1974年，当我还是研究生时，我有机会从一个非常不寻常的角度观察恶性肿瘤。我当时在美国国家癌症研究所已故的彼得罗·M·古利诺实验室工作，他开发了一种创新的实验装置来研究癌症生物学——一种肿瘤块，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射到动物体内的药物有多少会流入肿瘤并再次流出。令人惊讶的是，注射到大鼠体内的大部分物质从未进入肿瘤。更糟糕的是，到达肿块的少量物质分布不均，一些区域几乎没有积累任何药物。
我当时立即担心的是，即使人体肿瘤中只有一小部分癌细胞没有接受足够剂量的抗癌药物，这些细胞也可能存活下来——导致肿瘤迟早会重新生长。也许我作为工程师的一面也吸引我去尝试理解和解决肿瘤内部明显的 инфраструктурный 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部的血管系统异常，以及这些紊乱的血管不仅阻碍了传统的癌症治疗，而且还直接促成了实体癌的一些恶性特性。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起到了修复它们的作用，从而创造了一个最有效地攻击癌症的机会之窗。
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近年来，我们终于能够开始在癌症患者身上测试这个想法，当我们看到肿瘤对血管正常化做出反应而缩小的首批临床证据时，我们实验室的兴奋之情溢于言表，正如我们预期的那样。在我们能够完善这种治疗方法并评估其在不同类型恶性肿瘤患者中的有效性之前，还有更多的工作要做。但是，我们已经了解到的关于恢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
通往我们近期成功的旅程始于我在完成博士学业几年后。为了找出为什么药物不能均匀地渗透到肿瘤中，我和我的同事们首先开始监测药物在啮齿动物体内的每一个过程步骤。我们使用各种技术，观察药物进入肿瘤的微小血管、穿过血管壁进入周围组织、进入癌细胞并最终离开肿块的过程。我和我的学生和合作者一起，开发了跟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部基因的开启和关闭。
早期就明显看出，肿瘤内部的血管与正常血管几乎没有相似之处。健康的组织由笔直的血管供血，这些血管可预测地分支成越来越小的毛细血管和微血管，形成一个普遍的网络，为细胞输送氧气和营养物质。肿瘤会刺激自身新血管系统的生长，往往会产生血管缠结。这些血管随机地相互连接，有一些超大的分支、许多多余的未成熟微血管，以及肿瘤的某些区域完全缺乏血管。
多年来，我们设法描绘了液体、药物和细胞在这种曲折的血管系统中运动的过程，并深入了解了异常的后果。浮现出来的画面是严峻的：我们首先意识到的是，肿瘤血管不仅外观紊乱，而且在结构和功能的各个方面都高度异常。我们发现，血液在肿瘤内部的一些血管中流动得非常快，而在另一些血管中则停滞不前。在给定的血管中，血液可能会在一个方向上流动一段时间，然后反转方向。仅这些流动模式就对均匀的药物输送构成了主要障碍。此外，一些血管壁的部分过于渗漏，而另一些则异常紧密，这意味着设法渗透到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。
当我们开始研究这种不均匀多孔性的原因时，我们发现，在某些肿瘤中，血管壁上的孔隙直径可能达到一到两个微米，这比健康血管中的孔隙大 100 多倍。结果，这些血管无法维持其壁上的正常压力梯度。健康血管内部的液体压力通常远高于周围组织。由于肿瘤血管非常多孔，逸出的液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；间质液的积聚还会导致肿瘤组织内部和周围肿胀。在脑癌患者中，由于颅骨限制了组织扩张，这种肿胀本身就成为一个严重的、通常是危及生命的问题。在其他类型的癌症患者中，渗出的液体也可能积聚在体腔中。无论它流向何处，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的血液和淋巴管的生长——然后这些血管和淋巴管可以作为癌细胞转移到身体其他部位的通道。
除了通过混乱的肿瘤血管系统输送药物的困难以及渗漏的血管壁引起的危险液体积聚之外，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系统，并且现有血管无法为周围组织输送足够的氧气，因此肿瘤中普遍存在缺氧（低氧）和高酸度的状态。缺氧反过来又使肿瘤细胞更具侵略性，更容易发生转移。此外，可能有助于对抗肿瘤的身体免疫细胞受到酸度的阻碍，并且无法在低氧环境中发挥作用。放射治疗和一部分依赖于需要氧气才能杀死癌细胞的化学过程的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异常现象的探究揭示，肿瘤血管的异常在更多方面阻碍了治疗，甚至超出了我最初的想象。1994 年，我在本杂志上深入描述了我们当时为止的发现[参见 Rakesh K. Jain 撰写的“实体瘤中药物输送的障碍”；《大众科学》，1994 年 7 月]。到那时，这些观察结果也开始向我的研究合作者和我暗示，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异常状态。
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，包括最有效的因素——血管内皮生长因子 (VEGF)。VEGF 最初由我的哈佛大学同事哈罗德·德沃拉克发现并命名为血管通透性因子，它促进内皮细胞（构成血管内壁）的存活和增殖。过量时，它也会使血管渗漏——因此得名。然而，在正常组织中，VEGF 和其他类似它的生长刺激分子的集体作用被天然抗血管生成分子（如血小板反应蛋白）的作用所抵消，后者抑制血管生长。
无论是健康组织还是患病组织，需要新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，或者两者都做，从而使平衡向有利于血管生成的方向倾斜。在伤口愈合等健康过程中，一旦新血管建立，生长因子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，不平衡持续存在——血管变得越来越异常。
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以恢复平衡，并使肿瘤血管系统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相同的正常化作用。我还推测，以任何一种方式治疗的血管都不会永远保持正常——如果抑制剂足够有效，它们将被破坏，或者如果肿瘤发展出制造不同刺激物（如碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF)）的能力，它们将再次变得异常，bFGF 可以模仿 VEGF 的许多作用。唯一的办法是在肿瘤上尝试血管生成抑制剂，看看会发生什么。
1995 年，可以中和 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。其他抗体与 VEGF 受体本身结合，阻止生长因子进行接触。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，并诱导剩余的血管重塑自身，使其开始类似于正常血管系统。这些正常化的血管渗漏性较小，扩张程度较小，弯曲程度也较小。我们还可以检测到肿瘤的功能改善，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。
尽管我们对这些结果感到兴奋，并且其他研究人员后来在动物身上重复了这些结果，但我们仍然无法知道癌症患者是否会发生相同的反应。许多研究人员对我们的方法持怀疑态度是可以理解的。到 20 世纪 90 年代末，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一直在致力于制造破坏血管的药物。他们的追求是基于我的哈佛同事犹大·福克曼在 1971 年提出的假设，即可以通过使用抗血管生成药物饿死肿瘤块来阻止肿瘤生长[参见 Rakesh K. Jain 和 Peter Carmeliet 撰写的“死亡或生命的血管”；《大众科学》，2001 年 12 月]。事实上，阿瓦斯汀是一种 VEGF 中和抗体，最初是作为这样一种抗血管生成剂开发的，并于 2004 年获得美国食品和药物管理局批准用于癌症治疗。
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，它并不能提高癌症患者的总体生存率。然而，在一项导致其获得批准的关键临床试验中，阿瓦斯汀确实提高了晚期结直肠癌患者的生存率，但仅当它与标准化疗联合使用时。当时的积极结果似乎非常矛盾，因为原则上，一种旨在破坏血管并用于破坏血管的药物应该会降低化疗的有效性，化疗需要功能正常的血管才能到达肿瘤细胞。事实上，一些已发表的研究表明，抗血管生成剂会阻碍放射治疗和化疗。那么，如何调和这些看似矛盾的发现呢？
我们的研究小组有机会通过仔细检查正在接受阿瓦斯汀以及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，这是一项由美国国家癌症研究所支持并在 2002 年由克里斯托弗·威利特（现就职于杜克大学医学中心）领导的临床试验。很快，我们看到这些患者肿瘤血管系统的变化不仅限于简单的血管破坏。
在单次注射阿瓦斯汀两周后，连续六名患者的肿瘤内血流量确实下降了 30% 到 50%。微血管密度、血管总数和肿瘤内的间质液压力也都降低了。并且一种称为细胞凋亡的程序性细胞死亡（缺氧和营养剥夺的特征）在不再能获得修剪后的血管系统的肿瘤细胞中增加。
然而，令人惊讶的是，肿瘤的整体能量使用迹象（即其对葡萄糖类似物的摄取）并没有同时下降，如果肿瘤仅仅是被饿死，则可能会出现这种情况。相反，似乎剩余的肿瘤血管在支持幸存癌细胞的能量需求方面变得更加有效。此外，癌细胞的增殖速率在某些肿瘤中增加，反映了它们可以获得功能更好的血管和更正常的组织微环境。尽管当涉及到癌细胞时，增加的增殖通常是不受欢迎的，但这种状态会使它们对化疗药物更敏感，化疗药物通常针对分裂细胞。
这些结果共同提供了对阿瓦斯汀等药物如何在患者体内起作用的初步了解，从而揭示了为什么它可能会在一段时间内改善放射治疗或化疗的结果。当该药物阻断 VEGF 的作用时，一些肿瘤血管系统会立即被修剪掉，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，这些正常化的血管还使幸存的细胞更容易受到它们现在可以更有效地输送的治疗的影响。因此，恢复肿瘤血管的正常功能会创造一个时期，在此期间，使用各种癌症疗法进行治疗应该是最有效的。
机会之窗
为了真正从这种对血管生成疗法如何与放射治疗或化疗协同工作的新见解中获益，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正常状态的时间有多长。我的研究小组回到小鼠实验，以更好地描述我们将此期间称为“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 受体的抗体治疗动物的脑肿瘤，并在一天后看到了血管正常化开始的迹象。在正常化窗口期间（仅持续约五到六天），肿瘤氧合作用增加，放射治疗产生了最佳的治疗效果。其他使用实验动物的研究小组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，以至于我们能够在另一项美国国家癌症研究所的临床试验中对其进行测试，该试验于一年多前完成。该试验由我的马萨诸塞州总医院同事特蕾西·巴切勒和格雷戈里·索伦森领导，其中包括 30 名脑肿瘤（称为胶质母细胞瘤）患者，这些患者的肿瘤尽管接受了积极的手术、放射治疗和化疗，但仍复发。这些患者的预期寿命不到六个月。
他们每天口服剂量的瑞欣亭，这是一种实验性药物，可有效抑制 VEGF 的三种主要细胞受体。我们使用先进的成像技术，能够观察到他们肿瘤中的影响，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性的降低，这种情况持续了至少 28 天，一些正常化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瑞欣亭期间持续存在。然而，由于 VEGF 抑制的副作用可能很严重，一些患者要求在试验期间暂停治疗，这使我们能够观察到当瑞欣亭停用时肿瘤血管再次变得异常，以及当药物恢复使用时血管再次正常化。
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，并促成了一项更大规模的正在进行的临床试验，该试验涉及 300 名患者，以进一步确定瑞欣亭（无论是否与化疗联合使用）在胶质母细胞瘤治疗中可能发挥的作用。我们还在研究多种抗血管生成药物与传统疗法联合使用，用于新诊断和复发性肿瘤病例，适用于更多类型的癌症。
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。任何潜在的血管修复策略都必须认识到，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，随着肿瘤长大，它们往往会产生除 VEGF 之外的多种促血管生成分子，因此它们的血管可能会逐渐失去对阿瓦斯汀等治疗的反应。
例如，在直肠癌患者中，我们的研究小组发现，在用阿瓦斯汀清除 VEGF 后，VEGF 和 PlGF（胎盘生长因子，一种相关分子）的血液水平实际上有所升高，这表明肿瘤或其他组织开始制造更多这些因子作为反应。在复发性胶质母细胞瘤患者中，随着肿瘤逃脱瑞欣亭治疗，多种促血管生成分子的血液水平升高。
促生长信号的这种多样化表明，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可能随时间发生的这些谱变化的药物组合。然而，值得注意的是，可用于促进血管正常化的工具不仅限于直接靶向 VEGF 或其他生长因子的药物。例如，我们已在小鼠身上证明，赫赛汀——一种靶向肿瘤细胞表面蛋白 HER2 的抗体，约四分之一的乳腺癌女性会接受这种抗体治疗——可以模仿抗血管生成药物组合产生的反应，并使肿瘤血管正常化。赫赛汀间接降低几种促血管生成分子的细胞制造，同时增加细胞的抗血管生成血小板反应蛋白-1 的产生。
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，以便在进行治疗时最好地利用它。为此，我和我的同事们一直在努力识别所谓的生物标志物：易于识别的迹象，可以反映肿瘤内部正在发生的情况，从而揭示个体患者正常化窗口的开始和持续时间。例如，此类标记可能包括血液或尿液中的蛋白质，其水平在此时间窗口内升高或降低。
发现抗血管生成药物可以使血管系统正常化，并不意味着开发它们的最初目的不再有效。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系统以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欣慰的结果。但是，将这些药物用于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其他由血管异常引起的疾病（如年龄相关性黄斑变性和动脉粥样硬化）的人受益。
30 多年前，当我开始着手了解肿瘤的曲折和功能失调的血管时，我从未想象过这条路会通向何方。我也无法想象有一天，患有血管异常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。但是现在，那一天看起来比以往任何时候都更近了。
血管修复：超越癌症
全球有数亿人患有涉及血管异常的非癌性疾病。改变血管生长和功能可能会成为这些疾病治疗武器库的关键组成部分，因此使血管正常化的药物有可能极大地影响人类健康。
例如，在这种类别中最普遍的问题之一是动脉粥样硬化，这是一种动脉疾病，其特征包括血管内壁内脂肪斑块的积聚。在这些斑块内部，诱发炎症的血细胞和其他碎屑积聚，逐渐扩大病灶。新的血管在这个不断增长的肿块内发芽以滋养它，就像肿瘤一样。这些新血管也与肿瘤血管有许多异常特征，例如渗漏性和紊乱性。因此，原则上，应用抗血管生成剂应该可以使斑块内血管正常化，稳定病灶，阻止其扩张并降低其破裂的可能性。
眼部疾病，如糖尿病视网膜病变和所谓的年龄相关性黄斑变性（AMD）的湿性形式，也以类似于肿瘤中看到的血管异常为特征。事实上，湿性 AMD 的一个标志是眼睛后部视网膜血管的渗漏。结果，血液渗入周围组织，导致部分或完全失明。目前有超过 900 万美国人受到影响。毫不奇怪，在癌症治疗领域之外，在使用抗血管生成来修复血管异常方面取得的最大进展是在湿性 AMD 领域。两种药物，雷珠单抗和 Macugen——都是 VEGF 抑制剂——已经获得批准用于治疗该疾病，并且很可能通过使渗漏的血管正常化来发挥作用。
这些相同的正常化原则也可能有助于控制引起液体积聚（水肿）的疾病，以及组织工程和再生医学，后者需要创建和维护功能正常的血管系统。