編者按：這篇文章最初發表於2008年1月刊的《大眾科學》，現在釋出是鑑於兩項新研究表明，本文討論的血管生成抑制劑實際上可能使腫瘤變大，而不是變小。
1974年，我還在讀研究生的時候，有機會從一個非常不尋常的角度觀察惡性腫瘤。我在國家癌症研究所已故的皮埃特羅·M·古利諾的實驗室工作，他開發了一種創新的實驗裝置來研究癌症生物學——腫瘤腫塊僅透過一根動脈和一根靜脈與大鼠的迴圈系統相連。作為一名化學工程師，我決定利用這個機會來測量注入動物體內的藥物有多少會流入腫瘤，然後又流出。令人驚訝的是，注入大鼠體內的大部分物質從未進入腫瘤。更糟糕的是，確實到達腫瘤的那一小部分物質分佈不均，有些區域幾乎沒有藥物積累。
我當時最擔心的是，即使人類腫瘤中只有一小部分癌細胞沒有接受到足夠劑量的任何抗癌藥物，這些細胞也可能存活下來，導致腫瘤遲早會再次生長。也許我身上工程師的本能也驅使我去理解和解決腫瘤內部明顯的結構問題，這個問題對癌症療法的輸送構成了主要障礙。
在隨後的幾十年裡，我和我的同事們研究了是什麼導致腫瘤內的血管異常，以及這些紊亂的血管不僅阻礙了傳統的癌症治療，還直接導致了一些實體癌的惡性特性。基於這些見解，我們開發了使腫瘤血管正常化的方法，並在小鼠身上成功進行了測試。在這個過程中，我們還發現了一個看似矛盾的現象——一類旨在破壞腫瘤血管的藥物實際上可以起到修復作用，從而為最有效地攻擊癌症創造了機會之窗。
近年來，我們終於開始在癌症患者身上測試這一想法，當看到第一例臨床證據表明腫瘤對血管正常化做出反應而縮小的時候，我們實驗室的激動之情難以言表，正如我們所預期的那樣。在我們完善這種治療方法並評估其對不同型別惡性腫瘤患者的有效性之前，還有更多工作要做。但是，我們已經瞭解到的關於修復血管的知識也為治療其他血管疾病打開了大門，例如黃斑變性，這是美國導致失明的主要原因。
曲折的道路
在我們最近取得成功之前，這段旅程是在我完成博士學業幾年後才真正開始的。為了找出藥物不能均勻滲透腫瘤的原因，我和我的同事們首先開始監測齧齒動物體內這個過程的每一個步驟。透過使用各種技術，我們觀察到藥物進入腫瘤微小血管、穿過血管壁進入周圍組織、進入癌細胞並最終離開腫瘤的過程。我和我的學生及合作者一起開發了追蹤血管和組織內分子（如氧氣）的方法。最終，我們甚至可以觀察到細胞內基因的開啟和關閉。
早期很明顯，腫瘤內的血管與正常血管幾乎沒有相似之處。健康組織由筆直的血管供養，這些血管可預測地分支成越來越小的毛細血管和微血管，形成一個廣泛的網路，為細胞輸送氧氣和營養物質。腫瘤會刺激自身新生血管的生長，往往會產生一團亂麻般的血管。這些血管隨機地相互連線，有一些超大的分支，許多無關的未成熟微血管，以及腫瘤中完全沒有血管的區域。
經過多年的研究，我們設法描繪了流體、藥物和細胞在這種曲折的血管系統中運動的過程，並深入瞭解了這些異常的後果。呈現出來的圖景令人沮喪：我們首先意識到的是，腫瘤血管不僅在外觀上雜亂無章，而且在其結構和功能的各個方面都高度異常。我們發現，腫瘤內的一些血管中的血液流動非常迅速，而另一些血管中的血液則處於靜止狀態。在給定的血管中，血液可能在一個方向上流動一段時間，然後又反向流動。僅這些流動模式就對均勻的藥物輸送造成了主要障礙。此外，血管壁的某些部分過於滲漏，而另一些部分則異常，這意味著設法穿透血管系統的藥物和其他分子將不均勻地分佈到周圍的腫瘤組織中。
當我們開始調查這種不均勻多孔性的原因時，我們發現，在某些腫瘤中，血管壁上的孔直徑可能達到一到兩個微米，這比健康血管中的孔大100倍以上。因此，這些血管無法在其壁上維持正常的壓力梯度。健康血管內的流體壓力通常遠高於周圍組織中的壓力。由於腫瘤血管如此多孔，逸出的流體會升高外部或間質壓力，直到它幾乎等於血管內部的壓力。
這種不自然的壓力梯度不僅阻礙了藥物到達腫瘤細胞的能力，而且間質液的積聚還會導致腫瘤組織內部和周圍腫脹。在患有腦癌的患者中，組織擴張受到顱骨的限制，腫脹本身就成為一個嚴重的、常常危及生命的問題。在患有其他型別癌症的患者中，滲出的液體也會積聚在體腔中。無論流到哪裡，從腫瘤滲出的液體都會攜帶腫瘤細胞以及各種腫瘤生成的蛋白質，這些蛋白質會促進周圍正常組織和淋巴結中新生血管和淋巴管的生長，而這些血管和淋巴管隨後可以成為癌細胞轉移到身體其他部位的管道。
除了透過混亂的腫瘤血管輸送藥物的困難以及滲漏的血管壁引起的危險的液體積聚之外，腫瘤血管的異常還在腫瘤內部創造了一個高度不自然的微環境。由於腫瘤的許多區域缺乏血管，而現有血管無法向周圍組織輸送足夠的氧氣，因此腫瘤中普遍存在低氧（氧氣含量低）和高酸度的狀態。低氧反過來會使腫瘤細胞更具侵襲性，更容易發生轉移。此外，身體的免疫細胞可能會幫助對抗腫瘤，但會受到酸度的阻礙，無法在低氧環境下發揮作用。依賴需要氧氣的化學過程來殺死癌細胞的放射療法和一部分化療藥物也無法發揮作用。
因此，最初對腫瘤內部藥物流動中看似簡單的偏差的探究表明，腫瘤血管的異常對治療的阻礙遠比我最初想象的要多。1994年，我在這本雜誌上深入描述了我們當時的研究發現[參見《實體瘤藥物輸送障礙》，作者：Rakesh K. Jain；《大眾科學》，1994年7月]。到那時，這些觀察結果也開始向我和我的研究合作者表明，如果我們知道如何修復腫瘤相關血管的結構和功能，我們將有機會使腫瘤微環境正常化，並最終改善癌症治療。為了實現這種逆轉，我們首先必須更好地瞭解是什麼導致腫瘤血管異常並使其保持這種狀態。
恢復平衡
我們開始研究正常血管形成（稱為血管生成）中涉及的分子因素，包括其中最有效的因素——血管內皮生長因子 (VEGF)。VEGF 最初由我在哈佛大學的同事 Harold Dvorak 發現並命名為血管通透性因子，它促進內皮細胞（形成血管內壁的細胞）的存活和增殖。過量時，它還會使血管滲漏——因此它最初的名字由此而來。然而，在正常組織中，VEGF 和其他類似生長刺激分子的集體作用會被天然的抗血管生成分子（如血小板反應蛋白）的作用所抵消，後者會抑制血管生長。
無論是健康組織還是患病組織，凡是需要新生血管的組織都會增加其血管生成刺激物的產生，或減少其抑制物的產生，或兩者兼而有之，從而使平衡向血管生成傾斜。在傷口癒合等健康過程中，一旦新的血管建立，生長和抑制因子之間的平衡最終會恢復。但在腫瘤和許多其他慢性疾病中，這種不平衡現象持續存在，血管的異常程度也越來越高。
由於 VEGF 在大多數實體瘤中含量豐富，我懷疑找到一種方法來清除過量的 VEGF 或干擾其產生的生長訊號可能會恢復平衡，並使腫瘤血管恢復到更正常的狀態。或者，增加血管生成抑制因子的濃度可能對血管產生同樣的正常化作用。我還推斷，以任何一種方式處理的血管都不會永遠保持正常狀態——如果抑制劑足夠有效，它們會被破壞，或者如果腫瘤發展出製造不同刺激物（如成纖維細胞生長因子 (bFGF)）的能力，它們會再次變得異常，而這種刺激物可以模仿 VEGF 的許多作用。找出答案的唯一方法是在腫瘤上嘗試血管生成抑制劑，看看會發生什麼。
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1995年，能夠中和VEGF作用的基於抗體的藥物已經在開發中，因此我們能夠使用這些藥物在小鼠身上測試我們的方法。某些抗體直接附著在 VEGF 上，透過與細胞表面的受體結合來阻礙其向內皮細胞傳送生長訊號的能力。其他抗體則與 VEGF 受體本身結合，阻止生長因子接觸。值得注意的是，兩種形式的 VEGF 抑制都導致許多腫瘤特有的一些未成熟和低效血管被修剪掉，並誘導剩餘的血管進行重塑，使其開始類似於正常血管。這些正常化的血管洩漏性較低、擴張度較低且曲折度較低。我們還可以在腫瘤中檢測到功能改善，包括較低的間質液壓力、較高的氧合作用和藥物滲透的改善。
我們對這些結果以及其他研究人員在動物身上重複這些結果感到非常興奮，但我們仍然無法知道同樣的反應是否會發生在癌症患者身上。許多研究人員對我們的方法持懷疑態度，這是可以理解的。在 20 世紀 90 年代後期，當我首次公開提出腫瘤血管正常化的想法時，學術界和工業界的科學家們一直在努力研製破壞血管的藥物。他們的研究基於我的哈佛同事猶大·福克曼（Judah Folkman）在 1971 年提出的假設，即使用抗血管生成藥物來餓死腫瘤可以阻止腫瘤生長【參見拉克什·K·賈恩（Rakesh K. Jain）和彼得·卡梅利特（Peter Carmeliet）的《死亡或生命的血管》；《大眾科學》，2001 年 12 月】。事實上，美國食品和藥物管理局於 2004 年批准用於癌症治療的藥物阿瓦斯汀（Avastin）是一種 VEGF 中和抗體，最初就是作為抗血管生成劑開發的。
在實驗室測試和臨床試驗中，阿瓦斯汀已被證明可以破壞動物和人類腫瘤中的血管，但單獨使用時並不能提高癌症患者的總體生存率。然而，在一項導致其批准的關鍵性臨床試驗中，阿瓦斯汀確實提高了晚期結直腸癌患者的生存率，但前提是它與標準化療聯合使用。這一積極的結果當時似乎非常矛盾，因為原則上，一種旨在破壞血管的藥物應該會降低化療的有效性，而化療需要功能正常的血管才能到達腫瘤細胞。一些已發表的研究實際上表明，抗血管生成劑會阻礙放療和化療。那麼，這些明顯矛盾的發現如何才能調和呢？
我們的團隊有機會透過仔細檢查接受阿瓦斯汀聯合化療和放療的直腸癌患者腫瘤中的血管結構和功能來找出答案。這項臨床試驗於 2002 年進行，由美國國家癌症研究所支援，並由現在的杜克大學醫學中心的克里斯托弗·威利特（Christopher Willett）領導。我們很快就發現，這些患者腫瘤血管的變化不僅僅限於簡單的血管破壞。
在單次注射阿瓦斯汀兩週後，連續六名患者腫瘤內的血流量確實下降了 30% 至 50%。微血管的密度、血管的總數以及腫瘤中的間質液壓力也都降低了。在無法再獲得修剪後的血管的腫瘤細胞中，一種被稱為細胞凋亡的程式性細胞死亡（缺氧和營養剝奪的特徵）也增加了。
然而，令人驚訝的是，腫瘤的總體能量消耗（即對葡萄糖類似物的攝取）並沒有同時下降，如果腫瘤只是被餓死，這可能是預期的。相反，似乎剩餘的腫瘤血管在支援存活的癌細胞的能量需求方面變得更加高效。此外，一些腫瘤中癌細胞的增殖速度有所加快，反映出它們能夠獲得功能更好的血管和更正常的組織微環境。雖然癌細胞增殖增加通常不是人們所希望的，但這種狀態會使它們對化療藥物更敏感，而化療藥物通常針對分裂的細胞。
這些結果共同提供了阿瓦斯汀等藥物如何在患者體內發揮作用的初步見解，從而揭示了為什麼它有時可以改善放療或化療的結果。當該藥物阻斷 VEGF 的作用時，一些腫瘤血管會被立即修剪掉，但剩餘的血管變得不那麼異常。除了改善整體腫瘤微環境外，這些正常化的血管也使存活的細胞更容易受到它們現在可以更有效地提供的治療的影響。因此，恢復腫瘤血管的正常功能會創造一個時期，在此期間，使用各種癌症療法應具有最大的療效。
機會之窗
為了真正從對使用抗血管生成療法與放療或化療協同作用的新見解中獲益，腫瘤科醫生需要知道患者的腫瘤血管何時開始正常化，以及它們保持這種狀態的時間長短。我的研究小組回到用小鼠進行實驗，以更好地描述我們稱之為“正常化視窗”的時期。我們用一種旨在阻斷內皮細胞使用的主要 VEGF 受體的抗體治療了動物的腦腫瘤，並在一天後看到了血管正常化的跡象。在正常化視窗期間（僅持續約五到六天），腫瘤的氧合作用增加，放療產生了最佳的治療效果。其他使用實驗動物的團隊隨後也報告了類似的觀察結果。
事實上，有足夠的證據支援這個模型，我們得以在美國國家癌症研究所的另一項臨床試驗中對其進行測試，該試驗在一年多前完成。該試驗由我的馬薩諸塞州總醫院同事特蕾西·巴切勒（Tracy Batchelor）和格雷戈裡·索倫森（Gregory Sorensen）領導，其中包括 30 名腦腫瘤（稱為膠質母細胞瘤）患者，儘管進行了積極的手術、放療和化療，但這些患者的腫瘤已經復發。這些患者的預期壽命不到六個月。
他們每天口服雷仙汀（Recentin），這是一種強效抑制 VEGF 三個主要細胞受體的實驗性藥物。使用先進的成像技術，我們能夠觀察他們腫瘤中的影響，並幾乎立即看到了這些影響。血管正常化的跡象包括血管直徑和滲漏減少，這種情況持續了至少 28 天，一些正常化的特徵在整個四個月的研究期間持續存在。此外，正如我們最初的模型所預期的那樣，正常化伴隨著腫瘤內部和周圍腫脹的迅速減少，這種效果在患者服用雷仙汀期間一直持續。然而，由於 VEGF 抑制的副作用可能很嚴重，一些患者在試驗期間要求暫停治療，這使我們能夠觀察到腫瘤血管在停止雷仙汀後再次變得異常，並在恢復藥物治療後重新正常化。
這些結果首次定義了血管正常化時期在人類中可以持續多久，並促成了一項涉及 300 名患者的更大規模的持續臨床試驗，以進一步定義雷仙汀（有或沒有化療）可能在膠質母細胞瘤治療中發揮的作用。我們還在研究多種抗血管生成藥物與傳統療法聯合使用，治療更多型別癌症的新診斷和複發性腫瘤病例。
與此同時，我們還在研究擴大正常化視窗的方法，以便將生存期的改善從幾個月延長到幾年。任何修復血管的潛在策略都必須認識到，單獨阻斷 VEGF 可能並不總是足以實現或維持正常化，因為腫瘤可以替代其他生長因子來繞過 VEGF 訊號的喪失。例如，隨著腫瘤變大，它們除了 VEGF 外，還傾向於製造多種促血管生成分子，因此它們的血管可能會逐漸對阿瓦斯汀等治療失去反應。
例如，在直腸癌患者中，我們的團隊發現，當 VEGF 被阿瓦斯汀清除後，VEGF 和 PlGF（胎盤生長因子）的血液水平實際上有所升高，這表明腫瘤或其他組織開始產生更多這些因子作為回應。在複發性膠質母細胞瘤患者中，隨著腫瘤逃脫雷仙汀治療，多種促血管生成分子的血液水平有所升高。
這種促生長訊號的多樣化表明，腫瘤科醫生面臨的挑戰將是制定專門針對每位患者原發性和轉移性腫瘤的分子譜，以及隨著時間推移可能發生的這些譜系變化的藥物組合。但值得注意的是，促進血管正常化的可用工具並不侷限於直接靶向 VEGF 或其他生長因子的藥物。例如，我們已經在小鼠身上證明，赫賽汀（一種靶向名為 HER2 的腫瘤細胞表面蛋白的抗體，約有四分之一的乳腺癌女性服用）可以模擬抗血管生成混合物產生的反應，並使腫瘤血管正常化。赫賽汀間接降低細胞製造幾種促血管生成分子，同時增加細胞產生抗血管生成血小板反應蛋白-1。
除了確定可以促進血管正常化的新藥和現有藥物外，找到微創且經濟實惠的方法供醫生監測正常化過程也很重要，以便在進行治療時充分利用它。為此，我和我的同事一直在努力尋找所謂的生物標誌物：能夠反映腫瘤內部發生情況並從而揭示個體患者正常化視窗的開始和持續時間的容易識別的標誌。例如，這些標誌物可能包括血液或尿液中的蛋白質，其水平在此時間視窗內會升高或降低。
發現抗血管生成藥物可以使血管正常化，並不意味著它們最初的開發目的不再有效。如果一種藥物足夠有效且具有特異性，可以破壞足夠的腫瘤血管來餓死整個腫瘤並挽救患者的生命，那麼這對每個人來說都是一個令人滿意的結果。但是，使用這些藥物進行血管修復的能力也使它們成為以多種方式攻擊腫瘤的寶貴工具。從長遠來看，這項研究還可以使全球數百萬患有由異常血管引起的其他疾病的人受益，例如與年齡相關的黃斑變性和動脈粥樣硬化。
30 多年前，當我第一次開始瞭解腫瘤扭曲和功能失調的血管時，我從未想到這條道路會將我引向何方。我也無法想象有一天，患有異常血管疾病的患者可以走進診所，測量各種生物標誌物，然後接受量身定製的正常化藥物治療方案來修復這些血管。但現在，這一天看起來比以往任何時候都更近了。