一個腫瘤內的個體細胞并不全是相同的。這可能聽起來像是一個現代醫學真理，但很久以前并不是這樣，當時醫生認為，從患者腫瘤采集的單一活檢標本，能準確地反映整個腫瘤的生理和遺傳構成。

研究人員開始意識到，癌癥這種疾病是由相同的“適者生存”力量所驅動的，達爾文提出，適者生存推動了地球上生命的進化。然而，在腫瘤的情況下，單個細胞不斷演變成為一個腫瘤的階段進展。導致轉移的移動性癌細胞，是這個過程的一個致命結果。

同一類型的癌癥患者的腫瘤也有所不同，所以醫生如何能夠為病人量身定制治療方案呢？為了解決這個難題，來自賓夕法尼亞大學Perelman醫學院和Wharton學院的一個跨學科團隊，開發了一種方法，通過調查來自同一位患者的多份樣本的兩種突變——體細胞拷貝數變異和單核苷酸變異，來推斷腫瘤細胞的演化軌跡。他們在來自白血病和卵巢癌以及人類乳腺癌細胞株的樣品中驗證了這種方法。總體而言，一個腫瘤的演變包括所有類型的基因突變的積累，它們共同影響腫瘤細胞的適合度。

該研究小組——包括基因組學和計算生物學項目的博士生Yuchao Jiang、本文共同作者Andy Minn實驗室博士后Yu Qiu、和Wharton學院統計學副教授Nancy R Zhang博士，將研究結果發表在《PNAS》雜志。

Jiang說：“一名特定病人的腫瘤組成，往往是許多不同細胞群的混合物，它們有不同的遺傳組成、基因表達和生理學。這種異質性造成了靶向療法的失敗和抗藥性，因為之前人們認為腫瘤是同質的腫塊。”

然而，Canopy將這些差異計算在內，是因為使用的數據來自相同腫瘤的多個切片——具有空間和時間特性，而不是在某一個時間點在一個部位取樣，目前在大多數測序研究中都是采用這種方式。Canopy是一個開源軟件，所以腫瘤學家將能夠使用它，來識別腫瘤樣本中不同癌細胞群的潛在生物標志物，它們與耐藥性、侵襲性惡性腫瘤以及其他特征有關。

Jiang說：“Canopy的臨床輸入數據來自同一名患者的組織樣本——在不同的時間，取自正常組織和腫瘤上的不同部位。然后，我們可以用Canopy來推斷腫瘤的進化史，以更好地了解腫瘤的發展和尋找潛在的生物標志物。”Canopy的目標是幫助癌癥初期階段的患者，使用生物標志物來明確正確的診斷和預后。

該研究小組還使用動物模型，來完善他們對于乳腺癌轉移模型的理解。在將人類乳腺癌細胞注射到小鼠體內之后，他們觀察到，原發性乳腺癌細胞發生了轉移——肺、骨或其他組織轉移。研究人員對這些位點特異性的轉移樣品，以及原發性癌細胞株進行了全基因組測序，通過測序分析了體細胞單核苷酸改變和拷貝數突變。通過Canopy重建的關系表明，相比較原發性乳腺癌細胞株，來自不同器官的轉移樣品有不同的基因型模式。Canopy確定了這一特定惡性乳腺癌細胞株的轉移位點特異性突變。這一概念驗證研究背后的概念，可以應用到更大的研究，旨在確定基因組的變化，作為遠端轉移癌發展的預后標志物。

通過將突變類型分配給腫瘤“進化樹”的不同分支，腫瘤學家將可以預測轉移癌的部位和嚴重程度，以及可能更好的療程。將Canopy應用到一個更大的樣本群，是該研究團隊的未來發展方向之一。

此外，Zhang說，在單細胞測序所取得的最新進展，使得在單細胞水平研究腫瘤成為可能。然而，通過單細胞測序技術，對拷貝數和單核苷酸突變同時進行可靠的分析，仍處于起步階段。她說：“我們的工作表明，如果研究人員愿意測定多個組織的切片，傳統的大量細胞測序（bulk sequencing）可以進行精確的腫瘤亞克隆鑒定。大量組織測序對于我們理解腫瘤的異質性，可能發揮了重要的作用，并且在未來幾年中，將大量組織采樣和單細胞分析相結合的實驗設計，還需要更好的進行探討。”