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血管生成是许多疾病的治疗靶点，但调控其关键代谢过程的研究仍有不足。本研究深入探讨了血红素及其前体卟啉代谢在血管生成中的作用。研究人员通过药理手段（使用5-氨基酮戊酸，ALA）干扰内皮细胞血红素/卟啉稳态，发现这会导致卟啉积累和外排，显著抑制内皮细胞增殖、迁移、体外成管及体内（包括发育中视网膜和氧诱导视网膜病变模型）血管新生。研究强调了内源性卟啪特别是原卟啉IX（PPIX）在血管生成中的关键作用，为治疗眼部新生血管性疾病等提供了潜在新策略。
在生命的乐章中，血管网络如同精密的交通系统，为组织输送氧气和养分，其形成过程被称为“血管生成”。这一过程在发育、伤口愈合中至关重要，但一旦失控，则成为癌症、糖尿病视网膜病变等多种疾病的“帮凶”。因此，寻找安全有效的抗血管生成策略一直是生物医学研究的热点。血管的构建者——内皮细胞，是这一过程的核心执行者。近年来的研究发现，内皮细胞的代谢状态，特别是能量和物质合成，深刻影响着其增殖、迁移和形成新血管的能力。其中，一种名为血红素的含铁卟啉分子，作为众多关键蛋白（如细胞色素）的辅基，是细胞能量代谢和信号传导不可或缺的“零件”。内皮细胞自身合成血红素的能力，已被证明对其功能至关重要。然而，一个有趣的科学问题随之浮现：如果人为“加速”这条生产线，迫使内皮细胞过量合成血红素及其前体物质卟啉，是会让血管生长更“迅猛”，还是会导致“生产线”崩溃，反而抑制血管生成？这其中的精细调控机制和潜在治疗价值，尚是未知领域。
近日，一项发表在血管生成研究领域权威期刊《Angiogenesis》上的研究，正是瞄准了这一科学盲区。研究团队没有采用传统的基因敲除方法来阻断血红素合成，而是反其道而行之，利用一种名为5-氨基酮戊酸（ALA）的药物前体，试图“过载”内皮细胞的卟啉代谢途径。他们的核心假设是：打破细胞内卟啉代谢的稳态，可能会对血管生成产生意想不到的抑制作用。这项研究不仅深入探索了内皮细胞代谢的一个基础生物学问题，更可能为治疗以异常血管生成为特征的疾病（如多种新生血管性眼病）开辟全新的、基于代谢干预的药理窗口。
为验证这一设想，研究团队综合运用了多种体外、离体和体内实验模型与技术。在细胞水平，他们使用了人真皮微血管内皮细胞和乳腺肿瘤来源的内皮细胞，通过增殖、划痕愈合、体外成管实验评估细胞功能。在组织水平，采用了小鼠脉络膜和主动脉环体外新生血管模型，能更真实地模拟血管从既有血管“发芽”生长的过程。在动物水平，研究利用小鼠出生后视网膜血管发育这一经典的生理性血管生成模型，以及模拟早产儿视网膜病变和糖尿病视网膜病变的氧诱导视网膜病变（OIR）病理模型。关键的技术方法包括：通过免疫磁珠分选获取特定发育时期的视网膜内皮细胞进行基因表达分析；利用高效液相色谱-串联质谱精准定量细胞内外血红素合成通路的多种中间代谢物（如PBG, PPIX）；通过活细胞荧光成像、蛋白质印迹、定量PCR等手段全面监测ALA处理后细胞内卟啉积累、相关基因和蛋白表达的变化；并通过条件培养基转移实验，巧妙证明了分泌到细胞外的卟啉具有旁分泌抗血管生成效应。
研究结果
1. 新生血管生成依赖于活跃的从头血红素合成
研究人员首先发现，在小鼠视网膜血管快速生长期（出生后第6天），内皮细胞中血红素合成相关基因（如Alas1, Alad, Hmbs等）的表达显著高于非内皮细胞和静止期的脉络膜血管。单细胞RNA测序数据也证实了这一点。同样，高增殖性的肿瘤来源内皮细胞其ALAS1（5-氨基酮戊酸合酶1）蛋白水平和细胞内血红素含量也更高。当使用血红素结合蛋白血红素结合蛋白（Hemopexin, HX）刺激内皮细胞输出血红素时，细胞内的血红素从头合成被激活，内皮细胞增殖和离体脉络膜出芽能力增强。相反，用琥珀酰丙酮（Succinyl acetone, SA）抑制ALA脱水酶（ALAD）以阻断血红素合成，则导致内皮细胞增殖、迁移和离体血管出芽能力下降。这些结果确立了活跃的血红素合成是支持血管生成的必要条件。
2. ALA扰乱内皮细胞血红素合成稳态，导致卟啉积聚
给予内皮细胞ALA后，细胞内的卟啉水平迅速且持续地升高，并在细胞质中积累，同时有大量卟啉和血红素被释放到细胞外环境中。尽管细胞内血红素水平在24小时内变化不显著，但ALA处理显著抑制了线粒体ALAS1的活性，并下调了ALAS1蛋白水平，而血红素氧合酶-1（Heme oxygenase-1, HO-1）的表达则被强烈诱导。基因表达谱分析显示，ALA处理深刻改变了血红素相关基因的表达模式。这些数据表明，外源ALA绕过了ALAS1的负反馈调节，导致下游卟啉合成“过载”，并触发了细胞试图通过抑制ALAS1、诱导HO-1和增强外排来重建稳态的应答。
3. ALA在体外和离体模型中抑制血管生成
功能实验表明，ALA以剂量依赖的方式抑制了内皮细胞的增殖和迁移能力。在体外成管实验中，ALA处理的内皮细胞形成的管网结构总长度、节点数和分支数均显著减少。更重要的是，在离体的小鼠脉络膜和主动脉环新生血管模型中，ALA同样强烈抑制了血管的出芽生长。当联合使用ALA和ALAD抑制剂SA时，SA完全阻断了ALA引起的卟啉积累和血管生成缺陷，证明ALA的效应依赖于其向下游卟啉的转化。
4. 细胞外卟啉（特别是PPIX）介导了ALA的抗血管生成作用
为了探究是细胞内积累还是细胞外释放的卟啉发挥了关键作用，研究人员进行了条件培养基实验。他们将ALA处理过的内皮细胞或脉络膜组织的培养基（富含卟啉但血红素未显著增加）收集起来，用于处理新的内皮细胞或脉络膜。结果显示，这种“条件培养基”能够模拟ALA的直接处理效果，显著抑制内皮细胞增殖、迁移和离体血管出芽。高效液相色谱-串联质谱分析证实，ALA处理后细胞外积累最显著的卟啉中间体之一是原卟啉IX（Protoporphyrin IX, PPIX）。直接使用外源性PPIX处理内皮细胞，也能产生与ALA类似的抗增殖、抗迁移和抗成管效应。此外，当同时使用ALA和能够结合并促进卟啉输出的蛋白（如HX或人血清白蛋白HSA）时，细胞外卟啉积累进一步增加，对内皮细胞增殖的抑制也更为强烈。这些发现有力地证明了，ALA通过促进PPIX等卟啉中间体的产生和外排，在细胞外环境中累积，进而以旁分泌方式抑制血管生成。
5. ALA在体内抑制生理性和病理性视网膜血管生成
在体实验中，研究人员证实发育期视网膜内皮细胞表达ALA转运蛋白，且口服ALA后可在视网膜检测到强烈的卟啉荧光。在生理性血管生成模型中，给予新生小鼠ALA（5或20 mg/kg），可显著延迟视网膜浅层血管丛的径向扩展，减少血管出芽前端的增殖细胞和出芽数量，并抑制血管向视网膜深层垂直生长的进程，且这种抑制效应在后期可以恢复，表明其非毒性。在模拟人类视网膜新生血管性疾病的氧诱导视网膜病变模型中，ALA治疗（20 mg/kg）显著减少了病理性新生血管簇的形成，而对血管闭塞区域无显著影响。
结论与意义
本研究系统阐明了内皮细胞卟啉/血红素代谢在血管生成中的双重角色。一方面，适度的、受调控的从头血红素合成是支持内皮细胞功能和血管生成所必需的；另一方面，该通路的“过载”——特别是导致卟啉中间体（如PPIX）积累——则会破坏内皮细胞稳态，通过细胞内和细胞外（旁分泌）两种机制强烈抑制血管生成。研究首次揭示，内源性产生的卟啉分子本身（而不仅仅是其光动力效应）就具有显著的抗血管生成活性。这为理解卟啉症（一类因血红素合成酶缺陷导致卟啉积累的遗传病）患者可能出现的血管并发症提供了新的视角。
从转化医学角度看，这项研究的重大意义在于发现了ALA——一种已被批准用于光动力诊断和治疗的、安全性良好的药物——所具有的、独立于光激活的抗血管生成新功能。这为治疗新生血管性眼病，如糖尿病视网膜病变、视网膜静脉阻塞、年龄相关性黄斑变性以及早产儿视网膜病变，提供了一种全新的、潜在的非侵入性治疗策略。研究者提出，通过调控内皮细胞的卟啉代谢“油门”，可以将其转化为对抗病理性血管生长的“刹车”。未来，进一步阐明不同卟啉中间体的具体作用机制、探索ALA与其他抗血管生成药物的联合疗法、以及优化给药途径和剂量，将有望推动这一基础研究发现走向临床应用，造福广大患者。
