2020年，全球近1000万人因癌症而死亡。到2030年，全球的癌症患者预计会超过2600万，因癌症死亡的人数也会达到1700万。
癌症的病理症状与癌细胞在一个组织或器官中大量无序的增殖有关，如果癌症能越早得到诊断，治疗的效果也会越好。但如果发生了癌症转移，也就是说从原发性肿瘤上脱落的癌细胞转移并形成了继发性肿瘤，癌症往往就无法治愈。据调查，超过99%由癌症导致死亡的案例并不是死于原发性肿瘤，转移瘤才是罪魁祸首。
因此，了解促使原发性肿瘤上的癌细胞脱落、转移到其他器官并定植的各个过程，可以帮助更好地理解癌症的扩散，识别潜在的治疗靶点。为了研究癌症的扩散过程，研究人员和临床医生在近20年的时间里开发了一种新的方法，这种方法能够综合检测患者血液中的癌细胞、DNA或其他由肿瘤产生并进入血液的物质。
在讲述这些进展之前，我们需要先了解一下关于恶性肿瘤和转移瘤的基础知识。大部分癌症都属于实体瘤，即一团癌细胞聚集在一个组织或器官内，例如乳房、前列腺、直肠和肺等。原发性肿瘤所在的病灶部位会长出新的血管，能支持肿瘤生长。随后，出于各种机制（包括黏附蛋白表达降低或裂解酶的释放减少等），一些癌细胞会变得比其他癌细胞更为凶险，能从原发性肿瘤上脱落。这些癌细胞具备转移和入侵能力，它们会进入人体的血液和淋巴系统，单独移动或组成小团抵达其他器官（如骨髓、肝脏、肺和大脑等），并在那里建立新的癌症位点，从而形成微转移瘤。
这些癌细胞原本是循环肿瘤细胞，定植后就成了播散肿瘤细胞。它们在新的环境中繁衍生息，或者连续多年保持休眠状态，甚至可能会在原发性肿瘤经手术切除很久后存活。
当肿瘤扩散时
播散肿瘤细胞有时会在一个位点发展，长出肉眼可见的转移瘤。但是，播散肿瘤细胞也可以再次以循环肿瘤细胞的形式进入血液，播散、定植在其他器官形成二次转移，甚至能回到原发性肿瘤的位置，形成恶性转移瘤。
在许多不同类型的癌症中，骨髓似乎都是播散肿瘤细胞偏爱的器官。当肿瘤细胞迁移并在其他器官定植时，骨髓通常是它们的储藏库。以前的癌症学家为了了解调控播散肿瘤细胞的生物学机制，会抽取患者的骨髓样本进行研究。但这种操作具有侵入性，会给患者带来很强的疼痛感。如今，更好的方法是通过血液检测循环肿瘤细胞，这不仅能研究和评估肿瘤的发展，还能为预后评估和治疗随访提供更可靠的信息。
这种新方法是一种非侵入性的血液检测手段，也叫做液体活检，极其灵敏，操作方便且能多次反复使用。最重要的是，该方法能够随时检测来自原发性肿瘤或转移瘤的循环肿瘤细胞。液体活检的概念是由卡特琳·阿利克斯-帕纳比埃（Catherine
Alix-Panabières）与德国汉堡大学医疗中心的克劳斯·潘特尔（Klaus Pantel）在2010年共同提出的。在这种新方法中，液体活检的适用范围被进一步扩大，能用于检测循环肿瘤DNA（ctDNA）、外泌体（exosome）、循环微小RNA（miRNA）和血小板，以及由患者的免疫细胞构成的血液循环微环境。
一种叫做液体活检的新方法。
在具体的操作中，首先需要一次抽血取样，再将血细胞、循环肿瘤细胞与血浆分开。血浆是血液中的液体成分，从中可以检测出已死去的肿瘤细胞的ctDNA。如今我们已经拥有超灵敏的检测方法，能从血浆中来自正常细胞、数量庞大的DNA库中找出微量的ctDNA，并识别出其中的基因突变和其他变异。这种方法能提早检测出癌症或癌症复发。
现在回到循环肿瘤细胞上。在癌症患者的血液中，循环肿瘤细胞的数量非常少：在7.5毫升血液中仅有1~10个癌细胞。为了能检测这些细胞，分离和扩增这些细胞的DNA是必不可少的。这个扩增过程需要用到多种技术来分离不同的细胞。随后得到的样本中仍然含有大量的血细胞，因此有必要将其中的循环肿瘤细胞进一步分离出来。
识别循环肿瘤细胞有两种主要的方式：检测这些细胞特有的蛋白质或信使RNA（mRNA）。CellSearch技术是美国食品和药品管理局（FDA）唯一批准的检测循环肿瘤细胞的方法，由意大利梅纳里尼硅生物系统公司经销。这种方法是借助特异性抗体识别癌细胞的上皮细胞黏附分子（EpCAM）并标记，从而使这类细胞在荧光下可见。
阿利克斯-帕纳比埃是罕见人体循环细胞实验室（LCCRH）的负责人，她的实验室每天都会用到2套CellSearch系统。此外，从2002年起，该实验室还一直在使用一种名为Epispot的体外测试技术，但它只能检测活的循环肿瘤细胞。如今，LCCRH正在和巴黎高等物理化工学院（ESPCI
Paris）合作，试图优化这种尖端技术，实现对单个细胞的检测。Epidrop是由Epispot衍生出的新一代技术，它能逐个识别液体微滴中的循环肿瘤细胞。未来，借助这种创新技术，我们或许能快速评估药物对这些癌细胞的影响，并建立一个档案，记录它们对每种给定药物的敏感性。
识别肿瘤干细胞
一直以来，很多研究团队都试图开发一套标准的操作方法，用于体外培养来自晚期实体瘤（如乳腺癌和前列腺癌）患者的循环肿瘤细胞。这样做是为了识别其中最具侵袭性的循环肿瘤细胞类群——它们能够自行更新，是导致患者出现转移瘤的罪魁祸首。这类细胞被称为肿瘤干细胞，要通过目前的技术来识别，还存在很大的挑战。
为了提取这些细胞，研究人员需要在适当的营养介质中培养循环肿瘤细胞系，或者将这些细胞接种到免疫缺陷小鼠体内，诱导它们患上人源肿瘤。2013年，LCCRH首次培养出了9个稳定的结肠癌循环肿瘤细胞系，它们来自同一名转移性结肠癌患者的血样。这些细胞的基因表达谱和循环肿瘤细胞的特征相吻合，与结肠癌原发性肿瘤和继发性肿瘤中的癌细胞都大不相同。由此，LCCRH拥有了全球独一无二的实验材料：能够转移的循环肿瘤细胞系。
接下来，最主要的任务是理解这些细胞内在的工作机制（即特殊的信号通路）。LCCRH的多名研究者正在和汉堡大学医疗中心的团队合作研究这个方向。最终，这些研究将有助于找到合适的药物，以消灭导致转移瘤的细胞。
癌症治疗革命
可以说，循环肿瘤细胞研究在基础癌症学研究中占据了很重要的位置，它有助于了解转移瘤是如何形成的。但相比之下，在医疗实践中检测循环肿瘤细胞存在更多的挑战。近期几项关于乳腺癌或前列腺癌的研究表明，液体活检或有望为癌症治疗带来一场革命。
如今，医生在为患者确定疗法时，主要是依靠对原发性肿瘤的分析，包括分析其基因表达或者特定分子靶点的表达状态。但许多研究证明，转移瘤的表型和基因型都不同于原发性肿瘤中的大部分细胞。因此，直接分析循环肿瘤细胞可以带来额外的有效信息。
在乳腺癌和前列腺癌的治疗中，液体活检已经能够识别治疗靶点，揭示患者对治疗方法出现耐药性的原因。约有20%的乳腺癌患者都存在HER2基因的过表达，这使这种癌症具有更强的侵袭性，也更容易发生转移。这种癌症通常使用曲妥珠单抗（trastuzumab）治疗。这是一种单克隆抗体，能特异性靶向HER2蛋白的编码基因。但有大量数据表明，即使在同一个乳腺癌转移的患者体内，原发性肿瘤和循环肿瘤细胞中HER2蛋白的表达程度可能并不一致。在一次分析测序中，即便患者的原发性肿瘤显示为HER2阴性（体内HER2基因正常表达），其循环肿瘤细胞中也可能存在HER2基因过表达的情况，即HER2阳性。因此，如果为这名患者选择适合HER2阴性的疗法，他体内的循环肿瘤细胞就有可能逃脱，而它们正是引发转移瘤的癌细胞。
目前，针对循环肿瘤细胞检测为HER2阳性的患者，学界开展了两项临床试验：测试单独使用抗HER2蛋白的靶向疗法和一种将其与化疗联合使用的疗法。其中一项是由德国乌尔姆大学的沃尔夫冈·亚尼（Wolfgang
Jani）领导的Detect III临床试验，另一项是由法国居里研究院的弗朗索瓦-克莱芒·比达尔（François-Clément Bidard）和让-伊夫·皮尔加（Jean-Yves
Pierga）共同领导的CirCe T-DM1试验。
研究人员在激素依赖性乳腺癌患者体内也发现了相似的情况。在2013年发表的一项研究中，潘特尔和同事研究了一组患有转移性乳腺癌，且原发性肿瘤为雌激素受体阳性的患者，分析了她们循环肿瘤细胞上雌激素受体的表达情况。在这些患者体内，循环肿瘤细胞常常不表达这种受体。从原发性肿瘤到循环肿瘤细胞，雌激素受体从活跃表达状态过渡到关闭状态可能是导致这些患者体内的癌细胞逃脱激素治疗、发展出转移瘤的原因之一。
第三个例子是PD-L1蛋白和免疫系统之间的相互作用。免疫系统发挥着保护机体的作用，有着十分复杂的组成，包含多种细胞、组织和器官。癌细胞是不正常的细胞，因此免疫系统会对其发起攻击，以免机体被侵袭。肿瘤细胞有时会通过多种方式逃脱攻击，比如它们会用血小板覆盖自己，以免被免疫系统中的自然杀伤细胞发现；它们还能表达一些分布在细胞膜表面的蛋白质，保护其不受巨噬细胞的吞噬作用影响。
值得注意的是，肿瘤细胞可能通过表达PD-L1蛋白来逃脱T细胞的攻击。这种蛋白质能够与T细胞表面的受体PD-1结合，使T细胞不会对它们发起攻击。PD-L1/PD-1的结合能让T细胞无法发挥功能，但同时也构成了一个治疗靶点：通过免疫疗法阻断PD-L1和PD-1的相互作用，能够避免T细胞因接触肿瘤细胞而失活，恢复其摧毁肿瘤细胞的能力。
借助CellSearch系统，阿利克斯-帕纳比埃的团队在2015年首次分析了16名转移性乳腺癌患者，发现他们的循环肿瘤细胞为PD-L1阳性（表达PD-L1蛋白）。大多数患者都含有一个PD-L1阳性的循环肿瘤细胞亚群，这类细胞具备逃脱T细胞攻击的潜力。与此同时，英国剑桥大学的拉扎·阿里（Raza
Ali）团队证明，在患有同类型癌症的患者身上，PD-L1蛋白很少在原发性肿瘤中表达。其他同行也发现了相似的结果。
这些差异可以从两个方面来解释：原发性肿瘤中可能早就存在PD-L1表达阳性的肿瘤细胞，但由于它们数量太少，没有被常规的组织活检技术检测出来；或者肿瘤细胞从原发性肿瘤上脱落下来或者转移到血液中的时候，获得了表达PD-L1的能力。
2020年，法国蒙彼利埃癌症研究所的威廉·雅科（William Jacot）团队和阿利克斯-帕纳比埃一同证明，在统计学上，乳腺癌患者血液中存在PD-L1阳性循环肿瘤细胞与他们的生存率下降相关。但在原发性肿瘤为PD-L1阳性的患者群体中，并不存在这种相关性。2021年，有科学家研究了肺癌患者，获得了相似的研究结果，这些发现证实了免疫疗法的治疗潜力。
总而言之，检测表达PD-L1蛋白的循环肿瘤细胞可以让我们更好地理解肿瘤细胞逃脱免疫系统攻击的策略，筛选出更适合接受免疫疗法的患者，收集患者的预后信息以及研发出针对该生物标志物的新型靶向疗法。
癌症治疗革命
在过去十年中，科学界对液体活检产生了极大兴趣。这种技术有望准确而及时地反映肿瘤的发展，识别那些最有侵袭性的癌细胞亚群，帮助临床医生选择靶向疗法，实现对所有实体瘤患者的个性化治疗。
尽管目前已有多种技术正在应用，但肿瘤学家仍然无法从中找到一种标准检测工具。一些研究团队和他们产业界的合作伙伴正在尽最大的努力，尽快发布稳定且可量产的检测技术，以推动循环肿瘤细胞或ctDNA的检测（二者是液体活检中最典型的生物标志物）。
因此，学界需要尽快提出一套循环生物标志物组合，用于定义癌症的状态、来源和发展进程，从而引导临床做出适合每个患者的治疗决策。在这样的背景下，欧洲的Prolipsy项目获得了法国ARC癌症研究基金会提供的支持，研究如何通过液体活检分析循环肿瘤细胞、ctDNA和外泌体，并将它们结合起来，实现对前列腺癌的早期检测。这项研究的目标包括识别更具浸润性的癌细胞，选择个体化的治疗方案以及评估癌症复发的风险。
想要将液体活检应用于临床，还必须事先开展更多的临床前研究。法国的CTC Metabreast项目就是一个很好的案例。这个项目的相关成果于2020年发表，首次在全世界范围内证明，在临床中检测循环肿瘤细胞，能最有效地帮助医生为转移性乳腺癌患者确定合适的治疗方向（化疗或激素疗法）。此外，自2019年起，阿利克斯-帕纳比埃带领的研究团队和法国圣路易医院的斯特凡纳·库林（StéphaneCuline）一同进行了一项新的临床干预性研究，目的是证明检测循环肿瘤细胞能促进转移性前列腺癌的临床治疗。
美国麻省理工学院每年都通过《麻省理工科技评论》发布一个清单，列出未来几年即将发生的技术革命。液体活检和精准医疗分别于2015年和2020年入选这一清单。《自然》期刊也在2020年12月将液体活检列为未来20年的重大课题之一。可以确信，在下一个十年中，这两个领域的发展将是生物学和医学领域的重中之重。
