發(fā)布日期：2018-05-17

本文轉(zhuǎn)載自“生命奧秘”，原標(biāo)題：以CRISPR技術(shù)為平臺打造的新一代診斷技術(shù)。

　　快速且準(zhǔn)確的診斷感染性疾病是提升臨床診療水平，以及指導(dǎo)感染性疾病防控和公共衛(wèi)生工作，避免疫情大范圍傳播的關(guān)鍵，這一點無論對于現(xiàn)代化的大型醫(yī)療中心，還是在缺醫(yī)少藥的偏僻鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院，都是非常重要的。最理想的診斷方式應(yīng)該是價格低廉、準(zhǔn)確性高，并且是快速的，而且還應(yīng)該操作簡便（無需專業(yè)人士操作即可使用），以及無需專業(yè)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施要求（比如電力等條件）。對于埃博拉病毒（Ebola virus）和中東呼吸綜合癥病毒（Middle East respiratory syndrome coronavirus）這類出現(xiàn)在偏僻地點，但會導(dǎo)致全球大范圍傳播的致病性病毒而言，如果有了這種理想中的檢測技術(shù)，就能夠幫助醫(yī)務(wù)人員在早期發(fā)現(xiàn)患者，將其隔離，避免疫情擴散，同時也可以給患者爭取到更多及時治療的機會。

　　研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和古生菌（archaea）等原核生物（prokaryotes）都具有先天的適應(yīng)性免疫機制（heritable adaptive immunity），而這套免疫系統(tǒng)都是以最近非常熱門的基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。近期《科學(xué)》（Science）雜志已經(jīng)介紹了Chen科研團隊、 Myhrvold科研團隊和Gootenberg科研團隊的工作。他們分別利用CRISPR-Cas技術(shù)開發(fā)了革命性的分子診斷新技術(shù)，以用于發(fā)現(xiàn)人體標(biāo)本里的寨卡病毒（Zika virus, ZIKV）、登革病毒（Dengue virus, DENV）和人乳頭瘤病毒（human papillomavirus, HPV）。同時他們也以肺癌患者的循環(huán)DNA（circulating cell-free DNA）為標(biāo)本，對基因突變這類非傳染性致病因素進(jìn)行了診斷。

　　原核生物在它們基因組的CRISPR位點里儲存了大量的感染性病原體（比如噬菌體、質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子等）的遺傳信息，這些遺傳信息就是原核生物自身的“抗體（適應(yīng)性免疫記憶）”。Cas蛋白通過適應(yīng)（adaptation）、轉(zhuǎn)錄出crRNA和干擾（interference）等步驟，完成原核生物的適應(yīng)性免疫反應(yīng)。在適應(yīng)階段，外源性遺傳物質(zhì)被原核生物加工處理及挑選，最后整合進(jìn)CRISPR位點，打下深刻的免疫記憶烙印，為今后再次遭遇該感染源做好準(zhǔn)備。前體crRNA是一種長鏈RNA前體分子，它成熟成為crRNA之后，可以指引Cas蛋白剪切外源遺傳物質(zhì)的互補鏈，這就是干擾步驟，最終使外源遺傳物質(zhì)降解，消滅外來感染源。科研人員徹底弄清楚這一套原核生物免疫機制之后，就開發(fā)出了新的分子診斷技術(shù)。

　　Chen的課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CRISPR-Cas12a蛋白以序列特異性方式切割dsDNA時，還會誘導(dǎo)出很強的非特異性ssDNA反式切割效應(yīng)（trans-cleavage）。根據(jù)這種特點，他們開發(fā)出了一種以臨床常規(guī)采樣標(biāo)本為檢測對象，快速鑒定HPV16、18型致癌病毒的新技術(shù)。通過肛門拭子（anal swabs）標(biāo)本提取出HPV病毒的dsDNA，經(jīng)過等溫預(yù)擴增（isothermal preamplification），然后利用重組多聚酶擴增法（recombinase polymerase amplification, RPA）進(jìn)行擴增。這種DNA擴增技術(shù)是一種快速，而且不需要專門儀器的DNA擴增技術(shù)。接著，他們通過Cas12a-crRNA復(fù)合體與擴增的HPV dsDNA結(jié)合，將其降解，同時誘發(fā)dsDNA反式降解反應(yīng)，以激活結(jié)合在dsDNA分子上的熒光報告因子（fluorescent reporter），發(fā)出熒光，完成整個檢測。這種新型診斷技術(shù)名為DNA內(nèi)切酶靶向的CRISPR反式報告檢測系統(tǒng)（DNA endonuclease-targeted CRISPR trans reporter, DETECTR）。該技術(shù)可以用來快速、且準(zhǔn)確地檢測各種亞型的HPV病毒。而且由于其快速、準(zhǔn)確、便捷的特點，尤其適合世界衛(wèi)生組織推薦的大規(guī)模普查工作。

　　Myhrvold等人開發(fā)的檢測方法則是將采自患者的臨床檢測樣品里的病毒核酸直接釋放出來進(jìn)行檢測，略過了常規(guī)檢測工作中的核酸提取這個步驟。這種方法被稱作不經(jīng)核酸提取熱處理樣品滅活核酸酶技術(shù)（heating unextracted diagnostic samples to obliterate nucleases, HUDSON）。這種技術(shù)能夠大量滅活人體體液里的核糖核酸酶（ribonucleases），同時也可以使病毒的衣殼破裂，釋放出病毒的核酸分子。Myhrvold等人還使用了以Cas13蛋白為基礎(chǔ)的核酸檢測技術(shù)平臺——特異性高靈敏度酶報告系統(tǒng)（specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking, SHERLOCK）。與DETECTR系統(tǒng)類似，SHERLOCK系統(tǒng)也利用了RPA和Cas13蛋白，誘導(dǎo)出（非CRISPR）核酸切割反應(yīng)。

　　在SHERLOCK系統(tǒng)里，結(jié)合了熒光報告因子的RNA被切割之后會釋放出熒光信號，該熒光信號再經(jīng)酶的放大，從而極大地提高了這種檢測方法的靈敏性。Myhrvold等人將HUDSON技術(shù)和SHERLOCK系統(tǒng)結(jié)合起來，開發(fā)出了一種高靈敏同時高特異性的檢測方法，可用于直接對體液（包括尿液、血液、唾液、血清和血漿等）中的登革病毒和寨卡病毒進(jìn)行檢測，在1至2個小時內(nèi)給出檢測結(jié)果。而且樣品的制備過程也很簡單，同時也不需要很復(fù)雜的設(shè)備。在中南美洲的很多地區(qū)，登革病毒和寨卡病毒都非常常見，而且臨床表現(xiàn)也都差不多。如果孕婦感染了寨卡病毒，那么將極容易產(chǎn)下先天畸形的孩子，而且這種病毒可性傳播，因此對孕婦和她們的丈夫進(jìn)行檢測就顯得尤為重要。這套HUDSON——SHERLOCK檢測技術(shù)可以很好地區(qū)分登革病毒、寨卡病毒、黃熱病毒（yellow fever virus, YFV）這些在巴西多地流行，并導(dǎo)致嚴(yán)重疫情的病原體。該技術(shù)還可以很好地區(qū)分四種不同亞型的登革病毒，還能夠?qū)Σ煌恼ú《具M(jìn)行單核苷酸多態(tài)性（single-nucleotide polymorphisms, SNP）分析。這種功能可被用于多種SNP分析，比如耐藥相關(guān)SNP、毒力相關(guān)SNP、傳染性相關(guān)SNP等，從而幫助我們發(fā)現(xiàn)，并跟蹤新出現(xiàn)的病原體。Myhrvold等人還將SHERLOCK報告系統(tǒng)的熒光信號改造成了類似于早孕試紙條式的報告系統(tǒng)，這非常適合在檢測現(xiàn)場（point-of care）使用。

　　Gootenberg團隊使用的也是SHERLOCK技術(shù)，不過他們對其進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出了SHERLOCKv2檢測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只需通過一次反應(yīng)便可同時檢測三種ssRNA靶標(biāo)和一種dsDNA靶標(biāo)。他們對17種CRISPR-Cas13a酶和CRISPR-Cas13b酶進(jìn)行了生化檢測，然后從中挑選出3種有特殊切割活性的酶，再輔以Cas12a酶及RPA系統(tǒng)，最終開發(fā)出了這種能夠在90分鐘內(nèi)同時檢測寨卡病毒ssRNA、人工合成ssRNA（synthetic ssRNA）、登革病毒ssRNA，以及人工合成dsDNA的檢測系統(tǒng)，而且檢測結(jié)果還是容易判讀的可視化結(jié)果。這種能夠同時檢測RNA和DNA的SHERLOCKv2技術(shù)非常適合用于肺炎致病病原體的鑒定。我們知道肺炎是全世界幼兒死亡的首要病因。不論是DNA病毒或者RNA病毒感染，還是同時合并了細(xì)菌感染導(dǎo)致的肺炎，都可以通過這種方法進(jìn)行檢測。這種便捷、廉價、方便的就地肺炎診斷技術(shù)一定可以幫助偏遠(yuǎn)地區(qū)的肺炎患者及早獲得相應(yīng)的（抗菌或抗病毒）醫(yī)療救助。

　　另外一種SHERLOCKv2技術(shù)可以對靶標(biāo)進(jìn)行高靈敏度的定量檢測。這種簡便而又準(zhǔn)確的檢測技術(shù)可以對醫(yī)療資源相對落后的地區(qū)的艾滋病患者進(jìn)行HIV病毒滴度監(jiān)測，以判斷抗病毒療法的療效，從而改善艾滋病患者的診療狀況。這種SHERLOCKv2技術(shù)還可以用來檢測非小細(xì)胞肺癌患者血液中的DNA分子的突變情況，檢測結(jié)果可以是熒光讀數(shù)，也可以是側(cè)向流免疫層析（lateral flow assays）方式，因此也可以用于液體活檢（liquid biopsy）。Gootenberg團隊在體外概念驗證試驗中，還成功應(yīng)用SHERLOCKv2技術(shù)開展了基因編輯治療，糾正了結(jié)腸癌突變基因，同時也利用SHERLOCKv2技術(shù)確定了被成功修復(fù)的突變基因的數(shù)目。

　　這些新開發(fā)的診斷技術(shù)還需要與傳統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行對比，以確保它們的靈敏性和特異性，同時還需要進(jìn)行現(xiàn)場測試，看看是否滿足臨床檢測需要，因為不同檢測環(huán)境，以及不同操作者都有可能影響檢測結(jié)果。一旦通過了這些測試，這些新型的檢測技術(shù)就可以投入實際應(yīng)用，提高偏遠(yuǎn)地區(qū)的診療水平。在那些醫(yī)療條件落后的地區(qū)，不明原因發(fā)熱的診治是最常見，又是最難診治的，這些疾病也是死亡率很高，傳播范圍很廣的疾病。比如，每年全世界因為結(jié)核桿菌感染會使130萬人死亡，因此結(jié)核病也是死亡率最高的疾病，而早期發(fā)現(xiàn)、早期處置其實是可以避免這些患者死亡的。

　　這些檢測技術(shù)既可以用來研究致病病原體的耐藥問題，指導(dǎo)臨床用藥；也可以分析致病病原體的活力（viability），以指導(dǎo)感染疾病的防控工作；還可以擴展檢測范圍，讓糞便、呼吸道分泌物、腦脊液等標(biāo)本都成為檢測樣品，以用于明確腸炎（enteritis）、肺炎（pneumonia）和腦膜炎（meningitis）等疾病的病因。隨著技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)準(zhǔn)確性、可靠性、簡便性、檢測速度、靈活性、費用等方面的考慮，還可以將這些檢測技術(shù)應(yīng)用于傳染性疾病和非傳染性疾病的檢測，也可以應(yīng)用于臨床、實驗室，以及野外等多種場合。

　　原文檢索：

Daniel S. Chertow. (2018) Next-generation diagnostics with CRISPR. Science, 360: 381-382.

來源：生命奧秘/Eason