互动科普

1974年，我还是一名硕士研究生，在美国国家癌症研究院彼得罗·M·古利诺（Pietro M. Gullino）的实验室做一些研究工作。得益于古利诺教授的引导，我有机会从一个全新的角度审视恶性肿瘤。当时，为了深入研究肿瘤的生物学特性，他发明了一套新颖的实验装置——通过单根动脉和静脉，把肿瘤与小鼠的血液循环系统连接起来。我决定利用这套装置，测量进入小鼠体内的药物，究竟有多少能抵达肿瘤内部，又有多少会被肿瘤排出。结果令我吃惊：大多数药物分子都无法进入肿瘤内部，更糟的是，即使进入肿瘤，药物分布也很不均匀，某些区域几乎碰不到一个药物分子。

即便幸存癌细胞很少，它们也可能死灰复燃，导致癌症复发。如果没有足够的药物进入肿瘤，不能杀死全部恶性细胞，就很难根治癌症。为什么药物分子难以进入肿瘤内部？在强烈的探索欲望驱使下，我开始了解肿瘤的内部结构，并试着解决上述难题。

接下来的几十年里，我和同事们一直在研究，为什么肿瘤血管会出现异常？紊乱的血管为什么能阻碍传统疗法？为什么它们与肿瘤的某些恶性行为直接相关？基于多年来的研究，我们开发了一些使肿瘤血管正常化的方案，而且在小鼠试验中取得了不错效果。我们还意外发现了一个有趣的现象——本来用于破坏肿瘤血管的药物，在试验中却表现出使血管正常化的功能，这可能会成为攻克癌症的新方法。

最近几年，我们的研究重点转移到了癌症病人身上。当第一份临床证据显示，经过血管驯化治疗后，病人的肿瘤逐渐萎缩时，实验室工作人员的兴奋简直无以言表。当然，这只是一个好的开端，还有很多工作等着我们：继续完善治疗方案、评估试验疗法对不同肿瘤的功效。攻克癌症已不是我们唯一的目标，因为“驯化血管”也能为攻克其他血管疾病开辟新的途径，比如多见于老人的致盲疾病——黄斑变性。

混乱的血管

虽然我从研究生时期就开始研究癌症，但真正步入正轨，却是在拿到博士学位数年之后。为了弄清楚药物在肿瘤中不均匀分布的原因，我的第一项任务就是，以啮齿类动物为试验模型，监测药物在血液中扩散的每个过程。研究过程中，我们应用多种新技术，观察药物是如何完成整个“旅程”的：随血液进入肿瘤毛细血管，穿过血管壁渗透到周围组织，进入癌细胞，最后被肿瘤排出。我还和同事们一起发明了一种方法，用于追踪血管和组织中的分子动向（如氧分子）。后来，我们甚至可以观测肿瘤细胞中基因表达的情况。

早期研究显示，肿瘤血管与正常组织中的血管差异极大。正常血管顺畅而有条理，规律地分叉，伸出连续的毛细血管和微血管，形成一个覆盖面极广的血管网络，为各个组织的细胞输送氧气和营养物质。在肿瘤内部，情况截然相反。由于肿瘤本身能激发新血管的生成，过多的血管最终乱作一团：血管之间任意连接；某些区域的血管分支很粗，还密集着大量未成熟的微血管，而在另外一些区域，血管分布却是空白。

多年来，我们一直在研究血液、药物、细胞在肿瘤血管中的运动方式，对血管异常可能带来的严重后果也有了全新认识。然而，我们首先认识到的，却是攻克癌症的艰巨性：肿瘤血管的杂乱不只体现在外观上，结构与功能也高度异常。虽然在某些肿瘤血管中，血液流动非常顺畅，但在另一些血管中却几乎凝滞。具体观察某一根血管时，我们惊讶地发现，血液甚至会改变流动方向——时而顺行，时而逆行。这种奇怪的血流方式，已经成为药物深入肿瘤的一大障碍，更大的难题在于，某些血管壁允许各种分子穿行，另一些血管壁却又太过紧密，绝大部分分子无法通过。通透性不均一造成的结果，是需要穿过血管壁才能到达周围组织的药物，在肿瘤中分布极不均匀。

肿瘤组织似乎就是一个矛盾体。在寻找造成这种现象的原因时，我们发现，肿瘤中某些血管壁上的孔隙，直径竟达1～2微米，这是正常孔隙大小的100多倍！正因为如此，这些异常血管无法维持血管壁两侧的渗透压差异。通常，血管内的血压远高于周围组织里的压力，但由于肿瘤血管的通透性过高，血液很容易泄漏出来，将血管外围压力提高至血压水平。

失去渗透压的驱动，药物很难接触到肿瘤细胞，而且体液在组织间隙积聚，会使肿瘤迅速肿胀。对脑肿瘤患者而言，由于组织膨胀受到颅腔容量的限制，肿胀的肿瘤将压迫脑组织，直接威胁到患者的生命安全；在其他癌症患者中，从肿瘤渗出的体液流到哪里，它携带的肿瘤细胞和各种促进血管与淋巴管生成的蛋白分子，就随时可能在那里“生根发芽”——这也是癌细胞扩散的一种途径。

血管紊乱造成的危害，远不止阻碍药物输送、促进肿瘤扩散，肿瘤内部的微环境也将受到严重影响。肿瘤中，许多区域都没有血管，邻近血管也无法提供足够的氧气，这些区域就变成了低氧高酸的环境。恶劣的微环境反过来又影响肿瘤细胞，提升侵袭能力，让它们更容易转移。免疫细胞本来可以杀死肿瘤细胞，但在低氧环境下，它们的杀伤力大打折扣。常用抗癌疗法也因受到低氧环境的影响，无法发挥最佳疗效（某些药物需要氧气，才能启动杀伤癌细胞的化学反应）。

至此，我们终于明白癌症为何如此难以治疗。1994年，我在《科学美国人》上发表文章，详细阐述了我和同事们多年来的发现。这篇文章刊出后，很多科学家都意识到，如果能恢复肿瘤血管的结构和功能，就有机会改善肿瘤内部的微环境，提高抗癌疗法的功效。但要“驯服”肿瘤血管，我们首先得知道，究竟是什么原因导致了肿瘤血管异常，并将这种混乱状态一直维持下去。

有利的矛盾

我们开始观察与血管形成有关的分子。首先引起我们注意的，是一个非常关键的分子——血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）。这个分子是由哈佛大学的哈罗德·德沃夏克（Harold Dvorak）发现的，他最初把它命名为“血管通透因子”。血管内皮细胞（endothelial cell）的生存与增殖都离不开VEGF，但如果VEGF过多，血管就会发生渗漏，这就是德沃夏克把它叫做“通透因子”的原因。在正常组织中，VEGF及类似分子的协同作用，往往会被另一些拮抗分子“中和”（抑制血管的生长，比如凝血栓蛋白，thrombospondin），使血管的生成处于平衡状态。

任何时候，只要某个组织需要新生血管，它就会主动打破上述平衡（增加VEGF等分子的生成量，或者减少拮抗因子），使它偏向利于血管生成的一方。一旦有了足够的新生血管，促进和抑制血管生成的两股力量就会重新达到平衡。但在肿瘤和其他慢性疾病中，不平衡状态会持续存在，致使血管的生成越来越不正常。

在大多数肿瘤中，VEGF的含量都很高，如果能找到一种方法，清除过量的生长因子，或干扰它们的刺激作用，就可能恢复平衡，肿瘤内的血管也就能回复到正常状态。另一个方法则是提高抑制因子的浓度，也可能达到同样的效果。然而从理论上推断，即使通过上述方法恢复平衡，也很难维持：抑制作用过强，血管可能被破坏；抑制作用适中，肿瘤很快就会分泌新的生长因子，再次打破平衡。碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）就是这样的分子，它与VEGF在很多方面都具有相似性。巨大的难题让我们一筹莫展，只好先试一下血管生成抑制剂，看看到底会发生什么。

1995年，以抗体为基础的血管生成抑制剂已在开发中，我们利用这类药物，在小鼠试验中验证我们的推测。某些抗体能直接与VEGF结合，阻止它与血管内皮细胞表面的受体结合，切断细胞生长信号的来源；还有些抗体则与细胞表面的受体结合，封闭信号接收通道。我们兴奋地发现，两类抗体都能清除肿瘤中一些未成熟和不完整的血管，并能诱导余下血管重组结构，向正常血管“看齐”。经过药物处理后，异常血管的通透性开始降低，直径也在缩小；其他生理指标也有了明显改善，比如组织间隙的体液压力降低、低氧环境的氧气浓度升高、药物更易扩散。

虽然其他科学家在动物试验中证实了我们的发现，但我们还是无法肯定，这种方法在癌症病人身上能否奏效。也有不少科学家对我们的方法持怀疑态度。上世纪90年代末，我公开提出“肿瘤血管恢复理论”时，很多科学家都忙着研制抑制肿瘤血管生成的药物。他们的研究工作建立在一个假说上：利用抗血管生成药物切断养分来源，就可能“饿死”肿瘤。这个假说是我的同事犹大·弗克曼（Judah Folkman）在1971年提出的。事实上，美国食品及药品管理局（FDA）在2004年批准上市的抗癌药物阿瓦斯丁（Avastin），就是一种抑制VEGF活性的抗体，研制它的初衷正是为了抑制肿瘤血管生成。

在试验中（包括动物和人体试验），阿瓦斯丁已经表现出抑制肿瘤血管生长的功效，但单独使用时，它却无法提高癌症病人的存活率。在一次关键临床试验中（如果失败，FDA很可能拒绝上市申请），阿瓦斯丁的确提高了直肠癌病人的存活率，但只有和标准化疗同时作用时，它才能表现出如此功效。该结果似乎自相矛盾：从理论上讲，化疗药物需要有血管的辅助，才能发挥作用，但阿瓦斯丁却是用来抑制肿瘤血管的——而公开发表的研究显示，抑制血管生成的药物会干扰放疗和化疗作用。应该如何解释这一矛盾？

2002年，在美国国立癌症研究院资助的一项临床试验中，杜克大学医学中心克里斯托弗·维利特（Christopher Willett）的研究小组，利用“阿瓦斯丁＋放疗＋化疗”的方案，对直肠癌患者展开治疗。我们也利用这个机会，仔细观察了经过治疗后的肿瘤内部的血管情况。我们很快发现，肿瘤血管发生的改变，决不等于被破坏。

试验开始时，研究人员只为癌症病人注射了阿瓦斯丁。两周后，一切现象似乎都朝着有利的方向发展：肿瘤中的血流量减少了30％～50%（在6位病人身上，都得到了相同的结果）；微血管的密度和组织间隙体液的压力也在降低；在无法得到血液供应的肿瘤区域，细胞凋亡（癌细胞启动自杀性程序）、氧分及营养缺乏等现象越来越明显。

奇怪的是，根据肿瘤对葡萄糖及其类似物的摄取量计算，肿瘤消耗的总能量并未下降——这与试验的预期完全相反！残余血管承担起了运送养分的重任，而且工作效率大大提高。接下来，我们发现，某些肿瘤细胞的增殖速度提高了——说明血管变得正常后，微环境更适合肿瘤细胞生长了。此时，任何癌症患者都会感到绝望，但希望总在人们快要绝望的时候出现：增殖加速的肿瘤细胞恰好对化疗药物极为敏感，因为这些药物的作用目标正是分裂旺盛的细胞。

综合上述结果，我们就知道阿瓦斯丁为什么能提升放疗和化疗的功效了：当药物抑制了VEGF的活性，一些肿瘤血管立即被清除，残余血管开始恢复正常；除了改善微环境，正常化的血管还使加速分裂的肿瘤细胞在化疗中更脆弱。因此，在肿瘤血管恢复正常的这段时间，其他抗癌疗法就能发挥最大作用。

抗癌时机

要发挥“阿瓦斯丁＋放疗＋化疗”方案的最大威力，科学家首先要知道肿瘤血管何时开始恢复正常，这种“恢复阶段”又会维持多久。因此，我的研究小组又回到动物模型上，用试验寻找答案。我们给患有脑癌的小鼠注射抗体，阻断VEGF的主要受体。仅过了一天，肿瘤血管就表现出正常化的迹象。恢复阶段大约持续5～6天，在此期间，肿瘤内部的氧含量升高了，放疗也能发挥最大疗效。其他研究团队随后也得到了相似的结果。

由于证据足够充分，我们又获得了一个验证结论的机会。这次临床试验也是由美国国立癌症研究院资助的，刚结束一年多。美国麻省总医院的特蕾西·巴切勒（Tracy Batchelor）和格雷戈里·索伦森（Gregory Sorensen）负责此项研究。参与试验的30位病人都患有脑瘤，（更确切地说是恶性胶质瘤，glioblastomas），虽然他们接受过放疗、化疗，甚至将肿瘤彻底切除，但很快又复发了。他们剩下的寿命不会超过6个月。

患者每天服用Recentin——一种研发中的抗癌药物，能强烈抑制VEGF的三种主要受体。借助先进的医学影像技术，我们能即时观察Recentin对肿瘤的作用。在这些患者的肿瘤中，血管正常化的时间至少能持续28天，某些生理指标的恢复时间甚至长达4个月，贯穿整个试验。正如我先前提出的，血管的正常化伴随着肿瘤和周围组织的水肿迅速减退，只要患者服用Recentin，对水肿的抑制作用就一直存在。抑制VEGF的活性会带来严重的副作用，因此一些患者会要求间断服药，这让我们观察到一个有趣的现象：停止服用Recentin，肿瘤血管又变得异常；恢复用药，血管再次开始正常化。

这次临床试验的意义在于，首次确定了血管正常化在人体中的持续时间。不久后，一项涉及300多位受试者的大规模临床试验启动了，目的是确定在实施或不实施化疗的情况下，Recentin如何发挥治疗恶性胶质瘤的功效。我们也在研究抑制血管形成的药物联合传统抗癌疗法时，对更多类型的初发或复发癌症病例的治疗作用。

同时，我们还在研究如何延长肿瘤血管正常化的持续时间，为其他疗法争取更多的作用时间。无论采用哪种策略，我们都得清楚地认识到，仅依靠VEGF抑制剂，无法使肿瘤血管彻底恢复正常，甚至无法长时间维持正常化状态，因为肿瘤会制造其他生长因子，用于替代VEFD的作用。当肿瘤进一步生长，常会分泌多种促进血管形成的物质，以不同的机制分别发挥作用。于是，阿瓦斯丁这类药物就会失去效力。

以直肠癌为例。我们研究小组发现，在服用了阿瓦斯丁后，患者血液中的VEFG和PlGF（placental growth factor，血清胎盘生长因子）的含量实际上升高了，这就是说，肿瘤和其他正常组织会产生更多的生长因子。在胶质瘤复发患者中，一旦Recentin的抑制作用减弱或消失，血液里促血管生成因子的含量就会升高。

对于医生而言，促血管生成因子的多样性，无疑是一道难题，他们必须根据每个患者的情况，量身定制联合疗法。而且随着时间推移，肿瘤产生的分子类型逐渐改变，医生还必须对疗法进行相应调整。值得注意的是，当前能使肿瘤血管正常化的药物，并不局限于针对促血管生成因子的药物。我们最近发现，一种针对肿瘤细胞表面受体HER2的抗体药物——赫赛汀（Herceptin，参见《环球科学》2006年第6期《抗癌先锋》一文），在小鼠试验中也表现出了使肿瘤血管正常化的功效。赫赛汀能间接降低细胞内促血管生成因子的合成量，并同时提高血管生成抑制因子的产量。

除了开发促进血管正常化的药物，研究微创和成本低廉的方法，让医生方便地监测血管正常化过程，以指导抗癌疗法的实施也非常重要。朝着这个目标，我和同事们正在寻找一些被称为“生物标记”的分子：这些分子很容易检测到，它们能反映肿瘤内部正在发生的情况，揭示血管正常化的持续时间。血液或尿液中，随着肿瘤血管的情况而发生相应变化的蛋白质，就可能是生物标记分子。

抗血管生成的药物能驯服肿瘤血管，并不意味着研发这些药物的初衷是错误的。如果一种药物的药效足够强大，只针对肿瘤血管发挥作用，并能摧毁大部分肿瘤血管彻底切断肿瘤的营养来源，从而治愈癌症患者——这将是医生和患者都愿意看到的结果。但是，使用抗血管生成的药物修复血管，同样能使它们成为攻克肿瘤的良药。从长远来看，这项研究能使全世界多达5亿的血管疾病患者受惠，比如老年黄斑变性和动脉粥样硬化患者。

三十多年前，我刚开始研究肿瘤中畸形的血管时，从未想过未来的路会通向何方，更没想过会有这么一天：患者走进医院，在检测种种生理指标后，就能轻松获得一套量身订做的治疗方案，用来治疗他们的血管疾病。现在来看，这一天离我们已经不远了。