1974年，當我還是研究生時，我有機會從一個非常不尋常的角度觀察惡性腫瘤。我當時在美國國家癌症研究所已故的彼得羅·M·古利諾實驗室工作，他開發了一種創新的實驗裝置來研究癌症生物學——一種腫瘤塊，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射到動物體內的藥物有多少會流入腫瘤並再次流出。令人驚訝的是，注射到大鼠體內的大部分物質從未進入腫瘤。更糟糕的是，到達腫塊的少量物質分佈不均，一些區域幾乎沒有積累任何藥物。
我當時立即擔心的是，即使人體腫瘤中只有一小部分癌細胞沒有接受足夠劑量的抗癌藥物，這些細胞也可能存活下來——導致腫瘤遲早會重新生長。也許我作為工程師的一面也吸引我去嘗試理解和解決腫瘤內部明顯的 инфраструктурный 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部的血管系統異常，以及這些紊亂的血管不僅阻礙了傳統的癌症治療，而且還直接促成了實體癌的一些惡性特性。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起到了修復它們的作用，從而創造了一個最有效地攻擊癌症的機會之窗。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的影響深遠的故事的未來。
近年來，我們終於能夠開始在癌症患者身上測試這個想法，當我們看到腫瘤對血管正常化做出反應而縮小的首批臨床證據時，我們實驗室的興奮之情溢於言表，正如我們預期的那樣。在我們能夠完善這種治療方法並評估其在不同型別惡性腫瘤患者中的有效性之前，還有更多的工作要做。但是，我們已經瞭解到的關於恢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
通往我們近期成功的旅程始於我在完成博士學業幾年後。為了找出為什麼藥物不能均勻地滲透到腫瘤中，我和我的同事們首先開始監測藥物在齧齒動物體內的每一個過程步驟。我們使用各種技術，觀察藥物進入腫瘤的微小血管、穿過血管壁進入周圍組織、進入癌細胞並最終離開腫塊的過程。我和我的學生和合作者一起，開發了跟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部基因的開啟和關閉。
早期就明顯看出，腫瘤內部的血管與正常血管幾乎沒有相似之處。健康的組織由筆直的血管供血，這些血管可預測地分支成越來越小的毛細血管和微血管，形成一個普遍的網路，為細胞輸送氧氣和營養物質。腫瘤會刺激自身新血管系統的生長，往往會產生血管纏結。這些血管隨機地相互連線，有一些超大的分支、許多多餘的未成熟微血管，以及腫瘤的某些區域完全缺乏血管。
多年來，我們設法描繪了液體、藥物和細胞在這種曲折的血管系統中運動的過程，並深入瞭解了異常的後果。浮現出來的畫面是嚴峻的：我們首先意識到的是，腫瘤血管不僅外觀紊亂，而且在結構和功能的各個方面都高度異常。我們發現，血液在腫瘤內部的一些血管中流動得非常快，而在另一些血管中則停滯不前。在給定的血管中，血液可能會在一個方向上流動一段時間，然後反轉方向。僅這些流動模式就對均勻的藥物輸送構成了主要障礙。此外，一些血管壁的部分過於滲漏，而另一些則異常緊密，這意味著設法滲透到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。
當我們開始研究這種不均勻多孔性的原因時，我們發現，在某些腫瘤中，血管壁上的孔隙直徑可能達到一到兩個微米，這比健康血管中的孔隙大 100 多倍。結果，這些血管無法維持其壁上的正常壓力梯度。健康血管內部的液體壓力通常遠高於周圍組織。由於腫瘤血管非常多孔，逸出的液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；間質液的積聚還會導致腫瘤組織內部和周圍腫脹。在腦癌患者中，由於顱骨限制了組織擴張，這種腫脹本身就成為一個嚴重的、通常是危及生命的問題。在其他型別的癌症患者中，滲出的液體也可能積聚在體腔中。無論它流向何處，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的血液和淋巴管的生長——然後這些血管和淋巴管可以作為癌細胞轉移到身體其他部位的通道。
除了透過混亂的腫瘤血管系統輸送藥物的困難以及滲漏的血管壁引起的危險液體積聚之外，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系統，並且現有血管無法為周圍組織輸送足夠的氧氣，因此腫瘤中普遍存在缺氧（低氧）和高酸度的狀態。缺氧反過來又使腫瘤細胞更具侵略性，更容易發生轉移。此外，可能有助於對抗腫瘤的身體免疫細胞受到酸度的阻礙，並且無法在低氧環境中發揮作用。放射治療和一部分依賴於需要氧氣才能殺死癌細胞的化學過程的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異常現象的探究揭示，腫瘤血管的異常在更多方面阻礙了治療，甚至超出了我最初的想象。1994 年，我在本雜誌上深入描述了我們當時為止的發現[參見 Rakesh K. Jain 撰寫的“實體瘤中藥物輸送的障礙”；《大眾科學》，1994 年 7 月]。到那時，這些觀察結果也開始向我的研究合作者和我暗示，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異常狀態。
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，包括最有效的因素——血管內皮生長因子 (VEGF)。VEGF 最初由我的哈佛大學同事哈羅德·德沃拉克發現並命名為血管通透性因子，它促進內皮細胞（構成血管內壁）的存活和增殖。過量時，它也會使血管滲漏——因此得名。然而，在正常組織中，VEGF 和其他類似它的生長刺激分子的集體作用被天然抗血管生成分子（如血小板反應蛋白）的作用所抵消，後者抑制血管生長。
無論是健康組織還是患病組織，需要新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，或者兩者都做，從而使平衡向有利於血管生成的方向傾斜。在傷口癒合等健康過程中，一旦新血管建立，生長因子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，不平衡持續存在——血管變得越來越異常。
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以恢復平衡，並使腫瘤血管系統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相同的正常化作用。我還推測，以任何一種方式治療的血管都不會永遠保持正常——如果抑制劑足夠有效，它們將被破壞，或者如果腫瘤發展出製造不同刺激物（如鹼性成纖維細胞生長因子 (bFGF)）的能力，它們將再次變得異常，bFGF 可以模仿 VEGF 的許多作用。唯一的辦法是在腫瘤上嘗試血管生成抑制劑，看看會發生什麼。
1995 年，可以中和 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。其他抗體與 VEGF 受體本身結合，阻止生長因子進行接觸。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，並誘導剩餘的血管重塑自身，使其開始類似於正常血管系統。這些正常化的血管滲漏性較小，擴張程度較小，彎曲程度也較小。我們還可以檢測到腫瘤的功能改善，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。
儘管我們對這些結果感到興奮，並且其他研究人員後來在動物身上重複了這些結果，但我們仍然無法知道癌症患者是否會發生相同的反應。許多研究人員對我們的方法持懷疑態度是可以理解的。到 20 世紀 90 年代末，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一直在致力於製造破壞血管的藥物。他們的追求是基於我的哈佛同事猶大·福克曼在 1971 年提出的假設，即可以透過使用抗血管生成藥物餓死腫瘤塊來阻止腫瘤生長[參見 Rakesh K. Jain 和 Peter Carmeliet 撰寫的“死亡或生命的血管”；《大眾科學》，2001 年 12 月]。事實上，阿瓦斯汀是一種 VEGF 中和抗體，最初是作為這樣一種抗血管生成劑開發的，並於 2004 年獲得美國食品和藥物管理局批准用於癌症治療。
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，它並不能提高癌症患者的總體生存率。然而，在一項導致其獲得批准的關鍵臨床試驗中，阿瓦斯汀確實提高了晚期結直腸癌患者的生存率，但僅當它與標準化療聯合使用時。當時的積極結果似乎非常矛盾，因為原則上，一種旨在破壞血管並用於破壞血管的藥物應該會降低化療的有效性，化療需要功能正常的血管才能到達腫瘤細胞。事實上，一些已發表的研究表明，抗血管生成劑會阻礙放射治療和化療。那麼，如何調和這些看似矛盾的發現呢？
我們的研究小組有機會透過仔細檢查正在接受阿瓦斯汀以及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，這是一項由美國國家癌症研究所支援並在 2002 年由克里斯托弗·威利特（現就職於杜克大學醫學中心）領導的臨床試驗。很快，我們看到這些患者腫瘤血管系統的變化不僅限於簡單的血管破壞。
在單次注射阿瓦斯汀兩週後，連續六名患者的腫瘤內血流量確實下降了 30% 到 50%。微血管密度、血管總數和腫瘤內的間質液壓力也都降低了。並且一種稱為細胞凋亡的程式性細胞死亡（缺氧和營養剝奪的特徵）在不再能獲得修剪後的血管系統的腫瘤細胞中增加。
然而，令人驚訝的是，腫瘤的整體能量使用跡象（即其對葡萄糖類似物的攝取）並沒有同時下降，如果腫瘤僅僅是被餓死，則可能會出現這種情況。相反，似乎剩餘的腫瘤血管在支援倖存癌細胞的能量需求方面變得更加有效。此外，癌細胞的增殖速率在某些腫瘤中增加，反映了它們可以獲得功能更好的血管和更正常的組織微環境。儘管當涉及到癌細胞時，增加的增殖通常是不受歡迎的，但這種狀態會使它們對化療藥物更敏感，化療藥物通常針對分裂細胞。
這些結果共同提供了對阿瓦斯汀等藥物如何在患者體內起作用的初步瞭解，從而揭示了為什麼它可能會在一段時間內改善放射治療或化療的結果。當該藥物阻斷 VEGF 的作用時，一些腫瘤血管系統會立即被修剪掉，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，這些正常化的血管還使倖存的細胞更容易受到它們現在可以更有效地輸送的治療的影響。因此，恢復腫瘤血管的正常功能會創造一個時期，在此期間，使用各種癌症療法進行治療應該是最有效的。
機會之窗
為了真正從這種對血管生成療法如何與放射治療或化療協同工作的新見解中獲益，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正常狀態的時間有多長。我的研究小組回到小鼠實驗，以更好地描述我們將此期間稱為“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 受體的抗體治療動物的腦腫瘤，並在一天後看到了血管正常化開始的跡象。在正常化視窗期間（僅持續約五到六天），腫瘤氧合作用增加，放射治療產生了最佳的治療效果。其他使用實驗動物的研究小組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，以至於我們能夠在另一項美國國家癌症研究所的臨床試驗中對其進行測試，該試驗於一年多前完成。該試驗由我的馬薩諸塞州總醫院同事特蕾西·巴切勒和格雷戈裡·索倫森領導，其中包括 30 名腦腫瘤（稱為膠質母細胞瘤）患者，這些患者的腫瘤儘管接受了積極的手術、放射治療和化療，但仍復發。這些患者的預期壽命不到六個月。
他們每天口服劑量的瑞欣亭，這是一種實驗性藥物，可有效抑制 VEGF 的三種主要細胞受體。我們使用先進的成像技術，能夠觀察到他們腫瘤中的影響，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性的降低，這種情況持續了至少 28 天，一些正常化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瑞欣亭期間持續存在。然而，由於 VEGF 抑制的副作用可能很嚴重，一些患者要求在試驗期間暫停治療，這使我們能夠觀察到當瑞欣亭停用時腫瘤血管再次變得異常，以及當藥物恢復使用時血管再次正常化。
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，並促成了一項更大規模的正在進行的臨床試驗，該試驗涉及 300 名患者，以進一步確定瑞欣亭（無論是否與化療聯合使用）在膠質母細胞瘤治療中可能發揮的作用。我們還在研究多種抗血管生成藥物與傳統療法聯合使用，用於新診斷和複發性腫瘤病例，適用於更多型別的癌症。
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。任何潛在的血管修復策略都必須認識到，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，隨著腫瘤長大，它們往往會產生除 VEGF 之外的多種促血管生成分子，因此它們的血管可能會逐漸失去對阿瓦斯汀等治療的反應。
例如，在直腸癌患者中，我們的研究小組發現，在用阿瓦斯汀清除 VEGF 後，VEGF 和 PlGF（胎盤生長因子，一種相關分子）的血液水平實際上有所升高，這表明腫瘤或其他組織開始製造更多這些因子作為反應。在複發性膠質母細胞瘤患者中，隨著腫瘤逃脫瑞欣亭治療，多種促血管生成分子的血液水平升高。
促生長訊號的這種多樣化表明，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可能隨時間發生的這些譜變化的藥物組合。然而，值得注意的是，可用於促進血管正常化的工具不僅限於直接靶向 VEGF 或其他生長因子的藥物。例如，我們已在小鼠身上證明，赫賽汀——一種靶向腫瘤細胞表面蛋白 HER2 的抗體，約四分之一的乳腺癌女性會接受這種抗體治療——可以模仿抗血管生成藥物組合產生的反應，並使腫瘤血管正常化。赫賽汀間接降低幾種促血管生成分子的細胞製造，同時增加細胞的抗血管生成血小板反應蛋白-1 的產生。
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，以便在進行治療時最好地利用它。為此，我和我的同事們一直在努力識別所謂的生物標誌物：易於識別的跡象，可以反映腫瘤內部正在發生的情況，從而揭示個體患者正常化視窗的開始和持續時間。例如，此類標記可能包括血液或尿液中的蛋白質，其水平在此時間視窗內升高或降低。
發現抗血管生成藥物可以使血管系統正常化，並不意味著開發它們的最初目的不再有效。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系統以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欣慰的結果。但是，將這些藥物用於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其他由血管異常引起的疾病（如年齡相關性黃斑變性和動脈粥樣硬化）的人受益。
30 多年前，當我開始著手瞭解腫瘤的曲折和功能失調的血管時，我從未想象過這條路會通向何方。我也無法想象有一天，患有血管異常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。但是現在，那一天看起來比以往任何時候都更近了。
血管修復：超越癌症
全球有數億人患有涉及血管異常的非癌性疾病。改變血管生長和功能可能會成為這些疾病治療武器庫的關鍵組成部分，因此使血管正常化的藥物有可能極大地影響人類健康。
例如，在這種類別中最普遍的問題之一是動脈粥樣硬化，這是一種動脈疾病，其特徵包括血管內壁內脂肪斑塊的積聚。在這些斑塊內部，誘發炎症的血細胞和其他碎屑積聚，逐漸擴大病灶。新的血管在這個不斷增長的腫塊內發芽以滋養它，就像腫瘤一樣。這些新血管也與腫瘤血管有許多異常特徵，例如滲漏性和紊亂性。因此，原則上，應用抗血管生成劑應該可以使斑塊內血管正常化，穩定病灶，阻止其擴張並降低其破裂的可能性。
眼部疾病，如糖尿病視網膜病變和所謂的年齡相關性黃斑變性（AMD）的溼性形式，也以類似於腫瘤中看到的血管異常為特徵。事實上，溼性 AMD 的一個標誌是眼睛後部視網膜血管的滲漏。結果，血液滲入周圍組織，導致部分或完全失明。目前有超過 900 萬美國人受到影響。毫不奇怪，在癌症治療領域之外，在使用抗血管生成來修復血管異常方面取得的最大進展是在溼性 AMD 領域。兩種藥物，雷珠單抗和 Macugen——都是 VEGF 抑制劑——已經獲得批准用於治療該疾病，並且很可能透過使滲漏的血管正常化來發揮作用。
這些相同的正常化原則也可能有助於控制引起液體積聚（水腫）的疾病，以及組織工程和再生醫學，後者需要建立和維護功能正常的血管系統。