重磅Cell论文详解！利用CRISPR-Cas13a和智能手机摄像头在30分钟内定量检测新冠病毒RNA
来源：本站原创 2020-12-06 23:23
2020年12月6日讯/生物谷BIOON/---想象一下，用拭子擦拭你的鼻孔，然后将拭子放入一个设备中，15到30分钟后，你的手机上就会有一个读数，告诉你是否感染了导致COVID-19疾病的冠状病毒SARS-CoV-2。这一直是美国加州大学伯克利分校、格拉斯通研究所和加州大学旧金山分校的研究人员的愿景。而如今，他们报告了一项科学突破，使他们更接近于实现这一愿
2020年12月6日讯/生物谷BIOON/---想象一下，用拭子擦拭你的鼻孔，然后将拭子放入一种设备中，15到30分钟后，你的手机上就会有一个读数，告诉你是否感染了导致COVID-19疾病的冠状病毒SARS-CoV-2。这一直是美国加州大学伯克利分校、格拉斯通研究所和加州大学旧金山分校的研究人员的愿景。而如今，他们报告了一项科学突破，使他们更接近于实现这一愿景。
抗击COVID-19大流行和全面重新开放美国各地社区的主要障碍之一是获得大规模的快速测试。了解谁是感染者将为政策制定者和公民提供关于病毒潜在传播和威胁的宝贵新见解。
然而，人们往往必须等待几天才能得到结果，如果实验室的测试工作出现积压，甚至需要等待更长时间。而且，大多数感染者症状轻微或没有症状，却仍然携带和传播病毒，这使得情况更加恶化。
在一项新的研究中，这些研究人员概述了一种基于CRISPR的COVID-19测试技术，该技术使用智能手机摄像头，可在30分钟内提供准确结果。相关研究结果于2020年12月4日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy”。
论文共同通讯作者、格拉斯通病毒学研究所主任Melanie Ott博士说，“对于科学界来说，不仅要增加测试，而且要提供新的测试选择，这一直是一项紧迫的任务。我们开发的测试方法可以提供快速、低成本的检测，帮助控制COVID-19的传播。”
这种测试技术是与加州大学伯克利分校生物工程学家Daniel Fletcher博士以及格拉斯通病毒学研究所高级研究员Jennifer Doudna博士合作设计的。Doudna最近因共同发现CRISPR-Cas基因组编辑技术而获得2020年诺贝尔化学奖。
他们的新诊断测试方法不仅可以产生阳性或阴性结果，还可以测量给定样本中的病毒载量（或者说SARS-CoV-2的浓度）。
Fletcher说，“当与重复测试相结合时，测量病毒载量可以帮助确定感染是增加还是减少。监测患者的感染过程可能有助于医护人员估计感染阶段，并实时预测可能需要多长时间才能康复。”
通过直接检测进行更简单的测试
目前的COVID-19测试使用一种叫做定量PCR的方法，它是一种金标准的测试方法。然而，使用这种方法检测SARS-CoV-2面临的一个问题是，它需要DNA。冠状病毒是一种RNA病毒，这意味着要使用PCR方法，病毒RNA必须首先转化为DNA。此外，这种方法依赖于两个步骤的化学反应，包括一个扩增步骤，以提供足够的DNA使其可检测。所以，目前的测试方法通常需要训练有素的使用者、专门的试剂和繁琐的实验室设备，这严重限制了开展测试的地点，并导致接收测试结果的延迟。
作为PCR的替代方法，科学家们正在开发基于基因编辑技术CRISPR的测试策略，其中CRISPR擅长特异性识别遗传物质。
迄今为止，所有CRISPR诊断方法都需要将病毒RNA转化为DNA，并在测试前对它进行扩增，这增加了检测时间和复杂性。相比之下，这项新研究中描述的新方法跳过了所有的转化和扩增步骤，利用CRISPR直接检测病毒RNA。
Doudna说，“我们对基于CRISPR的诊断方法感到兴奋的一个原因是，在需要的时候有可能获得快速、准确的结果。这在测试机会有限的地方特别有用，或者在需要频繁、快速检测的时候，特别有帮助。它可能消除我们在COVID-19测试中观察到的很多瓶颈。”
论文共同第一作者Parinaz Fozouni是在Ott实验室工作的加州大学旧金山分校研究生，过去几年一直在研究HIV RNA测试系统。但是在2020年1月，当冠状病毒SRAS-CoV-2在全球范围内成为一个更大的问题，并且测试是一个潜在的隐患时，她和她的同事们决定将他们的研究重点转移到COVID-19。另外几名论文共同第一作者为来自Fletcher团队的Sungmin Son和María Díaz de León Derby。
Fozouni说，“我们知道我们正在开发的测试方法将是一个在逻辑上适合帮助解决当前危机的选择，这是因为它可以用最少的资源进行快速测试。我们用切割RNA的Cas13a代替了一种众所周知的识别和切割DNA的名为Cas9的CRISPR蛋白。”
在这种新的测试方法中，Cas13a蛋白与一种在切割时会产生荧光的报告分子结合在一起，然后与来自鼻腔拭子的患者样本混合。混合后的样本被放置在一种连接到智能手机的设备中。如果样本中含有SARS-CoV-2 RNA，Cas13就会被激活，并切割报告分子，导致荧光信号产生。然后，基本上变成了显微镜的智能手机摄像头可以检测到荧光，并报告测试的拭子呈病毒阳性。
Ott说，“这种测试方法的真正独特之处在于，它使用一步反应直接测试病毒RNA，而不是传统PCR测试中的两步过程。更简单的化学反应，配合智能手机摄像头，缩短了测试时间，不需要复杂的实验室设备。它还可以让这种测试方法产生定量测量结果，而不是简单的阳性或阴性结果。”
这些研究人员还表示，他们的测试方法可以适用于各种手机，从而使得它易于使用。Fletcher解释说，“我们选择使用手机作为我们检测设备的基础，这是因为它们具有直观的用户界面和高灵敏度的摄像头，让我们可以用来检测荧光。手机也是大规模生产的，而且成本效益高，这表明专门的实验室仪器并不是这种测试方法所必需的。”
准确和快速的结果可限制大流行性疫情发生
当这些研究人员用患者样本测试他们的检测设备时，他们证实该设备可以为临床相关病毒载量的样本提供非常快的结果周转时间。事实上，该设备能在5分钟内准确检测一组阳性样本。对于病毒载量较低的样本，该设备需要长达30分钟才能将它与具有阴性测试结果的样本区分开来。
Ott说，“最近的SARS-CoV-2模型表明，频繁的测试与快速的周转时间是我们克服当前流行病所需要的。我们希望通过增加测试方法，我们可以避免封锁和保护最脆弱的人群。”
这种基于CRISPR的新测试方法不仅为快速测试提供了一个很有前途的选择，而且通过使用智能手机，避免了对笨重的实验室设备的需要，它有可能变得便携，最终可以在医疗点使用，甚至在家使用。而且，它还可能扩展到诊断SARS-CoV-2以外的其他呼吸道病毒。
此外，智能手机摄像头的高灵敏度，加上它们的连接性、GPS和数据处理能力，使得它们成为低资源地区诊断疾病的有吸引力的工具。
Ott说，“我们希望将我们的测试方法开发成一种设备，该设备可以立即将结果上传到基于云的系统中，同时保持患者的隐私，这对于接触者追踪和流行病学研究非常重要。这种基于智能手机的诊断测试方法可能在控制当前和未来的流行病方面发挥关键作用。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Parinaz Fozouni et al. Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.12.001.
2.Researchers adapt cell phone camera for SARS-CoV-2 detection
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/cp-rac120420.php
3.New CRISPR-Based Test for COVID-19 Uses a Smartphone Camera
https://gladstone.org/news/new-crispr-based-test-covid-19-uses-smartphone-camera
抗击COVID-19大流行和全面重新开放美国各地社区的主要障碍之一是获得大规模的快速测试。了解谁是感染者将为政策制定者和公民提供关于病毒潜在传播和威胁的宝贵新见解。
然而，人们往往必须等待几天才能得到结果，如果实验室的测试工作出现积压，甚至需要等待更长时间。而且，大多数感染者症状轻微或没有症状，却仍然携带和传播病毒，这使得情况更加恶化。
在一项新的研究中，这些研究人员概述了一种基于CRISPR的COVID-19测试技术，该技术使用智能手机摄像头，可在30分钟内提供准确结果。相关研究结果于2020年12月4日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy”。
论文共同通讯作者、格拉斯通病毒学研究所主任Melanie Ott博士说，“对于科学界来说，不仅要增加测试，而且要提供新的测试选择，这一直是一项紧迫的任务。我们开发的测试方法可以提供快速、低成本的检测，帮助控制COVID-19的传播。”
这种测试技术是与加州大学伯克利分校生物工程学家Daniel Fletcher博士以及格拉斯通病毒学研究所高级研究员Jennifer Doudna博士合作设计的。Doudna最近因共同发现CRISPR-Cas基因组编辑技术而获得2020年诺贝尔化学奖。
他们的新诊断测试方法不仅可以产生阳性或阴性结果，还可以测量给定样本中的病毒载量（或者说SARS-CoV-2的浓度）。
Fletcher说，“当与重复测试相结合时，测量病毒载量可以帮助确定感染是增加还是减少。监测患者的感染过程可能有助于医护人员估计感染阶段，并实时预测可能需要多长时间才能康复。”
通过直接检测进行更简单的测试
目前的COVID-19测试使用一种叫做定量PCR的方法，它是一种金标准的测试方法。然而，使用这种方法检测SARS-CoV-2面临的一个问题是，它需要DNA。冠状病毒是一种RNA病毒，这意味着要使用PCR方法，病毒RNA必须首先转化为DNA。此外，这种方法依赖于两个步骤的化学反应，包括一个扩增步骤，以提供足够的DNA使其可检测。所以，目前的测试方法通常需要训练有素的使用者、专门的试剂和繁琐的实验室设备，这严重限制了开展测试的地点，并导致接收测试结果的延迟。
作为PCR的替代方法，科学家们正在开发基于基因编辑技术CRISPR的测试策略，其中CRISPR擅长特异性识别遗传物质。
图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.12.001。
迄今为止，所有CRISPR诊断方法都需要将病毒RNA转化为DNA，并在测试前对它进行扩增，这增加了检测时间和复杂性。相比之下，这项新研究中描述的新方法跳过了所有的转化和扩增步骤，利用CRISPR直接检测病毒RNA。
Doudna说，“我们对基于CRISPR的诊断方法感到兴奋的一个原因是，在需要的时候有可能获得快速、准确的结果。这在测试机会有限的地方特别有用，或者在需要频繁、快速检测的时候，特别有帮助。它可能消除我们在COVID-19测试中观察到的很多瓶颈。”
论文共同第一作者Parinaz Fozouni是在Ott实验室工作的加州大学旧金山分校研究生，过去几年一直在研究HIV RNA测试系统。但是在2020年1月，当冠状病毒SRAS-CoV-2在全球范围内成为一个更大的问题，并且测试是一个潜在的隐患时，她和她的同事们决定将他们的研究重点转移到COVID-19。另外几名论文共同第一作者为来自Fletcher团队的Sungmin Son和María Díaz de León Derby。
Fozouni说，“我们知道我们正在开发的测试方法将是一个在逻辑上适合帮助解决当前危机的选择，这是因为它可以用最少的资源进行快速测试。我们用切割RNA的Cas13a代替了一种众所周知的识别和切割DNA的名为Cas9的CRISPR蛋白。”
在这种新的测试方法中，Cas13a蛋白与一种在切割时会产生荧光的报告分子结合在一起，然后与来自鼻腔拭子的患者样本混合。混合后的样本被放置在一种连接到智能手机的设备中。如果样本中含有SARS-CoV-2 RNA，Cas13就会被激活，并切割报告分子，导致荧光信号产生。然后，基本上变成了显微镜的智能手机摄像头可以检测到荧光，并报告测试的拭子呈病毒阳性。
Ott说，“这种测试方法的真正独特之处在于，它使用一步反应直接测试病毒RNA，而不是传统PCR测试中的两步过程。更简单的化学反应，配合智能手机摄像头，缩短了测试时间，不需要复杂的实验室设备。它还可以让这种测试方法产生定量测量结果，而不是简单的阳性或阴性结果。”
这些研究人员还表示，他们的测试方法可以适用于各种手机，从而使得它易于使用。Fletcher解释说，“我们选择使用手机作为我们检测设备的基础，这是因为它们具有直观的用户界面和高灵敏度的摄像头，让我们可以用来检测荧光。手机也是大规模生产的，而且成本效益高，这表明专门的实验室仪器并不是这种测试方法所必需的。”
准确和快速的结果可限制大流行性疫情发生
当这些研究人员用患者样本测试他们的检测设备时，他们证实该设备可以为临床相关病毒载量的样本提供非常快的结果周转时间。事实上，该设备能在5分钟内准确检测一组阳性样本。对于病毒载量较低的样本，该设备需要长达30分钟才能将它与具有阴性测试结果的样本区分开来。
Ott说，“最近的SARS-CoV-2模型表明，频繁的测试与快速的周转时间是我们克服当前流行病所需要的。我们希望通过增加测试方法，我们可以避免封锁和保护最脆弱的人群。”
这种基于CRISPR的新测试方法不仅为快速测试提供了一个很有前途的选择，而且通过使用智能手机，避免了对笨重的实验室设备的需要，它有可能变得便携，最终可以在医疗点使用，甚至在家使用。而且，它还可能扩展到诊断SARS-CoV-2以外的其他呼吸道病毒。
此外，智能手机摄像头的高灵敏度，加上它们的连接性、GPS和数据处理能力，使得它们成为低资源地区诊断疾病的有吸引力的工具。
Ott说，“我们希望将我们的测试方法开发成一种设备，该设备可以立即将结果上传到基于云的系统中，同时保持患者的隐私，这对于接触者追踪和流行病学研究非常重要。这种基于智能手机的诊断测试方法可能在控制当前和未来的流行病方面发挥关键作用。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Parinaz Fozouni et al. Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.12.001.
2.Researchers adapt cell phone camera for SARS-CoV-2 detection
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/cp-rac120420.php
3.New CRISPR-Based Test for COVID-19 Uses a Smartphone Camera
https://gladstone.org/news/new-crispr-based-test-covid-19-uses-smartphone-camera
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