除了紅細胞、白細胞和各種激素外，每滴血液都包含著微小的DNA碎片，這些碎片是體內各種細胞死亡時釋放出來的。分析這些遺傳資訊片段的儀器速度和效率最近大幅提高，促使所謂的無細胞DNA (cfDNA) 檢測取得了令人矚目的進展，尤其是在對發育中的胎兒進行產前檢測方面。但最好的可能還在後頭。
加州大學聖地亞哥分校生物工程學教授張鵾說：“無論細胞因何種原因死亡，它們都會將DNA釋放到血液中。如果你能識別出它們來自哪裡，就有可能檢測到身體不同部位的損傷。” 由於cfDNA檢測只需要簡單的抽血，它們有朝一日可能會大大提高醫生在疾病早期階段診斷多種疾病的能力，而疾病在早期階段通常更容易治療。它們還可以減少移植後監測新器官健康狀況所需的痛苦活檢。正如一位研究人員所說，cfDNA可能成為終極“分子聽診器”，開創一種全新的行醫方式——就像聲學聽診器在19世紀引入後永遠改變了診斷機會一樣。
cfDNA測序的第一個商業應用在2011年首次亮相。新的血液檢測可以透過檢查孕婦血液中的胎兒DNA，在懷孕的頭幾個月識別出唐氏綜合徵和類似的遺傳疾病。（孕婦血液中約有10%到15%的DNA來自胎盤，胎盤在基因上與胎兒相似。）這些孕婦血液檢測正在迅速取代不太準確的程式，如超聲波加血液分析。
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最近，研究人員開始研究cfDNA，以開發所謂的液體活檢，這種活檢可以分析腫瘤的遺傳構成或尋找癌症復發的證據。腫瘤在生長和分裂時經常將DNA釋放到血液中，而且由於它們通常佈滿突變，因此它們的混亂DNA明顯不同於在正常DNA片段中發現的DNA。第一個液體活檢測試僅在三年前推出；儘管它們尚未成為常規護理的一部分，但該領域正在迅速發展。一家公司表示，它將在未來五年內為一百萬人提供液體活檢測試，另一家公司已為其研究籌集了近10億美元。
一種類似的cfDNA方法正在移植器官中進行測試，移植器官有被接受者免疫系統排斥的風險。目前，移植醫生透過反覆進行活檢來檢查移植器官的健康狀況，這既昂貴又具有侵入性。移植後，來自新心臟或腎臟等供體DNA的少量DNA會作為正常細胞出生和死亡過程的一部分在血液中迴圈。如果宿主免疫系統攻擊外來器官，則隨著越來越多的外來細胞死亡，供體DNA的比例會增加。一家名為CareDx的公司已經銷售一種測試，可以檢測到腎移植患者的這種變化。
這些測試可能僅僅是開始。研究人員正在探索DNA片段也可用於發現慢性感染或在疾病引起症狀之前檢測疾病的可能性。從技術上講，這是可行的。真正的問題是，它是否也能在常規護理中高效、經濟且易於使用。張鵾說，最基本的考慮是：“歸根結底，這是否給患者帶來真正的益處？”
在斯坦福大學生物工程師斯蒂芬·奎克的實驗室從事移植監測研究時，米奇·克爾特斯及其同事注意到血液樣本中來自病毒等傳染性生物的遺傳物質。他們開始研究cfDNA是否可以可靠地識別感染，這真是大海撈針：在血液中發現的DNA片段中，只有十萬分之一或百萬分之一可能實際上來自病毒或其他病原體，克爾特斯說。
研究人員發明了一種透過減少血液樣本中的人類DNA來增強訊號的方法。他們的衍生公司Karius今年早些時候推出了一項測試，用於識別住院患者的細菌、真菌、病毒或寄生蟲。克爾特斯說，它可以發現活檢過於危險的器官（包括肺和大腦）的感染——它最適用於原因不明的感染患者或病重到無法承受手術的患者。
最近的一個案例中，一名患者的CT和MRI掃描顯示大腦中有結節，但傳統方法無法在不取出少量腦組織的情況下確定病因。新推出的Karius測試指向弓形蟲病寄生蟲，這種病是可以治療的。“目前，這些技術是新的，而且比血液培養更昂貴，所以這不是第一道防線，”克爾特斯解釋說。“但我毫不懷疑，幾年後這將成為必然趨勢。” 他們的測試在全國八家醫院提供；該公司已擴大其產能和基礎設施，並計劃在今年晚些時候擴大訪問範圍。
但要讓cfDNA實現其最終承諾——監測身體任何部位的功能——就存在一個問題。在懷孕、癌症和感染中，有單獨的基因組需要分析（來自胎兒、腫瘤或傳染性生物），因此弄清楚要關注哪些片段並不那麼困難。要在其他疾病中使用cfDNA，研究人員必須首先解決一個更棘手的問題：識別DNA來自哪個組織或器官。在這裡，測序實際上並沒有幫助，因為所有細胞都具有基本相同的基因組；人們無法立即知道正在檢查的片段是來自心臟、胃還是腎臟。
一種解決方案是檢視甲基，即控制基因開啟和關閉方式的DNA化學附著物。它們在不同器官中，甚至在同一器官中的細胞型別之間都具有不同的模式。張鵾的研究小組繪製了全身甲基化圖譜，以便可以根據血液中DNA片段的特徵模式追溯其來源。
一個以色列研究小組使用類似的方法證明，患有早期糖尿病的人，其血液中來自垂死胰島細胞的cfDNA升高，而胰島細胞會隨著疾病的進展而丟失。cfDNA測試可能會在人的胰腺受到嚴重損害之前標記出其患病的胰腺，從而使治療能夠保護器官並保持人的健康。同樣，儘管不太一致，但該團隊在患有活動性多發性硬化症的人以及心臟病發作後遭受腦損傷的人的血液中發現了來自大腦的cfDNA。去年發表的這項研究只是邁向有用測試的第一步。
華盛頓大學的遺傳學家傑伊·申杜爾稱cfDNA為未來200年的分子聽診器，並開發了一種替代方法來追蹤cfDNA的來源。基因組中緊密盤繞的DNA鏈在不同組織中的包裝方式不同，因此當細胞死亡時，DNA會被切割成獨特的模式。例如，心肌cfDNA的長度與腦細胞的cfDNA不同。
在最近的一項研究中，申杜爾的研究小組使用這些模式確定了五名癌症患者腫瘤的來源。他們成立了一家名為Bellwether Bio的公司，將該方法應用於4%至5%的原發部位不明的侵襲性癌症病例，因為了解原發部位可以幫助醫生選擇最佳治療方法。
未來可能適用於無細胞DNA測試的其他疾病包括中風或自身免疫性疾病，如狼瘡。但張鵾警告說，僅僅能夠看到訊號並不一定能成為一個好的測試。除了準確之外，測試還必須經濟實惠且實用，這可能需要大量的微調和巧妙的工程設計。但它提供了一個有吸引力的可能性：也許有一天，僅僅一小瓶血液就能引領通往更健康的路。