新的科學(xué)突破：智能手機(jī)攝像頭竟可以定量檢測(cè)新冠病毒RNA

想象一下，用鼻拭子擦拭你的鼻孔，然后將其放入一種設(shè)備中，15到30分鐘后，你的手機(jī)上就會(huì)有一個(gè)讀數(shù)，告訴你是否感染了冠狀病毒SARS-CoV-2。這一直是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、格拉斯通研究所和加州大學(xué)舊金山分校的研究人員的愿景。而如今，他們報(bào)告了一項(xiàng)科學(xué)突破，使他們更接近于實(shí)現(xiàn)這一愿景。

抗擊COVID-19大流行和全面重新開(kāi)放美國(guó)各地社區(qū)的主要障礙之一是獲得大規(guī)模的快速測(cè)試。了解誰(shuí)是感染者將為政策制定者和公民提供關(guān)于病毒潛在傳播和威脅的寶貴新見(jiàn)解。

然而，人們往往必須等待幾天才能得到結(jié)果，如果實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試工作出現(xiàn)積壓，甚至需要等待更長(zhǎng)時(shí)間。而且，大多數(shù)感染者癥狀輕微或沒(méi)有癥狀，這使得情況更加惡化。

在一項(xiàng)新的研究中，這些研究人員概述了一種基于CRISPR的COVID-19測(cè)試技術(shù)，該技術(shù)使用智能手機(jī)攝像頭，可在30分鐘內(nèi)提供準(zhǔn)確結(jié)果。相關(guān)研究結(jié)果于2020年12月4日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy”。

這種測(cè)試技術(shù)是與加州大學(xué)伯克利分校生物工程學(xué)家Daniel Fletcher博士以及格拉斯通病毒學(xué)研究所高級(jí)研究員Jennifer Doudna博士合作設(shè)計(jì)的。Doudna最近因共同發(fā)現(xiàn)CRISPR-Cas基因組編輯技術(shù)而獲得2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

他們的新診斷測(cè)試方法不僅可以產(chǎn)生陽(yáng)性或陰性結(jié)果，還可以測(cè)量給定樣本中的病毒載量（或者說(shuō)SARS-CoV-2的濃度）。

Fletcher說(shuō)，“當(dāng)與重復(fù)測(cè)試相結(jié)合時(shí)，測(cè)量病毒載量可以幫助確定感染是增加還是減少。監(jiān)測(cè)患者的感染過(guò)程可能有助于醫(yī)護(hù)人員估計(jì)感染階段，并實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可能需要多長(zhǎng)時(shí)間才能康復(fù)?！?br />
通過(guò)直接檢測(cè)進(jìn)行更簡(jiǎn)單的測(cè)試

目前的COVID-19測(cè)試使用一種叫做定量PCR的方法，它是一種金標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。然而，使用這種方法檢測(cè)SARS-CoV-2面臨的一個(gè)問(wèn)題是，它需要DNA。冠狀病毒是一種RNA病毒，這意味著要使用PCR方法，病毒RNA必須首先轉(zhuǎn)化為DNA。此外，這種方法依賴于兩個(gè)步驟的化學(xué)反應(yīng)，包括一個(gè)擴(kuò)增步驟，以提供足夠的DNA使其可檢測(cè)。所以，目前的測(cè)試方法通常需要訓(xùn)練有素的使用者、專門(mén)的試劑和繁瑣的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，這嚴(yán)重限制了開(kāi)展測(cè)試的地點(diǎn)，并導(dǎo)致接收測(cè)試結(jié)果的延遲。

作為PCR的替代方法，科學(xué)家們正在開(kāi)發(fā)基于基因編輯技術(shù)CRISPR的測(cè)試策略，其中CRISPR擅長(zhǎng)特異性識(shí)別遺傳物質(zhì)。

圖片來(lái)自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.12.001

迄今為止，所有CRISPR診斷方法都需要將病毒RNA轉(zhuǎn)化為DNA，并在測(cè)試前對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)增，這增加了檢測(cè)時(shí)間和復(fù)雜性。相比之下，這項(xiàng)新研究中描述的新方法跳過(guò)了所有的轉(zhuǎn)化和擴(kuò)增步驟，利用CRISPR直接檢測(cè)病毒RNA。

Doudna說(shuō)，“我們對(duì)診斷方法感到興奮的原因是，在使用過(guò)程中，可能獲得快速、準(zhǔn)確的結(jié)果。這在有限的測(cè)試地方特別有用，或者在需要頻繁、快速檢測(cè)的時(shí)候，特別有幫助。它可能消除我們?cè)贑OVID-19測(cè)試中觀察到的很多瓶頸?！?br />
論文共同第一作者Parinaz Fozouni說(shuō)，“我們知道我們正在開(kāi)發(fā)的測(cè)試方法將是一個(gè)在邏輯上適合幫助解決當(dāng)前危機(jī)的選擇，這是因?yàn)樗梢杂米钌俚馁Y源進(jìn)行快速測(cè)試。我們用切割RNA的Cas13a代替了一種眾所周知的識(shí)別和切割DNA的名為Cas9的CRISPR蛋白?！?br />
在這種新的測(cè)試方法中，Cas13a蛋白與一種在切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光的報(bào)告分子結(jié)合在一起，然后與來(lái)自鼻腔拭子的患者樣本混合?；旌虾蟮臉颖颈环胖迷谝环N連接到智能手機(jī)的設(shè)備中。如果樣本中含有SARS-CoV-2 RNA，Cas13就會(huì)被激活，并切割報(bào)告分子，導(dǎo)致熒光信號(hào)產(chǎn)生。然后，基本上變成了顯微鏡的智能手機(jī)攝像頭可以檢測(cè)到熒光，并報(bào)告測(cè)試的拭子呈病毒陽(yáng)性。

這種測(cè)試方法的真正獨(dú)特之處在于，它使用一步反應(yīng)直接測(cè)試病毒RNA，而不是傳統(tǒng)PCR測(cè)試中的兩步過(guò)程。更簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，配合智能手機(jī)攝像頭，縮短了測(cè)試時(shí)間，不需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。它還可以讓這種測(cè)試方法產(chǎn)生定量測(cè)量結(jié)果，而不是簡(jiǎn)單的陽(yáng)性或陰性結(jié)果。

這些研究人員還表示，他們的測(cè)試方法可以適用于各種手機(jī)，從而使得它易于使用。Fletcher解釋說(shuō)，“我們選擇使用手機(jī)作為我們檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)，這是因?yàn)樗鼈兙哂兄庇^的用戶界面和高靈敏度的攝像頭，讓我們可以用來(lái)檢測(cè)熒光。手機(jī)也是大規(guī)模生產(chǎn)的，而且成本效益高，這表明專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室儀器并不是這種測(cè)試方法所必需的?！?br />
準(zhǔn)確和快速的結(jié)果可限制大流行性疫情發(fā)生

當(dāng)這些研究人員用患者樣本測(cè)試他們的檢測(cè)設(shè)備時(shí)，他們證實(shí)該設(shè)備可以為臨床相關(guān)病毒載量的樣本提供非常快的結(jié)果周轉(zhuǎn)時(shí)間。事實(shí)上，該設(shè)備能在5分鐘內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)一組陽(yáng)性樣本。對(duì)于病毒載量較低的樣本，該設(shè)備需要長(zhǎng)達(dá)30分鐘才能將它與具有陰性測(cè)試結(jié)果的樣本區(qū)分開(kāi)來(lái)。

這種基于CRISPR的新測(cè)試方法不僅為快速測(cè)試提供了一個(gè)很有前途的選擇，而且通過(guò)使用智能手機(jī)，避免了對(duì)笨重的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的需要，它有可能變得便攜，最終可以在醫(yī)療點(diǎn)使用，甚至在家使用。而且，它還可能擴(kuò)展到診斷SARS-CoV-2以外的其他呼吸道病毒。

此外，智能手機(jī)攝像頭的高靈敏度，加上它們的連接性、GPS和數(shù)據(jù)處理能力，使得它們成為低資源地區(qū)診斷疾病的有吸引力的工具。

研究者表示，“我們希望將我們的測(cè)試方法開(kāi)發(fā)成一種設(shè)備，該設(shè)備可以立即將結(jié)果上傳到基于云的系統(tǒng)中，同時(shí)保持患者的隱私，這對(duì)于接觸者追蹤和流行病學(xué)研究非常重要。這種基于智能手機(jī)的診斷測(cè)試方法可能在控制當(dāng)前和未來(lái)的流行病方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。”

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：智能手機(jī)攝像頭竟可以定量檢測(cè)新冠病毒RNA！

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