新的基于crispr的COVID-19检测方法使用智能手机摄像头

想象一下，用棉签擦拭你的鼻孔，把棉签放在一个设备里，在15到30分钟内就能在手机上读出你是否感染了COVID-19病毒。这是格莱斯顿研究所、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和加州大学旧金山分校(UCSF)的一个科学家团队的愿景。现在，他们报告说，一项科学突破使他们离实现这一愿景更近了一步。

抗击COVID-19大流行和全面重新开放全国社区的主要障碍之一是提供大规模快速检测。了解谁被感染将为决策者和公民提供关于病毒潜在传播和威胁的宝贵见解。

然而，人们通常必须等待几天才能得到结果，当处理实验室测试有积压时，等待的时间甚至更长。而且，大多数感染者只有轻微或无症状，但仍然携带和传播病毒，这一事实使情况更加恶化。

在科学杂志上发表的一项新研究中细胞来自格莱斯顿、加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校的团队概述了基于crispr的COVID-19检测技术，该技术使用智能手机摄像头，在30分钟内提供准确结果。

格拉德斯通病毒学研究所所长、该研究负责人之一的Melanie Ott医学博士说:“对于科学界来说，不仅要增加检测，还要提供新的检测选择已经成为一项紧迫的任务。”“我们开发的检测方法可以提供快速、低成本的检测，帮助控制COVID-19的传播。”

这项技术是与加州大学伯克利分校的生物工程师丹尼尔·弗莱彻博士和詹妮弗·杜德纳博士合作设计的，詹妮弗·杜德纳博士是格莱斯顿大学的高级研究员，加州大学伯克利分校的教授，创新基因组学研究所的主席，霍华德·休斯医学研究所的研究员。杜德纳最近因与人合作发现CRISPR-Cas基因组编辑技术而获得了2020年诺贝尔化学奖。CRISPR-Cas基因组编辑技术是这项工作的基础。

他们的新诊断测试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(或导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒的浓度)。

作为陈-扎克伯格生物中心研究员的弗莱彻说:“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在增加还是在减少。”“监测患者的感染过程可以帮助医疗专业人员估计感染的阶段，并实时预测可能需要多长时间才能康复。”

一个简单的测试通过直接检测

目前的COVID-19检测使用一种称为定量pcr的方法，这是检测的金标准。然而，使用这种技术检测SARS-CoV-2的问题之一是它需要DNA。冠状病毒是一种RNA病毒，这意味着要使用PCR方法，病毒的RNA必须首先转化为DNA。此外，这项技术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。因此，目前的检测通常需要训练有素的用户、专门的试剂和笨重的实验室设备，这严重限制了检测可能发生的地方，并导致收到结果的延迟。

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，CRISPR擅长于特异性识别遗传物质。

到目前为止，所有CRISPR诊断都需要将病毒RNA转化为DNA并扩增后才能被检测，这增加了时间和复杂性。相比之下，本研究描述的新方法跳过了所有转化和扩增步骤，使用CRISPR直接检测病毒RNA。

杜德纳说:“基于crispr的诊断技术让我们感到兴奋的一个原因是，它有可能在需要时获得快速、准确的结果。”“这在检测渠道有限或需要频繁快速检测的地方尤其有用。它可以消除我们在COVID-19上看到的许多瓶颈。”

Parinaz Fozouni是加州大学旧金山分校的一名研究生，在奥特在格莱斯顿的实验室工作，在过去几年里一直致力于HIV的RNA检测系统。但在2020年1月，当发现冠状病毒正在全球范围内成为一个更大的问题，并且检测是一个潜在的陷阱时，她和她的同事们决定将重点转向COVID-19。

Fozouni是这篇论文的第一作者之一，他和来自加州大学伯克利分校弗莱彻团队的Sungmin Son和María Díaz de León Derby共同撰写了这篇论文。“我们使用的不是识别和切割DNA的CRISPR蛋白质Cas9，而是切割RNA的Cas13。”

在这项新的测试中，Cas13蛋白与一种被切割后会荧光的报告分子结合，然后与患者的鼻拭子样本混合。样本被放置在一个与智能手机相连的设备中。如果样本中含有SARS-CoV-2的RNA, Cas13就会被激活，并会切断报告分子，产生荧光信号。然后，这种智能手机摄像头，基本上可以转换成显微镜，可以检测荧光，并报告棉签检测病毒呈阳性。

“这个测试的独特之处在于，它使用一步反应直接测试病毒RNA，而不是传统PCR测试的两步过程，”奥特说，他也是加州大学旧金山分校医学系的教授。“这种更简单的化学反应，配合智能手机摄像头，减少了检测时间，也不需要复杂的实验室设备。”它还允许测试产生定量测量，而不是简单的阳性或阴性结果。”

研究人员还说，他们的分析方法可以适用于多种移动电话，使这项技术易于使用。

“我们选择使用手机作为检测设备的基础，因为它们有直观的用户界面和高灵敏度的摄像头，我们可以用来检测荧光，”弗莱彻解释说。“手机也可以大批量生产，而且具有成本效益，这表明专门的实验室仪器并不需要进行这种分析。”

准确和快速的结果来限制大流行

当科学家们使用患者样本测试他们的设备时，他们证实它可以提供一个非常快的周转时间，以检测具有临床相关病毒载量的样本。事实上，该装置在5分钟内准确地检测出一组阳性样本。对于病毒载量较低的样本，该设备需要30分钟才能将其与阴性测试区分开来。

Ott说:“最近的SARS-CoV-2模型表明，频繁检测和快速周转是我们克服当前大流行所需要的。”“我们希望通过增加检测，我们可以避免封锁，保护最脆弱的人群。”

这种基于crispr的新测试不仅为快速检测提供了一个有前景的选择，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，最终可用于护理点，甚至可以在家使用。而且，它还可以扩展到诊断SARS-CoV-2以外的其他呼吸道病毒。

此外，智能手机相机的高灵敏度，以及它们的连通性、全球定位系统和数据处理能力，使它们成为在资源匮乏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开发成一种设备，它可以在保持患者隐私的同时，将测试结果立即上传到云系统中，这对于接触者追踪和流行病学研究很重要。”“这种基于智能手机的诊断测试可以在控制当前和未来的流行病方面发挥关键作用。”

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