研究人員已經開發出一種新技術，可以靈活地擴展基於CRISPR的分子診斷學，使用微流體晶片可以同時運行數千個測試。單片晶片的能力範圍可以從一次在1000多個樣本中檢測一種單一類型的病毒，到在少量樣本中搜索160多種不同的病毒，包括COVID-19病毒。這項技術被稱為核酸多重評估的組合排列反應(Combinatorial Arrayed Reactions for Multiplexed Evaluation of Nucleic acids，CARMEN)，研究人員在病人樣本上進行了驗證，當天就能得到結果，將來有一天可能會用於廣泛的公共衛生工作。
這項研究成果發表在Nature雜誌上，由麻省理工學院Broad研究所和哈佛大學博士後Cheri Ackerman和Cameron Myhrvold共同領導。Broad研究所核心成員、麻省理工學院生物工程系副教授Paul Blainey和哈佛大學教授、Broad研究所成員以及霍華德·休斯醫學研究所研究員Pardis Sabeti是這篇文章的共同通訊作者。Sabeti說："當前的大流行強調了快速和敏感的工具對於診斷、監測和確定人群中的感染至關重要。我們需要創新的診斷方法在社區中廣泛應用，這是前所未有的迫切。""基於CRISPR的診斷是一個有吸引力的工具，因為它們具有可編程性、敏感性和易用性，"Myhrvold說。"現在擴大這些診斷的方法，我們可以發掘綜合方法的潛力--例如使臨床醫生能夠確定患者是否感染多種病毒，快速排出感染源以及同時對大量嚴重感染的患者進行測試。"
小型化CRISPR診斷
為了建立一個具有這種能力的測試平台，研究團隊轉向微流體技術，他們對Blainey實驗室2018年開發的技術進行了調整和改進。研究人員創造了一個稍微比手機大一點的塑料晶片，上面含有數千個微孔並粘附在玻璃片上，每個微孔可以裝載一對納升級別的液滴。其中一滴含有樣本中的病毒遺傳物質，另一個液滴含有病毒檢測試劑。晶片使用的檢測方法是改編自基於CRISPR的診斷測試SHERLOCK--一項由Broad研究所、麻省理工學院麥戈文腦研究所、麻省理工學院醫學工程與科學研究所和哈佛大學生物工程研究所的科學家們於2017年開發的技術。為了使用CARMEN平台，研究人員首先從樣本中提取病毒RNA並進行複製，這個過程類似於目前用於疑似COVID-19病例的RT-qPCR診斷法的準備過程。然後，研究人員在每個準備好的樣品中加入一種獨特的螢光色染料，並將混合物分成小滴。另一方面，檢測混合物中含有CRISPR蛋白Cas13，這是一種尋找特定病毒序列的引導RNA，以及報告結果的分子。這些混合物也有顏色編碼，也被分離成液滴。成千上萬的液滴從樣品和檢測混合物中匯集在一起，並通過一個單一的管道加載到晶片上。晶片中的每個微孔能捕獲兩滴。當探測液滴在同一微環境的樣品液滴中找到它的目標--一種特定的病毒遺傳序列時，螢光顯微鏡就會產生並檢測到一個信號。整個過程，從RNA提取到結果，需要不到8個小時。麻省理工學院Broad傳染病和微生物組項目的研究生、該研究作者Gowtham Thakku說："將這兩種技術結合在一個單一的平台上，為我們研究臨床和流行病學問題提供了令人興奮的新能力。"CARMEN使單片微流體晶片上的4500多個測試成為可能，該晶片可以使用現有的螢光編碼，以多種方式應用於患者樣本。例如，一個晶片可以同時測試一個病毒的1048個樣本，或者測試169個病毒的5個樣本。通過添加更多的晶片，可以很容易地進一步擴大容量，通常在一天內可以運行四五個晶片。
多重功能
為了展示該平台的多診斷能力，該團隊制定了一項策略，對數十個樣本進行快速檢測，檢測169種與人類相關的病毒，這些病毒有10多個已公布的基因組序列。研究人員使用多種晶片對58名患者的樣本進行了檢測。他們還將CARMEN應用於患者樣本，以區分A型流感毒株的亞型和檢測愛滋病毒的耐藥性突變。該團隊還將SARS-CoV-2和其他呼吸道病原體的檢測混合物納入其中，以演示如何使用合成的病毒序列來快速檢測新出現的病毒。研究人員報告稱，CARMEN在診斷測試中提供了令人印象深刻的通量和靈活性，該平台的敏感度與之前發表的SHERLOCK測試相當，他們還在繼續改進和利用更多的臨床樣本對CARMEN進行驗證。根據該團隊的說法，再加上Nature雜誌上描述的來自患者樣本的成功測試數據，這種方法在臨床中很容易轉化。Blainey說："這種小型化的診斷方法資源效率高，易於實現。新工具需要創造力和創新，隨著化學和微流體技術的進步，我們對CARMEN的潛力充滿熱情，因為社區正在努力擊退COVID-19和未來的傳染病威脅。"（生物谷Bioon.com）
參考資料：
【1】CRISPR-based diagnostic chips perform thousands of tests simultaneously to detect viruses
【2】Ackerman， C.M.， Myhrvold， C.， Thakku， S.G. et al. Massively multiplexed nucleic acid detection using Cas13. Nature (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2279-8