm yếu tố tăng trưởng nội mạch

Yếu tố tăng trưởng nội mạch (angiogenic growth factor) là protein hoặc phân tử tín hiệu ngoại bào đóng vai trò chủ chốt trong quá trình hình thành mạch máu mới (angiogenesis). Chúng tác động trực tiếp lên tế bào nội mô thông qua tương tác với các receptor đặc hiệu, điều phối quá trình tăng sinh, di chuyển và biệt hóa tế bào nội mô mạch máu.

Quá trình sinh mạch do các yếu tố này kích hoạt rất cần thiết trong phát triển phôi thai, phục hồi mô sau tổn thương và tái tạo vết thương. Đồng thời, cân bằng giữa yếu tố tăng trưởng nội mạch và các chất ức chế angiogenesis duy trì trạng thái tĩnh mạch ổn định, tránh tình trạng mạch máu tăng sinh quá mức hoặc bị thoái hóa.

Cân bằng này bị phá vỡ trong nhiều bệnh lý: thiếu hụt yếu tố sinh mạch dẫn đến hoại tử mô, trong khi tăng sinh quá mức có thể tạo điều kiện cho sự phát triển khối u. Do vậy, nghiên cứu đặc tính và cơ chế hoạt động của các yếu tố này là nền tảng cho cả liệu pháp tái tạo mô và quan trị ung thư.

Phân loại yếu tố tăng trưởng nội mạch

Các yếu tố tăng trưởng nội mạch được chia thành nhiều họ chính, mỗi họ lại bao gồm các isoform hoặc thành viên khác nhau:

• VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor): bao gồm VEGF-A, VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D, PlGF. Đây là họ quan trọng nhất, điều hòa thông qua receptor VEGFR-1, VEGFR-2.
• FGF (Fibroblast Growth Factor): FGF-1 (aFGF), FGF-2 (bFGF) chủ yếu kích thích tế bào nội mô và nguyên bào sợi, tham gia quá trình sửa chữa mô và sinh mạch.
• Angiopoietin: Ang-1, Ang-2 liên kết với receptor Tie2, điều chỉnh tính ổn định và tính thấm của mạch máu.
• PDGF (Platelet-Derived Growth Factor), HGF (Hepatocyte Growth Factor) và một số cytokine như TGF-β góp phần điều hòa giai đoạn sau của angiogenesis, như định hình ổn định thành mạch.

Sự khác biệt trong cấu trúc ligand–receptor và mức độ biểu hiện trong mô đích quyết định đặc tính sinh học và khả năng ứng dụng trị liệu của từng họ yếu tố.

Cơ chế tín hiệu và phân tử

Yếu tố tăng trưởng nội mạch khởi đầu tín hiệu khi liên kết với receptor tyrosine kinase (RTK) trên màng tế bào nội mô. Quá trình liên kết có thể diễn ra theo phương trình hóa học:

$L + R \xrightleftharpoons[k_{\text{off}}]{k_{\text{on}}} LR$

Trong đó, kon và koff lần lượt là hằng số tạo phức và phân ly. Sau khi ligand – receptor hình thành, receptor tự phosphoryl hóa và kích hoạt các đường dẫn tín hiệu nội bào chính như MAPK/ERK, PI3K/Akt và PLCγ.

Đường dẫn MAPK/ERK thúc đẩy tăng sinh tế bào qua chu trình tế bào, trong khi PI3K/Akt tăng cường khả năng sống sót và di chuyển tế bào nội mô. Đồng thời, PLCγ thúc đẩy tái tổ chức bộ xương tế bào, hỗ trợ di cư và hình thành ống mạch.

• MAPK/ERK: Điều hòa phiên mã gen tăng sinh.
• PI3K/Akt: Ức chế apoptosis, tăng tính di động tế bào.
• PLCγ: Tăng canxi nội bào, hỗ trợ kết cấu cytoskeleton.

Cơ chế điều hòa ngược thông qua các yếu tố ức chế như thrombospondin-1 hoặc angiostatin giúp chấm dứt tín hiệu sinh mạch sau khi mạch mới được hình thành ổn định.

Phương pháp đo lường và đánh giá

Định lượng mức độ biểu hiện yếu tố tăng trưởng nội mạch và đánh giá chức năng mạch máu mới có thể thực hiện bằng các kỹ thuật in vitro và in vivo:

• In vitro:
  • ELISA: đo lượng protein trong dịch nuôi cấy.
  • Western blot: xác định mức độ phosphoryl hóa receptor.
  • qPCR: đánh giá biểu hiện mRNA của ligand và receptor.
• Thử nghiệm chức năng tế bào nội mô:
  • Migration assay (Boyden chamber, scratch wound).
  • Tube formation assay trên nền Matrigel.

In vivo, các mô hình Matrigel plug hoặc chuột mắt non (retinal angiogenesis assay) và khối u cấy ghép (tumor xenograft) cho phép quan sát sinh mạch trong bối cảnh tổ chức đầy đủ, đồng thời đánh giá tính khả dụng sinh học và tác dụng điều trị của các phân tử tác động lên angiogenesis.

Ứng dụng in vivo và mô hình nghiên cứu

Các mô hình in vivo đánh giá chức năng thực sự của yếu tố tăng trưởng nội mạch trong môi trường mô đầy đủ phức hợp. Mô hình Matrigel plug là thử nghiệm phổ biến, trong đó gel chứa yếu tố tăng trưởng được cấy dưới da chuột, đánh giá sự xâm nhập tế bào nội mô và hình thành mạch mới sau 7–14 ngày.

Thử nghiệm angiogenesis võng mạc chuột (retinal angiogenesis assay) sử dụng mắt non của chuột sơ sinh để quan sát trực tiếp sự tăng sinh mạch máu. Phương pháp này cho phép đo lường nhanh các chỉ số như độ dài mạch, số nhánh và diện tích phủ mạch.

Mô hình u ghép (tumor xenograft) kết hợp tế bào khối u người và chuột suy giảm miễn dịch, giúp đánh giá vai trò của yếu tố tăng trưởng nội mạch trong mạch hóa khối u. Sự tăng sinh mạch trong khối u được định lượng qua nhuộm CD31 và phân tích hình thái mạch.

Điều hòa và ức chế angiogenesis

Cân bằng giữa yếu tố kích thích và ức chế quyết định mức độ sinh mạch. Ngoài các protein kích thích, cơ thể sản sinh các chất ức chế như thrombospondin-1, angiostatin và endostatin để chấm dứt tín hiệu khi mạch mới đã ổn định.

Thrombospondin-1 gắn vào receptor CD36, kích hoạt apoptosis tế bào nội mô, trong khi angiostatin – mảnh cắt của plasminogen – ức chế di cư và chu kỳ tế bào thông qua tác động lên FAK và MAPK.

• Angiostatin: Ức chế mạnh mẽ di cư nội mô.
• Endostatin: Ngăn cản phosphoryl hóa VEGFR-2, giảm tín hiệu PI3K/Akt.
• Thrombospondin-1: Kích hoạt con đường apoptotic thông qua CD36.

Vai trò trong bệnh lý

Mất cân bằng angiogenesis góp phần vào nhiều bệnh lý. Trong ung thư, sự gia tăng biểu hiện VEGF-A thúc đẩy mạch hóa khối u, cấp dưỡng oxy và dưỡng chất, làm khối u phát triển và di căn nhanh chóng.

Ngược lại, trong bệnh tim mạch vành hoặc thiếu máu cơ tim, biểu hiện yếu tố tăng trưởng nội mạch giảm làm suy giảm khả năng hình thành mạch bàng hệ, khiến mô cơ tim hoại tử do thiếu oxy.

Trong các bệnh viêm mạn như viêm khớp dạng thấp, hiện tượng tăng sinh mạch tại màng hoạt dịch làm trầm trọng thêm phản ứng viêm, đồng thời tăng biểu hiện enzym metalloproteinase phá hủy mô liên kết.

Ứng dụng lâm sàng

Thuốc ức chế VEGF (anti-VEGF) như bevacizumab và ranibizumab đã được ứng dụng rộng rãi trong điều trị ung thư và bệnh thoái hóa hoàng điểm do tuổi (AMD). Bevacizumab ngăn chặn VEGF-A, làm giảm mạch hóa u và chậm tăng trưởng khối u ở nhiều loại ung thư rắn.

• Ranibizumab: Chống tăng sinh mạch võng mạc, cải thiện thị lực ở bệnh nhân AMD.
• Pazopanib: Ức chế nhiều RTK, điều trị ung thư thận thể tế bào sáng.

Ở chiều ngược lại, liệu pháp pro-angiogenic sử dụng VEGF hoặc FGF tái tưới máu cho mô thiếu máu cục bộ và hỗ trợ lành vết thương. Tiêm gel chứa bFGF đã chứng minh tăng mật độ mạch và tốc độ lành thương vết loét ở bệnh nhân tiểu đường.

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Thách thức chính là đảm bảo tính đặc hiệu và giảm tác dụng phụ. Các liệu pháp kháng VEGF kéo dài có thể gây tăng huyết áp và thrombosis. Việc phân phối yếu tố tăng trưởng vào mô đích đòi hỏi hệ vận chuyển phân tử như nanoparticle hoặc hydrogel thông minh.

• Phát triển vectơ gene biểu hiện yếu tố tăng trưởng có kiểm soát.
• Sử dụng khung sinh học (scaffold) cho liệu pháp tái tạo mạch.
• Ứng dụng CRISPR/Cas9 để điều chỉnh biểu hiện receptor nội mô.

Nghiên cứu tương lai tập trung vào liệu pháp cá thể hóa dựa trên hồ sơ sinh học bệnh nhân, kết hợp học máy để dự đoán phản ứng điều trị và tối ưu hóa liều lượng yếu tố tăng trưởng.

Tài liệu tham khảo

• Ferrara N., Kerbel R. S. (2005). Angiogenesis as a therapeutic target. Nature, 438(7070), 967–974. doi.org/10.1038/nature04483
• Carmeliet P. (2003). Angiogenesis in health and disease. Nature Medicine, 9(6), 653–660. doi.org/10.1038/nm0603-653
• Bikfalvi A. et al. (1997). Biology of vascular endothelial growth factor. Endocrine Reviews, 18(1), 4–25. doi.org/10.1210/edrv.18.1.0298
• NCBI Bookshelf. Vascular Endothelial Growth Factor. ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22045/
• American Cancer Society. Angiogenesis and Cancer. cancer.org/.../angiogenesis.html