肿瘤的血管生成有多种方式，包括出芽式血管生成、套入式血管生成、募集内皮祖细胞的血管生成、血管生成拟态、马赛克血管和血管共选择等。募集内皮祖细胞的血管生成即血管从头生成（vasculogenesis）不但参与了肿瘤的血管生成，还与血管芽生同为肿瘤血管生成的主要方式。新生血管的启动首先要求血管生成开关的开启，随后是基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的表达以降解基底膜，内皮细胞在自分泌和旁分泌机制下产生的趋化因子和促血管因子的作用下移行至相应部位后大量增殖，继而在肿瘤基质细胞的支持下发展成为血管。在这一过程中，肿瘤细胞和肿瘤基质细胞之间相互作用，共同形成适合血管生成的肿瘤微环境。
1 肿瘤血管生成的参与因素和基本过程
肿瘤细胞、肿瘤基质细胞（包括内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、周细胞、炎性细胞等）、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）及它们分泌或释放的各种细胞因子共同构成了肿瘤血管生成的调控网络。肿瘤细胞是肿瘤血管生成的启动子，它分泌的MMP等水解酶能降解细胞外基质，促使储存于细胞外基质中的促血管因子释放，还能募集宿主细胞如髓源抑制性细胞、间充质干细胞等至肿瘤部位，通过这些细胞分泌的各种促血管因子来帮助血管生成，也可直接表达多种促血管因子从而促进血管生成。细胞外基质是细胞黏附乃至血管生成的支持物，还是各种血管调控因子的贮存场所，细胞外基质本身还能转化为血管生成的调控因子，如已进入临床的人血管内皮抑素就是ECM成分胶原ⅩⅧ的水解片段。上述组织或细胞成分在它们分泌的各种细胞因子参与下相互作用，共同构成了肿瘤血管生成的微环境。
肿瘤血管生成首先是由于遗传不稳累积导致血管生成表型的获得，血管促进因子对血管抑制因子取得优势后，血管生成开关打开，在血管促进因子的刺激下，血管内皮基底膜降解，内皮细胞迁移至肿瘤部位并大量增殖形成微管样结构，继而在平滑肌细胞、周细胞等的支持下形成血管。周细胞和内皮细胞直接联系组成毛细血管和不成熟血管的管壁，血管壁的正常组成受到干扰导致通透性增加和血管膨胀的增多，进而导致组织水肿甚至胚胎期的死亡，这种不成熟的血管有利于肿瘤的侵袭和转移。
2 血管生成开关的开启
肿瘤的生长情况根据血管生成开关是否开启可分为血管前期和血管期，血管前期肿瘤细胞通过既有血管的弥散作用从组织间液获得营养，虽然它的增殖率未必低于血管期，但由于增殖率和凋亡率基本相同，肿瘤维持在稳定的体积，这些肿瘤在宿主生前不被发现。血管期肿瘤细胞从新生的血管网获得营养而迅速增大。
血管开关的平衡假说认为，开关的开启依赖于促血管因子的合成和释放，提高促血管基因的表达或者提高诱导蛋白的活性和生物利用度则开关开启，反之则关闭。目前发现的血管生成开关开启的调控子有血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、碱性成纤维细胞生长因子、白细胞介素8、转化生长因子β（TGF-β）、多效生长因子、整合素、MMP等。这些因子能被肿瘤细胞释放，能被细胞外基质动员，或被肿瘤募集的宿主细胞如巨噬细胞释放；而内源性抑制因子如血小板反应蛋白、干扰素β的表达可能被下调。细胞向恶性转变依赖原癌基因Ras的表达，Ras表达诱导了细胞的恶性转变以及VEGF表达的升高，而原癌基因的高表达又进一步通过Myc的激活抑制了血小板反应蛋白的表达并启动了随后的肿瘤血管生成。调控细胞增殖和存活的基因发生不稳或突变以及这种遗传不稳定性的累积程度决定着细胞的恶性程度，并使得促血管因子取得优势，获得血管生成表型。这种血管生成表型不但体现在肿瘤细胞上，也体现在肿瘤周围的基质细胞上。有研究发现，将人脐静脉内皮细胞与神经胶质瘤细胞共培养后，内皮细胞出现VEGF-1受体和成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FCF）受体等肿瘤细胞特有的基因。各种环境应激与遗传不稳定性（包括原癌基因的激活或抑癌基因的失活两方面）互为因果，成为帮助血管促进因子战胜血管抑制因子的重要助力。
MMP对血管新生的重要性除了降解细胞外基质外，还有同样重要的促进结合的生长因子的释放的作用。Lee等也发现了类似的证据，VEGF165通过肝磷酯结合区与硫酸类肝素蛋白多糖结合，而MMP3和MMP9可以使这种结合破裂而释放活性的VEGF。MMP的这种作用很可能与其降解的细胞外基质是生长因子的蓄池有关，基质降解所释放的大量生长因子开启血管生成开关。
此外，最近的研究发现微小RNA（microRNA，miR）在血管生成开关的调控上也发挥作用，如miR-132可抑制内皮p120RasGAP（GTPase-activatingprotein of Ras）表达导致Ras激活，从而使内皮细胞获得血管生成表型，启动血管生成。
3 调控肿瘤血管生成的分子机制
3.1 VEGF家族
VEGF家族是目前已知最重要的肿瘤血管促进因子之一，包括VEGF-A、B、C、D、E和胎盘生长因子（（placenta growth factor，PIGF）。VECF-B主要与维持血管存活有关，VEGF-C、D主要与肿瘤淋巴管生成有关。VEGF-A促血管生成的机制包括：①诱导内皮细胞表达整合素1、αv、β3、β5及其配体，介导内皮细胞迁移和浸润；②诱导内皮细胞分泌多种组织蛋白酶，降解细胞外基质，促进内皮细胞的增殖、迁移、运动和血管腔样结构的形成；③动员内皮祖细胞从骨髓进入外周血，分化为血管内皮细胞、平滑肌细胞、周细胞等参与肿瘤血管的构成；④VEGF-A还是血管渗漏的诱导因子，亦称血管通透性因子。
所有的内皮细胞对血管生成促进因子的反应并不相同，在特定机制调控下，某些细胞被选择出来引导血管生成，这些细胞被称为“接头细胞（tipcells）”。它们会根据VEGF浓度梯度来确定其迁移及微管形成的方向，因此血管生成的方向是由生长因子在组织中的立体分布调控的。在此调控机制中，VEGF作用下的接头细胞并不大量增殖，而是微管枝干中的内皮细胞大量增殖。VEGF（主要是VEGF-A）对接头细胞和微管枝干中的内皮细胞作用不同，分别调控接头细胞的迁移和内皮细胞的增殖。
PIGF可直接促进内皮细胞的增殖和迁移，也可以募集肿瘤局部的巨噬细胞或动员骨髓来源的祖细胞来帮助血管生成，甚至能像VEGF—样影响血管的通透性。因此，PIGF的代偿性表达被认为是抗VEGF治疗效果不佳的原因之一。
3.2 细胞外基质相关蛋白酶
在细胞外基质降解酶中，MMP的作用最为重要，在内皮细胞移行至血管发生部位的过程中、引导微管形成方向的接头细胞在沿VEGF浓度逆向运动时都需要其作用。MMP还与内皮细胞迁移有关，在两方面的共同作用下，MMP帮助内皮细胞侵入间质细胞从而促进血管新生。但有证据表明，MMP对血管新生具有负调节作用，这种作用的双重性可能因其降解的细胞外基质中既包含血管促进因子，也包含血管抑制因子，这也许是MMP抑制剂临床效果不佳的原因。
MMP活性受组织金属蛋白酶抑制因子（tissueinhibitor of metalloproteinase，TIMP）的调控，TIMP既能直接抑制内皮细胞的运动和迁移，也能通过间接的抑制基质降解而发挥作用，甚至当TIMP2与层黏连蛋白受体α3β1结合后，还可抑制酪氨酸激酶生长因子受体如FGF受体、VEGF受体的活性。
可以调控肿瘤血管新生的蛋白酶还包括纤溶酶原激活物抑制子-1（PAI-1）和尿激酶型纤溶酶激活因子（uPA）等。在PAI-1缺乏小鼠中，肿瘤细胞局部的侵袭和相关的血管生成受到抑制，体外给予PAI-1后这种血管抑制町被解除，这也支持了上面所述的细胞外基质中血管抑制因子超过血管促进因子的观点。
3.3 黏附因子
目前发现的黏附因子主要有5大类：整合素、钙黏素、选择素、免疫球蛋白超家族及透明质酸黏素。其中，对血管新生最为重要的是整合素家族，因为内皮细胞和细胞外基质蛋白的相巨作用很大程度上通过表面表达的整合素来介导的。肿瘤坏死因子和干扰素-γ的抗黑色素瘤血管生成作用是通过减少内皮细胞上整合素αVβ3的激活而降低了内皮细胞的黏附和存活。整合素与细胞外基质蛋白的衔接调控是双向的：依赖踝蛋白的从内到外的调控增加整合素与配基的亲和性，或者通过黏着斑贴附及相关配体和激酶的从外到内的调控主要影响细胞骨架重塑和基因表达。此外，整合素还在胶质与内皮细胞的相互作用中发挥重要作用，内皮细胞在胶原上的侵袭主要由整合素α2β1介导，而其在纤维蛋白上的侵袭主要由繁合素αVβ3和α5β1介导。在内皮细胞间相互黏附组成微管的过程中，属于跨膜糖蛋白的钙黏素作用十分重要。针对血管内皮型钙黏素的单克隆抗体可抑制内皮细胞在胶原和纤维蛋白上的微管形成，甚至在微管形成后添加这种抗体可以干扰微管网络化这一过程，而针对N-钙黏素、整合素αvβ3和血小板-内皮细胞黏附分子1的单克隆抗体未显示此种作用。
血管内皮型钙黏素（VE-cadherin）的一个溶解性N末端片段（ECl-3）也可抑制VEGF诱导的内皮细胞增殖和微管形成，且对正常组织不构成损害，值得我们更多地关注。
3.4 其他因子
除了上述3大类外，目前已发现的可影响血管生成的因子至少还有数十种，如血管生成素（angioge-mn，Ang）、FGF、血小板衍生生长因子、白细胞介素8、白细胞介素12、β干扰素、TCF、肝细胞生长因子、肿瘤坏死因子、血管抑素、内皮抑素、血小板因子4、血小板反应蛋白等。随着研究的逐步推进，多种细胞因子如牙本质基质蛋白、G蛋白偶联受体、人β防卫素、胰岛素样生长因子结合蛋白7、色素内皮衍生因子、雌激素等均被发现具有血管调控作用。近年病毒在肿瘤血管调控中的作用也引起广泛关注，病毒可通过直接产生病毒趋化因子、生长因子和受体，也可间接通过调控细胞蛋白活性或者通过诱导局部或全身的炎性反应来创造有利于血管生成的微环境来调控血管生成。各种调控因素之间亦存在着相互作用，如Ang2做为Angl的竞争性抑制子，其作用具有双向性，取决于VEGF是否存在，VEGF不存在时Ang2促进血管退化，VEGF存在时Ang2促进血管新生。
4 调控肿瘤血管生成的细胞机制
肿瘤血管生成也离不开间质的参与，细胞问质不单单为肿瘤血管提供支持，更主动参与了肿瘤血管生成的调控。在这些细胞和成分中，以肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage，TAM）和成纤维细胞（tumor-associated fibroblast，TAF）的作用最为重要。
4.1 TAM
TAM在被肿瘤分泌的VEGF、CC类趋化因子配体、细胞集落刺激因子、PIGF等招募后，就成为肿瘤微环境中的关键细胞，它不但没有发挥原有的抗原呈递和细胞免疫功能，反而在被缺氧或其他应激分子激活后，成为肿瘤微环境中的促血管因子和蛋白酶的主要来源，一项采用cDNA微阵列技术的研究发现，缺氧情况下TAM可上调30多种编码的促血管生成基因的表达。TAM可以释放多种MMP和uPA来降解ECM帮助内皮细胞迁移，释放VECF、碱性成纤维细胞生长因子、TGF-β，血小板激活因子和前列腺素等促血管因子和生长因子促进内皮细胞增殖并增加血管通透性，还可通过分泌多种趋化因子来募集更多的宿主细胞进一步地促进血管生成。TAM还可通过诱导型一氧化氮合酶产生一氧化氮，直接扩张血管增加肿瘤血供。TAM对肿瘤血管新生乃至转移的促进作用可以部分解释TAM数量增加与多种肿瘤高血管密度的相关性，包括神经胶质瘤、食管癌、膀胱癌、前列腺癌、恶性黑色素瘤、乳腺癌等。
4.2 TAF
成纤维细胞是VEGF、细胞外基质、基底膜、各种细胞因子和蛋白酶的主要来源，处于基质母细胞的地位。成纤维细胞合成的细胞外基质对内皮细胞微管状结构的形成是必要的，将内皮细胞和成纤维细胞共培养后内皮细胞形成微管结构的数量明显增多，而在去除了成纤维细胞后此现象随之消失。成纤维细胞被去除后即使加上成纤维细胞条件培养基，微管样结构也明显减少，说明成纤维细胞必须与内皮细胞紧密接触才能发挥其促血管形成作用。成纤维细胞通过分泌和组织丰富的细胞外基质，创造一个有助于捕获其自身分泌的生长因子并促进立体的细胞组织微环境来诱导内皮细胞形成微管。另一项研究发现，对内皮细胞微管形成影响更大的是内皮细胞与成纤维细胞的距离而不是其与培养基之间的距离，说明成纤维细胞分泌的生长因子弥散性较差，可能是因为大小或基质间相互作用的缘故。
成纤维细胞还与基质细胞衍生因子-1的表达对内皮祖细胞的募集作用有关。这种细胞表达的肝细胞生长因子、白细胞介素8和TGF-β可能具有同样作用。成纤维细胞还能通过表达多配体（蛋白）聚糖来调控内皮细胞的激活和增殖，多配体（蛋白）聚糖-1在超过70%的乳腺癌成纤维细胞上都有表达，可提高肿瘤动物模型上的微管密度和血管面积，其机制尚未明了。TAF对肿瘤血管生成的促进作用在体内实验中亦得到证实，将正常成纤维细胞和TAF一同接种至Ras转染的人乳腺癌细胞MCF-7裸鼠，结果前者的肿瘤明显小于后者，这种差异主要是由于后者升高的基质细胞衍生因子-1分泌促进了肿瘤血管生成及肿瘤细胞增殖，而并非因为成纤维细胞自身的增殖。
4.3 其他细胞
除了TAM和TAF外，肿瘤微环境中还存在着诸如肿瘤相关调节性T细胞、髓源抑制性细胞、肿瘤相关中性粒细胞、调节性树突状细胞等，这些细胞一旦被肿瘤细胞募集并驯化，便丧失了原有的生理功能而成为肿瘤细胞的支持因素，分泌各种细胞因子、生长因子、趋化因子来帮助肿瘤血管的生成。肿瘤细胞很可能与肿瘤局部和机体远端的各种细胞和组织成分之间发生相互作用，诱导它们的基因表型发生改变，从而招募机体的正常细胞为其血管生成乃至肿瘤进展服务。
5 抗血管新生治疗的思考
从基础研究上来说，某些研究的结果让人困惑，比如有些研究表明，增加周细胞覆盖可以稳定血管，使化疗药物更有效的到达肿瘤部位杀伤肿瘤。而另一些研究表明，减少周细胞覆盖可使肿瘤血管生成受到抑制，减少肿瘤的血管供应，使肿瘤缩小。换个角度思考，增加周细胞覆盖稳定血管，使血液供应充足，肿瘤是否会增大；而减少周细胞覆盖可使肿瘤血管渗漏性增加，是否增加了肿瘤转移的机会。动物实验发现，靶向VEGF药物抑制原发肿痛的生长，却缩短了总生存期，因为抗血管治疗提高了肿瘤细胞的侵袭力，促进了转移。可能因为抗血管治疗抑制r原发肿瘤的生长，但血管抑制造成的缺血缺氧却导致了肿瘸细胞的恶性筛选和上皮细胞间质化，使肿瘤细胞恶性程度增强且运动性增加，而且缺血缺氧又会重启血管生成。更何况肿瘤除了经典的血管芽生和血管生成外，还可以通过血管生成拟态、马赛克血管和血管共选择等方式获得血液和氧气，所有这些都使肿瘤细胞的局部侵袭力增强，远处转移增多而缩短了总体生存。
从临床上看，抗血管新生的靶向药物如贝伐单抗等效果差强人意，也存在耐药问题，可能因为肿瘤血管新生有太多的途径，对任何一个或一些调控通路的抑制都可能由其他通路代偿。而且抑制某个因子到底是利大于弊，还是弊大于利，在何种情况下利大于弊现在还不得而知。面对这种矛盾性，应该苇新思考抗血管新生治疗方向的合理性，并进而转变思路，将抗血管生成治疗根据血管生成开关是否开启分为两步，在无血管期关闭血管生成开关，进入血管期则应把抗血管生成转变为血管正常化治疗。关闭血管生成开关的优势在于从源头上抑制血管生成，把肿瘤体积限制在2mm3以下且固定在局部，这有待于肿瘤早期诊断技术的突破，还需要对血管生成开关的调控机制进行深入研究，寻找干预手段。第2步的优势在于不但可使化疗药物有效杀伤肿瘤细胞，继而通过免疫治疗等0级动力学疗法清除剩余的肿瘤细胞，还可以降低肿瘤血管渗漏性，减少复发转移率。可使肿瘤细胞获得充足供氧而减少缺氧导致的基因失稳和随后的肿瘤细胞恶性筛选，已有相关报道初步验证了此种策略的合理性。内皮细胞脯氨酸羟化酶2表达缺陷可使血管内皮正常化而恢复肿瘤血液灌注，使肿瘤细胞恶性程度降低，侵袭和转移行为减少，对化疗更加敏感。当然，这种血管正常化治疗还存在着时间窗的问题，所以在联用细胞毒药物时对时间节点的把握十分重要，否则就变成了促肿瘤治疗。另外需要注意的是应配合药物的靶向给药，给与肿瘤部位较高的药物浓度以求尽可能多的杀伤肿瘤细胞。
