單細胞測序技術應用于癌癥無創診斷

　　2013年12月10日著名學術期刊美國《國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)在線發表了北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心謝曉亮、白凡課題組與北大腫瘤醫院王潔團隊合作的研究結果。在題為“Reproducible copy number variation patterns among single circulating tumor cells of lung cancer patients”的研究論文中，研究人員通過單細胞基因測序手段首次報道了對于癌癥病人單個外周血循環腫瘤細胞的全基因組、外顯子組測序結果，此項研究對于揭示癌癥轉移的分子機制具有重要意義，同時還為無創癌癥診斷提供了一種新的技術手段。

　　腫瘤的轉移是導致癌癥病人死亡的主要原因。早在1896年，澳大利亞籍醫生Ashworth 首次在癌癥病人血液樣品中觀察到循環腫瘤細胞(Circulating Tumor Cell, CTC)的存在。在腫瘤轉移過程中，癌細胞從原發腫瘤脫落，進入血液或淋巴循環系統，其中一些具有高度轉移潛能的腫瘤細胞在循環系統中存活下來，成為循環腫瘤細胞，并進一步發展為遠端器官轉移腫瘤。循環腫瘤細胞是腫瘤發生遠處轉移的必經步驟，因此在外周血中檢測到腫瘤細胞預示著有發生腫瘤轉移的可能。

　　近些年來，對于癌癥病人血液中CTCs的計數已逐漸用于癌癥治療的療效評估。如果能對 CTCs進行基因組分析將有助于我們更好地了解腫瘤轉移的生物學機制;同時，作為一種非侵襲性的檢測手段，CTCs的基因組分析還可以為療效評價、預后判斷以及個體化治療提供及時可靠的依據。然而，由于循環腫瘤細胞在病人外周血中存在的數量極其稀少，對其進行基因組測序具有較大難度。

　　在此項研究中，研究人員使用了哈佛大學謝曉亮組最新發明的多重退火和環化循環的擴增技術 (MALBAC)成功實現了對于來自癌癥病人外周血單個循環腫瘤細胞的全基因組擴增和深度測序。MALBAC技術具有基因組擴增均勻，覆蓋率高等眾多優勢，從而使得研究人員可以在單個細胞水平準確探測全基因組基因拷貝數變異(CNVs)和單核苷酸變異(SNVs)。

　　研究人員重點研究了肺癌患者外周血循環腫瘤細胞的分子特性。在來自眾多肺腺癌患者和小細胞肺癌患者的循環腫瘤細胞中，成功檢測到與癌癥發生發展相關密切的原癌基因和抑癌基因上的重要單核苷酸變異和插入/缺失。單細胞水平CTCs的基因突變的檢測避免了反復穿刺活檢給病人帶來的傷害和痛苦, 并能及時地提供個體化治療所需的重要信息，例如導致癌癥轉移過程中發生表型轉換的重要突變，以及癌癥治療過程中產生耐藥性的重要突變。

　　研究過程中研究人員意外地發現來自同一個病人的不同CTC都展現出高度一致的全基因組拷貝數變化模式，和同一病人的轉移位腫瘤組織的拷貝數變化模式一致。這種現象在肺腺癌和小細胞肺癌的病人中都得到了驗證。此外，在不同的肺腺癌病人中，CTC展現的全基因組拷貝數變化模式具有高度的相似性。腫瘤的異質性長期以來被當作是惡性腫瘤的重要特征。 首次在CTC中觀察到的高度一致的拷貝數變異模式將會改變傳統上對腫瘤異質性的理解，揭示了特定的拷貝數變異在腫瘤形成及轉移中發揮了重要的作用。

　　進一步研究發現，小細胞肺癌患者的拷貝數變異模式與那些肺腺癌患者明顯不同，展現出癌種之間一定的特異性。這種特異性可能跟腫瘤發展、轉移所處的微環境相關。這項發現為將來基于CTC拷貝數變異來進行癌癥病人分型提供了理論基礎。

　　北京大學生物動態光學成像中心白凡副研究員、中心主任謝曉亮教授以及腫瘤醫院王潔教授及為該論文的共同通訊作者。倪曉暉博士和在讀研究生蘇哲、高妍是這篇論文的并列第一作者。該項研究得到了北京大學985臨床醫院合作專項經費、青年千人計劃科研啟動經費以及國家杰出青年基金的支持。