桌面診斷在一小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)果，并且可以編程以檢測(cè) SARS-CoV-2 病毒的變體。

安妮·特拉夫頓 | 麻省理工學(xué)院新聞辦公室

麻省理工學(xué)院(MIT)和哈佛大學(xué)(Harvard University)的工程師設(shè)計(jì)了一種小型桌面設(shè)備，可以在大約一小時(shí)內(nèi)從唾液樣本中檢測(cè)出SARS-CoV-2。在一項(xiàng)新的研究中，他們表明這種診斷方法和現(xiàn)在使用的PCR檢測(cè)方法一樣準(zhǔn)確。

該設(shè)備還可用于檢測(cè)與目前流行的SARS-CoV-2變異相關(guān)的特定病毒突變。這一結(jié)果也可以在一小時(shí)內(nèi)獲得，這可能使追蹤病毒的不同變體變得更加容易，特別是在沒有基因測(cè)序設(shè)施的地區(qū)。

麻省理工學(xué)院(MIT)醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所(IMES)和生物工程系的醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)特梅爾教授詹姆斯·柯林斯(James Collins)說:“我們證明了我們的平臺(tái)可以通過編程來檢測(cè)出現(xiàn)的新變異，我們可以很快地對(duì)它進(jìn)行重新利用?！薄霸谶@項(xiàng)研究中，我們針對(duì)的是英國(guó)、南非和巴西的變異，但你可以很容易地調(diào)整診斷平臺(tái)，以解決Delta變異和其他正在出現(xiàn)的變異?！?/p>

研究人員表示，這種依賴CRISPR技術(shù)的新診斷設(shè)備的組裝成本約為15美元，但如果這種設(shè)備大規(guī)模生產(chǎn)，這些成本可能會(huì)大幅下降。

柯林斯是這項(xiàng)新研究的作者，該研究發(fā)表在今天的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。這篇論文的主要作者是哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的博士后Helena de Puig;羅斯·李(Rose Lee)，波士頓兒童醫(yī)院(Boston Children 's Hospital)和貝絲·以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心(Beth Israel Deaconess Medical Center)的兒科講師，威斯研究所(Wyss Institute)的訪問學(xué)者;Devora Najjar是麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究生;以及威斯研究所(Wyss Institute)臨床研究員、馬薩諸塞州總醫(yī)院(Massachusetts General Hospital)胃腸病學(xué)講師譚曉(Xiao Tan)。

一個(gè)獨(dú)立的診斷

新的診斷基于SHERLOCK，這是柯林斯等人在2017年發(fā)布的基于crispr的工具。該系統(tǒng)的組成部分包括可檢測(cè)特定目標(biāo)RNA序列的RNA引導(dǎo)鏈，以及切割這些序列并產(chǎn)生熒光信號(hào)的Cas酶。所有這些分子成分都可以通過冷凍干燥長(zhǎng)期儲(chǔ)存，并在遇水后重新激活。

去年，柯林斯的實(shí)驗(yàn)室開始將這項(xiàng)技術(shù)用于檢測(cè)SARS-CoV-2病毒，希望他們能夠設(shè)計(jì)出一種診斷設(shè)備，能夠快速產(chǎn)生結(jié)果，并且無需專業(yè)知識(shí)就能操作。他們還希望它能與唾液樣本一起工作，讓用戶更容易使用。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員必須結(jié)合一個(gè)關(guān)鍵的預(yù)處理步驟，使一種叫做唾液核酸酶的酶無法工作，這種酶會(huì)破壞RNA等核酸。一旦樣品進(jìn)入儀器，核酸酶就會(huì)被加熱和兩種化學(xué)試劑滅活。然后，通過唾液穿過細(xì)胞膜，提取并濃縮病毒RNA。

李說:“那層膜是收集和濃縮核酸的關(guān)鍵，這樣我們就能獲得診斷所顯示的敏感性?！?/p>

然后將該RNA樣本暴露在冷凍干燥的CRISPR/Cas組件中，通過自動(dòng)刺穿設(shè)備內(nèi)的密封水包激活這些組件。一鍋反應(yīng)放大RNA樣本，然后檢測(cè)目標(biāo)RNA序列(如果存在的話)。

“我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)完全獨(dú)立的診斷，不需要其他設(shè)備，”譚說?！盎旧希∪讼蜻@個(gè)設(shè)備吐口水，然后你按下一個(gè)活塞，一個(gè)小時(shí)后你就會(huì)得到答案。”

研究人員設(shè)計(jì)了這種設(shè)備，他們稱之為限度儀器化的SHERLOCK (miSHERLOCK)，這樣它多可以有四個(gè)模塊，每個(gè)模塊尋找不同的目標(biāo)RNA序列。原始模塊包含RNA引導(dǎo)鏈，可檢測(cè)任何SARS-CoV-2毒株。其他模塊是特定于與過去一年出現(xiàn)的一些變異相關(guān)的突變，包括B.1.1.7、P.1和B.1.351。

當(dāng)研究人員進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)，Delta變體還沒有廣泛存在，但由于該系統(tǒng)已經(jīng)建成，他們說，設(shè)計(jì)一個(gè)新的模塊來檢測(cè)這種變體應(yīng)該很簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)還可以很容易地通過編程來監(jiān)測(cè)可能使病毒更具傳染性的新突變。

Najjar說:“如果你想做更廣泛的流行病學(xué)調(diào)查，你可以在人群中出現(xiàn)令人擔(dān)憂的突變之前設(shè)計(jì)分析，以監(jiān)測(cè)刺突蛋白中潛在的危險(xiǎn)突變?！?/p>

跟蹤變體

研究人員首先用含有合成SARS-CoV-2 RNA序列的人類唾液測(cè)試了他們的設(shè)備，然后用大約50份病毒檢測(cè)呈陽性的患者樣本進(jìn)行了測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備與目前使用的金標(biāo)準(zhǔn)PCR檢測(cè)一樣準(zhǔn)確，后者需要鼻拭子，需要更多的時(shí)間、更多的硬件和樣品處理才能得出結(jié)果。

該設(shè)備會(huì)產(chǎn)生肉眼可見的熒光讀數(shù)，研究人員還設(shè)計(jì)了一款智能手機(jī)應(yīng)用，可以讀取結(jié)果，并將其發(fā)送給公共衛(wèi)生部門，以便更容易地跟蹤。

研究人員認(rèn)為，他們的設(shè)備可以以每臺(tái)設(shè)備2到3美元的低成本生產(chǎn)。如果FDA批準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)模,他們?cè)O(shè)想,這種診斷可以是有用的對(duì)于那些希望能夠測(cè)試在家里,或在衛(wèi)生保健中心地區(qū)沒有普遍獲得PCR檢測(cè)和基因測(cè)序的SARS-CoV-2變體。

德普伊格說:“檢測(cè)和跟蹤這些變異的能力對(duì)有效的公共衛(wèi)生至關(guān)重要，但不幸的是，變異目前只能在專門的流行病學(xué)中心通過核酸測(cè)序進(jìn)行診斷，而這些中心即使在資源豐富的也是稀缺的?！?/p>

這項(xiàng)研究由Wyss研究所資助;保羅·g·艾倫前沿集團(tuán);由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助的哈佛大學(xué)艾滋病研究中心;Burroughs-Wellcome美國(guó)熱帶醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生學(xué)會(huì)博士后獎(jiǎng)學(xué)金;美國(guó)胃腸病學(xué)協(xié)會(huì)武田制藥研究學(xué)者獎(jiǎng);以及麻省理工-塔塔中心的獎(jiǎng)學(xué)金。