2014年，当布拉德·伯恩斯坦首次逐个细胞观察癌肿瘤时，他的发现让他感到沮丧：他意识到，在任何单个肿瘤中，起作用的不是一种癌细胞，而是多种。“当我看到它时，我有点沮丧，”伯恩斯坦说，他是麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的病理学家。“最棘手的肿瘤实际上是[细胞]的异质混合物。”
但是对于许多致力于治疗癌症的临床医生和外科医生来说，关于肿瘤细胞性质的这种观察，更多的是半满而不是半空的玻璃杯。伯恩斯坦说，他们已经知道治疗某些肿瘤是一个非常困难的问题，“现在你已经阐明了为什么这是一个非常困难的问题。”
为了放大并一次观察一个肿瘤细胞，伯恩斯坦和他的同事使用了一种称为单细胞RNA测序（scRNA seq）的技术。原则上，它显示了样本中每个单独的细胞在做什么，以及该细胞内哪些基因是活跃的。这项技术正在揭示癌性肿瘤的全新维度——它们是由不同细胞类型组成的嵌合体，更像是结构松散的器官，而不是先前认为的无序复制细胞团。这些肿瘤细胞可以以流动的方式改变其发育路径，为治疗带来独特的挑战和机遇。
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在伯恩斯坦和他的团队首次获得近距离观察的六年之后，scRNA seq 已被公认为细胞生物学中最强大的新方法之一。两种类型的 RNA 是帮助将基因翻译成蛋白质的中间分子，因此它们在细胞中的存在表明相应的基因是活跃的。现在可以快速分离和鉴定给定细胞中几乎所有 RNA 的序列，从而可以在组织样本中一次分析数千个细胞。
例如，该技术可以向研究人员展示身体的发育如何在细胞从最初的干细胞状态（在这种状态下，它们能够变成任何组织类型）分化并获得其在特定组织中的最终“命运”时，以微小的细节逐步展开。当用于分析肿瘤时，scRNA seq 揭示癌症不仅仅是发育过程的崩溃，一种产生流氓、不受控制的细胞增殖的故障。
相反，伯恩斯坦说，“我们正在了解到，脑肿瘤有点像正常发育的错乱重演。” 单细胞 RNA 测序“让你大开眼界，了解肿瘤中实际存在的东西，”他补充道，“答案是：远不止肿瘤细胞。” 肿瘤不是由相同的癌细胞组成的团块，而是多种细胞类型的紧密结合的混合物——包括大量非恶性的所谓健康细胞。然而，伯恩斯坦说，这些非恶性细胞“不是无辜的旁观者”。它们似乎以某种方式帮助支持肿瘤。
虽然这种情况使治疗癌症的挑战似乎更加艰巨，但也可能使治疗最终更有效。如果研究人员知道存在哪些不同类型的恶性细胞，他们就可以定制特定的药物组合来攻击它们。麻省总医院的马里奥·苏瓦说，这种单细胞水平的详细信息“显然正在彻底改变我们对癌症的理解”。苏瓦说，以前的工作侧重于单个癌细胞的某些功能特性或整个肿瘤的基因组学，而研究人员现在正在细胞水平上看到一切。
例如，之前的研究似乎表明，任何给定的脑肿瘤中可能存在四种不同类型的癌细胞之一，从而产生四种不同类型的肿瘤——每种肿瘤都需要不同类型的治疗。然而，伯恩斯坦对一种特别恶性的脑肿瘤（称为胶质母细胞瘤）的单细胞分析表明，所有四种细胞类型通常都存在于他和他的同事观察的每个肿瘤中。但它们出现的比例不同，因此在批量研究中往往只能看到主要类型。“这对我们来说太惊人了，”伯恩斯坦说。单细胞分析表明，与其说是四种不同的肿瘤类型，不如说存在肿瘤类型的连续体，每种肿瘤类型都由这四种恶性细胞变体的混合物组成（通常也包括各种健康细胞）。
伯恩斯坦说，“我们可能需要一种诊断测试，可以提取肿瘤并查看存在哪些主要细胞群。” 然后，研究人员将使用所谓的联合疗法来打击它们，这种疗法一次应用多种不同的药物制剂。他承认，这种混合物难以开发和测试，但从长远来看，它们可能更有效地清除所有危险细胞。
肿瘤中不同的细胞类型是通过从一种癌症“干细胞”分化而产生的——正如正常细胞在发育胚胎的普通组织中分化一样。达纳-法伯癌症研究所和波士顿儿童医院的儿科神经肿瘤学家玛丽埃拉·菲尔宾说，“肿瘤主要遵循类似的从干细胞样状态开始的层级结构”，她曾与苏瓦的团队合作。但菲尔宾解释说，癌细胞并没有完全达到其他细胞的通常命运。“有些细胞停滞不前，只是增殖。”
癌细胞分化似乎也比健康细胞的分化更具流动性。伯恩斯坦说，“它不像正常的层级结构，你在其中分化，然后你就[注定]了命运。” 他补充说，癌细胞可能会稍微分化一下，然后又恢复原状。这种可逆性和可塑性为针对一种细胞类型的疗法带来了真正的挑战：这些状态的互换性赋予了癌细胞一种生存策略。“肿瘤可以变成其他东西，逃脱我们的药物疗法，”菲尔宾说。“这对它们来说很容易。”
另一个问题是，一些肿瘤可能主要是非恶性的。在三年前对头颈部鳞状表皮癌的一项研究中，伯恩斯坦和他的同事了解到，一组患者的肿瘤中含有大量看似普通的成纤维细胞——结缔组织细胞——这些细胞来源于所谓的上皮细胞。“有些肿瘤可能只有 5% 到 10% 的肿瘤细胞，其余的都是位于肿瘤生态系统中的非恶性细胞，”他说。但这种肿瘤似乎能够利用这些细胞来实现恶性目的。在某些情况下，健康的表皮细胞会变成早期间充质细胞，从肿瘤中脱离出来，并在体内移动。也就是说，这些肿瘤重新启动了早期的发育过程，从而导致侵袭性转移，使癌症扩散并变得非常难以治疗。“这些东西都不是从批量分析中得出的，”伯恩斯坦指出。
德克萨斯大学 MD 安德森癌症中心的莫兰·阿米特及其同事最近的一份报告说明了癌细胞劫持健康细胞的令人不安的能力。通过观察头颈部鳞状肿瘤细胞中细胞的 RNA 图谱，他们发现这些癌细胞可以重新编程普通神经元，从而促进肿瘤生长。
scRNA seq 提供的癌症新图景可能为全新的治疗方法打开可能性。苏瓦使用该技术研究肿瘤的免疫系统——特别是它们包含的 T 细胞，T 细胞是我们正常免疫反应的主要媒介。人们已经发现，增强免疫系统使其能够攻击癌细胞。但这样做仅对某些类型的癌症有效——即白血病。苏瓦希望研究肿瘤的免疫状态可能为这种癌症免疫疗法指出新的选择。他说，逐个细胞地观察是“发现新生物学的强大工具”。
这项技术已经提供的见解可能暗示着一种更戏剧性的治愈方法。癌细胞异常的可塑性——与正常细胞相比，癌细胞可以在不同状态之间更轻松地来回转换——意味着与其仅仅试图杀死它们，不如通过轻轻地引导它们回到非恶性状态来“治愈”它们。这个过程称为分化疗法，菲尔宾正在寻找可以做到这一点的小分子药物。她和她的同事正在探索神经母细胞瘤（一种侵袭性儿童神经系统癌症）的治疗方法。（这种新技术将在传统化疗和放疗后使用。）德国和意大利的一个团队尝试完全不使用化疗来治疗一种特别具有挑战性的白血病形式，称为 APML（急性早幼粒细胞白血病）。相反，研究人员仅使用了两种分化剂：全反式维甲酸和三氧化二砷。他们发现患者在 50 个月后的生存率接近 98%。菲尔宾说，“这是分化疗法的最佳体现”。她和她的同事还发现，分化可以将癌细胞置于衰老状态，最终导致细胞死亡。
菲尔宾说，“现在我正在治疗脑肿瘤，我们对此束手无策：它们对化疗和放疗具有抗性。” “所以我们似乎无法杀死这些细胞。但也许我们可以分化它们。” 她补充说，如果真是这样，“我将成为地球上最幸福的女人。”