细胞是生物活动的基本功能单位，也是生命科学的中心研讨目标。单细胞测序技能自2009年面世，是在单个细胞水平上，对细胞基因组、转录组、表观组进行高通量测序剖析的一项新技能；跟着近年来二代三代基因测序技能的迅速开展，测序通量逐步前进，测序本钱逐步下降，这为单细胞测序的开展供给了一片膏壤，使其成为生命科学里一个十分活泼的研讨范畴，更多地被应用到基础医学和临床转化的研讨中。
在不久前举行的《第二届单细胞测序技能高端研讨会》上，生物探究有幸采访到了现任北京大学生物医学前沿立异中心（BIOPIC）、生命科学学院研讨员——白凡，并倾听他共享了他和团队在近些年将单细胞测序应用于癌症研讨上的成果与领会。仓促采访，谨慎、谦逊和亲切是白凡研讨员给人的开端形象。
据了解，白凡早前结业于北京大学物理系，在远赴英国牛津大学攻读并取得博士学位后，他曾先后在牛津大学和大阪大学（日本）进行过博士后研讨。2011年，满载着国外留学和科研作业中堆集的丰厚学问和经历，白凡挑选回到母校任职，并先后承当多项自然科学基金委、科技部和北京市科委的科研项目。在北大作业期间，白凡研讨员和团队一向致力于经过对癌症患者外周血循环肿瘤细胞（circulating tumor cell, CTC）进行单细胞剖析，深化探究癌症搬运的分子生物学机制以及完成无创癌症确诊、预后判别、效果点评的临床办法。
近年来，他们现已使用单细胞测序技能在CTC、肿瘤异质性及克隆来源等课题上取得了重大突破和开展。他们在世界范围内第一个报导了单个CTC的全基因组测序成果并取得广泛重视 （PNAS，2013）；他们经过单细胞基因测序剖析了断直肠癌、乳腺癌、胃癌、前列腺癌以及肝癌等不同癌种中CTCs的特征与差异，进一步提醒了肿瘤搬运的分子机制和克隆来源等问题，具有重要的科学含义和临床价值（Genome Research，2017）。近期，白凡研讨团队又把研讨要点转到了小细胞肺癌上，经过CTCs完成对小细胞肺癌肿瘤骤变特征的无创勘探和患者化疗敏感性的猜想（Clinical Cancer Research, 2019）。
现在，CTCs的界说现已比较明晰——它们是以不同形状存在于外周血中的各类肿瘤细胞的总称，既有游离的单个CTC，也有集合成团的细胞团（CTM，Circulating Tumor Microemboli）。它们源于自发或临床医治操作中从实体肿瘤病灶（肿瘤原发灶或搬运灶）的掉落，能够跳过安排间基底膜并侵略安排基质，然后进入血液循环系统。
“现在，咱们对癌症搬运的要害步骤现已有了比较明晰的知道，而CTC在癌症搬运中起了要害的中介效果”白凡研讨员介绍道，“当这些CTCs进入到血液循环系统后，它们就会沿着血液快速地扩张到其他身体部位。尽管这一进程中大部分CTCs会发生凋亡或被吞噬，但少量能够逃逸并存活。一旦这些逃逸的CTCs在一些其他安排的毛细血管里逗留下来，就会发动另一进程脱离毛细血管去从头树立和开展成为新的搬运灶。这大大增加了恶性肿瘤患者的逝世危险。”
事实上，早在一个多世纪前（1869年），澳大利亚籍医师Thomas Ashworth 就在癌症患者中初次观测到了CTC。他发现患者外周血中一些反常形状的细胞与癌细胞十分类似，所以提出了这样的猜想：那些反常形状的细胞是否与癌症的广泛多器官搬运有着直接的联系呢？ 惋惜的是，其时Thomas Ashworth无法提取CTCs来持续追寻它们的“来龙去脉“。
研讨者多年来都期望能够从患者外周血中捕获CTCs来进行更有用的研讨，但这一细胞集体的数量十分稀疏，并且稠浊在许多的血细胞之中。条件和技能的约束使得CTCs的研讨一向受阻。白凡研讨员解说说：“正常人1m l血液里大概有1亿血红细胞，100万左右白细胞。但是在一毫升癌症患者血液里，往往只能别离到几个到几十个CTC s。因而，捕获和别离CTCs去进一步研讨是一个十分有应战的难题。”一些研讨也标明：1 g肿瘤安排，大约有100万个肿瘤细胞，可每日播散肿瘤细胞进入血液。但是CTCs的数量在循环血液中常出现出动态递减的特色，抵达外周血时已十分稀疏。
直到近些年，对细胞富集、别离和判定剖析等新技能的快速开展以及测序技能的腾跃从头点燃了CTCs这一范畴的研讨，让CTCs作为一种临床中切实可行的肿瘤点评办法逐步变成或许。白凡研讨团队最早关于CTCs的研讨是从剖析肺癌患者CTCs的基因组拷贝数改动 （copy number variation-CNV）形式和点骤变开端的。现在现已有许多的不同的办法来别离CTCs，他们首要经过现在唯一经美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)同意用于检测CTCs的Cell search渠道来获取和别离单个CTC，并对其遗传物质进行扩增和全基因组测序。这一突破性成果宣布在2013年《PNAS》上，并在同年《Nature Methods》特别报导中（singled out for sequencing ）得到要点引证。
在剖析了CTC单细胞全基因组的CNV形式并将该数据与相关实体肿瘤平行数据进行比较后，白凡研讨团队发现CTCs与原发位和搬运位肿瘤中存在明晰的基因一起区域的缺失与扩增，并且来自同一患者CTCs 的CNV 形式具有一致性。一起，同一亚型的肺癌患者中，CNV形式在肺癌发生开展的重要区域存在显着的类似性（如：第8号染色体的后半段有显着扩增）；而在不同亚型的肺癌患者中 （如肺腺癌和小细胞肺癌），CNV出现出了不同的形式。白凡研讨员总结道：“这提示能够对外周血CTCs进行全基因组CNV检测，依据CNV估测肺癌的不同亚型。”
不仅如此，白凡研讨团队还经过CTCs基因测序在肺腺癌向小细胞肺癌转化的患者中发现，癌症医治中发生的耐药性与特定抑癌基因的点骤变具有明晰相关性。结合病理判别，他们进一步验证了在发生耐药性后癌症能够以CTCs为途径从肺部原发灶向肝部构成新的搬运灶。“这些成果阐明，对CTCs的剖析能够协助获取患者的靶向用药、耐药、表型转化等临床十分相关的重要信息。”白凡研讨员这样点评。别的，他们还经过外周血CTCs基因测序观测了癌症医治中不一起间点 （如化疗前、一线化疗和二线化疗）所发生的点骤变，来探知肿瘤克隆的演化进程。
在已有的肺癌研讨基础上，白凡研讨团队又将剖析经历应用到其它中国人高发的癌症中，如：对胃癌和乳腺癌进行分型、猜想前列腺癌激素治效果果，判定结直肠癌搬运的要害标志物等。他们将多个癌种的研讨成果汇总，进行了跨癌种归纳剖析，特别重视了与癌症搬运驱动时刻相关的CNV改动，相关成果在2017 年宣布在《Genome Research》 上。
随同生命科学知道的深化，研讨者们越来越多地发现同一安排的细胞之间或同一类型的细胞之间事实上存在着不同程度的差异，这些差异被称为细胞间的“异质性”。在许多生命活动的要害问题上，单个细胞所发挥的效果其实是十分重要的，如在胚胎发育，肿瘤，不行培育微生物等的研讨上。
肿瘤中的单个细胞间能够存在很大程度的差异，高度异质性的细胞对癌安排的表型有高度的刻画效果。白凡研讨员以为，肿瘤的异质性是肿瘤在发生开展的长时间演化进程中，不同的肿瘤克隆之间存在相互竞争的状况下发生的。这种细胞间的异质性对现在的肿瘤医治带来了很大的应战。
传统研讨依赖于集体细胞丈量，一般把同一安排或同一类型的许多细胞作为研讨目标，会掩盖单个细胞之间的差异，因而具有局限性。白凡研讨员标明，现在有了单细胞测序技能，就能够以单个细胞的精度去研讨。假如再结合生物信息学的办法，就能够精确地把整个肿瘤的异质性和它的演化前史以最高的精度去重现。白凡研讨团队使用单细胞基因测序的成果构建了进化树，并剖析了肝癌不同亚型以及混合型肝癌的异质性。此外，他们还发现了混合型肝癌中不同克隆间独立和一起来源并存的状况并估测了其或许的搬运途径。相关成果于2019年宣布在《Cancer Cell》上。
近期有一些研讨标明，癌症耐药性与不同药物效果下细胞的异质性反应有关。对此，白凡研讨员也给出了自己的观点：“癌症的耐药性确实是一个十分杂乱的问题。除了研讨肿瘤细胞自身，关于免疫细胞和其它对肿瘤的发生开展有很大促进效果的要素也要深化研讨和了解。因而，可从两个方面去考虑：第一个是遗传层面。也就是说肿瘤细胞发生了基因型的改动，发生新的基因型来习惯药物的处理以存活下去；另一方面就对错遗传层面，像是杂乱的肿瘤微环境所带来的影响会增强肿瘤的耐药性，又或者是肿瘤的表型上的一些改动，比方有些肿瘤细胞能够将一些化疗药物有用地排出来，能够称之为外排泵效果，不让它对肿瘤细胞进行杀伤。这同样会增强它的耐药性。
对未来癌症医治药物的研制，白凡研讨员也议论了一些展望。具体来说，传统的许多样本研讨只针对一些重要的基因骤变，伴跟着技能的前进，未来的癌症医治仍是有许多的潜力。现在有了单细胞精度的癌症研讨，研讨人员就能够对肿瘤细胞里边一些特别的集体，比方像肿瘤干细胞或是一起具有多种表型的肿瘤细胞，又或是对肿瘤微环境中协助肿瘤成长的细胞类群及其它要素，进行更深化的研讨和了解。这些新知识的获取会带来一些新的药物规划的思路，打开一些新的癌症研讨范畴。
