除了红细胞、白细胞和各种激素外，每滴血液都包含着微小的DNA碎片，这些碎片是体内各种细胞死亡时释放出来的。分析这些遗传信息片段的仪器速度和效率最近大幅提高，促使所谓的无细胞DNA (cfDNA) 检测取得了令人瞩目的进展，尤其是在对发育中的胎儿进行产前检测方面。但最好的可能还在后头。
加州大学圣地亚哥分校生物工程学教授张鹍说：“无论细胞因何种原因死亡，它们都会将DNA释放到血液中。如果你能识别出它们来自哪里，就有可能检测到身体不同部位的损伤。” 由于cfDNA检测只需要简单的抽血，它们有朝一日可能会大大提高医生在疾病早期阶段诊断多种疾病的能力，而疾病在早期阶段通常更容易治疗。它们还可以减少移植后监测新器官健康状况所需的痛苦活检。正如一位研究人员所说，cfDNA可能成为终极“分子听诊器”，开创一种全新的行医方式——就像声学听诊器在19世纪引入后永远改变了诊断机会一样。
cfDNA测序的第一个商业应用在2011年首次亮相。新的血液检测可以通过检查孕妇血液中的胎儿DNA，在怀孕的头几个月识别出唐氏综合征和类似的遗传疾病。（孕妇血液中约有10%到15%的DNA来自胎盘，胎盘在基因上与胎儿相似。）这些孕妇血液检测正在迅速取代不太准确的程序，如超声波加血液分析。
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最近，研究人员开始研究cfDNA，以开发所谓的液体活检，这种活检可以分析肿瘤的遗传构成或寻找癌症复发的证据。肿瘤在生长和分裂时经常将DNA释放到血液中，而且由于它们通常布满突变，因此它们的混乱DNA明显不同于在正常DNA片段中发现的DNA。第一个液体活检测试仅在三年前推出；尽管它们尚未成为常规护理的一部分，但该领域正在迅速发展。一家公司表示，它将在未来五年内为一百万人提供液体活检测试，另一家公司已为其研究筹集了近10亿美元。
一种类似的cfDNA方法正在移植器官中进行测试，移植器官有被接受者免疫系统排斥的风险。目前，移植医生通过反复进行活检来检查移植器官的健康状况，这既昂贵又具有侵入性。移植后，来自新心脏或肾脏等供体DNA的少量DNA会作为正常细胞出生和死亡过程的一部分在血液中循环。如果宿主免疫系统攻击外来器官，则随着越来越多的外来细胞死亡，供体DNA的比例会增加。一家名为CareDx的公司已经销售一种测试，可以检测到肾移植患者的这种变化。
这些测试可能仅仅是开始。研究人员正在探索DNA片段也可用于发现慢性感染或在疾病引起症状之前检测疾病的可能性。从技术上讲，这是可行的。真正的问题是，它是否也能在常规护理中高效、经济且易于使用。张鹍说，最基本的考虑是：“归根结底，这是否给患者带来真正的益处？”
在斯坦福大学生物工程师斯蒂芬·奎克的实验室从事移植监测研究时，米奇·克尔特斯及其同事注意到血液样本中来自病毒等传染性生物的遗传物质。他们开始研究cfDNA是否可以可靠地识别感染，这真是大海捞针：在血液中发现的DNA片段中，只有十万分之一或百万分之一可能实际上来自病毒或其他病原体，克尔特斯说。
研究人员发明了一种通过减少血液样本中的人类DNA来增强信号的方法。他们的衍生公司Karius今年早些时候推出了一项测试，用于识别住院患者的细菌、真菌、病毒或寄生虫。克尔特斯说，它可以发现活检过于危险的器官（包括肺和大脑）的感染——它最适用于原因不明的感染患者或病重到无法承受手术的患者。
最近的一个案例中，一名患者的CT和MRI扫描显示大脑中有结节，但传统方法无法在不取出少量脑组织的情况下确定病因。新推出的Karius测试指向弓形虫病寄生虫，这种病是可以治疗的。“目前，这些技术是新的，而且比血液培养更昂贵，所以这不是第一道防线，”克尔特斯解释说。“但我毫不怀疑，几年后这将成为必然趋势。” 他们的测试在全国八家医院提供；该公司已扩大其产能和基础设施，并计划在今年晚些时候扩大访问范围。
但要让cfDNA实现其最终承诺——监测身体任何部位的功能——就存在一个问题。在怀孕、癌症和感染中，有单独的基因组需要分析（来自胎儿、肿瘤或传染性生物），因此弄清楚要关注哪些片段并不那么困难。要在其他疾病中使用cfDNA，研究人员必须首先解决一个更棘手的问题：识别DNA来自哪个组织或器官。在这里，测序实际上并没有帮助，因为所有细胞都具有基本相同的基因组；人们无法立即知道正在检查的片段是来自心脏、胃还是肾脏。
一种解决方案是查看甲基，即控制基因开启和关闭方式的DNA化学附着物。它们在不同器官中，甚至在同一器官中的细胞类型之间都具有不同的模式。张鹍的研究小组绘制了全身甲基化图谱，以便可以根据血液中DNA片段的特征模式追溯其来源。
一个以色列研究小组使用类似的方法证明，患有早期糖尿病的人，其血液中来自垂死胰岛细胞的cfDNA升高，而胰岛细胞会随着疾病的进展而丢失。cfDNA测试可能会在人的胰腺受到严重损害之前标记出其患病的胰腺，从而使治疗能够保护器官并保持人的健康。同样，尽管不太一致，但该团队在患有活动性多发性硬化症的人以及心脏病发作后遭受脑损伤的人的血液中发现了来自大脑的cfDNA。去年发表的这项研究只是迈向有用测试的第一步。
华盛顿大学的遗传学家杰伊·申杜尔称cfDNA为未来200年的分子听诊器，并开发了一种替代方法来追踪cfDNA的来源。基因组中紧密盘绕的DNA链在不同组织中的包装方式不同，因此当细胞死亡时，DNA会被切割成独特的模式。例如，心肌cfDNA的长度与脑细胞的cfDNA不同。
在最近的一项研究中，申杜尔的研究小组使用这些模式确定了五名癌症患者肿瘤的来源。他们成立了一家名为Bellwether Bio的公司，将该方法应用于4%至5%的原发部位不明的侵袭性癌症病例，因为了解原发部位可以帮助医生选择最佳治疗方法。
未来可能适用于无细胞DNA测试的其他疾病包括中风或自身免疫性疾病，如狼疮。但张鹍警告说，仅仅能够看到信号并不一定能成为一个好的测试。除了准确之外，测试还必须经济实惠且实用，这可能需要大量的微调和巧妙的工程设计。但它提供了一个有吸引力的可能性：也许有一天，仅仅一小瓶血液就能引领通往更健康的路。