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图8.1：依靠嵌入式纳米传感器检测血液中分子标签的新型智能手机应用。
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癌症
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我们在癌症的诊断和治疗上做得并不好。在第二章中讨论过的乳房造影术或前列腺特异抗原（PSA）测试等群体筛查模式的成本非常高昂，会产出大量假阳性检查结果，以及更多的不必要的活检手术。进行PET或CT等连续性感应扫描，可能会令问题进一步加剧，既增加了假阳性和偶然发现的概率，也将患者暴露在本身就会导致癌症的电离辐射之中。正如基因测序领域的创业家卢克·诺塞克（Luke Nosek）所言：“虽然每过十年，我们的计算机和视频游戏就会攀升到于十年前的高度十倍，但我们却没有十倍于先前水平的癌症治疗手段。除了站不住脚的‘老化’因素之外，我们不了解引来这位人类杀手的原因。我们必须改变现状。”基因组学提供了真正的机遇。我们已经讨论了利用肿瘤和生殖细胞系的基因测序来进行治疗指导，但没有讨论过这种方法在癌症预防领域的应用。用于寻找癌症风险的基因签名而进行的全基因组关联分析，亦称“基因探视”，会随着越来越多的癌症患者进行全基因组测序而变得更加强大，从而使得癌症预测变得更像一门科学，而非艺术。
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我们还有其他工具可以利用。大多数肿瘤都会有细胞脱落，这些细胞被称为循环肿瘤细胞（CTCs），它们存在于血液之中。虽然我们有办法对这些细胞进行计数，但这种实验手段并未被广泛使用，只用在已经被确诊的癌症患者的病情监测中。应用于心脏病的方法同样适用于这一领域。将纳米传感器植入高风险个体，就能获知CTC细胞的数量或循环核酸的信息，后者更为便利，而且对癌症早期的微小信号更为敏感。纳米传感器与个体的智能手机进行通信，亦可以在发现个体体内高水平循环目标时，与主治医生及时联系。此时，就要对个体进行高分辨率成像，以确定是否有癌症的“宏观”证据。这就是以生物标记为指导的成像，与生物导向性治疗如出一辙。
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截至目前，美国仅批准了一种方法——CellSearch。这种方法对一管血液中经确认存在的癌细胞进行计数。而麻省综合医院（Massachusetts General Hospital）开发的一款芯片，利用抗体和磁珠的共同作用，能够在血液的十多亿细胞中发现单一的循环肿瘤细胞。目前研究的一个领域，利用这些细胞作为进一步为肿瘤定性的方法，从某种意义上，可以理解为癌症组织的液相“活检”。将这些细胞分离出来，就有机会进行基因表达，搞清楚是哪个基因处于激活状态，对DNA或RNA转录组进行测序。终有一天，这些技术能在任何时间为个体的癌症状态给出更为细致深入的诊断，并为定向诊断提供富有意义的指导。
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2010年，约翰霍普金斯大学的一组研究人员提出了一个非常新颖的概念，利用循环DNA来进行癌症跟踪，他们称之为“重排列末端的个人化分析”（personalized analysis of rearranged end, PARE）。第五章讨论过，癌症是一种基因疾病，一般以体细胞的染色体内和染色体间的重新排列为特征。这些重新排列会导致多重特定DNA融合，通过癌症基因组测序就能进行识别。格列卫（Gleevec，甲磺酸伊马替尼胶囊）将目标锁定在慢性髓细胞性白血病患者体内的活跃融合基因上，并取得了成功。这种药物利用的是同样的原则，但在这个例子中，融合基因代表的是癌症的驱动因素，而且是很容易取样的恶性血细胞。利用PARE，目标是在固体状态的肿瘤中寻找DNA融合，不是因为这类融合可能导致癌症，也不是因为这类融合能为治疗给出指导，而只是将其视为生物标记。在PARE的第一份报告中，对4位结肠癌患者和两位乳腺癌患者的肿瘤进行的测序，并发现了平均每位患者有9个DNA融合。这类融合只与患者或肿瘤相关，发现之后，可以利用循环肿瘤DNA对癌症进行跟踪，并对融合做进一步评估。
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结果显示，利用每位个体的血液DNA融合，来监测原发性肿瘤或肿瘤转移的外科切除手术效果，以及患者对化疗的反应，都收到了很好的成效。虽然这种技术依赖于大量的测序、计算机分析和DNA融合指认，但终有一天，其操作将越来越简化，也会比目前的宏观成像形态更为敏感。这一方法若想为人们广泛使用，就需要以快速、廉价、可靠的方式进行，我们也要确认，DNA融合是稳定的，还是进一步的融合会消除旧有融合，并创造新型融合。与此同时，研究人员发现，可以在患者尿液中找到一种与前列腺癌相关的常见融合基因，这种方法可能应用在前列腺癌风险预测上，并减少不必要的前列腺活检（第二章讨论过的话题），这一成果振奋人心。
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纳米传感器也可以作为呼吸式癌症测定器。在位于以色列海法的泰克尼康以色列学会（Technicon Israel Institute），研究人员利用配有黄金纳米颗粒的传感器来检测呼吸中因各类癌症而产生的不同化学信号，包括肺癌、乳腺癌和前列腺癌。每个人的呼吸中都带有某些有机化学成分，譬如苯、烯烃和酒精。领导这一项目的工程师霍萨姆·海克（Hossam Haick）认为，如果细胞开始制造一系列异常的有机化学产物，就能体现在呼吸所排放的信号之中，而这些有机化学产物会出现在细胞癌变之前。这种说法非常令人兴奋，但同时也需要进行大量的验证。
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最后，对粪便进行化验，可以有效实现结肠癌的早期确诊。在一项对1100名患者进行的研究中，对粪便中DNA的4个变异基因进行查找，可以找到85％的通过标准肠镜确诊的癌症患者。虽然这种方式会有所遗漏，但相较之下，子宫颈抹片检查只能发现50％的宫颈癌患者。另一种结肠癌确诊的替代方案，是通过一种被称为Septin 9的血液表观遗传标记，这种方法具有高敏感度和高特异率的特征。
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器官移植排斥
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任何器官移植，都存在接收者身体对器官产生排斥的风险。不幸的是，通常用于监测排斥的方法是侵入性的，譬如在心脏移植后进行一系列心脏组织活检。虽然这类手术比较安全，但却是创伤性的：以心脏移植为例，医生将一根带着活检刀（收集组织的小剪刀）的特殊导管插入颈静脉，直达心脏。一种刚刚经过验证的更好的方法，就是利用移植排斥的特定表达属性，来监测血液中存在的基因。而更具吸引力和敏感度的方法，则是寻找器官接收者血液中的捐赠者的DNA。如果浓度较高，就说明接受者对器官组织产生排斥。可以通过嵌入式纳米传感器，在接收者的血流中查找异常存在的捐赠者DNA。
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1型糖尿病
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1型糖尿病，是80种人类自身免疫性疾病中的一种，也是十分重要的一种，尤其对儿童有着很大的影响。通常来看，1型糖尿病在8岁左右发病，但近些年来，越来越多的小患者在更为年幼的时候就患上了糖尿病，甚至5岁之前就能确诊。大量的全基因组关联研究，确认了这种疾病的自身免疫性基础，找到了近30个与免疫系统相关的疾病基因。如图8.2所示，在糖尿病发作之前几年，胰岛β细胞就会出现缓慢而渐进的破坏：孩子在7岁时就出现胰岛β细胞抗体，但直到14岁才确诊为1型糖尿病。
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图8.2：在儿童确诊为糖尿病患者的多年之前，就能在血液中发现不同种类胰岛β细胞抗体的发展。
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研究人员一直针对1型糖尿病进行测序研究，发现罕见的基因变种，或是携带该疾病的异常风险，或是携带对该疾病的防御，可以帮助我们详解某些个体患病的根本原因。这些基因包括干扰素诱导的解链酶（IFIH1）、人唾液酸乙酰酯酶（SIAE），以及干扰素调控因子7驱动的炎症网络（IDIN）。婴儿接受这些基因变种的筛查，不仅可以确定是否存在患糖尿病的风险，而且可以确定究竟是哪个基因和特定免疫系统缺陷在发挥作用。通过注射疫苗或实施免疫疗法等手段来对这些缺陷进行干预，就很有可能预防糖尿病的发作。虽然以前利用胰岛细胞自动抗体的预防实验无一例外的以失败告终，但这些实验都是在小患者血液中已经出现高水平抗体的情况下开始的，这就意味着，细胞破坏活动已在进行中。而且，所有这些实验，都没有通过任何手段确定导致糖尿病的特定免疫路径。目前正在进行实验，利用一种被称为CD3的免疫系统蛋白的抑制剂（如抗体Teplizumab药物）来调解免疫系统，以保护宝贵的胰岛细胞免于破坏的命运。
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目前进行的工作，还有许多提升和改进的空间。这些改进需要高昂的成本：糖尿病，是“条条大路通罗马”；就像任何一种特定的流感疫苗都无法阻止所有类型的流感一样，各类1型糖尿病也需要不同的治疗手段。但是，这一伟大的壮举指日可待。在数字化人体的时代，我们有望看到绝大部分1型糖尿病实现全面可预防。至少，可以利用嵌入式纳米传感器查找自动抗体或其他胰岛细胞下降的分子信号的相同原理，作为独立方法，来探知何时可以进行免疫系统调节。
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哮喘
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哮喘，是儿童服用处方药的最常见原因，也是导致儿童死亡的主要因素之一。儿童的呼吸道比成人小很多，只要炎症发作，就会导致严重后果。我们现在已经获知与哮喘相关的常见基因变种，也开始着手寻找低频率和非常罕见的基因变种。同时，我们还知道，各种环境因素也是诱发哮喘的重要原因，而“环境暴露”通常是导致个体发病的特定模式。
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哮喘的预防，需要多管齐下，同时利用染色体和无线传感器技术。在DNA测序的基础上，了解哪些个体易患哮喘病，同时使用适合于个体情况、针对哮喘病具体根源的定向药物，就可以更好地预防呼吸道炎症。上述方法，仅是整体解决方案的一部分。还需要利用生物传感器，监测空气质量、花粉量、粉尘和霉菌等主要环境指标，再配合上氧气浓度、呼吸频率、心率和强力呼吸容积等生理指标。与“Asthmapolis”项目（见第四章）这样的社交网络相结合，数字化基因组和无线传感器就能通过预防疾病发作或保护个体免受可能导致住院、残疾或死亡的严重疾病发作，为人们提供一个潜在的解决方案。
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无线基因组
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目前，基因组测序或超高处理量基因型分型的硬件价格十分高昂，基本都在50万美元以上。工作中要用到的试剂和人力成本也不便宜。2011年，“桌面”测序仪问世，而我们还需要迈出更大的一步，运用基因组测序的手持移动设备，来实现流感或某种细菌病原体的快速测序。图8.3中展示的样机，利用微芯片晶体管来进行基因型分型或测序，不需要借助样本培养或价格高昂的试剂。医生用棉签蘸取口腔内部的表皮细胞，或取得唾液样本，置入设备顶端，之后，就能快速得出基因型分型以及测序结果，并将结果以极低的成本无线传输到任何地方。虽然这种方法不一定能实现全基因组测序，但它显示出技术之间的融合潜力，以及智能手机和DNA测序技术合二为一的可能性。如今，我们已经可以利用iPad应用“基因组浏览器”（Genome Browser）对测序数据进行展开和解释。
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图8.3 手持基因型分型和测序设备样机。
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