1974年，当我还是一名研究生时，我有机会从一个非常不寻常的角度观察恶性肿瘤。我在国家癌症研究所已故的皮耶特罗·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——一个肿瘤块，通过一根动脉和一根静脉与老鼠的循环系统相连。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，然后又流出来。令人惊讶的是，注入老鼠体内的大部分物质从未进入肿瘤。更糟糕的是，确实到达肿瘤的少量药物分布不均，某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——导致肿瘤迟早会复发。也许我作为工程师的本能也驱使我去理解和解决肿瘤内部明显的基础设施问题，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，而且还直接导致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血管的作用，为最有效地攻击癌症创造了机会窗口。
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近年来，我们终于能够在癌症患者身上开始测试这个想法，当我们看到肿瘤对血管正常化做出反应而萎缩的第一个临床证据时，我们实验室的兴奋之情难以言表，正如我们预料的那样。在我们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。
[分隔符]曲折的道路
通往我们近期成功的旅程，是在我完成博士学业几年后正式开始的。为了弄清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啮齿动物体内该过程的每一步。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部的基因开启和关闭。
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，形成一个普遍的网络，为细胞输送氧气和营养。肿瘤会刺激自身新血管的生长，往往会产生一团乱麻的血管。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，以及一些完全没有血管的肿瘤区域。
经过多年的努力，我们设法描述了控制液体、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。出现的情况令人沮丧：我们首先意识到的是，肿瘤血管不仅在外观上杂乱无章，而且在结构和功能的各个方面都高度异常。我们发现，肿瘤内部某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，血管壁的某些部分过于渗漏，而另一些部分则异常紧密，这意味着设法渗透到血管系统的药物和其他分子会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的孔隙度的原因时，我们发现，在某些肿瘤中，血管壁上的孔直径可达一到两个微米，是健康血管中孔大小的100多倍。因此，这些血管无法维持其壁上的正常压力梯度。健康血管内的液体压力通常远高于周围组织。由于肿瘤血管的孔隙率很高，逸出的液体会提高外部或间质压力，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，而且间质液的积累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，肿胀本身会成为一个严重的、通常危及生命的问题。在其他类型的癌症患者中，渗出的液体也会积聚在体腔中。无论它去哪里，从肿瘤渗出的液体都会携带肿瘤细胞以及各种肿瘤产生的蛋白质，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输送药物的困难和渗漏的血管壁造成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，并且现有血管无法为周围组织提供足够的氧气，因此肿瘤中普遍存在缺氧（低氧）和高酸度的状态。缺氧反过来会使肿瘤细胞更具侵略性并更容易发生转移。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。依赖于需要氧气才能杀死癌细胞的化学过程的放射疗法和一部分化疗药物也无法发挥作用。
因此，最初是对肿瘤内部药物流动中看似简单异常的探究，结果表明，肿瘤血管的异常比我最初想象的更多地阻碍了治疗。到1994年，我们的观察结果开始向我的研究合作者和我表明，如果我们知道如何修复肿瘤相关血管的结构和功能，我们就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。
[分隔符]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，包括最有效的一种，即血管内皮生长因子（VEGF）。VEGF最初由我在哈佛大学的同事哈罗德·德沃拉克发现并命名为血管通透性因子，它促进内皮细胞的存活和增殖，而内皮细胞构成了血管的内层。过量时，它也会使血管渗漏——因此得名。然而，在正常组织中，VEGF和其他类似生长刺激分子的共同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，而血小板反应蛋白会抑制血管生长。
无论是健康的还是患病的组织，都需要新血管时都会增加血管生成刺激物的产生，或减少抑制剂的产生，或者两者都做，从而使平衡向血管生成倾斜。在伤口愈合等健康过程中，一旦建立新的血管，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，不平衡仍然存在——血管变得越来越异常。
由于VEGF在大多数实体瘤中含量丰富，我怀疑找到一种清除过量VEGF或干扰其产生的生长信号的方法可以恢复平衡，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，它们就会被破坏，或者如果肿瘤发展出产生不同刺激物（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，而碱性成纤维细胞生长因子可以模仿VEGF的许多作用。找到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。
1995年，可以中和VEGF作用的抗体药物已经在开发中，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，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，并诱导剩余血管重塑自身，使其开始类似于正常血管系统。那些正常化的血管渗漏较少，扩张较少，曲折较少。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以及后来其他研究人员在动物身上重现这些结果感到兴奋，但我们仍然无法知道相同的反应是否会在癌症患者身上发生。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，当我第一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1971年我以前在哈佛的同事、已故的犹大·福克曼提出的假设，即可以使用抗血管生成药物饿死肿瘤块来阻止肿瘤生长。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，是一种最初作为抗血管生成剂开发的VEGF中和抗体。
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，尽管单独使用时，它并不能提高癌症患者的总体生存率。然而，在一项促成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，但仅当它与标准化疗联合使用时才有效。当时，这一积极结果似乎相当矛盾，因为原则上，一种被设计和部署来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，抗血管生成药物会阻碍放射疗法和化疗。那么，如何调和这些明显矛盾的发现呢？
我们的研究小组有机会通过仔细检查 2002 年由美国国家癌症研究所支持、现任职于杜克大学医学中心的克里斯托弗·威利特（Christopher Willett）领导的临床试验中，接受阿瓦斯汀和联合化疗和放疗的直肠癌患者肿瘤中血管的结构和功能来找出答案。我们很快就看到，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。而且，一种被称为细胞凋亡的程序性细胞死亡形式，其特征是缺氧和营养匮乏，在那些不再能获得修剪后的血管系统的肿瘤细胞中有所增加。
然而，令人惊讶的是，肿瘤对葡萄糖类似物的摄取，即肿瘤整体能量使用的一个迹象，并没有同时减少，这与肿瘤仅仅是被饿死的情况相反。相反，剩余的肿瘤血管似乎在支持存活的癌细胞的能量需求方面变得更有效率。此外，一些肿瘤中癌细胞的增殖速率有所增加，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。虽然在癌细胞中增加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，而化疗药物通常针对分裂细胞。
这些结果共同提供了关于阿瓦斯汀等药物如何在患者体内发挥作用的初步了解，并揭示了为什么它可能在一段时间内改善放射疗法或化疗的结果。当药物阻断 VEGF 的作用时，一些肿瘤血管会立即被修剪掉，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，这些正常化的血管也使存活的细胞更容易受到它们现在可以更有效地输送的治疗方法的影响。因此，恢复肿瘤血管的正常功能会创造一个时期，在此期间，各种癌症疗法的治疗效果应该达到最大。
[分割线] 机会之窗
要真正从这种对抗血管生成疗法与放射疗法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，以及它们保持正常化的时间有多长。我的研究小组回到小鼠身上进行实验，以更好地描述我们称之为“正常化窗口”的这段时期。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，并在一天后观察到血管正常化的迹象。在正常化窗口期（仅持续约五到六天），肿瘤氧合作用增加，放射疗法产生了最佳的治疗效果。其他研究小组也在实验室动物身上报告了类似的观察结果。
事实上，有足够的证据支持这一模型，我们能够在 2006 年末完成的另一项美国国家癌症研究所的临床试验中对其进行测试。该试验由我在马萨诸塞州总医院的同事特雷西·巴切勒（Tracy Batchelor）和格雷戈里·索伦森（Gregory Sorensen）领导，纳入了 30 名脑肿瘤（即胶质母细胞瘤）在经过积极的手术、放疗和化疗后仍复发的患者。这些患者的预期寿命不到六个月。
他们每天口服剂量的 Recentin，这是一种实验性药物，可有效抑制 VEGF 的三个主要细胞受体。使用先进的成像技术，我们能够观察到他们肿瘤中的影响，并且几乎立即就看到了这些影响[参见对页插图]。血管正常化的迹象包括血管直径和渗漏性减少，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仍然存在。此外，正如我们最初的模型所预测的那样，正常化伴随着肿瘤内和周围肿胀的迅速减少，这种效果在患者服用 Recentin 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当停止使用 Recentin 时肿瘤血管再次变得异常，而在重新使用该药物时又恢复正常。
这些结果首次定义了血管正常化期在人体内可以持续多长时间，并导致了一项涉及 300 名患者的更大规模的持续临床试验，以进一步确定 Recentin（有或没有化疗）在治疗胶质母细胞瘤中的作用。我们还在更多类型的癌症中研究多种抗血管生成药物与新诊断和复发肿瘤病例的传统疗法联合使用的情况。
与此同时，我们也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，单独的 VEGF 阻断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，除了 VEGF 之外，它们往往还会产生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）的血液水平实际上有所增加，这表明肿瘤或其他组织开始制造更多这些因子作为响应。在复发的胶质母细胞瘤患者中，随着肿瘤逃脱 Recentin 的治疗，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图谱，以及随着时间推移可能发生的这些图谱变化的药物组合。然而，值得注意的是，可用于促进血管正常化的可用工具不仅限于直接靶向 VEGF 或其他生长因子的药物。例如，我们已经在小鼠中证明，药物赫赛汀（一种靶向肿瘤细胞表面蛋白 HER2 的抗体，约有四分之一的乳腺癌女性服用该药物）可以模拟抗血管生成药物组合产生的反应并使肿瘤血管正常化。赫赛汀间接地降低了细胞对几种促血管生成分子的制造，同时增加了细胞对抗血管生成血小板反应蛋白-1 的产生。
除了寻找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，以便在进行治疗时最好地利用它也很重要。为此，我的同事和我一直在努力寻找所谓的生物标志物：容易识别的迹象，这些迹象反映了肿瘤内部发生的情况，从而揭示了个体患者正常化窗口的开始和持续时间。例如，此类标志物可能包括血液或尿液中在此时间窗口内水平升高或降低的蛋白质。
发现抗血管生成药物可以使血管系统正常化，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和特异性，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因血管系统异常引起的其他疾病的人受益，例如老年性黄斑变性和动脉粥样硬化[参见对页框图]。
30 多年前，当我开始研究肿瘤中迂回和功能失调的血管时，我从未想过这条道路会通向何方。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，这一天似乎比以往任何时候都更近了。
[分割线] 作者
拉凯什·K·贾恩 (RAKESH K. JAIN) 是安德鲁·韦克·库克肿瘤生物学教授，也是马萨诸塞州总医院和哈佛医学院放射肿瘤科埃德温·L·斯蒂尔肿瘤生物学实验室的主任。他的研究将生物学、影像学、工程学和数学相结合，研究血液和淋巴管及其组织环境，以及将基本发现应用于患者治疗。他特别要感谢美国国家癌症研究所自 1980 年以来对其工作的持续支持，以及全球 200 多名研究生、博士后和合作者，他们与他分享了进入实体肿瘤世界的旅程。贾恩还担任多家制药和生物技术公司的顾问，并且是国家工程院和医学研究所的成员。