1974年，當我還是一名研究生時，我有機會從一個非常不尋常的角度觀察惡性腫瘤。我在國家癌症研究所已故的皮耶特羅·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——一個腫瘤塊，透過一根動脈和一根靜脈與老鼠的迴圈系統相連。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，然後又流出來。令人驚訝的是，注入老鼠體內的大部分物質從未進入腫瘤。更糟糕的是，確實到達腫瘤的少量藥物分佈不均，某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——導致腫瘤遲早會復發。也許我作為工程師的本能也驅使我去理解和解決腫瘤內部明顯的基礎設施問題，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，而且還直接導致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血管的作用，為最有效地攻擊癌症創造了機會視窗。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
近年來，我們終於能夠在癌症患者身上開始測試這個想法，當我們看到腫瘤對血管正常化做出反應而萎縮的第一個臨床證據時，我們實驗室的興奮之情難以言表，正如我們預料的那樣。在我們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。
[分隔符]曲折的道路
通往我們近期成功的旅程，是在我完成博士學業幾年後正式開始的。為了弄清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齧齒動物體內該過程的每一步。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部的基因開啟和關閉。
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，形成一個普遍的網路，為細胞輸送氧氣和營養。腫瘤會刺激自身新血管的生長，往往會產生一團亂麻的血管。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，以及一些完全沒有血管的腫瘤區域。
經過多年的努力，我們設法描述了控制液體、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。出現的情況令人沮喪：我們首先意識到的是，腫瘤血管不僅在外觀上雜亂無章，而且在結構和功能的各個方面都高度異常。我們發現，腫瘤內部某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，血管壁的某些部分過於滲漏，而另一些部分則異常緊密，這意味著設法滲透到血管系統的藥物和其他分子會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的孔隙度的原因時，我們發現，在某些腫瘤中，血管壁上的孔直徑可達一到兩個微米，是健康血管中孔大小的100多倍。因此，這些血管無法維持其壁上的正常壓力梯度。健康血管內的液體壓力通常遠高於周圍組織。由於腫瘤血管的孔隙率很高，逸出的液體會提高外部或間質壓力，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，而且間質液的積累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，腫脹本身會成為一個嚴重的、通常危及生命的問題。在其他型別的癌症患者中，滲出的液體也會積聚在體腔中。無論它去哪裡，從腫瘤滲出的液體都會攜帶腫瘤細胞以及各種腫瘤產生的蛋白質，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輸送藥物的困難和滲漏的血管壁造成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，並且現有血管無法為周圍組織提供足夠的氧氣，因此腫瘤中普遍存在缺氧（低氧）和高酸度的狀態。缺氧反過來會使腫瘤細胞更具侵略性並更容易發生轉移。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。依賴於需要氧氣才能殺死癌細胞的化學過程的放射療法和一部分化療藥物也無法發揮作用。
因此，最初是對腫瘤內部藥物流動中看似簡單異常的探究，結果表明，腫瘤血管的異常比我最初想象的更多地阻礙了治療。到1994年，我們的觀察結果開始向我的研究合作者和我表明，如果我們知道如何修復腫瘤相關血管的結構和功能，我們就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。
[分隔符]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，包括最有效的一種，即血管內皮生長因子（VEGF）。VEGF最初由我在哈佛大學的同事哈羅德·德沃拉克發現並命名為血管通透性因子，它促進內皮細胞的存活和增殖，而內皮細胞構成了血管的內層。過量時，它也會使血管滲漏——因此得名。然而，在正常組織中，VEGF和其他類似生長刺激分子的共同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，而血小板反應蛋白會抑制血管生長。
無論是健康的還是患病的組織，都需要新血管時都會增加血管生成刺激物的產生，或減少抑制劑的產生，或者兩者都做，從而使平衡向血管生成傾斜。在傷口癒合等健康過程中，一旦建立新的血管，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，不平衡仍然存在——血管變得越來越異常。
由於VEGF在大多數實體瘤中含量豐富，我懷疑找到一種清除過量VEGF或干擾其產生的生長訊號的方法可以恢復平衡，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，它們就會被破壞，或者如果腫瘤發展出產生不同刺激物（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，而鹼性成纖維細胞生長因子可以模仿VEGF的許多作用。找到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。
1995年，可以中和VEGF作用的抗體藥物已經在開發中，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，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，並誘導剩餘血管重塑自身，使其開始類似於正常血管系統。那些正常化的血管滲漏較少，擴張較少，曲折較少。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以及後來其他研究人員在動物身上重現這些結果感到興奮，但我們仍然無法知道相同的反應是否會在癌症患者身上發生。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，當我第一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1971年我以前在哈佛的同事、已故的猶大·福克曼提出的假設，即可以使用抗血管生成藥物餓死腫瘤塊來阻止腫瘤生長。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，是一種最初作為抗血管生成劑開發的VEGF中和抗體。
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，儘管單獨使用時，它並不能提高癌症患者的總體生存率。然而，在一項促成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，但僅當它與標準化療聯合使用時才有效。當時，這一積極結果似乎相當矛盾，因為原則上，一種被設計和部署來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，抗血管生成藥物會阻礙放射療法和化療。那麼，如何調和這些明顯矛盾的發現呢？
我們的研究小組有機會透過仔細檢查 2002 年由美國國家癌症研究所支援、現任職於杜克大學醫學中心的克里斯托弗·威利特（Christopher Willett）領導的臨床試驗中，接受阿瓦斯汀和聯合化療和放療的直腸癌患者腫瘤中血管的結構和功能來找出答案。我們很快就看到，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。而且，一種被稱為細胞凋亡的程式性細胞死亡形式，其特徵是缺氧和營養匱乏，在那些不再能獲得修剪後的血管系統的腫瘤細胞中有所增加。
然而，令人驚訝的是，腫瘤對葡萄糖類似物的攝取，即腫瘤整體能量使用的一個跡象，並沒有同時減少，這與腫瘤僅僅是被餓死的情況相反。相反，剩餘的腫瘤血管似乎在支援存活的癌細胞的能量需求方面變得更有效率。此外，一些腫瘤中癌細胞的增殖速率有所增加，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。雖然在癌細胞中增加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，而化療藥物通常針對分裂細胞。
這些結果共同提供了關於阿瓦斯汀等藥物如何在患者體內發揮作用的初步瞭解，並揭示了為什麼它可能在一段時間內改善放射療法或化療的結果。當藥物阻斷 VEGF 的作用時，一些腫瘤血管會立即被修剪掉，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，這些正常化的血管也使存活的細胞更容易受到它們現在可以更有效地輸送的治療方法的影響。因此，恢復腫瘤血管的正常功能會創造一個時期，在此期間，各種癌症療法的治療效果應該達到最大。
[分割線] 機會之窗
要真正從這種對抗血管生成療法與放射療法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，以及它們保持正常化的時間有多長。我的研究小組回到小鼠身上進行實驗，以更好地描述我們稱之為“正常化視窗”的這段時期。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，並在一天後觀察到血管正常化的跡象。在正常化視窗期（僅持續約五到六天），腫瘤氧合作用增加，放射療法產生了最佳的治療效果。其他研究小組也在實驗室動物身上報告了類似的觀察結果。
事實上，有足夠的證據支援這一模型，我們能夠在 2006 年末完成的另一項美國國家癌症研究所的臨床試驗中對其進行測試。該試驗由我在馬薩諸塞州總醫院的同事特雷西·巴切勒（Tracy Batchelor）和格雷戈裡·索倫森（Gregory Sorensen）領導，納入了 30 名腦腫瘤（即膠質母細胞瘤）在經過積極的手術、放療和化療後仍復發的患者。這些患者的預期壽命不到六個月。
他們每天口服劑量的 Recentin，這是一種實驗性藥物，可有效抑制 VEGF 的三個主要細胞受體。使用先進的成像技術，我們能夠觀察到他們腫瘤中的影響，並且幾乎立即就看到了這些影響[參見對頁插圖]。血管正常化的跡象包括血管直徑和滲漏性減少，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仍然存在。此外，正如我們最初的模型所預測的那樣，正常化伴隨著腫瘤內和周圍腫脹的迅速減少，這種效果在患者服用 Recentin 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當停止使用 Recentin 時腫瘤血管再次變得異常，而在重新使用該藥物時又恢復正常。
這些結果首次定義了血管正常化期在人體內可以持續多長時間，並導致了一項涉及 300 名患者的更大規模的持續臨床試驗，以進一步確定 Recentin（有或沒有化療）在治療膠質母細胞瘤中的作用。我們還在更多型別的癌症中研究多種抗血管生成藥物與新診斷和復發腫瘤病例的傳統療法聯合使用的情況。
與此同時，我們也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，單獨的 VEGF 阻斷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，除了 VEGF 之外，它們往往還會產生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）的血液水平實際上有所增加，這表明腫瘤或其他組織開始製造更多這些因子作為響應。在復發的膠質母細胞瘤患者中，隨著腫瘤逃脫 Recentin 的治療，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圖譜，以及隨著時間推移可能發生的這些圖譜變化的藥物組合。然而，值得注意的是，可用於促進血管正常化的可用工具不僅限於直接靶向 VEGF 或其他生長因子的藥物。例如，我們已經在小鼠中證明，藥物赫賽汀（一種靶向腫瘤細胞表面蛋白 HER2 的抗體，約有四分之一的乳腺癌女性服用該藥物）可以模擬抗血管生成藥物組合產生的反應並使腫瘤血管正常化。赫賽汀間接地降低了細胞對幾種促血管生成分子的製造，同時增加了細胞對抗血管生成血小板反應蛋白-1 的產生。
除了尋找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，以便在進行治療時最好地利用它也很重要。為此，我的同事和我一直在努力尋找所謂的生物標誌物：容易識別的跡象，這些跡象反映了腫瘤內部發生的情況，從而揭示了個體患者正常化視窗的開始和持續時間。例如，此類標誌物可能包括血液或尿液中在此時間視窗內水平升高或降低的蛋白質。
發現抗血管生成藥物可以使血管系統正常化，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和特異性，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因血管系統異常引起的其他疾病的人受益，例如老年性黃斑變性和動脈粥樣硬化[參見對頁框圖]。
30 多年前，當我開始研究腫瘤中迂迴和功能失調的血管時，我從未想過這條道路會通向何方。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，這一天似乎比以往任何時候都更近了。
[分割線] 作者
拉凱什·K·賈恩 (RAKESH K. JAIN) 是安德魯·韋克·庫克腫瘤生物學教授，也是馬薩諸塞州總醫院和哈佛醫學院放射腫瘤科埃德溫·L·斯蒂爾腫瘤生物學實驗室的主任。他的研究將生物學、影像學、工程學和數學相結合，研究血液和淋巴管及其組織環境，以及將基本發現應用於患者治療。他特別要感謝美國國家癌症研究所自 1980 年以來對其工作的持續支援，以及全球 200 多名研究生、博士後和合作者，他們與他分享了進入實體腫瘤世界的旅程。賈恩還擔任多家制藥和生物技術公司的顧問，並且是國家工程院和醫學研究所的成員。