COVID-19仍在全球肆虐,目前在世界范围内,SARS-CoV-2确诊病例超3400万。“早发现、早隔离、早治疗”是应对传染病最有效的方法,而毫无疑问,诊断是一切的前提。由此看来,对SARS-CoV-2进行快速、精确的诊断是十分重要的。
近日,加州大学、格莱斯顿研究所等研究机构的研究人员在预印本平台medRivx上联合发表题为Directdetection of SARS-CoV-2 using CRISPR-Cas13a and a mobile phone的研究论文[1]。Science News对其进行报道[2]。
这项研究利用CRISPR基因编辑技术开发出一种只需5分钟就能检测出SARS-CoV-2的检测方法。这种诊断方法不需要昂贵的实验室设备来运行,可以在医生的办公室、学校和办公楼中使用。
研究截图
值得一提的是,这项研究的作者之一——JenniferA. Doudna是新晋诺贝尔化学奖得主,Doudna是CRISPR基因编辑技术的先驱之一,并在该领域做出了杰出的贡献。此外,今年诺贝尔化学奖的另一位获奖人Emmanuelle Charpentier也是一名杰出的女科学家。
在此之前,诺贝尔科学奖并没有只授予两位女性。对此,Doudna说道:“女性,尤其是年轻女性能看到这一点——女性的工作可以像男性一样得到认可,这真是太棒了。”[3]
诺贝尔化学奖得主——EmmanuelleCharpentier(左)和Jennifer A.Doudna(右)
实际上,早在4月中旬,加利福尼亚大学旧金山分校的研究人员和Mammoth Biosciences的科学家在NatureBiotechnology发表论文CRISPR-Cas12-baseddetection of SARS-CoV-2[4],文中报告了一种基于CRISPR-Cas12的试纸化新冠检测技术,通过鼻咽拭子便可检测 SARS-CoV-2。
有趣的是,该研究正是基于Doudna团队此前开发的DETECTR检测技术[5],同时Doudna教授也是Mammoth Biosciences的顾问委员会成员之一。
如今,CRISPR诊断技术已成为诊断SARS-CoV-2十分有潜力的方法。相比于传统的荧光RT-PCR检测方法,CRISPR检测技术可以在大约一个1小时内检测出病毒,并且可以实现无仪器化的现场诊断,避免繁琐而漫长的送样过程。
以Doudna团队开发的CRISPR诊断技术为例,其工作原理是:Cas12蛋白在导向RNA(crRNA)的引导下,识别等温扩增样品中的特异性核酸序列,当样本中存在病毒的靶标DNA序列时,crRNA与该靶标DNA序列结合时,激活Cas12蛋白的“附带切割”活性,并随机切割溶液中的核酸探针。当用激光照射样本时,阳性样本会发出荧光,而阴性样本则无荧光,从而判断样本中是否含有病毒。
Cas12a结合靶标序列激活非特异性ssDNA切割活性
这些早期的CRISPR诊断技术首先都要求对样本中的病毒RNA进行等温扩增。不过这也增加了检测的复杂性、成本和时间,如果能减少这一步,那么CRISPR诊断技术至少能再加快半小时!
在这项先行发表在medRivx上的研究论文中,Doudna领导的研究团队报告了一种新的CRISPR诊断方法,这种方法无需对SARS-CoV-2的RNA序列进行扩增。Doudna及其同事花了几个月的时间测试了数百种crRNA,以此找到多个可以协同工作而提高检测灵敏度的crRNA。
研究人员报告称,这是一种基于CRISPR-Cas13的无扩增手机检测方法,可以从鼻咽拭子的RNA提取物中直接检测SARS-CoV-2。该方法在30分钟内即可达到约100 copies/μL的灵敏度,并可在5分钟内准确检测出一组阳性临床样本。
本研究的模式图
此外,研究人员还通过组合使用靶向SARS-CoV-2 RNA的crRNAs来提高敏感性和特异性,并与基于手机的定量分析相结合,以此提供快速、低成本的现场筛查,帮助新冠疫情高发地区控制COVID-19大流行。
对此,格莱斯顿研究所的高级研究员Melanie Ott说道:“在精确度和灵敏度上,该方法仍然不如荧光RT-PCR等传统的检测方法好,但该方法能够快速且相对精确地识别一批5个阳性临床样本,每次试验只需5分钟。而常规检测可能需要1天甚至更长时间才能返回结果。”
新的CRISPR检测方法最快检测时间为5min
与此同时,相较于之前的CRISPR检测方法,这一新的检测方法除了速度更快之外,其另一个关键优势时可以使用酶动力学直接定量病毒载量——荧光信号的强度与样本中的病毒数量成正比。
新的CRISPR检测方法可以直接定量病毒载量
这意味着,该新型检测方法不仅可以揭示待检测样本是否呈阳性,还可以衡量患者携带了多少病毒。而这些信息可以帮助医生判断COVID-19患者的感染程度并根据每个病人的情况制定相应治疗方案。
最后,Doudna和Ott还表示,他们的研究团队正在努力验证该检测方法的准确性和有效性,并尝试将其商业化。
【参考文献】
[1]medRxiv 2020.09.28.20201947; doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.28.20201947
[2]https://www.sciencemag.org/news/2020/10/new-test-detects-coronavirus-just-5-minutes.doi:10.1126/science.abf1752
[3]https://www.sciencemag.org/news/2020/10/crispr-revolutionary-genetic-scissors-honored-chemistry-nobel.doi:10.1126/science.abf0540
[4]Broughton, J.P., Deng, X., Yu, G. et al. CRISPR–Cas12-based detectionof SARS-CoV-2. NatBiotechnol 38, 870–874 (2020).https://doi.org/10.1038/s41587-020-0513-4
推荐阅读