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1楼
发表于 2002-10-30 23:19
三思科学网站：江华
众里寻他总千百度，蓦然回首，却在灯火阑珊处
1971年，美国总统理查德·尼克松满怀激情的向公众宣布，美国政府将“向癌症开战”，并预期10年内将可找到“完全治愈”癌症的治疗方法。此后的10年中，多达数亿美元的资金被投入到这场战争中，仅仅国立卫生研究院（National Institute of Health, NIH） 下属的国家癌症研究所(National Cancer Institute, NCI)一家花掉的经费就达3000万美元之巨。通过研究人员的不懈努力，癌症发生的分子机制开始得到揭示，也发展出了包括免疫治疗、生物治疗等方法在内的一些新治疗学概念。然而，终其整个70和80年代，癌症病人的整体治疗效果却并未有实质性的提高。到90年代初，美国癌症病人的5年存活率也只达到51％，即只有51％的人能在确诊为癌症后活过5年。较之1973年的49％，20年的努力只换来了2％的改善，这似乎令人感到震惊。但若考虑癌症发生在从分子到细胞的诸多层面上涉及的错综复杂的机制，再看看从60年代的所知甚少到95年左右建立的基本概念框架，可以说，20年的时间做到这一切实在也是一件丰功伟绩了。然而，要命的是，似乎癌症总有办法逃脱根据基础研究发展出的治疗对策：不论是名噪一时的免疫治疗还是生物治疗，最终的临床效果都并不理想。虽然对肿瘤生物学行为的了解一直在深化，显现出的可用以对抗的靶位点也在不断增加，抗癌新药也不停涌现，有效、安全和简便易行的治疗手段却从来就没有成为过现实。究竟是什么问题使我们久久徘徊却终不得其门而入呢？
我们已经知道，正常情况下，细胞不会随便增生，机体有一整套由抑癌基因、细胞周期调控基因和凋亡基因构成的细胞增殖调节系统，此外，血液中的免疫细胞也负有监视异常增生细胞的责任，它们和基因水平的调控机制一道组成了机体的癌症监控网络。但是，当各种对这一网络的损害因素累积起来，并最终在各个环节上加以破坏时，细胞就能够逃脱控制而进入无限分裂状态，这时，癌症的发生就不可避免。可以说，20年来癌症研究的绝大部分精力和资源都是为了将上述这个机制在分子和细胞水平上加以详细描绘，因为人们相信，这些知识是指导构思抗癌新疗法的唯一途径。举例来讲，p53之类抑癌基因的缺失和破坏是很多恶性肿瘤不可遏制的原因，那通过导入外源性核苷酸片断修复这个基因就能重新开启诱使细胞自杀的过程。这想法在理论上的确有吸引力，然而，由于基因组成在结构和功能上的高度复杂性，加之技术手段的有限，直到今天，癌症的基因治疗都还只是停留于实验动物阶段。更加根本的问题还在于，大多数情况下，当癌症成为一个临床事实时，它实际上已经突破了所有抑癌机制，较之正常细胞，癌细胞在基因和细胞结构上有着许多迥异之处，而这些变化能成为现实，实在是由太多的因素在细胞生命的不同水平上造成的。换句话说，既然细胞癌变是多因素长期介导的结果，那任何只针对这过程中单一因素的治疗手段其疗效都将是十分有限的。当然，比较起错杀三千似的传统放化疗来，以肿瘤细胞发生过程为靶的治疗方法已经是大有进步了，而且，这类方法在逻辑上是有可取之处的，那就是通过打断疾病发生链条中的关键环节来求得从病理到生理的逆转。只是由于癌症的病机太过复杂，而实验条件下的研究往往控制了所有可变因素，只从单一因素入手，很容易使人误以为自己找到的就是那最具决定性的环节。所以，无论是抑癌基因突变和基因疗法，还是免疫监视功能下降以及随之而起的免疫治疗，都不能作为主导治疗措施提供安全确实的治疗效果。面对挫折，很多肿瘤学家开始感到困惑，认为不可能借由特异治疗方法治疗癌症的声音也因此前所未有的高涨。然而，事情果真如此绝望吗？
事实上，就在肿瘤学实验研究人员们一筹莫展时，从外科临床研究方面却传来了令人感到惊讶的消息——最后通路是存在的，而简便、安全的治疗也并非只是梦想。
佛克曼教授近影[upload=jpg]uploadImages/200210309144141268.jpg[/upload]
M. Judah Folkman, M.D.
佛克曼（Judah·Folkman）是一位十分少见的兼具外科艺术才能和天才科学研究能力的外科医生。1950年，当他还在念大学理科时，就已经在外科学界一位顶尖级大师卓林吉（Robert Zolinger）手下接受实验外科学训练，1952年，他作为作者之一的一篇论文被外科学界的一本权威杂志（Surgery）接受，这时他才20岁。进入医学院后，他的研究才能得到进一步展现，作出了包括发明植入式心脏起博器在内的很多成就。1968年， 35岁的Folkman在刚刚结束住院医师培训后就被哈佛大学波士顿儿童医院任命为小儿外科主任。
就在Folkman走上外科主任职位之前不久的一次偶然发现，使癌症治疗学的面貌出现了转变的契机。
对高等哺乳动物来说，除了角膜以外，所有组织的生长和维持都不能离开血管。从心脏开始又回到心脏的整个循环系统是体内无处不在的庞大供应系统：为机体细胞带来氧气和营养物，带走氧化代谢产生的二氧化碳和终产物，充当各种化学信息的传递媒质……这是一套经济、耐用的管道：心脏提供血液流转的动力；有完整管壁，富于弹性的大小动脉担任供应重任，驰张有道的管壁维持血压；随着向组织内的深入，动脉的管径越来越细，管壁也渐渐变薄，直到最后形成只有一层内衬细胞的网状微血管，这就是毛细血管——一种以货易货的自由市场。好比市场中货物交换的动力来源于需求、供应以及价格差异间的流动关系，毛细血管周围细胞内高浓度的二氧化碳、乳酸等等顺着浓度梯度流入血管，而血管内高浓度的氧气、营养物也在浓度差异的驱动力下流向组织细胞中。
不难想见，细胞若要生存，就必须与毛细血管保持密切联系，距离太远，营养物质将无法到达，细胞生命也就陷入岌岌可危的境地。所以，可以说体内所有细胞都直接生活在毛细血管表面。越是代谢旺盛，生命活动频繁的器官，其毛细血管网也就越发达。对细胞的增生来说，毛细血管是一个主要的限制因素，若细胞不断分裂而血管并不增加，处于因增殖而变大的细胞团外侧的细胞与供应线的距离将不断加大，当距离大到氧气和营养物无法及时送达时，细胞分裂也就难以为继。这就是1960年Folkman在偶然中发现的一个重要事实。
其实，在此之前，人们早已认识到体外培养的细胞在增殖到一定程度后就再也不生长。不过，由于本来在体内细胞就不能无限增生，因而没有人重视这个似乎“理所当然”的现象。
未来的这位哈佛外科主任却不认为这是理所当然，因为这时他手里的材料有点儿不同，那是一种生猛的癌瘤：黑色素瘤细胞。在人和动物身上，这种来源于皮肤的恶性细胞具有极其迅猛的生长速度，以至于肿瘤学教科书用“高度恶性”这种吓人的形容词来修饰它。研究中，Folkman发现，若把黑色素瘤细胞种到在体外培养的甲状腺组织中，肿瘤会在最初的一段时间里表现良好的分裂、增生，但当长到约1毫米大小时，所有肿瘤竟都如同商量好似的停止了分裂。开始时，他和他的合作者，病理医生贝克（Fred Becker，此君也是个了得角色，毕业于纽约州立大学医学院，后来成为美国病理学界举足轻重的人物。值得提出的是，他的导师是声名卓著的内科教授、病理学家和医学教育家刘易斯·托马斯，后者所著《细胞生命的礼赞》一书广为流传，已成为科学随笔著作中的经典之作，有包括中文在内的多种语言译本。）怀疑这些细胞可能被培养液杀死了，Becker将肿瘤组织切下放到显微镜下观察，发现癌细胞鲜活如初。这结果引起了Folkman的极大兴趣，他开始追问“为什么”：为什么肿瘤不再生长？是肿瘤的性质发生了变化吗？……显然，这些问题需要回到动物身上去找答案。首先需要了解的问题是细胞是不是由于培养的原因而丧失了肿瘤无限生长的特性，于是他将从培养组织中取出的肿瘤细胞植入健康小鼠体内，结果小鼠很快被疯狂生长的肿瘤害得一命呜呼。看来，肿瘤还是肿瘤，细胞也还是原来的细胞。
下一步，Becker发挥他的专长，将离体培养的肿瘤和害了小鼠性命的大肿瘤切成薄片，放在显微镜下仔细观察和比对。结果发现，培养的肿瘤只是一团癌细胞的群落，而动物体内的肿瘤则密布血管。进一步的分析发现，几乎是在将癌细胞植入小鼠体内的同时，周围的血管就开始向肿瘤方向长入，最后形成丰富的供应血管网，十分类似机体器官发育过程中血管形成的方式。答案开始现身了，不过这时还犹抱琵琶半遮面。
按照科学家的思维，发现前人未见现象固然重要，然而更重要的却是为这种现象寻找一个尽可能简单、逻辑上清晰的解释。在我们当下的故事中，血管生长和癌症增长之间有时间上的关联，所以有理由推论：这二者间可能存在逻辑上的因果关系。在这一设想的基础上，Folkman形成了自己的假说：癌细胞产生了某种物质，它导致了新血管的形成，新血管为肿瘤的进一步生长提供必不可少的营养供应。为了方便的指代这一新血管形成的过程，他使用了一个新造词：血管新生angiogenesis,这词由两个希腊字angelon和genesis组合而成，前者意指血管，后者的本意是“起源、形成”。
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癌症生长与血管新生的模式图。位置在上的图A显示一个还处于原位的小癌肿，正在分泌化学信号分子招募位于基底层的微血管；位置在下的图B显示血管长入癌肿，肿瘤迅速变大
然而，当Folkman将自己的数据和思考整理成文投给学术期刊时，却几乎没有人认为他的想法有什么价值。多数审稿专家认为这不过是一个外科医生一时的突发奇想。大家都认定，肿瘤的科学研究是基础科学家的事，外科医生“不是科学家”。这论调可谓反讽到了极至：100年前，当巴斯德提出微生物是感染的罪魁祸首时，法国医学科学院的外科院士们几乎气晕过去，把持外科学术的大佬无不认为这简直是对外科学的侮辱：“化学家的瓶瓶罐罐怎能登上外科艺术的殿堂”。仿佛因果报应般，现在轮到外科医生来还这笔债了，基础研究的衮衮诸公终于有了一个出口气的机会。
不过话说回来，这时的血管新生理论虽然已经初具雏形，但理论上和实验上都存在不少无法说清的问题，对足以构成反驳威胁的一些意见也还缺乏回应。这些意见中最具杀伤力的一种无异于认为在实验中观察到的血管新生无非是一种炎症反应的表现。
炎症是一种伴有血管反应的机体防卫过程，尤其在慢性炎症时，更有明显的新血管形成。创伤、不同物种间的移植都会引起轻重程度不等的炎症反应。Folkman研究中，肿瘤细胞和接受肿瘤移植的动物都不是同一种属来源，比如，常常用到的癌细胞来源于小鼠，而接受肿瘤的动物（肿瘤学中称为荷瘤载体）往往是兔子或者狗，更麻烦的是，任何移植都是一个有创伤的操作，这就使得对炎症质疑的反驳往往苍白无力。此时，一个不涉及抗原抗体反应并不导致通常创伤引发的炎症反应的动物模型就变得十分重要。
面对困境，Folkman毫不退缩，他回过头去查阅文献，试图从前人的研究中找到灵感。果然，发表于1941年的一篇论文指出了一条道路，其中最关键的一点提示就是应用体内的“免疫特区”来进行实验。所谓免疫特区，其实是体内一些特定部位，在这里，由于器官或组织功能的特化，免疫细胞不会去光顾。没有了免疫细胞，通常情况下也就不存在以血管反应为特点的炎症反应。位于眼角膜与虹膜之间的被称为“眼前房”的区域就是这样一个免疫特区。这结构在正常情况下是眼成像系统中发挥透镜功能的部分之一，需要完全透明，因此仅仅由清亮的液体充满，没有血管。但在其周围的虹膜却富含血液供应。对Folkman来说，这简直是个绝妙的实验场所：若将肿瘤细胞移植进入眼前房正中，按血管新生理论，由于周围没有血管可供诱生，肿瘤将不会长大。而若将细胞不断靠近含血管的周边虹膜，当它分泌的血管诱导物可以到达虹膜时，就会引起血管向肿瘤所在的中心部位生长，肿瘤也将长大。另外，这个部位是完全透明的，由肿瘤或者血管增生引起的任何变化都可以非常直观的看到。
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在白化病小鼠角膜上所做的一个腺癌诱导血管生成的实验。图A: 将腺癌细胞移植至角膜后2、6、8、12天对血管生成的影响的模式图，可看到血管从与角膜交界处的巩膜逐渐长入角膜。图B:小鼠角膜照片，可以看到新生血管（图中显示为黑色）已经从角膜周边的巩膜长入肿瘤。点击图片放大。
实验的结果非常棒，与理论预期完全吻合。Folkman打了一个胜仗。当进一步的在兔子角膜上重复了这个实验后，关于血管新生只是炎症反应的质疑很快被人遗忘。血管新生开始从一个不被信任的假说变成一个不得不被认真对待的科学理论。不过，若不能找到那种引起血管增生的神秘物质，血管新生仍然不过只是一个虽然有几分道理甚至不乏有趣，本质上却无所用处的推测。最主要的，只有找到这个被他称为“肿瘤血管新生因子（Tumor Angiogenesis Factor, TAF）”的东西，弄清楚它的结构，才有可能为解决癌症患者的难题寻觅道路——所谓“抗血管新生（antiangiogenesis）”正是这条道路的指向。
整个70年代，Folkman领导下的波士顿儿童医院外科实验室都致力于证明TAF的存在和找到分离它的办法。各种实验倒是一再证明，肿瘤引起的血管新生中一定存在某种起关键性因素的物质，但由于其分泌量极少，加之这时类似高效液相色谱仪（Highpressure Liquid Chromatography,HPLC）之类的高精度分离仪器还没有出现，分离工作一再碰壁。争议之声再度想起，1977年，久负盛名的《科学》杂志（Science）发表一篇捕风捉影与煽情造势兼备，措辞又不无刻薄的评论文章，指斥Folkman研究的科学水准可疑，其与产业界密切合作的研究路线不合学术道德，再一次将Folkman推进口水风暴中心。波士顿儿童医院董事会早就对Folkman耗资巨大的实验研究心有不满，加之窥视外科主任位置的同事四处运动，1979年，董事会正式要求他提出辞呈。
虽然面临压力和打击，Folkman仍然坚持自己所做的是有价值的科学研究。通过谈判，他保留了自己在儿童医院的实验室，而不断作出的研究成果也使无端怀疑的言论最终没能占到主流，研究经费仍然从客观评价血管新生理论的NIH基金委员会和认定抗血管新生在抗肿瘤治疗中有诱人前景的大制药公司流进实验室。
在经历整整20年的艰苦努力后，1983年，Folkman小组的克拉格司布伦（Michael Klagsburn）和成元云从大鼠软骨肉瘤中成功分离纯化出一种能够促进肿瘤生长的蛋白质因子，命名为“软骨生长因子”。稍后对它进行的氨基酸序列测定表明，原来它和较早时候由另一组科学家发现的成纤维细胞生长因子（FGF）是同一个东西。不过，EGF和前此推测应当存在的TGF在促进肿瘤细胞生长的特性上还是有不少差别。因此，Folkman认为，肯定还有东西尚待发现。果然，1989年，时供职于加利福利亚一家生物技术公司的Napoleone Ferrara发现了一种新生长因子——血管内皮生长因子（VEGF），从名字上就能明白，这是一种可以强烈促进血管内皮增生的化学物质。看到这里，我们已经能猜出，这应该就是TAF，归根到底，毛细血管增生的本质就是其内衬细胞——血管内皮细胞的增殖。
几乎就在发现EGF是促进血管新生的，另外一件偶然发生的事情导致了第一个抗血管新生药物的出现。整个过程与青霉素的发现有惊人的相似。1985年，Folkman实验室的一位研究员从培养皿中意外长出的霉菌中找到一种能强烈抑制内皮细胞增殖的物质。但它似乎对机体有很强的毒副作用，能直接用于临床的可能不大。但在将它的结构进行改造以减小副作用后，动物实验表明它能够很好抑制肿瘤生长同时又不至导致过大的副作用。90年代初，这种被称为TNP-740的新药物进入临床试验，初期的结果表明，这是一种极具前景的药物。
进入90年代后，有关抗血管新生药物的寻找和研究逐渐成为一股热潮。相继发现了包括被称为“抗血管生成因子”、“血管休眠素”和α干扰素（很早就被发现是一类能调节抗感染和免疫功能的细胞分泌物，但对其在抗血管生成中的作用是新发现）等在内的一批新化合物。在初步的动物和临床研究中，这些药物都显示了各自强大而独特的功能。其中尤值一提的当数“抗血管生成因子（angiostatin）”。通过对它的研究，Folkman和他的博士后研究员奥莱里（Michael O'Reilly）发现，原来肿瘤对血管增生的控制也遵循机体双向调节的普遍规律。或者，不如说之所以肿瘤能够诱导血管新生并，乃是对机体原有血管增生和抗血管增生之间平衡的破坏。
首先，抗血管生成因子的化学本质不是别的，正是在机体创伤修复中有重要作用的血纤维蛋白溶解酶（plasmin）的一个片段。纤溶酶平时以酶原的形式（这时它叫做纤溶酶原plasminogen）存在于血液中。当损伤发生时，血管破裂处会形成主要由血小板和纤维蛋白凝结成的血凝块，它的作用是堵塞破口，制止出血。随后，血管内皮细胞释放一种激活纤溶酶原的物质，后者促使纤溶酶原中一段若干个氨基酸被水解而激活成纤溶酶。纤溶酶的作用类似菜刀，可以将构成凝血块主要成分的纤维蛋白切成小块，从而使血块溶解。这之后，纤溶酶又被特异的酶加以切割，切割后其分子的一部分就是抗血管生成因子。我们已经知道，创伤过程中会形成大量毛细血管，它们为局部细胞增生提供营养。当修复工作完成时，它们就变成不必要的结构，机体就利用抗血管生成因子使这些血管消失。这样，由两组相互拮抗的因子构成了精细调节机制，用以修复创伤，促进组织愈合。从这个角度看，病理条件下的肿瘤血管新生不过是生长因子超过抑制因子的结果。
这真是一个美妙的发现，机体在漫长进化中早已发展出一套经济利用各种细胞产物的体系。创伤修复和凝血中这些化学因子竟然如此精巧的联系在一起。真是不能不令人赞叹。当然，这发现的解释魅力还不止于此。Folkman进一步将难以解释的肿瘤转移现象与这一机制联系起来。
外科医生早就发现，切除临床可见的大肿瘤后，患者常常很快就在其他部位发生转移癌。原来这被认为是由于手术前原发肿瘤已经发生了转移。但是，常常无法得到解释的是，何以这些患者术前很长时间都只有一个原发肿瘤而术后很短时间内就冒出了这么多转移瘤？Folkman提出，这极可能是由生长因子和抑制因子分子不同的半衰期导致的。
EGF和VEGF是一类寿命极其有限的分子，在血液中存在的时间不超过5分钟，而抗血管生成因子的寿命长达数小时。当肿瘤形成后，先有生长因子分泌的增多，为了维持平衡，抗血管生成因子的生成量也会相应增加，但由于肿瘤细胞基因表型偏向生成因子持续分泌的一边，原发肿瘤局部是以血管新生占优势的，肿瘤会越长越大。稍后，肿瘤细胞沿淋巴系统和血液循环开始转移并到达机体的各个局部，这些细胞也会开始生长并分泌生长激素。但是，由于从原发部位来的抑制因子可以经由血液循环到达这些转移部位，转移灶的血管生成就被抑制了。转移部位的肿瘤也就只能处于一种半饥饿状态并无法长大。一旦做手术切除原发部位的肿瘤，血管中的抑制因子浓度很快随之下降，当降低到某个临界值以下时，转移灶处微环境中血管生成——抗血管生成的脆弱平衡被打破，转移肿瘤自然就天天向上了。
肿瘤转移需要形成新生血管 [upload=gif]uploadImages/200210309163838987.gif[/upload]
由此看来，血管新生的确不愧是肿瘤细胞害人性命的最后关键所在。这是一条不择不扣的最后共同通路，堵死这条路，也就关上了癌症致胜魔盒的盖子——如果不是全部，至少也是大半。当然，理论和动物实验的结论还需要回到临床实践中去检验，临床研究也是验证所有这些结论的最终标准。到2002年，已经有16个基于抗血管新生理论发现或设计的新药开始进入临床实验。由于目前对新药准入的严格规定，它们都将按部就班的完成从第I期到第III期临床试验，这将用一个较长的时间，即使最近的结论也不会早于2010年。然而，就是在这些最早期的严格研究中，抗血管新生药物也已经显示了强大的抗癌效力，美国各地都开始出现了一些原本毫无希望的晚期癌症患者在用药后“奇迹般”好转的报道。虽然例数有限，还不足以据此下任何肯定结论，但其中显示的倾向性却不言而喻。一桩真实的逸事足以说明这些事例的影响力：1997年底，科学界的传奇人物，发现DNA双螺旋的作者之一，开启了一个科学研究新时代的分子生物学泰斗沃森（Watson），在面对《纽约时报》记者“最近有什么新闻”的问话时，几乎不假思索的脱口而出“当然有，佛克曼在两年内会征服癌症”！
主要参考文献
1. Dr.Folkman's War: Angiogenesis and the Struggle to Defeat Cancer. Random House 2001(佛克曼：无痛治癌不是梦 上海人民出版社 2002，本文有关佛克曼医生的生平均取自本书)
2. BMJ.1999,318:853
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