腫瘤內部異質性可能在癌細胞的侵襲、轉移和耐藥性演變中發揮重要作用。單細胞測序能夠在單個細胞水平上研究腫瘤的內部異質性、癌細胞的克隆發展和進化、早期癌癥的侵襲、癌細胞的突變率和   突變類型，追蹤癌細胞的轉移和擴散、了解癌癥治療過程中癌細胞的耐藥性演變、揭示腫瘤微環境等。

隨著單細胞測序技術的高速發展，其研究范圍從轉錄組逐漸擴展到基因組、表觀組和蛋白組等，并被大量地應用于各種類型癌癥的基礎研究，包括乳腺癌、膀胱癌、前列腺癌、腎癌、肺癌、結直腸癌、肝癌、骨髓增生性腫瘤、急性髓系白血病等等（表 2-1）。這極大地促進了癌癥的基礎研究和臨床應用。

表 2-1  使用單細胞技術的部分癌癥基礎研究

表  2-2 使用單細胞技術的部分  CTC  研究

2013 年在對肺癌 CTC 的單細胞研究中發現 CNV（基因拷貝數變異）譜與同一患者的轉移灶相一致，而 SNP（單核苷酸多態性）在細胞間存在異質性 [Ni X et al. Proc Natl Acad Sci USA 2013]。據此，理論上可以使用單細胞測序技術來進行腫瘤早篩，鑒定癌癥的具體亞型，判斷癌癥是否發生轉移。但與目前臨床已在應用的其他癌癥早篩方法相比（如表 2-3），單細胞 CTC 篩查的成本高、檢測流程復雜，其臨床應用還有很大的挑戰，仍需進一步研究及開發。

表 2-3  不同癌癥早篩方法的比較

確定癌癥異質性和轉移性的特征有助于癌癥的臨床診斷，對癌癥組織和 CTC 進行單細胞測序在解   析這個問題上表現出巨大的潛力。

對于癌癥組織，通過對腫瘤免疫微環境（TIME）的鑒定，確定癌細胞的亞群分類、組織分布特征、腫瘤內群體細胞異質性以及腫瘤細胞的分子標記物，有助于癌癥的臨床診斷。目前，基于單細胞測序   技術，研究人員已經繪制了肺癌、結直腸癌、腎癌、乳腺癌、黑色素瘤等多種癌癥的細胞圖譜。

此外，由于 CTC 與腫瘤的轉移相關性比較強，CTC 單細胞測序可以闡明初級腫瘤與二級腫瘤之間的   關聯。在這樣的背景下，不同類型癌癥（如乳腺癌、肺癌、胰腺癌、結直腸癌等）的 CTC 單細胞圖譜被   陸續繪制，為 CTC 單細胞測序用于癌癥臨床診斷提供了基礎。

腫瘤異質性、耐藥性演變、免疫逃逸等是影響癌癥治療效果的三大重要因素，單細胞測序可以用于評估上述因素，幫助醫生決策的腫瘤治療方案。

腫瘤細胞的單細胞測序可以為癌癥治療方案的調整和藥物開發提供依據。北京大學張澤民教授課   題組和美國安進（Amgen）公司在單細胞水平對結直腸癌患者的腫瘤微環境進行詳細描述 [Zhang L et al. Cell. 2020]，揭示了靶向髓系細胞的免疫治療策略潛在的作用機理，并提及了髓系靶向免疫療法   目前已經在臨床實驗中應用。考慮 mRNA 和蛋白組豐度之間存在的差異，單細胞蛋白組學也被利用于對   癌癥療效的評估，例如評估黑色素瘤患者抗 PD-1 免疫治療前后免疫細胞的功能狀態 [Luigi Fattore et al. Cell Death Dis. 2019]。此外，scRNA-seq（單細胞轉錄組測序）還能為抗腫瘤藥物的開發提   供新的目標。Jang 等人對不同病程的多發性骨髓瘤進行 scRNA-seq [Jang, J. S et al. Blood Cancer. 2019]，篩選出 44 個較低總生存率相關的高表達基因，這些基因可作為多發性骨髓瘤的潛在藥物靶標。

  基于 CTC 的單細胞測序也可用于癌癥療效的評估。乳腺癌患者 CTC 的研究結果表明，HER2 狀態存   在異質性，這可能有助于耐藥性的發展 [Jordan NV et al. Nature.2016]，同時 CTC 已經被證明可以   預測乳腺癌 [Antonarakis ES et al. N Engl J Med.2014] 和前列腺癌 [Antonarakis ES et al. JAMA oncol.2015] [Wallwiener M et al. BMC Cancer.2014]  的治療效果。