癌癥是世界范圍內嚴重威脅人類健康的疾病。在中國，癌癥的發病率、死亡率也一直居高不下。腫瘤的轉移是導致癌癥病人死亡的主要原因。早在 1869 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（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。對于循環腫瘤細胞的研究一直是癌癥研究中的熱點。

圖一、原發灶腫瘤細胞侵襲血管，形成循環腫瘤細胞

在本研究中，通過對一例結直腸癌病人原發灶腫瘤組織的單細胞，單個循環腫瘤細胞以及轉移灶腫瘤組織基因組分析，作者團隊發現原發灶腫瘤細胞的拷貝數變異經歷不同的中間狀態逐步積累，*終趨于在單個循環腫瘤細胞和轉移灶組織觀察到的相同的拷貝數變異模式。針對局部關鍵基因拷貝數變化的分析揭示，腫瘤轉移伴隨著抑癌基因 PTEN 的拷貝數逐步缺失及癌基因 MYC 的拷貝數逐步擴增。這個現象提示腫瘤的轉移過程存在基因組拷貝數變化的趨同選擇，同時有力地支持了腫瘤轉移過程并非隨機發生而是存在較強選擇的假說。

圖二、結直腸癌病人原發灶腫瘤單細胞，循環腫瘤細胞和轉移灶癌組織基因組拷貝數模式以及 PTEN，MYC 基因拷貝數變化

為了進一步闡述腫瘤細胞基因拷貝數異常形成的機制，作者團隊對該病人癌基因 MYC 所在的 8 號染色體的 4 個拷貝數增加區域進行了單堿基水平的單細胞結構變異分析，并提出一個形成多區間拷貝數變異的兩步模型: 首先在 DNA 復制過程中由于一系列的復制叉停頓和模板轉位（FoSTeS）形成多區間拷貝數增加；隨后通過同源重組（Homologous Recombination, HR）進一步將該區域擴增到較高的拷貝數，*終形成腫瘤細胞中異常的拷貝數模式。

圖三、腫瘤細胞形成多區間拷貝數變異的機制模型

鑒于基因拷貝數變異在癌癥發展與轉移中的重要作用，作者團隊對來自結直腸癌、乳腺癌、 胃癌、前列腺癌多個癌種的病人大量外周血循環腫瘤細胞進行分析。多癌種循環腫瘤細胞分析揭示同一個病人的不同 CTC 都展現出高度一致的全基因組拷貝數變化模式。這種現象在多個癌種的病人中都得到了驗證，與作者團隊早期在肺癌上的研究結果一致 （Ni et al., PNAS, 2013）。但是在不同的癌種中，不同病人間 CTC 的 CNA 模式相似性存在較大的差異。例如在胃癌中，來自不同病人的 CTC 的 CNA 模式高度相似；而在乳腺癌中，來自不同病人的 CTC 的 CNA 模式差異明顯。

圖四、多癌種單循環腫瘤細胞中關鍵癌基因與抑癌基因變異情況

通過對單細胞測序數據的生物信息學分析，作者團隊展示在多個癌種中可以從單個循環腫瘤細胞準確獲取病人關鍵癌基因與抑癌基因的變異情況，如靶向治療的靶點基因及導致耐藥的基因變異等個體化治療相關的重要信息。以 CTCs 檢測為代表的癌癥“液體活檢”技術，可以避免反復穿刺給病人帶來的傷害和痛苦, 能動態反映病人的疾病進程以及治療過程中的療效和預后，具有重大的臨床應用價值。