早在20世纪70年代，年轻的外科医生Judah Folkman在与癌症患者接触中发现癌组织富含异常多的血管，这些血管脆弱且易出血。他还发现癌组织在没有血管新生的情况下虽然能生存却不会进一步生长，因此他认为癌组织必须依赖新生血管来支持它们的生长。早期的体内实验证实，癌细胞能刺激内皮细胞(endothelial cell，EC)的增殖和血管毛细血管的生长。相反，在没有新生血管的情况下，移植的肿瘤的成长会停滞，大小不会大于3立方毫米。1971年，Folkman等发现了促血管新生因子(tumor angiogenesis factor TAF)，能诱导EC的增殖和血管生成。
基于这些发现，Folkman等除了提出癌组织的生长依赖于血管新生，还提出了另一些观点：癌组织内的恶性肿瘤细胞和ECs组成了一种高度整合、生长非依赖性的系统；血管生成因子由癌组织分泌从而刺激血管的生长；抑制血管生成能阻止癌组织的生长；抗血管再生能成为一种抗癌症的新疗法。Folkman还提到，研制抗TAF抗体可以作为潜在的抗血管生长药剂。目前最常用的抗血管再成药物(antiangiogenic drug，AD)是贝伐单抗，这种单克隆抗体能够抑制人类血管新生因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）。该种药物的研发是40年血管生成领域的研究成果结晶。
血管新生模型的建立
在20世纪70年代，血管新生是肿瘤生长的必须条件这一观点其实并没有被科学界广泛接受。1979年，Folkman等首次成功培养出能长期培养的毛细血管ECs，这是通过向培养液补充适应于癌症细胞的因子来实现的，有力证明了癌细胞衍生的生长因子是EC生长和生成的关键因素。他们还首次制定了在体外检测EC功能的方法，这套方法一直沿用至今。此外，Folkman和他的同事还首次建立了活体血管新生模型，这些模型至今也还在用于血管新生和抗血管生成的药剂。
各类因子的发现
1984年，Folkman的同僚Klagsbrun和Shing纯化了首个肿瘤衍生血管生成因子，后来又被Gospodarowice实验室纯化所得的成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF-2）。而在这之前，Senger和Dvorak发现了一种名为血管渗透因子（vascular permeability factor，VPF）的蛋白。这种VPF蛋白的抗体能够抑制由癌症引起的腹水。随后，VPF被发现与VEGF是同一种物质。VEGF是Ferrara和Henzel于1989年发现的蛋白质物质，能够特异性诱导ECs生长并表现出血管新生活性。VEGF还与血小板生长源因子（platelet-derived growth factor，PDGF）-A和-B具有共性，而PDGF-B又是血管重构的重要因子。
随着血管新生的研究方法不断发展和FGF-2、VPF/VEGF等的发现，越来越多的血管新生因子在癌组织和非癌组织中不断被发现。
内生抑癌因素
由于正常人体内的血管数量极少出现波动，所以研究人员认为人体内必然存在能够防止血管新生的抑制因子。Langer等研究人员首次从软骨组织内纯化得到了这类因子，能够抑制肿瘤诱导的血管新生。Moses等之后发现这种因子是一种基质金属蛋白酶，揭示了其抑制血管新生的机制。
随后，越来越多的抑制因子被发现，包括能抑制内皮活性和血管新生的激素类（甲羟孕酮、地塞米松和可的松）以及能调节激素的抗血管新生活性的肝素。这些研究发现使干扰素-α成功运用于临床治疗血管瘤，也是首个成功的临床抗血管新生疗法。
Folkman从他的临床经验中发现，移除原发肿瘤反而会促进转移瘤的生长。因此，他认为原发肿瘤能够分泌一种血管新生的抑制剂，从而阻止远程转移癌的生长。在这种理论假设的前提下，Folkman及其同事分离出了首个肿瘤衍生的血管新生抑制因子——血管生成抑制素（angiostatin）。随后他们又发现了内皮抑制素（endostatin），这是一种EC特异性血管新生抑制剂。然而，由于这类抑制剂的作用机理非常复杂也尚不明确，因此这类内生抗癌药物的研究未受到很多关注。内皮抑制素等血管新生抑制剂的临床应用价值还需更多的研究来进行开发。在中国，内皮抑制素联合化疗被用于治疗癌症患者。内生的抑制剂除了能有效阻断信号通路，其副作用应该小于外生制剂。
临床前研究证据
血管新生抑制剂可以分为直接或非直接的，这取决于它们的作用方式。除了上述的内生抑制剂，还有不少外生的抑制剂，例如沙利度胺（thalidomide）、整合素抑制剂、细胞周期抑制剂TNF-470，都能直接作用于ECs并制止ECs对新生因子作出应答。沙利度胺被应用于多发性骨髓瘤的治疗中。尽管这类药物的抗癌作用不仅限于抗血管新生，但其在骨髓中的血管新生的抑制作用对抗癌作了重要贡献。非直接的抑制剂则通过阻碍血管新生因子（例如VEGF）的功能来发挥作用。VEGF信号系统能够以一系列方式来影响：利用siRNAs阻断VEGF的产生；利用抗体抑制VEGF；利用寡核苷酸适配子绑定VEGF；利用抗体抑制VEGF受体（VEGFR）；利用VEGFR络氨酸激酶（TK）抑制剂；利用神经元特异性非TK的VEGFR神经毡蛋白抑制剂；利用能够靶定VEGFR信号下游物质的小分子物质。不同于作用范围广泛的直接作用的抑制剂，血管新生因子的拮抗剂通常仅有一条独特的通路。
真正的血管新生抑制剂常在许多癌症都具有活性，为抗血管新生抑癌疗法强有力的基石。上述的临床前研究都证实通过抑制血管新生能使癌组织停滞生长。而那些靶点特异性血管新生信号通路的抑制剂则表现出抗癌的协同作用。这些成果都鼓励着研究人员进一步开发更多的ADs。
临床研究证据
美国FDA或其他国家的类似权威机关已经批准了一些ADs 投入临床应用。2003年，沙利度胺和硼替佐米（bortezomib）被批准治疗多发性骨髓瘤。2004年，FDA基于贝伐单抗（bevacizumab）联合化疗后的疗效，批准其上市治疗结肠直肠癌。随后，该药物联合传统化疗被应用于乳腺癌、肺癌和肾癌的治疗。其3期临床试验结果显示，比起单用化疗，联用该药物显著提高整体存活率，也延缓了癌症进程。在治疗复发的恶性胶质瘤的2期临床试验中，贝伐单抗单药显示了临床疗效。贝伐单抗在临床的成功应用激励了医药公司对抗血管新生药物的研发。目前，在FDA批准的药物中，贝伐单抗和小分子VEGFR TK抑制剂是市场上最主要的抗血管新生药物。
然而，不同于大部分的临床前抗癌研究结果，贝伐单抗在临床单药运用时，并没有表现出显著的抗转移瘤疗效，也未明显提高生存率。最近子宫癌的3期临床试验显示，在与化疗联用之后，贝伐单抗单独用药作为维持治疗呈现了一定的疗效。ADs 的临床疗效往往在联用传统化疗后得到实现，这可能是由于这类ADs的作用靶点不同于其他的治疗方案。显然，临床前试验并未发现ADs这种在药物联用中的协同作用。
不仅仅是癌症治疗
虽然Folkman最初的理论是利用抗血管新生技术来治疗癌症，但他随后意识到，这种技术还可以用于其他疾病的治疗中，例如由血管新生造成的眼科疾病。不出意料，VEGF抑制剂能有效治疗一系列增生性视网膜疾病，包括增生性糖尿病性视网膜病变、早产儿视网膜病变、静脉分支闭塞、老年性黄斑退化症（AMD）。2004年，FDA就批准抗VEGF适配子——他尼纳（pegaptanib）上市，广泛应用于AMD的治疗中。2年后，FD批准雷珠单抗（lucentins）成为AMD的治疗药物。这些药物的上市都为患者带来了福音。可以预见，抗血管新生药物会被更加广泛地应用到其他疾病领域，包括肥胖和糖尿病并发症等。
假如VEGF诱导了肿瘤和视网膜中高的病变血管，那么是什么原因导致这两种疾病出现了完全不同的治疗反应？在AMD，诱导血管新生的VEGF是由局部损伤反应引起的视网膜色素上皮细胞和巨噬细胞所产生的。而癌症的产生则涉及多个系统，包括肿瘤、基质和炎症细胞。此外，由于癌细胞基因的不稳定性，导致多种生长因子的过量表达，造成血管新生刺激因子过剩，这种现象并未在眼部疾病中出现。两种疾病的治疗终点也不同。AD治疗癌症的疗效标准是患者存活率，而AMD则是患者视力的改善情况。ADs治疗癌症时是通过全身给药法，其药物分布情况受许多因素影响，而治疗AMD可以直接作用于眼部，能局部达到药物浓度。
挑战
目前，ADs主要作为治疗癌症的药物。然而，由于几项治疗乳腺癌的Ⅲ期临床试验结果不理想，FDA撤销了贝伐单抗治疗转移癌的批准。为了使 ADs成为人类抵抗癌症的有力武器，科学家们还需解决以下一系列问题。
挑战一：统一临床前和临床研究结果
上文提到，AD单药的临床疗效并不如临床前试验的结果理想，反而需要联合传统化疗才能发挥效果。这也使得人们开始怀疑临床前试验中动物模型的疾病相关性。
不可否认，小鼠癌症模型和癌症患者间存在差异性，这可能造成两者对ADs的反应不同。主要的差异除了包括基因背景、癌症异质性、肿瘤的位置这些方面以外，还有小鼠模型中的癌组织生长速度远远大于患者的，这也可能使得模型癌细胞更易受到血管新生抑制剂的攻击。此外，治疗的时机也不同，小鼠模型往往在发病之初就开始接受抗血管新生治疗，而现实中很多患者在发生癌转移之后才接受治疗。而且实验室是通过测量小鼠癌组织大小来评估疗效，临床上则是观察患者存活率。
最近的临床前研究还显示抗血管新生疗法反而可能会增强癌组织的攻击力和转移几率，而且一些临床研究也支持了这种结论。这些都使得人们开始质疑实验室小鼠异种移植模型的疾病相关性和可预测性。
而更具有相关性的自发癌症小鼠模型则是通过过量表达癌基因或敲除特定的抑癌基因，从而诱导特殊的致癌通路或扰乱血管新生因子的平衡来实现的。而上述反应在癌症患者体内却不会发生。因此，为了模拟临床癌症，必须建立含有人类基因的拟人化小鼠模型。
挑战二：探索作用机理
目前对于ADs联合传统化疗治疗癌症的具体作用机理尚不明确。根据现有的研究数据，由于抗VEGF药物能够使癌组织内血管重构，形成更为正常的血管，而这些血管的通透性较小，从而加强了化疗药物的传递并增强了药效。此外，化疗药物主要作用于癌细胞，而ADs则作用于内皮组织，两者联合也许能产生协同效果。而且ADs也许还具有尚未发掘的脱靶效应。
此外，ADs除了影响癌组织血管系统外，还能影响非癌血管。癌组织诱导的血管新生因子破坏非癌血管系统及相应器官，而ADs则能修复这些组织的血管系统，改善器官功能，提高患者存活率。一些临床前试验也显示，抗VEGF药物在未抑制肿瘤生长的情况下仍然显著提高了存活率。
另一种潜在的作用机制是其他抗癌药物能够增强ADs的疗效。例如雷帕霉素作为mTOR抑制剂能够同时作用于癌细胞及其微环境，这可能提高ADs的EC抑制作用。还有粒细胞集落刺激因子（anti-G-CSF）也能影响癌组织环境，能够提高血管对ADs的敏感性。此外，抗VEGF药物还能提高患者对化疗的耐受性。最近的临床前试验也支持了这一推论，ADs能够减轻化疗的化学毒性。
挑战三：疗程是关键
利用ADs治疗癌症的疗程设定也是一大挑战。ADs并不完全破坏癌组织血管，一旦停药，这类血管就会重新生长。更糟糕的是停药还会出现反弹，包括VEGF浓度的升高和VEGFRs的减少。这可能是由于ADs能导致癌组织和正常组织的缺氧，从而使得血管新生因子的水平上升。但这仅仅是推测，这种现象还未在AD治疗的患者中观察到。
然而，若AD治疗必须是一个长期的疗程，那么昂贵的治疗费用将成为推广AD药物的一大阻碍。一个可能的解决方案是在患者体内植入能够缓慢释放ADs的聚合物。这类以聚合物为基础的给药方式能够将ADs特定地传递至癌组织，从而降低ADs剂量而不影响疗效。
挑战四：抗药性
由于ADs所靶定的癌组织相关性EC具有遗传基因稳定性，因此理论上ADs治疗并不会出现常见的癌症抗药性。然而，临床研究显示，部分患者对ADs出现了抗药性，例如对VEGF抑制剂无反应。虽然这类抗药性的机理还不明确，但似乎不同于其他直接作用癌细胞药物的抗药性机理。
挑战五：生物标记物
评估AD疗效的一大阻碍就是缺乏可靠的生物标记物。生物标记物能帮助医疗人员鉴别哪些患者适用于AD治疗，同时也能准确监控AD疗效、不良反应、药物筛选。尿金属蛋白酶及其复合物是候选的生物标记物之一，能够用于测量VEGF等血管新生因子、ECs数量以及药物引起的副作用程度等，但这类标记物无法预测预后。最近的转移性乳腺癌临床研究显示，一些VEGF和VEGFR-2基因的遗传多态性与AD治疗的预后有相关性。因此，这类遗传多态性的研究也许有助于鉴定可靠的ADs生物标记物。
癌症治疗的展望
未来的ADs无论单药或联合化疗都必须变得更加有效，作用于多条血管新生通路并产生最小的药物副作用。为了实现这种最理想的药物疗效，科研人员必须进一步了解ADs的作用机理、建立更完善的动物模型、找到更可靠的生物标记物、发明可缓慢释放药物的给药方式、制定更合理的联合用药方案等等。此外，科研人员还需设计更合理的临床试验方案，这种方案必须综合考虑患者的遗传基因和表观遗传学背景，还有患者的整体健康状况等。可见，完善的临床试验方案设计需要临床肿瘤医师和转化临床医学科学家的通力合作。
（编译：沈颖）