Tại sao CRISPR có thể là chìa khóa để xét nghiệm coronavirus tại nhà nhanh hơn
Một nhà khoa học phân tử sinh học giải thích làm thế nào kỹ thuật chỉnh sửa gen có thể giúp kiểm tra coronavirus dễ dàng hơn mà không cần bất kỳ thiết bị đắt tiền nào.
Tại sao CRISPR có thể là chìa khóa để xét nghiệm coronavirus tại nhà nhanh hơn
[Ảnh: StudioM1 / iStock]
BỞI PIYUSH K.6 PHÚT ĐỌC
Một công cụ rất cần thiết để ngăn chặn đại dịch COVID-19 là một bộ xét nghiệm nhanh tại nhà rẻ tiền, có thể phát hiện coronavirus mà không cần phải đến bệnh viện.
Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm đã phê duyệt một số bộ dụng cụ lấy mẫu tại nhà nhưng một số nhà nghiên cứu , bao gồm cả tôi, đang sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen được gọi là CRISPR để thực hiện các xét nghiệm tại nhà. Nếu chúng hoạt động, các thử nghiệm này có thể rất chính xác và cung cấp cho mọi người câu trả lời trong khoảng một giờ.
Tôi là một nhà khoa học phân tử sinh học được đào tạo về khoa học dược phẩm và kỹ thuật y sinh, và phòng thí nghiệm của tôi tập trung vào phát triển các công nghệ thế hệ tiếp theo để phát hiện và điều trị ung thư, di truyền và các bệnh truyền nhiễm.
Bệnh COVID-19 được gây ra bởi một loại coronavirus có tên hội chứng hô hấp cấp tính nặng coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Không giống như con người mang vật liệu di truyền được mã hóa trong DNA, coronavirus mã hóa chúng trong một phân tử có liên quan gọi là RNA.
Nhóm nghiên cứu của tôi gần đây đã thiết kế một công nghệ dựa trên CRISPR nhạy cảm, mà chúng tôi đặt tên là CRISPR-ENHANCE và đã sử dụng nó để tạo ra một thử nghiệm nhanh chóng cho SARS-CoV-2 RNA. Xét nghiệm của chúng tôi hoạt động giống như thử thai và cho thấy hai vạch màu tím nếu mẫu dương tính với virus. Sử dụng công nghệ của chúng tôi, tôi hình dung việc phát triển một bộ thử nghiệm cho phép phát hiện nhanh RNA SARS-CoV-2 trong nước bọt trong vòng 45 đến 60 phút tại nhà mà không cần bất kỳ thiết bị đắt tiền nào.
HIỆN TẠI XÉT NGHIỆM CORONAVIRUS
FDA gần đây đã bật đèn xanh cho một vài bộ dụng cụ lấy mẫu từ LabCorp và Everywell theo Ủy quyền sử dụng khẩn cấp (EUA) cho phép mọi người gửi mẫu tăm bông mũi để phân tích. Bệnh nhân có thể lấy tăm mũi, gửi mẫu đến phòng thí nghiệm và chờ vài ngày để lấy lại kết quả.
Mặc dù không phải là bộ dụng cụ thử nghiệm tại nhà, thử nghiệm cho phép các mẫu được chuyển trực tiếp đến phòng thí nghiệm để phát hiện RNA SARS-CoV-2. Ở đó, họ sử dụng một kỹ thuật gọi là phản ứng chuỗi sao chép-polymerase ngược (RT-PCR), giúp chuyển đổi RNA virus thành DNA để có thể dễ dàng nhân lên và phát hiện.
Mặc dù hầu hết các xét nghiệm được FDA chấp thuận đều dựa trên việc phát hiện RNA SARS-CoV-2 ở giai đoạn đầu, trước khi các triệu chứng xuất hiện, các xét nghiệm này chỉ có thể được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm với thiết bị đắt tiền và có thể mất nhiều ngày để có kết quả.
Một số bộ dụng cụ xét nghiệm kháng thể đã được FDA chấp thuận sử dụng dải dòng chảy bên trên giấy, cũng tương tự như dải thử thai tại nhà, để phát hiện các kháng thể gọi là IgM và IgG. Hầu như tất cả các bệnh nhân nhiễm SARS-CoV-2 đều tạo ra kháng thể trong vòng 19 ngày kể từ khi xuất hiện triệu chứng và sau đó cơ thể tiếp tục tạo ra các kháng thể có thể phát hiện được trong vài tuần đến vài tháng ngay cả khi các triệu chứng biến mất. Do đó, Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh khuyến nghị sử dụng xét nghiệm kháng thể để phát hiện các bệnh nhiễm trùng trong quá khứ.
Tuy nhiên, coronavirus thường rất hoạt động và dễ lây lan trong tuần đầu tiên bị nhiễm trùng và đạt đỉnh vào ngày xuất hiện triệu chứng. Do đó, để ngăn chặn sự lây lan của coronavirus, điều cực kỳ quan trọng là phát hiện sớm coronavirus để ngăn chặn sự lây lan.
Xét nghiệm kháng thể có thể là tuyệt vời để phát hiện các bệnh nhiễm trùng trong quá khứ nhưng họ không thể phát hiện đáng tin cậy các nhiễm trùng hiện tại hoặc sớm. Sự xuất hiện chậm trễ và sự biến đổi của kháng thể từ bệnh nhân sang bệnh nhân trong xét nghiệm máu làm phức tạp thêm chẩn đoán COVID-19 với bộ dụng cụ xét nghiệm kháng thể.
Ngoài ra, sự thay đổi giữa các phương pháp xét nghiệm kháng thể khác nhau đã làm dấy lên nghi ngờ về độ tin cậy của các bộ xét nghiệm này.
Do đó, Viện Y tế Quốc gia gần đây đã công bố Tăng tốc Chẩn đoán (RADx) nhanh chóng , cung cấp tới 500 triệu đô la Mỹ tài trợ để tăng cường các công nghệ phát hiện virus SARS-CoV-2.
CÁCH CHẨN ĐOÁN DỰA TRÊN CRISPR HOẠT ĐỘNG
Hầu hết mọi người biết đến các hệ thống CRISPR / Cas như một công nghệ chỉnh sửa gen nổi tiếng có thể chỉnh sửa DNA chính xác. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một phân tử RNA hướng dẫn với một chuỗi gen đích phục vụ như GPS và phóng to một vị trí trên DNA nơi protein Cas, một cặp kéo phân tử, có thể cắt tại vị trí mong muốn.
Các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm của Feng Zhang tại MIT , Jennifer Doudna tại UC Berkeley và những người khác đã phát hiện ra một số phiên bản mới hơn của hệ thống CRISPR / Cas, bao gồm cả những phiên bản sử dụng protein Cas12a và Cas13a-d , bị cắt điên cuồng khi họ tìm thấy sự trùng khớp của chúng.
Các đồng nghiệp của tôi và tôi đã sử dụng kỹ thuật CRISPR dựa trên Cas12a này để phát hiện coronavirus.
RNA coronavirus kích hoạt CRISPR / Cas, biến đổi một cặp kéo phân tử được kiểm soát thành một cưa máy không thể ngăn cản. Khi enzyme CRISPR / Cas kích hoạt, chúng ta biết rằng trình tự di truyền của coronavirus có trong mẫu nước bọt. Để làm cho tín hiệu của coronavirus mạnh hơn trong bộ thử nghiệm, chúng tôi đã thêm hàng triệu phân tử phóng viên tổng hợp, tên lửa, cũng được băm nhỏ bằng cơ chế CRISPR / Cas. Điều này có nghĩa là trong vòng vài phút, chúng tôi có thể phát hiện sự hiện diện của coronavirus.
Theo EAU, FDA gần đây đã phê duyệt bộ xét nghiệm RNA SARS-CoV-2 dựa trên CRISPR đầu tiên của Sherlock Bioscatics để thử nghiệm gạc mũi trong phòng thí nghiệm. Mặc dù chưa được phê duyệt để thử nghiệm tại nhà, đây là một bước nhảy vọt lớn đối với sự phát triển của chẩn đoán dựa trên CRISPR.
Mặc dù các bộ thử nghiệm dựa trên CRISPR tương tự đang được phát triển, bao gồm một bộ từ Mammoth Bioscatics và các bộ khác, công nghệ CRISPR-ENHANCE của chúng tôi dựa trên các RNA CRISPR được thiết kế để tăng tốc độ của Cas12a, cưa xích từ ba đến bốn lần.
Kỹ thuật này tăng cường đáng kể độ nhạy của phát hiện. Hệ thống của chúng tôi có thể phát hiện ít virus hơn trong một mẫu lâm sàng nhanh hơn với chỉ số trực quan rõ ràng. Chúng tôi đang trong quá trình xác nhận lâm sàng công nghệ CRISPR-ENHANCE để phát hiện RNA SARS-CoV-2.
TĂNG TỐC ĐỘ CHẨN ĐOÁN CRISPR
Phương pháp thu thập tiêu chuẩn để phát hiện virus đường hô hấp trong phòng khám là tăm bông mũi. Tuy nhiên, coronavirus đã được phát hiện ở mức tương đương trong nước bọt, vì vậy một số nhà nghiên cứu hiện đang chuyển sang nước bọt để xét nghiệm chẩn đoán.
Thu thập nước bọt không chỉ ít xâm lấn hơn gạc mũi mà còn chứa nhiều virus hơn , giúp phát hiện dễ dàng hơn với RT-PCR. Trên thực tế, một bộ sưu tập nước bọt tại nhà vừa được FDA bật đèn xanh vào ngày 8 tháng 5 năm 2020. Trong nghiên cứu kiểm chứng của chúng tôi, chúng tôi sẽ so sánh nội bộ giữa xét nghiệm của chúng tôi giữa tăm bông mũi và nước bọt để được FDA chấp thuận.
Chúng tôi đang phát triển một quy trình sáu bước để xét nghiệm nước bọt tại nhà cùng với tăm bông mũi. Đây là cách nó sẽ làm việc với nước bọt.
Nhổ vào ống lấy mẫu có chứa thuốc thử hóa học khô sẽ bắt đầu phản ứng với nước bọt của bạn khi bạn thả ống kín vào nước ấm trong 30 phút.
Nhiệt giúp các hóa chất phá vỡ hạt vi rút và phơi nhiễm vật liệu di truyền RNA RNA của virut. Các thuốc thử RT-PCR về cơ bản nhân lên RNA virus tạo ra hàng tỷ bản sao, dễ dàng phát hiện hơn.
Sau 30 phút, chuyển lượng chứa trong ống thu thập sang ống thứ hai chứa các thành phần CRISPR khô và để ở nhiệt độ phòng trong 10 đến 15 phút.
Chỉ khi CRISPR / Cas tìm thấy RNA coronavirus cụ thể thì nó mới hoạt động và cắt các phân tử phóng viên tổng hợp được thiết kế và thêm vào ống thứ hai này. Phần này xảy ra chỉ trong sáu phút.
Sau đó chúng tôi thả một dải giấy vào ống thứ hai. Trong vòng 30 giây, một hoặc hai dải màu tím tiết lộ kết quả.
Sau đó, nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe có thể hướng dẫn cá nhân cách ly, cách ly và / hoặc đề nghị thử nghiệm thêm như xét nghiệm dựa trên kháng thể. Trong nghiên cứu của chúng tôi , hiện đang được đánh giá ngang hàng, chúng tôi đã chứng minh rằng bản thân công nghệ ENHANCE rất linh hoạt và cũng có thể được áp dụng để phát hiện một loạt các mục tiêu bao gồm HIV, HCV và ung thư tuyến tiền liệt.
Mặc dù có một số phòng thí nghiệm và công ty đang gấp rút phát triển bộ dụng cụ phát hiện coronavirus dựa trên CRISPR tương tự để xét nghiệm nước bọt, chúng tôi tin rằng phương pháp của chúng tôi cung cấp khả năng phát hiện nhanh nhất. Chúng tôi hy vọng sẽ giảm chi phí của bộ dụng cụ xuống từ 1 đến 2 đô la để các nước đang phát triển cũng có thể mua một bộ xét nghiệm coronavirus nhanh chóng và đáng tin cậy.
Tại sao CRISPR có thể là chìa khóa để xét nghiệm coronavirus tại nhà nhanh hơn
[Ảnh: StudioM1 / iStock]
BỞI PIYUSH K.6 PHÚT ĐỌC
Một công cụ rất cần thiết để ngăn chặn đại dịch COVID-19 là một bộ xét nghiệm nhanh tại nhà rẻ tiền, có thể phát hiện coronavirus mà không cần phải đến bệnh viện.
Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm đã phê duyệt một số bộ dụng cụ lấy mẫu tại nhà nhưng một số nhà nghiên cứu , bao gồm cả tôi, đang sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen được gọi là CRISPR để thực hiện các xét nghiệm tại nhà. Nếu chúng hoạt động, các thử nghiệm này có thể rất chính xác và cung cấp cho mọi người câu trả lời trong khoảng một giờ.
Tôi là một nhà khoa học phân tử sinh học được đào tạo về khoa học dược phẩm và kỹ thuật y sinh, và phòng thí nghiệm của tôi tập trung vào phát triển các công nghệ thế hệ tiếp theo để phát hiện và điều trị ung thư, di truyền và các bệnh truyền nhiễm.
Bệnh COVID-19 được gây ra bởi một loại coronavirus có tên hội chứng hô hấp cấp tính nặng coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Không giống như con người mang vật liệu di truyền được mã hóa trong DNA, coronavirus mã hóa chúng trong một phân tử có liên quan gọi là RNA.
Nhóm nghiên cứu của tôi gần đây đã thiết kế một công nghệ dựa trên CRISPR nhạy cảm, mà chúng tôi đặt tên là CRISPR-ENHANCE và đã sử dụng nó để tạo ra một thử nghiệm nhanh chóng cho SARS-CoV-2 RNA. Xét nghiệm của chúng tôi hoạt động giống như thử thai và cho thấy hai vạch màu tím nếu mẫu dương tính với virus. Sử dụng công nghệ của chúng tôi, tôi hình dung việc phát triển một bộ thử nghiệm cho phép phát hiện nhanh RNA SARS-CoV-2 trong nước bọt trong vòng 45 đến 60 phút tại nhà mà không cần bất kỳ thiết bị đắt tiền nào.
HIỆN TẠI XÉT NGHIỆM CORONAVIRUS
FDA gần đây đã bật đèn xanh cho một vài bộ dụng cụ lấy mẫu từ LabCorp và Everywell theo Ủy quyền sử dụng khẩn cấp (EUA) cho phép mọi người gửi mẫu tăm bông mũi để phân tích. Bệnh nhân có thể lấy tăm mũi, gửi mẫu đến phòng thí nghiệm và chờ vài ngày để lấy lại kết quả.
Mặc dù không phải là bộ dụng cụ thử nghiệm tại nhà, thử nghiệm cho phép các mẫu được chuyển trực tiếp đến phòng thí nghiệm để phát hiện RNA SARS-CoV-2. Ở đó, họ sử dụng một kỹ thuật gọi là phản ứng chuỗi sao chép-polymerase ngược (RT-PCR), giúp chuyển đổi RNA virus thành DNA để có thể dễ dàng nhân lên và phát hiện.
Mặc dù hầu hết các xét nghiệm được FDA chấp thuận đều dựa trên việc phát hiện RNA SARS-CoV-2 ở giai đoạn đầu, trước khi các triệu chứng xuất hiện, các xét nghiệm này chỉ có thể được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm với thiết bị đắt tiền và có thể mất nhiều ngày để có kết quả.
Một số bộ dụng cụ xét nghiệm kháng thể đã được FDA chấp thuận sử dụng dải dòng chảy bên trên giấy, cũng tương tự như dải thử thai tại nhà, để phát hiện các kháng thể gọi là IgM và IgG. Hầu như tất cả các bệnh nhân nhiễm SARS-CoV-2 đều tạo ra kháng thể trong vòng 19 ngày kể từ khi xuất hiện triệu chứng và sau đó cơ thể tiếp tục tạo ra các kháng thể có thể phát hiện được trong vài tuần đến vài tháng ngay cả khi các triệu chứng biến mất. Do đó, Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh khuyến nghị sử dụng xét nghiệm kháng thể để phát hiện các bệnh nhiễm trùng trong quá khứ.
Tuy nhiên, coronavirus thường rất hoạt động và dễ lây lan trong tuần đầu tiên bị nhiễm trùng và đạt đỉnh vào ngày xuất hiện triệu chứng. Do đó, để ngăn chặn sự lây lan của coronavirus, điều cực kỳ quan trọng là phát hiện sớm coronavirus để ngăn chặn sự lây lan.
Xét nghiệm kháng thể có thể là tuyệt vời để phát hiện các bệnh nhiễm trùng trong quá khứ nhưng họ không thể phát hiện đáng tin cậy các nhiễm trùng hiện tại hoặc sớm. Sự xuất hiện chậm trễ và sự biến đổi của kháng thể từ bệnh nhân sang bệnh nhân trong xét nghiệm máu làm phức tạp thêm chẩn đoán COVID-19 với bộ dụng cụ xét nghiệm kháng thể.
Ngoài ra, sự thay đổi giữa các phương pháp xét nghiệm kháng thể khác nhau đã làm dấy lên nghi ngờ về độ tin cậy của các bộ xét nghiệm này.
Do đó, Viện Y tế Quốc gia gần đây đã công bố Tăng tốc Chẩn đoán (RADx) nhanh chóng , cung cấp tới 500 triệu đô la Mỹ tài trợ để tăng cường các công nghệ phát hiện virus SARS-CoV-2.
CÁCH CHẨN ĐOÁN DỰA TRÊN CRISPR HOẠT ĐỘNG
Hầu hết mọi người biết đến các hệ thống CRISPR / Cas như một công nghệ chỉnh sửa gen nổi tiếng có thể chỉnh sửa DNA chính xác. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một phân tử RNA hướng dẫn với một chuỗi gen đích phục vụ như GPS và phóng to một vị trí trên DNA nơi protein Cas, một cặp kéo phân tử, có thể cắt tại vị trí mong muốn.
Các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm của Feng Zhang tại MIT , Jennifer Doudna tại UC Berkeley và những người khác đã phát hiện ra một số phiên bản mới hơn của hệ thống CRISPR / Cas, bao gồm cả những phiên bản sử dụng protein Cas12a và Cas13a-d , bị cắt điên cuồng khi họ tìm thấy sự trùng khớp của chúng.
Các đồng nghiệp của tôi và tôi đã sử dụng kỹ thuật CRISPR dựa trên Cas12a này để phát hiện coronavirus.
RNA coronavirus kích hoạt CRISPR / Cas, biến đổi một cặp kéo phân tử được kiểm soát thành một cưa máy không thể ngăn cản. Khi enzyme CRISPR / Cas kích hoạt, chúng ta biết rằng trình tự di truyền của coronavirus có trong mẫu nước bọt. Để làm cho tín hiệu của coronavirus mạnh hơn trong bộ thử nghiệm, chúng tôi đã thêm hàng triệu phân tử phóng viên tổng hợp, tên lửa, cũng được băm nhỏ bằng cơ chế CRISPR / Cas. Điều này có nghĩa là trong vòng vài phút, chúng tôi có thể phát hiện sự hiện diện của coronavirus.
Theo EAU, FDA gần đây đã phê duyệt bộ xét nghiệm RNA SARS-CoV-2 dựa trên CRISPR đầu tiên của Sherlock Bioscatics để thử nghiệm gạc mũi trong phòng thí nghiệm. Mặc dù chưa được phê duyệt để thử nghiệm tại nhà, đây là một bước nhảy vọt lớn đối với sự phát triển của chẩn đoán dựa trên CRISPR.
Mặc dù các bộ thử nghiệm dựa trên CRISPR tương tự đang được phát triển, bao gồm một bộ từ Mammoth Bioscatics và các bộ khác, công nghệ CRISPR-ENHANCE của chúng tôi dựa trên các RNA CRISPR được thiết kế để tăng tốc độ của Cas12a, cưa xích từ ba đến bốn lần.
Kỹ thuật này tăng cường đáng kể độ nhạy của phát hiện. Hệ thống của chúng tôi có thể phát hiện ít virus hơn trong một mẫu lâm sàng nhanh hơn với chỉ số trực quan rõ ràng. Chúng tôi đang trong quá trình xác nhận lâm sàng công nghệ CRISPR-ENHANCE để phát hiện RNA SARS-CoV-2.
TĂNG TỐC ĐỘ CHẨN ĐOÁN CRISPR
Phương pháp thu thập tiêu chuẩn để phát hiện virus đường hô hấp trong phòng khám là tăm bông mũi. Tuy nhiên, coronavirus đã được phát hiện ở mức tương đương trong nước bọt, vì vậy một số nhà nghiên cứu hiện đang chuyển sang nước bọt để xét nghiệm chẩn đoán.
Thu thập nước bọt không chỉ ít xâm lấn hơn gạc mũi mà còn chứa nhiều virus hơn , giúp phát hiện dễ dàng hơn với RT-PCR. Trên thực tế, một bộ sưu tập nước bọt tại nhà vừa được FDA bật đèn xanh vào ngày 8 tháng 5 năm 2020. Trong nghiên cứu kiểm chứng của chúng tôi, chúng tôi sẽ so sánh nội bộ giữa xét nghiệm của chúng tôi giữa tăm bông mũi và nước bọt để được FDA chấp thuận.
Chúng tôi đang phát triển một quy trình sáu bước để xét nghiệm nước bọt tại nhà cùng với tăm bông mũi. Đây là cách nó sẽ làm việc với nước bọt.
Nhổ vào ống lấy mẫu có chứa thuốc thử hóa học khô sẽ bắt đầu phản ứng với nước bọt của bạn khi bạn thả ống kín vào nước ấm trong 30 phút.
Nhiệt giúp các hóa chất phá vỡ hạt vi rút và phơi nhiễm vật liệu di truyền RNA RNA của virut. Các thuốc thử RT-PCR về cơ bản nhân lên RNA virus tạo ra hàng tỷ bản sao, dễ dàng phát hiện hơn.
Sau 30 phút, chuyển lượng chứa trong ống thu thập sang ống thứ hai chứa các thành phần CRISPR khô và để ở nhiệt độ phòng trong 10 đến 15 phút.
Chỉ khi CRISPR / Cas tìm thấy RNA coronavirus cụ thể thì nó mới hoạt động và cắt các phân tử phóng viên tổng hợp được thiết kế và thêm vào ống thứ hai này. Phần này xảy ra chỉ trong sáu phút.
Sau đó chúng tôi thả một dải giấy vào ống thứ hai. Trong vòng 30 giây, một hoặc hai dải màu tím tiết lộ kết quả.
Sau đó, nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe có thể hướng dẫn cá nhân cách ly, cách ly và / hoặc đề nghị thử nghiệm thêm như xét nghiệm dựa trên kháng thể. Trong nghiên cứu của chúng tôi , hiện đang được đánh giá ngang hàng, chúng tôi đã chứng minh rằng bản thân công nghệ ENHANCE rất linh hoạt và cũng có thể được áp dụng để phát hiện một loạt các mục tiêu bao gồm HIV, HCV và ung thư tuyến tiền liệt.
Mặc dù có một số phòng thí nghiệm và công ty đang gấp rút phát triển bộ dụng cụ phát hiện coronavirus dựa trên CRISPR tương tự để xét nghiệm nước bọt, chúng tôi tin rằng phương pháp của chúng tôi cung cấp khả năng phát hiện nhanh nhất. Chúng tôi hy vọng sẽ giảm chi phí của bộ dụng cụ xuống từ 1 đến 2 đô la để các nước đang phát triển cũng có thể mua một bộ xét nghiệm coronavirus nhanh chóng và đáng tin cậy.
Nhận xét
Đăng nhận xét