先說腫瘤。腫瘤難以徹底治療的特點不僅在於其基因組的復雜性，還在於其復雜性所延伸出的異質性。異質性實際上是由腫瘤基因組的復雜性引起的表型屬性。通常在兩種情況下討論異質性。第壹種情況是指同壹患者體內腫瘤細胞的異質性。腫瘤發生的不同階段腫瘤細胞的基因突變是不同的，導致每個腫瘤細胞群體中存在許多亞群。當腫瘤細胞經過轉移時，屬於不同亞群的腫瘤細胞會侵入新的地方，形成新的腫瘤。這裏有必要介紹壹下CTC(循環腫瘤細胞)的概念。如下圖1所示，有觀點認為CTC是腫瘤原代細胞引起腫瘤轉移的主要誘因。CTC細胞有很多普通腫瘤細胞沒有的特性，比如體積更大，比較“幹”，或者更容易進入EMT(上皮細胞間質)通路。研究表明，CTC與腫瘤的發展有以下關系:1 .CTC的數量可以作為標記)；推斷腫瘤的發展；第二，血液中大量的CTC會加速腫瘤的進展，減少腫瘤復發的時間；第三，CTC還可以作為臨床指標，指導治療過程。然而，如此重要的細胞卻因為難以獲得而難以研究，因為它們在血液中的含量極小。例如，在晚期乳腺癌患者中，只有1.43%的患者每7.5毫升血液中會有500個以上的CTC。這意味著對CTC的研究會有很多障礙，因為細胞量太少。第二種情況是指:除了同壹患者的不同腫瘤細胞導致腫瘤的異質性外，腫瘤的異質性還體現在不同患者可能患同壹腫瘤，但“相似”不壹定相同——只是表型相同並不代表基因型相同。下圖2顯示了腫瘤異質性的反應。不同的顏色代表不同的腫瘤亞群，不同的腫瘤亞群侵犯不同的地方形成腫瘤“進化”的新分支(應該理解為發育)，從而產生腫瘤異質性；並且從不同患者獲得的腫瘤之間也存在異質性。
在討論為什麽要用單細胞基因組測序法解決問題之前，我們需要再次梳理壹下我們面臨的問題:1。腫瘤基因組太復雜，突變多，不同時期突變不壹樣，嚴重異質性。如果還是對大量的腫瘤細胞基因組進行測序，混合的結果往往會幹擾判斷。2.與腫瘤轉移相關的重要細胞群CTC在血液中的含量非常少，而且不同CTC之間存在異質性——所以壹方面很難獲得大量的CTC細胞基因組，另壹方面即使獲得了相關信息，仍然不能說明問題。
為了解決這兩個問題，為腫瘤患者提供更加精準的個性化治療，筆者發現單細胞測序確實可以很好地解決這些問題(至少目前在概念上)。
最早的方法是Roger Lasken領導的研究組，優化建立了第壹代MDA(多重置換擴增)試劑盒。這項技術使用了耶魯大學獲得專利的Phi29 DNA聚合酶。該酶具有多次取代的特點——在反應中，後壹引物的延伸可以超過先前結合的DNA而不被其阻斷；該酶還具有超強的模板DNA結合能力，可連續合成長度為10 kb至50 kb的產物，最長可達100 KB。同時具有3’-5’核酸外切酶活性和自我修復錯誤的能力，因此具有高保真性。但由於初始基因組中的DNA量極小，有些片段(如GC含量較少)會被直接擴增，因此會出現很強的擴增偏倚，降低了基因組的覆蓋範圍，而MDA法並不能很好地解決這個問題。2012哈佛大學終身教授謝曉亮院士開發了壹種新的單細胞基因組測序方法——mal BAC(多重退火和基於環的擴增循環)。它可以大大降低放大偏好。我簡單介紹壹下它的原理，如下圖所示。
MALBAC法的核心步驟:仍然使用MDA法中的酶(可以用來代替原來的延長鏈)。但是使用的引物是事先設計好的，這個引物是在基因組上隨機組合延伸的。