在2009年8月一個悶熱的傍晚，帕特·艾略特注意到她的腳似乎腫了。由於她在鳳凰城教研討會站了好幾個小時，她並不感到驚訝。“我以為是天氣熱，”她說。但她的腳也很痛，所以艾略特決定穩妥起見，打電話給她的醫生，醫生建議她來做一些檢查。幾天後，這位營銷專業人士得知她患上了一種罕見的血癌，稱為慢性粒細胞白血病 (CML)。
艾略特的癌症是由她的骨髓中一個或多個幹細胞發生的基因變化引起的。（正常情況下，這些幹細胞會產生體內各種血細胞。）這種缺陷導致幹細胞及其後代產生一種稱為 Bcr-Abl 的異常酶。這種酶向骨髓發出訊號，使其產生過多的未成熟白細胞，並使它們比正常情況下存活更長時間。然後，增殖的血細胞擠佔健康細胞，損害骨髓，並使感染得以發生。一旦這些異常細胞進入血液，它們還會導致脾臟腫大並損害其他器官。艾略特腳部的疼痛和腫脹很可能是由她的疾病引起的腎臟問題造成的。CML 通常一開始是相當無害的，尤其是在治療後。然而，如果不及時治療，它可能會變得具有侵襲性和致命性。
為了控制病情，艾略特每天服用一顆亮黃色的藥丸。這種名為伊馬替尼（商品名為格列衛）的藥物與異常酶結合並關閉增殖訊號。沒有這種酶，多餘的白細胞就會正常成熟並按時死亡。事實上，最近的一項研究表明，在開始伊馬替尼治療後至少存活兩年的 CML 患者可以期待正常的壽命。但這顆藥丸並非治癒方法。少量長壽命的癌細胞仍然存在於艾略特的體內。如果她停止服藥，癌症將復發。
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雖然伊馬替尼使艾略特以及美國約 22,000 名其他 CML 患者得以存活和健康，但該藥物無法根除癌症這一事實表明，大多數研究人員用來視覺化腫瘤如何生長的標準模型，以及從該模型中產生的治療方法，可能存在缺陷。最近，另一種假設獲得了關注；如果證明這種假設更準確，醫生可能需要調整他們的治療方法，將治療目標對準腫瘤內特定的細胞亞群。
兩種模型
腫瘤學家長期以來一直假設大多數腫瘤都是由單個細胞發展而來的。在經歷一系列基因突變後（這些突變是由於暴露於輻射、香菸煙霧、飲食選擇或遺傳傾向而發生的），這個單個細胞開始不受控制地分裂成更多細胞。每一代後代細胞都會積累更多的基因錯誤，從而使腫瘤變得更大、侵入區域性組織，並最終擴散（轉移）到身體的其他部位。根據癌症生長的標準模型，一旦腫瘤獲得了擴散能力，任何一個始祖細胞的後代都可能脫落並形成新的腫塊——這就是為什麼衛生部門強調早期診斷以及需要摧毀所有腫瘤細胞以防止復發的原因。
另一種觀點認為，腫瘤中只有少數細胞（稱為癌症幹細胞）具有不受控制地生長和擴散的能力。這些細胞無限期地自我更新（基本上是製造自己的精確副本），並且還會產生具有不同特性和有限壽命的細胞混合物。透過這種方式，癌症幹細胞類似於遍佈全身的正常幹細胞，這些幹細胞會替換舊的或受損的組織，例如皮膚或腸道內壁。然而，與正常幹細胞不同，癌症幹細胞會忽略任何和所有告訴它們停止分裂的化學訊號。根據這種替代概念，腫瘤中的大多數細胞最終都會死亡，因此應該不太危險。然而，腫瘤中的少數幹細胞將特別緻命：即使最初的治療倖存下來一個癌症幹細胞，它也可能在幾周、幾個月甚至幾年後產生一個全新的腫瘤。
至少四十年的研究支援了癌症幹細胞在所謂的血液和淋巴系統液態腫瘤的起源中起主要作用的觀點。但科學家們直到最近才開始探索癌症幹細胞可能也對實體腫瘤（如肺癌、乳腺癌和肝癌）的發生負責的可能性。癌症幹細胞的存在也可能闡明為什麼伊馬替尼不能治癒 CML。如果幹細胞獨特地不需要 Bcr-Abl 酶才能存活，那麼無論使用多少酶阻斷藥物都無法消除它們。“這些細胞可以浸泡在伊馬替尼的海洋中，但它們不會被殺死，”多倫多大學癌症幹細胞研究的先驅約翰·E·迪克說。研究人員還懷疑，癌症幹細胞可能是看似成功的治療後多年復發的原因。一些癌症幹細胞似乎進入休眠狀態，使它們能夠在最初的治療中相對毫髮無損地存活下來。
證據
癌症幹細胞可能在實體瘤以及液態瘤中發揮作用的第一個有力證據來自 2003 年對惡性乳腺組織的研究。這項研究開啟了迪克所說的“令人屏息的興奮”的時代。癌症幹細胞的想法吸引了許多研究人員，因為它似乎解釋了很多問題，不僅包括腫瘤內細胞的多樣性，還包括為什麼傳統的癌症療法經常失敗。珍妮·C·張（Jenny C. Chang）進行的第二項乳腺腫瘤研究也提供了令人信服的證據，證明癌症幹細胞可能對標準治療具有異常的抵抗力。珍妮·C·張現在是休斯頓衛理公會醫院的腫瘤學家。
當時，張在休斯頓的本·陶布綜合醫院為患者工作，該醫院為該地區 150 萬沒有保險的居民提供服務。由於許多本·陶布醫院的患者獲得醫療保健的機會有限，他們往往會延遲去看醫生，因此當他們被診斷出患有癌症時，他們的癌症已經更加晚期。事實上，腫瘤通常非常大，以至於在嘗試手術之前需要先進行化療以縮小腫瘤。這些情況為張提供了一個獨特的機會來研究耐藥性。
張開始在化療前後對腫瘤進行活檢。當她與貝勒醫學院的傑弗裡·M·羅森（Jeffrey M. Rosen）以及同事們比較這些活檢樣本時，他們發現治療後採集的樣本中，似乎是癌症幹細胞的比例更高，這是由其表面某些蛋白質的存在決定的。在治療前，假定的癌症幹細胞平均約佔腫瘤的 4.7%。經過 12 周的化療後，該比例上升至 13.6%，這表明癌症幹細胞比腫瘤中的其他細胞更能耐受化療。此外，當將化療後活檢樣本中的細胞懸浮培養時，它們比化療前樣本中的細胞形成更多的多細胞球，而這通常是幹細胞才會做的。
爭議
迄今為止，研究人員已經報告在乳腺、腦、皮膚、結腸、前列腺、胰腺和肝臟等腫瘤中發現了癌症幹細胞的證據。但隨著越來越多的科學家加入該領域，並試圖重複彼此的工作，情況變得更加複雜。例如，2008 年，密歇根大學幹細胞生物學中心主任肖恩·J·莫里森（Sean J. Morrison）發現，如果他調整小鼠中用於檢測癌症幹細胞的測試或分析方法，他可以顯著改變結果。之前的一項研究表明，每百萬個細胞中只有一個是黑色素瘤幹細胞。莫里森發現，每四個細胞中就有一個可以形成腫瘤。“如果你改變分析方法，並且你發現可以形成腫瘤的人類癌細胞譜發生了巨大變化，那麼這真的會讓你擔心得出結論，”他說。
今天，該領域存在分歧。雖然至少某些癌症似乎遵循幹細胞模型，但研究人員對哪些腫瘤屬於該類別存在分歧。而且，目前尚無人知曉專門針對癌症幹細胞的療法是否能夠挽救生命，或者如何最好地識別癌症幹細胞。研究人員也不瞭解癌症幹細胞是如何產生的，它們多久來源於正常幹細胞，以及每個腫瘤只有少量還是很多這種細胞。一些最新的研究結果表明，標準模型和癌症幹細胞思想的複雜混合最接近於闡明癌症的形成方式。
儘管存在爭議，但這項研究正在促使科學家們更加密切地關注在所有腫瘤中發現的各種細胞亞群。斯坦福大學的癌症研究員拉溫德拉·馬傑蒂（Ravindra Majeti）正在努力開發診斷工具，以根據腫瘤細胞中最活躍的基因來指示特定癌症的侵襲性以及因此需要哪種型別的治療。希望這種方法能夠比標準方法更準確地衡量腫瘤的惡性程度，標準方法涉及在顯微鏡下檢查細胞並根據其異常程度對其進行分級。
目前，艾略特將繼續服用她的黃色藥丸並努力保持積極態度。“我們感謝我們所擁有的一切，”她代表她自己和她的病友說道。“但我們真正想要的是治癒這種疾病並過上正常的生活。”