Malformacja tętniczo-żylna
Patofizjologia i mechanizm
Malformacje tętniczo-żylne (AVM) to patologiczne, wysokoprzepływowe połączenia między tętnicami a żyłami, omijające sieć naczyń włosowatych, co prowadzi do zaburzeń hemodynamicznych i niedotlenienia tkanek. Patogeneza AVM jest wieloczynnikowa i obejmuje mutacje germinalne (np. w genach ACVRL1, ENG, SMAD4 związanych z HHT) oraz somatyczne (w genach KRAS, MAP2K1, NOTCH, EPHB4), które wpływają na kluczowe szlaki sygnałowe, takie jak TGF-β/BMP, RAS-MAPK, VEGF, NOTCH i PI3K/AKT/mTOR. Komórki śródbłonka odgrywają centralną rolę w formowaniu AVM, a mutacje w nich prowadzą do zaburzeń specyfikacji tętniczo-żylnej i nieprawidłowej angiogenezy. Hemodynamika, czynniki zapalne (m.in. IL-6, IL-1, TNF-α, IL-17A) oraz zmniejszone pokrycie naczyń przez perycyty i komórki mięśni gładkich również przyczyniają się do progresji i ryzyka krwawienia z AVM.
- Patogeneza malformacji tętniczo-żylnych
- Podstawowe mechanizmy patofizjologiczne
- Podłoże genetyczne AVM
- Teoria trzech zdarzeń w patogenezie AVM
- Rola komórek śródbłonka w patogenezie AVM
- Rola czynników angiogennych i szlaków sygnałowych
- Rola czynników hemodynamicznych
- Rola zapalenia i układu immunologicznego
- Rola perycytów i innych komórek naczyniowych
- Mechanizm molekularny formowania AVM
- Dynamiczna natura AVM
- Implikacje dla leczenia
- Wnioski
Patogeneza malformacji tętniczo-żylnych
Malformacje tętniczo-żylne (AVM, ang. arteriovenous malformations) to nieprawidłowe połączenia między tętnicami a żyłami, z pominięciem sieci naczyń włosowatych. Te wysokoprzepływowe zmiany naczyniowe charakteryzują się bezpośrednim przepływem krwi tętniczej do układu żylnego, co prowadzi do zaburzeń hemodynamicznych i zmniejszonego dostarczania tlenu do otaczających tkanek. Patogeneza AVM jest złożona i nie została jeszcze w pełni wyjaśniona, choć w ostatnich latach poczyniono znaczne postępy w zrozumieniu mechanizmów leżących u podłoża powstawania i progresji tych zmian.123
Podstawowe mechanizmy patofizjologiczne
Malformacje tętniczo-żylne charakteryzują się złożonym splotem naczyń, często nazywanym „nidus”, w którym krew przepływa bezpośrednio z tętnic do żył z pominięciem łożyska kapilarnego. Naczynia w AVM są pozbawione prawidłowej warstwy mięśniowej, co czyni je wyjątkowo kruchymi i podatnymi na krwawienie z powodu nieprawidłowego bezpośredniego połączenia między tętnicami wysokociśnieniowymi a żyłami niskociśnieniowymi.45 Brak sieci naczyń włosowatych prowadzi do zaburzenia normalnego cyklu wymiany tlenu i składników odżywczych w tkankach, co może skutkować niedotlenieniem okolicznych obszarów.6 Wraz z upływem czasu AVM mogą się powiększać, ponieważ ilość krwi przepływającej przez zmianę wzrasta, zmuszając serce do cięższej pracy w celu utrzymania zwiększonego przepływu krwi.7
Podłoże genetyczne AVM
Badania genetyczne wykazały, że zarówno mutacje germinalne, jak i somatyczne odgrywają kluczową rolę w powstawaniu AVM. Około 5% przypadków AVM mózgu jest związanych z dziedziczną teleangiektazją krwotoczną (HHT, zespół Rendu-Oslera-Webera), autosomalną dominującą chorobą naczyniową.89 HHT jest najczęściej związana z mutacjami w genach ACVRL1 (ALK1), ENG (endoglina) i SMAD4, które kodują białka zaangażowane w szlak sygnalizacyjny TGF-β/BMP (transformujący czynnik wzrostu β/białka morfogenetyczne kości).1011
W przypadku sporadycznych AVM zidentyfikowano mutacje somatyczne w genach kodujących białka szlaku RAS-MAPK, w tym KRAS i MAP2K1 (kodujący MEK1). Mutacje aktywujące MAP2K1 wykryto w 64% pozaczaszkowych AVM.12 W przypadku AVM mózgu (bAVM) mutacje aktywujące KRAS w komórkach śródbłonka są obecne w nawet 50% próbek klinicznych.1314 Dodatkowo zidentyfikowano mutacje w genach szlaku NOTCH, EPHB4 oraz innych genach związanych z rozwojem naczyń.1516
Teoria trzech zdarzeń w patogenezie AVM
W przypadku rodzinnych AVM zastanawiającym jest, dlaczego zmiany pojawiają się w pozornie przypadkowych lokalizacjach anatomicznych u osób posiadających mutację germinalną w każdej komórce. Badania na modelach zwierzęcych doprowadziły do sformułowania hipotezy „trzech zdarzeń”, sugerującej współwystępowanie trzech czynników: (1) mutacji germinalnej w jednym z alleli genu związanego z AVM, (2) lokalnej utraty ekspresji białka oraz (3) bodźca angiogennego skierowanego na komórki śródbłonka.1718
Badania na modelach zwierzęcych wykazały, że zarówno stymulacja angiogenna (czynniki środowiskowe), jak i regionalna warunkowa homozygotyczna delecja genu (predyspozycja genetyczna) mogą promować rozwój idealnego AVM w mózgu dorosłej myszy.19 Modele te sugerują, że sama mutacja germinalna może nie być wystarczająca do manifestacji AVM, a lokalne zdarzenia, takie jak mutacje somatyczne i bodźce proangiogenne, mogą być dodatkowo wymaganymi czynnikami.2021
Rola komórek śródbłonka w patogenezie AVM
Komórki śródbłonka (EC) zostały zidentyfikowane jako kluczowy typ komórek w formowaniu AVM.2223 Badania na modelach zwierzęcych z wykorzystaniem specyficznych dla komórek delecji genów przyczynowych wskazują, że homozygotyczna delecja genów w komórkach śródbłonka wydaje się być wymagana do formowania AVM.24
Mutacje w komórkach śródbłonka prowadzą do zaburzenia specyfikacji tętniczo-żylnej naczyń, co może prowadzić do nieprawidłowej angiogenezy i formowania AVM. Badania sekwencjonowania RNA wykazały, że mutacja MAP2K1 w komórkach śródbłonka wpływa na geny i szlaki waskulogenezy, przyczyniając się do patogenezy AVM.25 Aktywująca mutacja MAP2K1 w komórkach śródbłonka może powodować powiększanie się AVM poprzez nieprawidłową produkcję naczyń krwionośnych, co wtórnie powoduje przerost tkanek.26
Rola czynników angiogennych i szlaków sygnałowych
W patogenezie AVM uczestniczą liczne szlaki sygnałowe i czynniki wzrostu. Badania wykazały podwyższony poziom czynników angiogennych i cytokin zapalnych w tkankach AVM w porównaniu do normalnej tkanki mózgowej.27 Kluczowe szlaki sygnałowe obejmują:
- Szlak VEGF – czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF) odgrywa kluczową rolę w rozwoju i wzroście AVM. Podwyższony poziom VEGF w mózgach myszy z AVM indukowanym niedoborem ALK1 wiązał się ze zwiększonym ryzykiem krwawienia i śmiertelnością.2829
- Szlak RAS-MAPK – kaskada sygnalizacyjna RAS-MAPK (RAF-MEK-ERK) jest aktywowana przez mutacje KRAS i MAP2K1, prowadząc do proliferacji komórek śródbłonka i nieprawidłowej angiogenezy.3031
- Szlak NOTCH – zaburzenia w sygnalizacji NOTCH wykryto w ludzkich bAVM, a zarówno wzrost, jak i utrata funkcji Notch u myszy prowadzi do formowania bAVM.32 Sygnalizacja Notch w perycytach jest kluczowa dla utrzymania homeostazy perycytów i zapobiegania powstawaniu AVM.33
- Szlak TGF-β/BMP – defekty w sygnalizacji TGF-β/BMP są związane z HHT i patogenezą AVM. TGF-β ma dwufazową rolę w rozwoju naczyniowym, hamując proliferację śródbłonka na wczesnych etapach i promując różnicowanie komórek mezenchymalnych w perycyty i komórki mięśni gładkich na późniejszych etapach.3435
- Szlak PI3K/AKT/mTOR – aktywacja tego szlaku sygnalizuje proliferację komórek mięśni gładkich, co przyczynia się do przebudowy naczyń i wzrostu/regresji tych zmian.3637
Rola czynników hemodynamicznych
Przepływ krwi i naprężenia ścinające zostały zidentyfikowane jako czynniki przyczyniające się do formowania AVM.3839 Zmieniona hemodynamika w naczyniach krwionośnych może wpływać na metabolizm komórkowy i może wyzwalać czynniki epigenetyczne komórki śródbłonka.40
Nagłe zmiany w przepływie hemodynamicznym na połączeniu naczyń tętniczo-żylnych mogą silnie wpływać na mediatory epigenetyczne i ostatecznie prowadzić do rozwoju AVM.41 Obserwacje kliniczne wskazują, że zwiększony przepływ w łożysku mikronaczyniowym może powodować przejście naczyń włosowatych w tętniczki.42
W AVM, nieprawidłowe połączenie tętniczo-żylne powoduje przepływ krwi z pominięciem sieci kapilarnej, zmniejszając dostarczanie krwi do otaczającej prawidłowej tkanki mózgowej. W takich okolicznościach rozszerzenie tętnicy doprowadzającej może dodatkowo nasilić miejscowe niedokrwienie, wywołując bóle głowy.43 Fenomen „podkradania naczyniowego” również został zasugerowany jako przyczyna niektórych objawów klinicznych związanych z AVM.44
Rola zapalenia i układu immunologicznego
Procesy zapalne odgrywają istotną rolę w patogenezie i progresji AVM. Badania wykazały, że zapalenie może przyczyniać się do progresji zmiany i potencjalnie zwiększać ryzyko pęknięcia AVM i krwotoku śródczaszkowego.4546
Najnowsze badania sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek sugerują, że zaburzona funkcja bariery krew-mózg, wywnioskowana z utraty dojrzałych markerów bariery krew-mózg śródbłonka OUN i zwiększonej ekspresji genów śródbłonka obwodowego, może prowadzić do napływu komórek zapalnych, które mogą powodować pęknięcie AVM.47 Rekrutacja komórek pochodzących z monocytów, a także aktywacja rezydentnych komórek OUN w mózgu (np. mikrogleju i astrocytów), w połączeniu z wydzielaniem enzymów proteolitycznych i cytokin zaburzających barierę oraz czynników wzrostu proangiogennych, wraz ze wzrostem reaktywnych form tlenu, działają wspólnie na promowanie przerwania naczyń i błony podstawnej.48
Neutrofile, makrofagi i cytokiny, takie jak IL-6, IL-1, TNF-α i IL-17A w tkance AVM były znacząco zwiększone.49 Makrofagi są jednym z głównych typów komórek zapalnych obecnych w ludzkich pękniętych i niepękniętych AVM oraz w zmianach AVM w modelach zwierzęcych.50
Rola perycytów i innych komórek naczyniowych
Pacjenci z AVM wykazują zmniejszone pokrycie naczyń przez perycyty, komórki ściany naczyń mikrokrwionośnych.51 Badania wykazały, że sygnalizacja Notch w perycytach jest kluczowa dla utrzymania homeostazy perycytów i zapobiegania formowaniu AVM.52
Niedobór sygnalizacji Notch w perycytach prowadzi do zwiększonej apoptozy perycytów i zmniejszenia pokrycia perycytami naczyń, ostatecznie prowadząc do formowania AVM.53 Dane wskazują, że sygnalizacja Notch pośredniczy w przeżyciu perycytów poprzez regulację poziomów PDGFR.54
Zarówno ludzkie, jak i mysie naczynia AVM wykazały niższe pokrycie komórkami ściany naczyń, sugerując rolę perycytów i komórek mięśni gładkich naczyń (vSMC) w patogenezie AVM. Perineuronalne astrocyty również są ważne w utrzymaniu funkcji naczyń mózgowych i uczestniczą w rozwoju AVM.55
Mechanizm molekularny formowania AVM
Na poziomie molekularnym, formowanie AVM obejmuje sekwencję charakterystycznych zdarzeń morfologicznych. Początkowo obserwuje się rozszerzenie żyłek pozawłosowatych, otoczonych naciekiem jednokomórkowym, składającym się głównie z limfocytów. Następnie zwiększa się średnica światła i grubość ściany żyłek, wraz z rekrutacją perycytów.56
Zmieniona ekspresja do 900 genów została powiązana z AVM. Około 300 genów jest nadekspresjonowanych, a prawie 560 jest obniżonych w ekspresji w mózgowych malformacjach naczyniowych. Te geny kodują czynniki wzrostu, czynniki adhezji komórkowej i macierzy pozakomórkowej, czynniki zapalne, metaloproteinazy macierzy (MMP) i hormony endokrynne.57
Mechanizmy epigenetyczne, takie jak metylacja DNA, niekodujące RNA i modyfikacja RNA m6A, mogą regulować proliferację komórek śródbłonka, apoptozę, migrację i naprawę uszkodzeń malformacji naczyniowych poprzez różne szlaki genów docelowych.58 Proponuje się, że AVM wynikają z serii zmian w metylacji DNA i modyfikacjach histonów w genach związanych z rozwojem naczyniowym.59
Dynamiczna natura AVM
Chociaż tradycyjnie uważano, że AVM są wrodzonymi, statycznymi zmianami, coraz więcej dowodów sugeruje, że mają one dynamiczną historię naturalną. AVM mogą rosnąć, ulegać przebudowie i/lub regresji, a odpowiedzialne procesy są zarówno molekularne, jak i fizjologiczne.6061
Potencjał wzrostu AVM i ich regresja mogą obejmować przeciwstawne siły wspierające lub hamujące angiogenezę i przebudowę naczyń. Zjawisko obserwowane w angiogenezie guzów to potrzeba zarówno VEGF, jak i ANG-2; jeśli VEGF jest nieobecny, naczynia ulegną regresji, jeśli obecny jest ANG-2.62
Opisano również przypadki samoistnej obliteracji AVM. Okluzja pojedynczej żyły została zaproponowana jako częste znalezisko u pacjentów z samoistną obliteracją AVM, co prowadzi do całkowitej niedrożności odpływu żylnego i zastoju, który prowadzi do zakrzepicy i okluzji nidusa.63
Implikacje dla leczenia
Lepsze zrozumienie patogenezy AVM ma kluczowe znaczenie dla opracowania nowych skutecznych strategii terapeutycznych. Obecnie nie istnieją zatwierdzone przez FDA terapie lekowe dla AVM, co odzwierciedla nasze ograniczone zrozumienie patogenezy AVM, w szczególności jak AVM się rozwijają i postępują.6465
Potencjalne cele terapeutyczne oparte na mechanizmach patogenetycznych obejmują:
- Inhibitory MEK1/2 – wysiłki koncentrują się na zastosowaniu zatwierdzonych przez FDA inhibitorów MEK1/2, ponieważ kaskada kinaz MAPK (RAF-MEK-ERK) jest obowiązkowym celem KRAS w śródbłonku.66
- Terapie przeciwzapalne – zapalenie, w szczególności, okazuje się ważnym celem dla badań nad lekami w oparciu o model „drugiego uderzenia” i jego ogólny związek z krwotokiem śródczaszkowym w AVM i innych stanach naczyniowo-mózgowych.67
- Inhibitory angiogenezy – leki, które hamują migrację komórek śródbłonka, adhezję i angiogenezę mogą okazać się korzystne dla pacjentów z AVM.68 Brivanib został zaproponowany jako potencjalny nowy lek dla HHT.69
- Blokowanie osiedlania się monocytów – blokowanie osiedlania się monocytów do tkanki AVM może być możliwą strategią w celu zmniejszenia ciężkości AVM, chociaż potrzebne są badania, aby to potwierdzić, w tym z wykorzystaniem genetycznych modeli mysich sporadycznych AVM zależnych od KRAS.70
Postępy w zrozumieniu patogenezy AVM mogą prowadzić do zastosowania medycyny precyzyjnej w leczeniu pacjentów z AVM, co może być korzystne w przewidywaniu lub prawdopodobnie zapobieganiu niekorzystnym wynikom w AVM, takim jak udar krwotoczny.71 Terapie celowane molekularnie mogłyby być stosowane samodzielnie lub jako procedury przed-, około- i pooperacyjne.72
Wnioski
Patogeneza malformacji tętniczo-żylnych jest złożonym procesem obejmującym interakcje między czynnikami genetycznymi, angiogennymi, hemodynamicznymi i zapalnymi. Komórki śródbłonka odgrywają kluczową rolę w inicjacji AVM, ale inne typy komórek, takie jak perycyty, komórki mięśni gładkich naczyń, astrocyty i komórki immunologiczne, również przyczyniają się do patogenezy AVM.73
Mutacje w genach zaangażowanych w szlaki sygnałowe, takie jak TGF-β/BMP, NOTCH, VEGF i RAS-MAPK, prowadzą do nieprawidłowej angiogenezy i formowania AVM. Teoria „trzech zdarzeń” sugeruje, że sama mutacja germinalna może nie być wystarczająca do manifestacji AVM, a lokalne zdarzenia, takie jak mutacje somatyczne i bodźce proangiogenne, są dodatkowo wymaganymi czynnikami.7475
Lepsze zrozumienie molekularnych mechanizmów patogenezy AVM doprowadzi do nowych terapii i paradygmatów leczenia w przyszłości.76 Dalsze badania nad rolą poszczególnych lokusów komórkowych pomogą w projektowaniu ukierunkowanych strategii terapeutycznych do leczenia AVM lub zapobiegania krwotokom AVM.77
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.