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为解决 cfDNA 在疾病检测和监测中的应用问题，研究人员开展了对 cfDNA 特征和属性的研究。结果表明，cfDNA 的结构多样性受多种因素影响，其分析可用于癌症检测、治疗监测等。这为液体活检技术发展和个性化医疗提供了重要依据。
在现代医学探索的征程中，疾病的早期精准检测与有效监测始终是关键难题。传统检测手段，如组织活检，虽能提供重要信息，但因其侵入性，给患者带来痛苦，且存在一定风险，还可能无法及时反映疾病动态变化。随着科技的飞速发展，液体活检技术崭露头角，其中无细胞 DNA（cfDNA）作为极具潜力的生物标志物，引发了广泛关注。
cfDNA 是存在于体液中的碎片化 DNA 分子，来源广泛，涵盖肿瘤细胞、免疫细胞和胎盘细胞等。它宛如一面镜子，间接映射出复杂的生物过程。过往研究发现，细胞凋亡时，cfDNA 的存在与否与核小体蛋白或转录因子的关联密切相关，这些关联受基因表达状态影响，进而塑造了 cfDNA 的多种特征，包括片段大小、末端基序、甲基化模式、突变谱和浓度等。基于此，深入剖析 cfDNA 的特征和属性，对推动精准医疗发展意义重大。
此次研究由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校牙科学院等机构的研究人员 Neeti Swarup、Ho Yeung Leung、Irene Choi 等人开展。他们深入探究 cfDNA，旨在揭示其在疾病检测和监测中的潜在价值，研究成果发表于《Molecular Diagnosis & Therapy》。
研究人员在探索 cfDNA 的过程中，运用了多种前沿技术。在测序技术方面，采用全基因组测序（WGS）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）和靶向测序等方法，从不同层面检测和分析 cfDNA。同时，借助单分子实时测序等技术，获取高分辨率的 cfDNA 结构信息。此外，利用生物信息学工具，进行数据质量控制、序列比对和分析，挖掘 cfDNA 蕴含的关键信息。
1. cfDNA 的形态学特征
研究发现，cfDNA 呈现多种形态，包括线性片段和圆形结构。线性片段可能与核小体相关，或由 DNA 断裂产生；圆形 cfDNA 则包括微 DNA、小多分散性圆形 DNA 等，其来源与 DNA 修复机制、同源重组等相关。cfDNA 片段长度存在多个峰值，如单核小体长度约 167bp（mncfDNA）、双核小体长度约 320bp（dncfDNA）、三核小体长度约 480bp（tncfDNA），还有长度在 40 - 70bp 的超短 cfDNA（uscfDNA）。在病理状态下，如癌症，cfDNA 片段平均长度会缩短，且短片段在早期胰腺癌中突变富集，这表明片段长度的相对丰度可作为有效的生物标志物。
2. cfDNA 形成的相关过程
细胞死亡（如凋亡、坏死）和炎症等生物过程对 cfDNA 的形成至关重要。凋亡时，细胞 DNA 在核酸酶作用下逐步裂解，先形成核小体长度的 cfDNA，再进一步降解。炎症与 cfDNA 相互影响，炎症可导致 cfDNA 释放增加，且释放具有双相性，先由造血细胞释放，后是非造血细胞。核酸酶依赖的 DNA 裂解是 cfDNA 形成的关键分子过程，不同核酸酶在不同组织表达，其活性影响 cfDNA 的片段特征。
3. cfDNA 的结构特征与关联
核小体蛋白相关的 cfDNA 能反映染色质结构、基因调控和疾病状态。核小体耗尽区域（NDRs）与基因调控元件相关，cfDNA 在这些区域的覆盖模式不同，可反映蛋白质 - DNA 相互作用。转录因子结合位点（TFBS）相关的 cfDNA 含有特定序列基序，分析其可洞察 DNA、蛋白质和其他调控元件的相互作用。甲基化的 cfDNA 对 DNA 裂解有影响，可用于癌症早期检测等，且不同 cfDNA 子集甲基化程度不同。
4. cfDNA 的其他来源
线粒体 cfDNA（mtcfDNA）源于线粒体基因组，其长度与 uscfDNA 重叠，分析 mtcfDNA 有助于了解线粒体生物学和疾病机制，但检测时需克服核 DNA 污染问题。微生物 cfDNA 来自微生物，在感染或菌群失调时出现，可反映微生物群落信息，其检测和分析面临人类 DNA 干扰和微生物基因组多样性挑战。
5. cfDNA 在不同生物流体中的特征
血液、尿液和唾液等生物流体中的 cfDNA 浓度和特征各异。血液中 cfDNA 浓度较高，常用于液体活检；尿液和唾液中 cfDNA 浓度较低，但在检测泌尿系统和口腔疾病方面有独特价值。尿液和唾液中的 cfDNA 更易碎片化，且口腔微生物对唾液 cfDNA 贡献显著，不同生物流体中核小体和非核小体 cfDNA 比例也不同。
6. cfDNA 的其他生物学作用
cfDNA 在信号传导、免疫调节和生物膜维持等方面发挥作用。它可诱导炎症反应，影响癌细胞表型转化，还参与微生物生物膜的形成。cfDNA 在生物流体中的半衰期短，其清除涉及多种生物过程，在癌症等疾病中，循环肿瘤 DNA（ctDNA）的检测和分析面临挑战，但研究人员已取得一定进展。
7. cfDNA 分析的技术考量
cfDNA 分析涉及多个技术环节，包括 DNA 提取、文库制备、测序和生物信息学分析等。不同提取方法和文库制备方式影响 cfDNA 的捕获和测序，测序技术和测序仪的选择取决于研究目的，生物信息学分析则需严格质量控制，以确保数据准确性。
8. cfDNA 的临床应用
cfDNA 在临床应用广泛，尤其在肿瘤学领域。通过分析 cfDNA 的突变、甲基化模式等特征，可用于癌症的检测和筛查，如基于 cfDNA 甲基化的多癌早期检测（MCED）测试。同时，cfDNA 还可用于癌症治疗监测、预后评估和预测，如通过监测 cfDNA 水平和片段特征评估治疗效果和微小残留疾病（MRD）。
这项研究系统地揭示了 cfDNA 的多种特征和属性，为液体活检技术的发展提供了坚实的理论基础。它不仅有助于提高疾病早期检测的准确性，还为个性化医疗开辟了新途径，让医生能够根据患者的 cfDNA 特征制定更精准的治疗方案。然而，目前对 cfDNA 的研究仍面临一些挑战，如不同研究之间的结果一致性、检测技术的标准化等。未来，需要进一步深入研究，解决这些问题，推动 cfDNA 在临床实践中的广泛应用，为人类健康事业带来更多福祉。
