2014年，當布拉德·伯恩斯坦首次逐個細胞觀察癌腫瘤時，他的發現讓他感到沮喪：他意識到，在任何單個腫瘤中，起作用的不是一種癌細胞，而是多種。“當我看到它時，我有點沮喪，”伯恩斯坦說，他是麻省理工學院和哈佛大學博德研究所的病理學家。“最棘手的腫瘤實際上是[細胞]的異質混合物。”
但是對於許多致力於治療癌症的臨床醫生和外科醫生來說，關於腫瘤細胞性質的這種觀察，更多的是半滿而不是半空的玻璃杯。伯恩斯坦說，他們已經知道治療某些腫瘤是一個非常困難的問題，“現在你已經闡明瞭為什麼這是一個非常困難的問題。”
為了放大並一次觀察一個腫瘤細胞，伯恩斯坦和他的同事使用了一種稱為單細胞RNA測序（scRNA seq）的技術。原則上，它顯示了樣本中每個單獨的細胞在做什麼，以及該細胞內哪些基因是活躍的。這項技術正在揭示癌性腫瘤的全新維度——它們是由不同細胞型別組成的嵌合體，更像是結構鬆散的器官，而不是先前認為的無序複製細胞團。這些腫瘤細胞可以以流動的方式改變其發育路徑，為治療帶來獨特的挑戰和機遇。
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在伯恩斯坦和他的團隊首次獲得近距離觀察的六年之後，scRNA seq 已被公認為細胞生物學中最強大的新方法之一。兩種型別的 RNA 是幫助將基因翻譯成蛋白質的中間分子，因此它們在細胞中的存在表明相應的基因是活躍的。現在可以快速分離和鑑定給定細胞中幾乎所有 RNA 的序列，從而可以在組織樣本中一次分析數千個細胞。
例如，該技術可以向研究人員展示身體的發育如何在細胞從最初的幹細胞狀態（在這種狀態下，它們能夠變成任何組織型別）分化並獲得其在特定組織中的最終“命運”時，以微小的細節逐步展開。當用於分析腫瘤時，scRNA seq 揭示癌症不僅僅是發育過程的崩潰，一種產生流氓、不受控制的細胞增殖的故障。
相反，伯恩斯坦說，“我們正在瞭解到，腦腫瘤有點像正常發育的錯亂重演。” 單細胞 RNA 測序“讓你大開眼界，瞭解腫瘤中實際存在的東西，”他補充道，“答案是：遠不止腫瘤細胞。” 腫瘤不是由相同的癌細胞組成的團塊，而是多種細胞型別的緊密結合的混合物——包括大量非惡性的所謂健康細胞。然而，伯恩斯坦說，這些非惡性細胞“不是無辜的旁觀者”。它們似乎以某種方式幫助支援腫瘤。
雖然這種情況使治療癌症的挑戰似乎更加艱鉅，但也可能使治療最終更有效。如果研究人員知道存在哪些不同型別的惡性細胞，他們就可以定製特定的藥物組合來攻擊它們。麻省總醫院的馬里奧·蘇瓦說，這種單細胞水平的詳細資訊“顯然正在徹底改變我們對癌症的理解”。蘇瓦說，以前的工作側重於單個癌細胞的某些功能特性或整個腫瘤的基因組學，而研究人員現在正在細胞水平上看到一切。
例如，之前的研究似乎表明，任何給定的腦腫瘤中可能存在四種不同型別的癌細胞之一，從而產生四種不同型別的腫瘤——每種腫瘤都需要不同型別的治療。然而，伯恩斯坦對一種特別惡性的腦腫瘤（稱為膠質母細胞瘤）的單細胞分析表明，所有四種細胞型別通常都存在於他和他的同事觀察的每個腫瘤中。但它們出現的比例不同，因此在批次研究中往往只能看到主要型別。“這對我們來說太驚人了，”伯恩斯坦說。單細胞分析表明，與其說是四種不同的腫瘤型別，不如說存在腫瘤型別的連續體，每種腫瘤型別都由這四種惡性細胞變體的混合物組成（通常也包括各種健康細胞）。
伯恩斯坦說，“我們可能需要一種診斷測試，可以提取腫瘤並檢視存在哪些主要細胞群。” 然後，研究人員將使用所謂的聯合療法來打擊它們，這種療法一次應用多種不同的藥物製劑。他承認，這種混合物難以開發和測試，但從長遠來看，它們可能更有效地清除所有危險細胞。
腫瘤中不同的細胞型別是透過從一種癌症“幹細胞”分化而產生的——正如正常細胞在發育胚胎的普通組織中分化一樣。達納-法伯癌症研究所和波士頓兒童醫院的兒科神經腫瘤學家瑪麗埃拉·菲爾賓說，“腫瘤主要遵循類似的從幹細胞樣狀態開始的層級結構”，她曾與蘇瓦的團隊合作。但菲爾賓解釋說，癌細胞並沒有完全達到其他細胞的通常命運。“有些細胞停滯不前，只是增殖。”
癌細胞分化似乎也比健康細胞的分化更具流動性。伯恩斯坦說，“它不像正常的層級結構，你在其中分化，然後你就[註定]了命運。” 他補充說，癌細胞可能會稍微分化一下，然後又恢復原狀。這種可逆性和可塑性為針對一種細胞型別的療法帶來了真正的挑戰：這些狀態的互換性賦予了癌細胞一種生存策略。“腫瘤可以變成其他東西，逃脫我們的藥物療法，”菲爾賓說。“這對它們來說很容易。”
另一個問題是，一些腫瘤可能主要是非惡性的。在三年前對頭頸部鱗狀表皮癌的一項研究中，伯恩斯坦和他的同事瞭解到，一組患者的腫瘤中含有大量看似普通的成纖維細胞——結締組織細胞——這些細胞來源於所謂的上皮細胞。“有些腫瘤可能只有 5% 到 10% 的腫瘤細胞，其餘的都是位於腫瘤生態系統中的非惡性細胞，”他說。但這種腫瘤似乎能夠利用這些細胞來實現惡性目的。在某些情況下，健康的表皮細胞會變成早期間充質細胞，從腫瘤中脫離出來，並在體內移動。也就是說，這些腫瘤重新啟動了早期的發育過程，從而導致侵襲性轉移，使癌症擴散並變得非常難以治療。“這些東西都不是從批次分析中得出的，”伯恩斯坦指出。
德克薩斯大學 MD 安德森癌症中心的莫蘭·阿米特及其同事最近的一份報告說明了癌細胞劫持健康細胞的令人不安的能力。透過觀察頭頸部鱗狀腫瘤細胞中細胞的 RNA 圖譜，他們發現這些癌細胞可以重新程式設計普通神經元，從而促進腫瘤生長。
scRNA seq 提供的癌症新圖景可能為全新的治療方法開啟可能性。蘇瓦使用該技術研究腫瘤的免疫系統——特別是它們包含的 T 細胞，T 細胞是我們正常免疫反應的主要媒介。人們已經發現，增強免疫系統使其能夠攻擊癌細胞。但這樣做僅對某些型別的癌症有效——即白血病。蘇瓦希望研究腫瘤的免疫狀態可能為這種癌症免疫療法指出新的選擇。他說，逐個細胞地觀察是“發現新生物學的強大工具”。
這項技術已經提供的見解可能暗示著一種更戲劇性的治癒方法。癌細胞異常的可塑性——與正常細胞相比，癌細胞可以在不同狀態之間更輕鬆地來回轉換——意味著與其僅僅試圖殺死它們，不如透過輕輕地引導它們回到非惡性狀態來“治癒”它們。這個過程稱為分化療法，菲爾賓正在尋找可以做到這一點的小分子藥物。她和她的同事正在探索神經母細胞瘤（一種侵襲性兒童神經系統癌症）的治療方法。（這種新技術將在傳統化療和放療後使用。）德國和義大利的一個團隊嘗試完全不使用化療來治療一種特別具有挑戰性的白血病形式，稱為 APML（急性早幼粒細胞白血病）。相反，研究人員僅使用了兩種分化劑：全反式維甲酸和三氧化二砷。他們發現患者在 50 個月後的生存率接近 98%。菲爾賓說，“這是分化療法的最佳體現”。她和她的同事還發現，分化可以將癌細胞置於衰老狀態，最終導致細胞死亡。
菲爾賓說，“現在我正在治療腦腫瘤，我們對此束手無策：它們對化療和放療具有抗性。” “所以我們似乎無法殺死這些細胞。但也許我們可以分化它們。” 她補充說，如果真是這樣，“我將成為地球上最幸福的女人。”