诺奖得主开发基于CRISPR的核酸检测技术,双剑合璧,20分钟即可检测新冠

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撰文|nagashi

编辑 | 王多鱼

排版|水成文


随着德尔塔(Delta)等新冠变异株在全球范围内的广泛传播,世界又掀起了新一轮的新冠感染浪潮。最近的一些研究表明,Delta变异株在人体内的病毒载量是原始毒株的1000倍以上,其传染性更是能与最强的水痘相当。


近日,南京禄口国际机场的新冠疫情随暑期旅游季在全国诸多省市蔓延,南京、张家界、郑州、扬州等疫情较为严峻的城市纷纷开启全员核酸检测,以此掐断病原传播链。


早发现早隔离早治疗”是对付疫情最有力的方式,而诊断是这一切的前提


理想的COVID-19诊断测试应该将快速灵敏易用等优点结合起来,但遗憾的是,现有的基于RT-PCR的新冠检测技术无法满足这三个条件。因此,开发一种检测速度快、特异性高、灵敏度好以及易用性强的检测技术就显得尤为重要。


2021年8月5日,美国加州大学伯克利分校的 Jennifer Doudna 团队等在 Nature Chemical Biology 期刊上发表了题为:Accelerated RNA detection using tandem CRISPR nucleases 的研究论文。


该研究开发了一项基于CRISPR的核酸检测技术——快速串联整合核酸酶检(FIND-IT)。研究团队利用两种不同的CRISPR酶——Cas13aCsm6来实现对极少量新冠病毒RNA的即时检测,最快在20分钟即可得出结果


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这项研究的通讯作者之一——Jennifer Doudna 正是2020年诺贝尔化学奖得主,CRISPR基因编辑技术的先驱之一。


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Jennifer Doudna


2020年12月4日,Jennifer Doudna 团队等就曾在 Cell 期刊发表了题为:Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy 的研究论文。


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该研究开发了一种用于直接检测SARS-CoV-2鼻拭子RNA的无扩增CRISPR-Cas13a方法,该检测方法在30分钟内即可达到约100个拷贝/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。


如今,研究团队再次对这一检测方法进行了优化。在这项发表在 Nature Chemical Biology 期刊上的研究中,研究人员首先证明了不相关的CRISPR核酸酶可以串联部署,由此选用了两种CRISPR酶——Cas13aCsm6


Cas13a是一种靶向RNA的核酸酶,其用于检测的工作原理为:Cas13a蛋白在导向RNA(crRNA)的引导下,识别样本中的特异性RNA序列,Cas13a蛋白、crRNA和靶标RNA形成三元复合物,激活Cas13a蛋白的“非特异性切割”活性,并随机切割溶液中的核酸探针。


因此,当用紫外光照射样本时,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。


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FIND-IT检测技术的原理图


Csm6是来自Ⅲ型CRISPR-Cas系统的二聚体RNA内切酶,基于其信号放大的内源性功能,可以提高RNA检测的上限。不仅如此,研究人员还基于SARS-CoV-2的基因序列设计了8种不同的crRNA,再结合有效的、化学稳定的Csm6激活剂,从而在20min内对SARS-CoV-2实现高灵敏度和快速的即时诊断


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FIND-IT检测技术在20min内即可完成对SARS-CoV-2的诊断


目前,FIND-IT检测技术的检测上限是每微升30个病毒RNA分子,虽然仍落后于目前临床检测金标准——RT-qPCR,但这种检测水平足以协助病毒监测和限制感染的传播。值得一提的是,FIND-IT检测技术没有扩增病毒的RNA,这极大地防止患者样本之间产生交叉污染,使得检测结果更准确。


David Savage 是这项研究的通讯作者之一,他表示:“当我们开始这项研究时,我们希望创造出一种与PCR相当的东西,但不需要扩增。因此,从敏感性的角度来看,我们需要跨越大约1万倍的差距。但如今,我们已经跨越了1000倍,距离成功十分接近了!”


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FIND-IT检测技术的检测限度


最重要的是,研究团队还证明,这种检测方法可以在便携式设备中实现,由微流控芯片和紧凑的检测器组成,以检测从人类样本中提取的病毒RNA。这表明该检测方法是可靠且简单的,适用于对SARS-CoV-2的现场诊断。


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基于FIND-IT检测技术开发的荧光检测器


总而言之,这项FIND-IT检测技术使得灵敏的、直接的RNA检测成为可能,适用于即时感染诊断以及其他广泛的诊断或研究应用。


正如本研究的第一作者Tina Y. Liu博士所说的:“你一定希望有一种快速的诊断方法,这样我们就可以迅速知道自己是否被感染了,例如,在你登机或探亲之前。”


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41589-021-00842-2

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.001


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本篇文章来源于微信公众号:药时代

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