醫學

馴服血管治腫瘤

多種癌症治療藥物的設計原理,是要抑制或破壞腫瘤血管的新生。意外的是,這些藥物卻修復了異常血管,反而有助於其他藥物有效抵達並殺死癌細胞。

撰文/詹恩 ( Rakesh K. Jain )
翻譯/黃榮棋

醫學

馴服血管治腫瘤

多種癌症治療藥物的設計原理,是要抑制或破壞腫瘤血管的新生。意外的是,這些藥物卻修復了異常血管,反而有助於其他藥物有效抵達並殺死癌細胞。

撰文/詹恩 ( Rakesh K. Jain )
翻譯/黃榮棋

重點提要
■血管結構不正常或失能是實體腫瘤的特徵。這些異常的血管會直接影響癌症的惡化程度,也會妨礙療藥抵達與攻擊癌細胞。
■腫瘤血管正常化之後,能讓癌症治療藥物得以進入腫瘤塊,而可有效治療癌症。
■出乎意料的是,原本設計來破壞腫瘤血管的藥物,卻可以暫時修復血管,而提供了一個新途徑來治療癌症,或是修復其他疾病中的異常血管系統。


1974年,我還是個研究生,卻有機會從最不尋常的角度來認識惡性腫瘤。當時,我在美國國家癌症研究院跟隨已故的古利諾(Pietro M. Gullino),他發展出一套新實驗設計來研究癌症生物學:只利用一條動脈與一條靜脈,將腫瘤塊連接到大鼠的循環系統。身為化學工程師的我,決定利用這個機會測量看看注射到大鼠體內的藥物,有多少會經過腫瘤流出來。令人訝異的是,注射到大鼠體內的藥物大多不會流經腫瘤;更驚奇的是,流到腫瘤的少量藥物也不是均勻分佈,有些區域根本就看不到任何藥物。


我當下憂心的是,不管是哪一種抗癌藥物,人體瘤癌只要有一小部份細胞沒有接受到適當的劑量,那些癌細胞就可以存活下來,因此腫瘤遲早會再復發。顯然腫瘤裡的血管構造,對癌症療藥的投送是個主要障礙,或許就是這個問題激發了我的工程師本性,想要明白並解決它。


往後的數十年,我便與同事研究腫瘤血管系統異常的原因,以及這些失序的血管如何妨礙傳統的癌症療法、甚至直接造成實體腫瘤的某些致命特性。有了這些想法之後,我們發展出讓腫瘤血管恢復正常功能的方法,也成功應用於小鼠身上。在這過程中,我們也發現看似矛盾之處:用來破壞腫瘤血管的某類藥物,實際上卻會修復血管,因而創造了可以更有效攻擊癌症的機會。


近年來,我們終於可以在癌症患者身上測試這個想法,而且一如所料,血管恢復正常之後,腫瘤就萎縮了下來,這第一手的臨床證據讓我們雀躍不已。我們還需要做更多的研究,才能讓這種療法達到盡善盡美,並確保能有效應用在不同的惡性腫瘤上。不過我們已經知道,血管修復也為其他血管疾病開啟了治療之門,其中包括造成美國人眼盲的最主要疾病「黃斑退化症」(macular degeneration)。


崎嶇之路


取得博士學位後不久,我開始認真踏上這條引領我們近日成功的道路。我與同事決定找出藥物無法均勻滲透腫瘤塊的原因,於是開始在齧齒動物身上監測過程中的每一個步驟。我們利用各種不同技術,觀察藥物進入腫瘤的微小血管、穿越血管壁而進入周圍組織、進到癌細胞,以及最後從腫瘤塊流出的過程。我與同事及學生聯手,發展出可以在血管與組織裡追蹤分子(例如氧)的方法,最後我們甚至可以觀察細胞基因的開關。


最開始的發現是,腫瘤裡的血管一點都不像正常血管。健康組織的血管是直的,有規則地分支成比較小的微血管與其他微小血管,形成綿密的網絡以提供細胞氧氣與養份。腫瘤會為自己刺激新血管系統的形成,但這些血管盤根錯結,彼此間的連結毫無規則,有的分支過大,有許多是無用的未成熟微小血管,有些區域則連血管都沒有。


在多年的研究過程中,我們試著釐清在這混亂的血管系統裡,液體、藥物與細胞是如何移動的,並了解到這些異常現象的可能後果。呈現出來的景象是恐怖的:我們了解到的第一件事是,腫瘤血管不僅外觀混亂,功能與構造也都極端異常。我們發現,腫瘤裡的某些血管血流得很快,有些則完全不流動。而且同一條血管的血液,有時會流向某一個方向,然後又逆向而流。單單這些血流的狀況就足以構成障礙,阻止藥物的均勻分佈。而且,有些血管壁有太多漏洞,其他的又太過緊密,意味著藥物與其他分子在穿越血管系統時,會不均勻地分佈於周圍的腫瘤組織。


當我們開始研究孔洞不均的成因時,發現某些腫瘤血管壁上的孔洞直徑可以大到1~2微米,超過健康血管孔洞的100倍,因此無法維持管壁內外的正常壓力差。健康血管內的液壓通常比周邊組織高得多,而腫瘤血管有這麼多的孔洞,漏出去的液體使血管外(組織間)的壓力升高,直到幾乎與血管內壓相當。


這種不自然的壓力差不只阻礙藥物送達腫瘤細胞,組織液蓄積也會造成腫瘤及鄰近組織的腫脹。對腦癌患者來說,由於頭顱限制了組織的擴大,腫脹本身變成是個嚴重且可能致命的問題;而在其他癌症的患者身上,滲出的液體則可能會蓄積在體腔。這些液體攜帶著腫瘤細胞以及腫瘤製造的蛋白質,會促進附近的正常組織與淋巴結產生新的血管與淋巴管,而這些血管或淋巴管就成為癌細胞轉移到身體其他部位的管道。


混亂的腫瘤血管系統造成投藥困難,血管壁漏洞太多則造成危險的液體蓄積。除此之外,這些異常血管也在腫瘤內部形成一種極為異常的環境。腫瘤裡有許多區域並沒有血管,而既有的血管又無法運送足夠的氧氣給附近組織,因此腫瘤內一般是缺氧且酸化的。缺氧讓腫瘤細胞變得更具攻擊性、更容易轉移,而體內那些可能協助對抗癌症的免疫細胞,則因酸性環境與缺氧而無法正常運作,至於放射療法與某些化療藥物,因為藉以殺死癌細胞的化學反應需要氧,也同樣派不上用場。


因此,原本看似簡單的腫瘤藥物流動異常,探究後卻發現,腫瘤血管異常造成治療障礙的原因,要比我原先想像的來得多。1994年,我曾在Scientific American深入描述了當時的發現。當年這些觀察也讓我與研究夥伴想到,如果我們知道如何修復腫瘤血管的構造與功能,或許可以讓腫瘤的微環境恢復正常,最後就能改善癌症的治療。要逆轉這種情況,我們首先要更加了解,是什麼東西造成與維持腫瘤血管的異常狀態。




恢復血管新生的平衡


我們開始檢視參與正常血管新生的因子,其中包括最重要的「血管內皮細胞生長因子」(VEGF)。VEGF原先命名為血管通透因子,最早是由我在哈佛大學的同事德弗札克(Harold Dvorak)所發現,它會促進形成血管內襯的內皮細胞的存活與增生,但VEGF太多時也會讓血管變得易漏,這正是原先命名的源由。不過在正常組織,VEGF與其他類似的生長促進分子的作用,會受到天然抗血管新生分子的拮抗,例如會抑制血管生長的血栓反應素(thrombospondin)。


不管組織是否健康,當它們需要新血管時,都會增加可刺激血管新生的物質,或減少可抑制血管新生的物質,或兩者同時進行,來增加血管新生的機會。在傷口癒合之類的正常過程,新血管一旦形成之後,生長因子與抑制因子終究會重新取得平衡;但在腫瘤與其他一些慢性疾病中,失衡狀態卻持續下去,血管因此變得越來越不正常。


由於大多數實體腫瘤的VEGF含量豐富,我猜測若能找到方法來消除過多的VEGF,或干擾VEGF所產生的生長訊號,或許就能夠恢復平衡,讓腫瘤血管系統回復到比較正常的狀態。另一種方法是增加血管新生抑制因子的濃度,或許對血管的正常化也有相同的作用。我也在想,不論是以哪一種方法處理過的血管,都不可能會永遠維持在正常狀態:只要抑制因子夠強,正常血管就會被破壞掉;如果腫瘤能製造不同的刺激因子,像是可以模擬許多VEGF作用的鹼性纖維母細胞生長因子(bFGF),血管也可能再度變得不正常。找到答案的唯一方法,就是直接在腫瘤上頭測試血管新生的抑制劑,然後看看會發生什麼事。


1995年,已經有人研發由抗體衍生出的藥物,可以中和VEGF的作用,因此我們可以利用這些藥物,在小鼠身上驗證這些想法。其中有些抗體會直接附著到VEGF上,因此VEGF無法結合到細胞表面的受體,也就不能將生長訊號傳送給內皮細胞。其他的抗體則會結合到VEGF受體上,讓VEGF無法接上VEGF受體。值得注意的是,這兩種抑制VEGF的作用,會讓某些不成熟且缺乏效率的腫瘤特有血管逐漸萎縮,而且會重塑剩餘的血管,讓它們開始像正常的血管系統,變得比較沒那麼易漏、沒那麼舒張,也比較沒那麼曲折。我們也偵測到腫瘤組織裡血管功能的改善,包括較低的組織間液壓、較高的含氧量,以及較佳的藥物穿透。


我們雖對這些結果感到興奮,也很高興其他研究人員在動物身上證實了我們的發現,但還是無從得知癌症患者是否也會有同樣的反應。我們也可以理解為何許多研究人員會質疑我們的方法。1990年代末期,我首次公開提出讓腫瘤血管正常化的想法時,學術界與產業界的科學家已經在研究可以破壞血管的藥物。他們會這麼做,是根據我的哈佛大學同事佛克曼(Judah Folkman)在1971年提出的假說:利用抑制血管新生的藥物,讓腫瘤塊無法獲得養份供應,可抑制腫瘤的生長。的確,美國食品及藥物管理局(FDA)於2004年核准用來治療癌症的癌思停(Avastin),就是開發來做為抑制血管新生藥物的VEGF抗體。


實驗室測試與臨床實驗都發現,癌思停可以破壞動物與人的腫瘤血管,單獨使用時並無法延長病人的壽命。不過一個重要的臨床實驗發現,癌思停合併傳統化療,的確可以延長結直腸癌末期患者的壽命。這個讓FDA核准癌思停上市的正面結果,當時看似有些弔詭,因為理論上化療藥物要靠有效運作的血管才能送達腫瘤細胞,因此設計用來破壞血管的藥物,應該會降低化療效果才對。事實上有研究結果指出,抗血管新生藥物的確會妨礙放療與化療的療效。因此要如何解釋這些明顯互相矛盾的結果呢?


我們的團隊有個機會來找出原因。2002年,美國國家癌症研究院支助一項臨床試驗,以癌思停合併化學與放射治療直腸癌,由現在任職杜克大學醫學中心的維樂特(Christopher Willett)主持。由這些患者的檢體,我們仔細檢視了腫瘤血管的構造與功能,很快就發現患者腫瘤血管系統的改變,不只單純的血管破壞而已。


注射一劑癌思停後兩個星期,六個病人腫瘤裡的血流都減少了30~50%,腫瘤裡的微小血管密度、血管總數目,以及組織間液壓也降了下來。血管系統萎縮造成的氧氣與養份不足,增加了腫瘤細胞的凋亡(一種計畫性細胞死亡)。


但令人訝異的是,腫瘤消耗的總能量(葡萄糖類似物的吸收)卻沒有降低的跡象,不像能量匱乏的樣子,反而是殘存的腫瘤血管變得更有效率,能提供能量給存活下來的癌細胞。而且在某些腫瘤,癌細胞的增生速率還變得更快,反映癌細胞有著功能更佳的血管以及更正常的組織環境。雖說癌細胞的增生通常不是好事,但這種狀況也代表它們更容易受到化療藥物的攻擊,因為這些藥物通常是針對分裂中的細胞。


綜合這些結果讓我們稍稍了解,像癌思停這樣的藥物如何作用在患者身上,同時也透露出,為何癌思停能改善放療或化療的結果一陣子。當藥物阻斷VEGF的作用時,有些腫瘤血管系統會馬上萎縮,但留下來的血管會變得比較正常一點。除了整體改善腫瘤微環境外,正常化的血管能更有效輸送化療藥物,也就更容易殺死剩下來的癌細胞。因此,腫瘤血管功能恢復正常,就會有一段時間讓各種癌症療法更有效地達成目的。


機會之窗


抗血管新生療法可以與放療與化療合併應用,但要真正從中得到好處,腫瘤科醫師就必須知道,患者的腫瘤血管何時開始恢復正常,以及可以維持多久。我的研究團隊再度利用小鼠做實驗,希望更加了解我們後來稱為「正常化時段」的這段時間。我們將設計來阻斷內皮細胞最主要VEGF受體的抗體,用在治療小鼠的腦瘤,一天之後就看到血管正常化的跡象。在這段只有5~6天的正常化時段期間,腫瘤含氧量增加,放射療法的效果最佳。後來其他團隊利用實驗動物的也得到類似的觀察結果。


支持「正常化時段」模型的證據充份,事實上在一年前,我們也在美國國家癌症研究院完成的另一個臨床實驗中,測試了這個模型。那個臨床實驗是由我在麻州綜合醫院的同事貝雀勒(Tracy Batchelor)與索倫森(Gregory Sorensen)所主持,他們找了30位罹患膠質母細胞瘤的腦癌患者,這些病人雖然經過積極的手術切除、放射與化學治療,腫瘤還是長了回來,壽命預估剩不到半年。


病患每天口服一劑Recentin,這是一種試驗性藥物,會強力抑制VEGF最主要的三種細胞受體。我們利用先進的造影技術,來尋找藥物對腫瘤產生的作用,而且幾乎馬上就看到效應(見右頁插圖)。血管正常化的跡象中,血管口徑變小與漏洞減少起碼維持了28天,其他有些跡象則持續了整整四個月的研究期間。而且就像模型原先的預測,腫瘤內外的腫脹現象迅速減輕,這個效應持續出現於患者服用Recentin的期間。但因為抑制VEGF的副作用有時會很嚴重,有些患者要求暫時中斷實驗,這讓我們可以在停用Recentin期間觀察腫瘤血管重回不正常狀態,以及重新服藥後再度正常化的過程。


這些結果首次在人身上確定血管正常化的持續時間,並引領了另一個有300位患者參與的大型臨床實驗,想進一步確定在合併與不合併化療的狀況下,Recentin對神經膠母細胞瘤的治療效果。我們也正在研究,在更多種癌症的新病例及復發病例中,一些抗血管新生藥物與傳統治療合併使用的效果。


同時我們也在探討如何拉長這個正常化時段,好讓患者的存活時間可以從幾個月延長到幾年。任何修復血管的策略都必須考慮到,光靠抑制VEGF也許不足以達成或維持血管的正常化,因為腫瘤可以利用別種生長因子來取代VEGF,以克服沒有VEGF訊號的障礙。


例如,腫瘤長得越來越大時,除了VEFG外還會製造各種促進血管新生的因子,因此癌思停等藥物對這些腫瘤的血管將逐漸失效。


像我們的團隊就在直腸癌患者身上發現,血中VEGF以及相似分子「胎盤生長因子」(PlGF)的含量,反而會在使用癌思停之後增加,意味著用藥之後,腫瘤或其他組織開始增加製造這些因子。而在神經膠母細胞瘤復發的患者體內,當腫瘤經Recentin治療而存活下來之後,血中好幾種促進血管新生的因子都增加了。


生長促進訊號的多樣化,指出腫瘤科醫師所面臨的挑戰,將是如何針對每一位病患的原發性與轉移性腫瘤的分子特徵,及其可能與時而變的特性,設計出特定藥物的雞尾酒療法。不過值得一提的是,目前已知可以促進血管正常化的工具,並不局限於直接作用在VEGF或其他生長因子的藥物而已。例如我們已在小鼠身上發現,賀癌平(Herceptin)這種作用在腫瘤細胞表面HER2受體的抗體、有1/4女性乳癌患者使用的藥物,可以模擬抗血管新生雞尾酒藥物所產生的效應,而讓腫瘤血管恢復正常。賀癌平間接降低了細胞產生的多種血管新生促進因子,並增加細胞產生的抗血管新生因子血栓反應素-1(thrombospondin-1)。


除了要找出可以促進血管正常化的療法外,開發最不具侵入性且廉價的方法,讓醫師可以用來監測正常化的過程,並有效應用於治療上,也是很重要的。為了達到這個目的,我與同事已經在想辦法找出所謂的生物標記(biomarker),也就是可以反應腫瘤內部情形且容易偵測的徵兆,能夠指出每個病患正常化時段開啟與持續的時間。舉例來說,這些標記可能是某些蛋白質,它們在血液或尿液裡的含量會在這段時間產生變化。


抗血管新生藥物讓血管正常化的發現,並不代表這些藥物的原始目的已不復存在。只要是藥效夠強、夠專一於破壞夠多的腫瘤血管,能夠讓整個腫瘤萎縮並拯救生命,就是每個人所樂見的結果。而同時還能利用這些藥物來修復血管,則是讓它們變成有效的工具,可以多種方式來攻擊癌症。長遠來看,這種研究也讓世上數百萬因異常血管而致病的人受惠,像是老年黃斑退化以及動脈粥狀硬化(見左頁〈修復血管:不僅有助於治癌〉)。


30多年前,我開始想了解腫瘤血管分歧混亂與失能的原因,卻未曾想過這條路會走到哪裡去,也未曾想過可能有那麼一天,帶有血管異常疾病的患者可以走進醫院、做個生物標記檢測,然後有個特別設計的血管正常化藥物,可以用來修復他們的血管。不過現在看來,這一天到來的日子要比以前更靠近了。