编者按：这篇文章最初发表于2008年1月刊的《大众科学》，现在发布是鉴于两项新研究表明，本文讨论的血管生成抑制剂实际上可能使肿瘤变大，而不是变小。
1974年，我还在读研究生的时候，有机会从一个非常不寻常的角度观察恶性肿瘤。我在国家癌症研究所已故的皮埃特罗·M·古利诺的实验室工作，他开发了一种创新的实验装置来研究癌症生物学——肿瘤肿块仅通过一根动脉和一根静脉与大鼠的循环系统相连。作为一名化学工程师，我决定利用这个机会来测量注入动物体内的药物有多少会流入肿瘤，然后又流出。令人惊讶的是，注入大鼠体内的大部分物质从未进入肿瘤。更糟糕的是，确实到达肿瘤的那一小部分物质分布不均，有些区域几乎没有药物积累。
我当时最担心的是，即使人类肿瘤中只有一小部分癌细胞没有接受到足够剂量的任何抗癌药物，这些细胞也可能存活下来，导致肿瘤迟早会再次生长。也许我身上工程师的本能也驱使我去理解和解决肿瘤内部明显的结构问题，这个问题对癌症疗法的输送构成了主要障碍。
在随后的几十年里，我和我的同事们研究了是什么导致肿瘤内的血管异常，以及这些紊乱的血管不仅阻碍了传统的癌症治疗，还直接导致了一些实体癌的恶性特性。基于这些见解，我们开发了使肿瘤血管正常化的方法，并在小鼠身上成功进行了测试。在这个过程中，我们还发现了一个看似矛盾的现象——一类旨在破坏肿瘤血管的药物实际上可以起到修复作用，从而为最有效地攻击癌症创造了机会之窗。
近年来，我们终于开始在癌症患者身上测试这一想法，当看到第一例临床证据表明肿瘤对血管正常化做出反应而缩小的时候，我们实验室的激动之情难以言表，正如我们所预期的那样。在我们完善这种治疗方法并评估其对不同类型恶性肿瘤患者的有效性之前，还有更多工作要做。但是，我们已经了解到的关于修复血管的知识也为治疗其他血管疾病打开了大门，例如黄斑变性，这是美国导致失明的主要原因。
曲折的道路
在我们最近取得成功之前，这段旅程是在我完成博士学业几年后才真正开始的。为了找出药物不能均匀渗透肿瘤的原因，我和我的同事们首先开始监测啮齿动物体内这个过程的每一个步骤。通过使用各种技术，我们观察到药物进入肿瘤微小血管、穿过血管壁进入周围组织、进入癌细胞并最终离开肿瘤的过程。我和我的学生及合作者一起开发了追踪血管和组织内分子（如氧气）的方法。最终，我们甚至可以观察到细胞内基因的开启和关闭。
早期很明显，肿瘤内的血管与正常血管几乎没有相似之处。健康组织由笔直的血管供养，这些血管可预测地分支成越来越小的毛细血管和微血管，形成一个广泛的网络，为细胞输送氧气和营养物质。肿瘤会刺激自身新生血管的生长，往往会产生一团乱麻般的血管。这些血管随机地相互连接，有一些超大的分支，许多无关的未成熟微血管，以及肿瘤中完全没有血管的区域。
经过多年的研究，我们设法描绘了流体、药物和细胞在这种曲折的血管系统中运动的过程，并深入了解了这些异常的后果。呈现出来的图景令人沮丧：我们首先意识到的是，肿瘤血管不仅在外观上杂乱无章，而且在其结构和功能的各个方面都高度异常。我们发现，肿瘤内的一些血管中的血液流动非常迅速，而另一些血管中的血液则处于静止状态。在给定的血管中，血液可能在一个方向上流动一段时间，然后又反向流动。仅这些流动模式就对均匀的药物输送造成了主要障碍。此外，血管壁的某些部分过于渗漏，而另一些部分则异常，这意味着设法穿透血管系统的药物和其他分子将不均匀地分布到周围的肿瘤组织中。
当我们开始调查这种不均匀多孔性的原因时，我们发现，在某些肿瘤中，血管壁上的孔直径可能达到一到两个微米，这比健康血管中的孔大100倍以上。因此，这些血管无法在其壁上维持正常的压力梯度。健康血管内的流体压力通常远高于周围组织中的压力。由于肿瘤血管如此多孔，逸出的流体会升高外部或间质压力，直到它几乎等于血管内部的压力。
这种不自然的压力梯度不仅阻碍了药物到达肿瘤细胞的能力，而且间质液的积聚还会导致肿瘤组织内部和周围肿胀。在患有脑癌的患者中，组织扩张受到颅骨的限制，肿胀本身就成为一个严重的、常常危及生命的问题。在患有其他类型癌症的患者中，渗出的液体也会积聚在体腔中。无论流到哪里，从肿瘤渗出的液体都会携带肿瘤细胞以及各种肿瘤生成的蛋白质，这些蛋白质会促进周围正常组织和淋巴结中新生血管和淋巴管的生长，而这些血管和淋巴管随后可以成为癌细胞转移到身体其他部位的管道。
除了通过混乱的肿瘤血管输送药物的困难以及渗漏的血管壁引起的危险的液体积聚之外，肿瘤血管的异常还在肿瘤内部创造了一个高度不自然的微环境。由于肿瘤的许多区域缺乏血管，而现有血管无法向周围组织输送足够的氧气，因此肿瘤中普遍存在低氧（氧气含量低）和高酸度的状态。低氧反过来会使肿瘤细胞更具侵袭性，更容易发生转移。此外，身体的免疫细胞可能会帮助对抗肿瘤，但会受到酸度的阻碍，无法在低氧环境下发挥作用。依赖需要氧气的化学过程来杀死癌细胞的放射疗法和一部分化疗药物也无法发挥作用。
因此，最初对肿瘤内部药物流动中看似简单的偏差的探究表明，肿瘤血管的异常对治疗的阻碍远比我最初想象的要多。1994年，我在这本杂志上深入描述了我们当时的研究发现[参见《实体瘤药物输送障碍》，作者：Rakesh K. Jain；《大众科学》，1994年7月]。到那时，这些观察结果也开始向我和我的研究合作者表明，如果我们知道如何修复肿瘤相关血管的结构和功能，我们将有机会使肿瘤微环境正常化，并最终改善癌症治疗。为了实现这种逆转，我们首先必须更好地了解是什么导致肿瘤血管异常并使其保持这种状态。
恢复平衡
我们开始研究正常血管形成（称为血管生成）中涉及的分子因素，包括其中最有效的因素——血管内皮生长因子 (VEGF)。VEGF 最初由我在哈佛大学的同事 Harold Dvorak 发现并命名为血管通透性因子，它促进内皮细胞（形成血管内壁的细胞）的存活和增殖。过量时，它还会使血管渗漏——因此它最初的名字由此而来。然而，在正常组织中，VEGF 和其他类似生长刺激分子的集体作用会被天然的抗血管生成分子（如血小板反应蛋白）的作用所抵消，后者会抑制血管生长。
无论是健康组织还是患病组织，凡是需要新生血管的组织都会增加其血管生成刺激物的产生，或减少其抑制物的产生，或两者兼而有之，从而使平衡向血管生成倾斜。在伤口愈合等健康过程中，一旦新的血管建立，生长和抑制因子之间的平衡最终会恢复。但在肿瘤和许多其他慢性疾病中，这种不平衡现象持续存在，血管的异常程度也越来越高。
由于 VEGF 在大多数实体瘤中含量丰富，我怀疑找到一种方法来清除过量的 VEGF 或干扰其产生的生长信号可能会恢复平衡，并使肿瘤血管恢复到更正常的状态。或者，增加血管生成抑制因子的浓度可能对血管产生同样的正常化作用。我还推断，以任何一种方式处理的血管都不会永远保持正常状态——如果抑制剂足够有效，它们会被破坏，或者如果肿瘤发展出制造不同刺激物（如成纤维细胞生长因子 (bFGF)）的能力，它们会再次变得异常，而这种刺激物可以模仿 VEGF 的许多作用。找出答案的唯一方法是在肿瘤上尝试血管生成抑制剂，看看会发生什么。
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1995年，能够中和VEGF作用的基于抗体的药物已经在开发中，因此我们能够使用这些药物在小鼠身上测试我们的方法。某些抗体直接附着在 VEGF 上，通过与细胞表面的受体结合来阻碍其向内皮细胞发送生长信号的能力。其他抗体则与 VEGF 受体本身结合，阻止生长因子接触。值得注意的是，两种形式的 VEGF 抑制都导致许多肿瘤特有的一些未成熟和低效血管被修剪掉，并诱导剩余的血管进行重塑，使其开始类似于正常血管。这些正常化的血管泄漏性较低、扩张度较低且曲折度较低。我们还可以在肿瘤中检测到功能改善，包括较低的间质液压力、较高的氧合作用和药物渗透的改善。
我们对这些结果以及其他研究人员在动物身上重复这些结果感到非常兴奋，但我们仍然无法知道同样的反应是否会发生在癌症患者身上。许多研究人员对我们的方法持怀疑态度，这是可以理解的。在 20 世纪 90 年代后期，当我首次公开提出肿瘤血管正常化的想法时，学术界和工业界的科学家们一直在努力研制破坏血管的药物。他们的研究基于我的哈佛同事犹大·福克曼（Judah Folkman）在 1971 年提出的假设，即使用抗血管生成药物来饿死肿瘤可以阻止肿瘤生长【参见拉克什·K·贾恩（Rakesh K. Jain）和彼得·卡梅利特（Peter Carmeliet）的《死亡或生命的血管》；《大众科学》，2001 年 12 月】。事实上，美国食品和药物管理局于 2004 年批准用于癌症治疗的药物阿瓦斯汀（Avastin）是一种 VEGF 中和抗体，最初就是作为抗血管生成剂开发的。
在实验室测试和临床试验中，阿瓦斯汀已被证明可以破坏动物和人类肿瘤中的血管，但单独使用时并不能提高癌症患者的总体生存率。然而，在一项导致其批准的关键性临床试验中，阿瓦斯汀确实提高了晚期结直肠癌患者的生存率，但前提是它与标准化疗联合使用。这一积极的结果当时似乎非常矛盾，因为原则上，一种旨在破坏血管的药物应该会降低化疗的有效性，而化疗需要功能正常的血管才能到达肿瘤细胞。一些已发表的研究实际上表明，抗血管生成剂会阻碍放疗和化疗。那么，这些明显矛盾的发现如何才能调和呢？
我们的团队有机会通过仔细检查接受阿瓦斯汀联合化疗和放疗的直肠癌患者肿瘤中的血管结构和功能来找出答案。这项临床试验于 2002 年进行，由美国国家癌症研究所支持，并由现在的杜克大学医学中心的克里斯托弗·威利特（Christopher Willett）领导。我们很快就发现，这些患者肿瘤血管的变化不仅仅限于简单的血管破坏。
在单次注射阿瓦斯汀两周后，连续六名患者肿瘤内的血流量确实下降了 30% 至 50%。微血管的密度、血管的总数以及肿瘤中的间质液压力也都降低了。在无法再获得修剪后的血管的肿瘤细胞中，一种被称为细胞凋亡的程序性细胞死亡（缺氧和营养剥夺的特征）也增加了。
然而，令人惊讶的是，肿瘤的总体能量消耗（即对葡萄糖类似物的摄取）并没有同时下降，如果肿瘤只是被饿死，这可能是预期的。相反，似乎剩余的肿瘤血管在支持存活的癌细胞的能量需求方面变得更加高效。此外，一些肿瘤中癌细胞的增殖速度有所加快，反映出它们能够获得功能更好的血管和更正常的组织微环境。虽然癌细胞增殖增加通常不是人们所希望的，但这种状态会使它们对化疗药物更敏感，而化疗药物通常针对分裂的细胞。
这些结果共同提供了阿瓦斯汀等药物如何在患者体内发挥作用的初步见解，从而揭示了为什么它有时可以改善放疗或化疗的结果。当该药物阻断 VEGF 的作用时，一些肿瘤血管会被立即修剪掉，但剩余的血管变得不那么异常。除了改善整体肿瘤微环境外，这些正常化的血管也使存活的细胞更容易受到它们现在可以更有效地提供的治疗的影响。因此，恢复肿瘤血管的正常功能会创造一个时期，在此期间，使用各种癌症疗法应具有最大的疗效。
机会之窗
为了真正从对使用抗血管生成疗法与放疗或化疗协同作用的新见解中获益，肿瘤科医生需要知道患者的肿瘤血管何时开始正常化，以及它们保持这种状态的时间长短。我的研究小组回到用小鼠进行实验，以更好地描述我们称之为“正常化窗口”的时期。我们用一种旨在阻断内皮细胞使用的主要 VEGF 受体的抗体治疗了动物的脑肿瘤，并在一天后看到了血管正常化的迹象。在正常化窗口期间（仅持续约五到六天），肿瘤的氧合作用增加，放疗产生了最佳的治疗效果。其他使用实验动物的团队随后也报告了类似的观察结果。
事实上，有足够的证据支持这个模型，我们得以在美国国家癌症研究所的另一项临床试验中对其进行测试，该试验在一年多前完成。该试验由我的马萨诸塞州总医院同事特蕾西·巴切勒（Tracy Batchelor）和格雷戈里·索伦森（Gregory Sorensen）领导，其中包括 30 名脑肿瘤（称为胶质母细胞瘤）患者，尽管进行了积极的手术、放疗和化疗，但这些患者的肿瘤已经复发。这些患者的预期寿命不到六个月。
他们每天口服雷仙汀（Recentin），这是一种强效抑制 VEGF 三个主要细胞受体的实验性药物。使用先进的成像技术，我们能够观察他们肿瘤中的影响，并几乎立即看到了这些影响。血管正常化的迹象包括血管直径和渗漏减少，这种情况持续了至少 28 天，一些正常化的特征在整个四个月的研究期间持续存在。此外，正如我们最初的模型所预期的那样，正常化伴随着肿瘤内部和周围肿胀的迅速减少，这种效果在患者服用雷仙汀期间一直持续。然而，由于 VEGF 抑制的副作用可能很严重，一些患者在试验期间要求暂停治疗，这使我们能够观察到肿瘤血管在停止雷仙汀后再次变得异常，并在恢复药物治疗后重新正常化。
这些结果首次定义了血管正常化时期在人类中可以持续多久，并促成了一项涉及 300 名患者的更大规模的持续临床试验，以进一步定义雷仙汀（有或没有化疗）可能在胶质母细胞瘤治疗中发挥的作用。我们还在研究多种抗血管生成药物与传统疗法联合使用，治疗更多类型癌症的新诊断和复发性肿瘤病例。
与此同时，我们还在研究扩大正常化窗口的方法，以便将生存期的改善从几个月延长到几年。任何修复血管的潜在策略都必须认识到，单独阻断 VEGF 可能并不总是足以实现或维持正常化，因为肿瘤可以替代其他生长因子来绕过 VEGF 信号的丧失。例如，随着肿瘤变大，它们除了 VEGF 外，还倾向于制造多种促血管生成分子，因此它们的血管可能会逐渐对阿瓦斯汀等治疗失去反应。
例如，在直肠癌患者中，我们的团队发现，当 VEGF 被阿瓦斯汀清除后，VEGF 和 PlGF（胎盘生长因子）的血液水平实际上有所升高，这表明肿瘤或其他组织开始产生更多这些因子作为回应。在复发性胶质母细胞瘤患者中，随着肿瘤逃脱雷仙汀治疗，多种促血管生成分子的血液水平有所升高。
这种促生长信号的多样化表明，肿瘤科医生面临的挑战将是制定专门针对每位患者原发性和转移性肿瘤的分子谱，以及随着时间推移可能发生的这些谱系变化的药物组合。但值得注意的是，促进血管正常化的可用工具并不局限于直接靶向 VEGF 或其他生长因子的药物。例如，我们已经在小鼠身上证明，赫赛汀（一种靶向名为 HER2 的肿瘤细胞表面蛋白的抗体，约有四分之一的乳腺癌女性服用）可以模拟抗血管生成混合物产生的反应，并使肿瘤血管正常化。赫赛汀间接降低细胞制造几种促血管生成分子，同时增加细胞产生抗血管生成血小板反应蛋白-1。
除了确定可以促进血管正常化的新药和现有药物外，找到微创且经济实惠的方法供医生监测正常化过程也很重要，以便在进行治疗时充分利用它。为此，我和我的同事一直在努力寻找所谓的生物标志物：能够反映肿瘤内部发生情况并从而揭示个体患者正常化窗口的开始和持续时间的容易识别的标志。例如，这些标志物可能包括血液或尿液中的蛋白质，其水平在此时间窗口内会升高或降低。
发现抗血管生成药物可以使血管正常化，并不意味着它们最初的开发目的不再有效。如果一种药物足够有效且具有特异性，可以破坏足够的肿瘤血管来饿死整个肿瘤并挽救患者的生命，那么这对每个人来说都是一个令人满意的结果。但是，使用这些药物进行血管修复的能力也使它们成为以多种方式攻击肿瘤的宝贵工具。从长远来看，这项研究还可以使全球数百万患有由异常血管引起的其他疾病的人受益，例如与年龄相关的黄斑变性和动脉粥样硬化。
30 多年前，当我第一次开始了解肿瘤扭曲和功能失调的血管时，我从未想到这条道路会将我引向何方。我也无法想象有一天，患有异常血管疾病的患者可以走进诊所，测量各种生物标志物，然后接受量身定制的正常化药物治疗方案来修复这些血管。但现在，这一天看起来比以往任何时候都更近了。