Ένα νέο τεστ του COVID-19 με βάση το CRISPR χρησιμοποιεί κάμερα smartphone για να εντοπίσει το RNA του ιού

 

Στο διαγνωστικό τεστ, το δείγμα του ασθενούς αναμιγνύεται με CRISPR Cas13 πρωτεΐνες (μωβ) και μοριακούς ανιχνευτές (πράσινο) που φωσφορίζουν ή φωτίζουν, όταν κόβονται. . Όταν το RNA του κορονοϊού βρίσκεται στο δείγμα, προτρέπει τις πρωτεΐνες CRISPR να αποσπάσουν τους μοριακούς ανιχνευτές, προκαλώντας την εκπομπή φωτός από το δείγμα. Αυτό το φως μπορεί να ανιχνευθεί με μια κάμερα κινητού τηλεφώνου.

Berkeley News

Ο εντοπισμός και η απομόνωση των ατόμων που μπορεί να μεταδίδουν τον κορονοϊό είναι το κλειδί για τον περιορισμό της εξάπλωσης της νόσου. Αλλά ακόμη και τώρα, πολλοί ασθενείς περιμένουν ημέρες για να λάβουν τα αποτελέσματα των τεστ του COVID-19.

Επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Berkeley και των Gladstone Institutes έχουν αναπτύξει ένα νέο διαγνωστικό τεστ του COVID-19 με βάση το CRISPR το οποίο, με τη βοήθεια μιας κάμερας smartphone, μπορεί να ανιχνεύσει ένα θετικό ή αρνητικό αποτέλεσμα σε 15 με 30 λεπτά. Σε αντίθεση με πολλά άλλα τεστς που είναι διαθέσιμα, αυτό το τεστ δίνει επίσης μια εκτίμηση του ιικού φορτίου ή του αριθμού των σωματιδίων του ιού στο εξεταζόμενο δείγμα, πράγμα που μπορεί να βοηθήσει τους γιατρούς να παρακολουθήσουν την εξέλιξη ενός κρούσματος COVID-19 και να εκτιμήσουν πόσο μεταδοτικός μπορεί να είναι ένας ασθενής.

«Η παρακολούθηση της πορείας της λοίμωξης ενός ασθενούς μπορεί να βοηθήσει το υγειονομικό προσωπικό να εκτιμήσει το στάδιο της λοίμωξης και να προβλέψει σε πραγματικό χρόνο, πόσος καιρός απαιτείται για την ανάρρωση και πόσο διάστημα πρέπει το άτομο να παραμείνει σε καραντίνα», δήλωσε ο Daniel Fletcher, καθηγητής βιοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ και ένας από τους ηγέτες της μελέτης.

Η τεχνική CRISPR σχεδιάστηκε σε συνεργασία με τη Δρ. Melanie Ott, διευθύντρια του Ινστιτούτου Ιολογίας Gladstone, καθώς και με την καθηγήτρια του Μπέρκλεϋ, Τζένιφερ Ντούντνα, η οποία είναι ανώτερη ερευνήτρια στο Gladstone, πρόεδρος του Ινστιτούτου Καινοτομίας Γονιδιωματικής και ερευνήτρια στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes. Η Ντούντνα κέρδισε πρόσφατα το Βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2020 για τη ανακάλυψη της επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR-Cas, της τεχνολογίας στην οποία βασίζεται αυτό τεστ.

Τα περισσότερα διαγνωστικά τεστ του COVID-19 βασίζονται σε μια μέθοδο που ονομάζεται PCR, συντομογραφία για αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, η οποία αναζητά κομμάτια του ιικού RNA SARS-CoV-2 σε ένα δείγμα. Τα τεστ PCR λειτουργούν απομονώνοντας πρώτα το ιικό RNA, μετά μετατρέποντας το RNA σε DNA και στη συνέχεια «ενισχύοντας» τα τμήματα DNA - κάνοντας πολλά ίδια αντίγραφα - έτσι ώστε τα τμήματα να μπορούν να εντοπιστούν πιο εύκολα.

Το νέο διαγνωστικό τεστ εκμεταλλεύεται την πρωτεΐνη CRISPR Cas13, η οποία δεσμεύει άμεσα και διασπά τμήματα RNA. Αυτό εξαλείφει τα βήματα μετατροπής και ενίσχυσης του DNA και μειώνει σημαντικά το χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση της ανάλυσης του δείγματος.

«Ένας λόγος για τον οποίο είμαστε ενθουσιασμένοι με τα διαγνωστικά που βασίζονται στο CRISPR είναι η δυνατότητα γρήγορων, ακριβών αποτελεσμάτων επί τόπου στο σημείο που υπάρχει ανάγκη», δήλωσε η Ντούντνα. «Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε μέρη με περιορισμένη πρόσβαση σε τεστς ή όταν απαιτούνται συχνά, γρήγορα τεστ. Μπορεί να εξαλείψει πολλά από τα σημεία συμφόρησης που έχουμε δει με τον COVID-19.»

Στο τεστ οι πρωτεΐνες CRISPR Cas13 «προγραμματίζονται» για την αναγνώριση τμημάτων του ιικού RNA του SARS-CoV-2 και στη συνέχεια συνδυάζονται με έναν ανιχνευτή που γίνεται φωσφορούχος όταν διασπάται. Όταν οι πρωτεΐνες Cas13 ενεργοποιούνται από το ιικό RNA, αρχίζουν να αποκόπτουν τον φωσφορούχο ανιχνευτή. Με τη βοήθεια μιας φορητής συσκευής, το φως που προκύπτει μπορεί να μετρηθεί από μια κάμερα smartphone. Ο ρυθμός με τον οποίο ο φθορισμός γίνεται πιο φωτεινός σχετίζεται με τον αριθμό των σωματιδίων του ιού στο δείγμα.

Ο Luis Valentin-Alvarado, διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Berkeley, περιγράφει πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων CRISPR για τη δημιουργία διαγνωστικών τεστ για τον COVID-19 και άλλους ιούς.

«Τα πρόσφατα μοντέλα του SARS-CoV-2 δείχνουν ότι τα συχνά γρήγορα τεστ είναι αυτό που χρειαζόμαστε για να ξεπεράσουμε την τρέχουσα πανδημία», δήλωσε η Ott. «Ελπίζουμε ότι με αυξημένα τεστς, μπορούμε να αρχίσουμε να ανοίγουμε ξανά τις οικονομίες και να προστατεύουμε τους πιο ευάλωτους πληθυσμούς».

Τώρα που η ανάλυση που βασίζεται στο CRISPR έχει αναπτυχθεί για τον SARS-CoV-2, θα μπορούσε να τροποποιηθεί για να ανιχνεύσει τμήματα RNA άλλων ιογενών ασθενειών, όπως το κοινό κρυολόγημα, η γρίπη ή ακόμη και ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας . Η ομάδα εργάζεται επί του παρόντος για να συσκευάσει το τεστ σε μια συσκευή που θα μπορούσε να διατεθεί σε κλινικές και άλλες υγειονομικές δομές και μια μέρα θα μπορούσε ακόμη και να χρησιμοποιείται στο σπίτι.

«Ο τελικός στόχος είναι να έχουμε μια προσωπική συσκευή, όπως ένα κινητό τηλέφωνο, που να μπορεί να ανιχνεύσει μια σειρά διαφορετικών ιογενών λοιμώξεων και να προσδιορίσει γρήγορα εάν έχετε κοινό κρυολόγημα ή SARS-Cov-2 ή γρίπη», δήλωσε ο Fletcher. «Αυτή η δυνατότητα υπάρχει τώρα και απαιτείται περαιτέρω συνεργασία μεταξύ μηχανικών, βιολόγων και κλινικών ιατρών για να γίνει αυτό πραγματικότητα».