基于CRISPR的诊断技术可以快速检测不同的新冠病毒变种和其他病原体
麻省理工学院布罗德研究所(Broad Institute of MIT)和哈佛大学(Harvard)、普林斯顿大学(princeton University)的研究人员开发了一种基于crispr的技术,可以快速区分Omicron、Delta和其他COVID-19变体,以及包括流感在内的其他呼吸道病毒。该团队在2021年12月Omicron激增开始期间使用了这种被称为mCARMEN的方法,以初步了解马萨诸塞州这种变体日益流行的情况。基于这些结果,马萨诸塞州公共卫生部(MDpH)与该州的医院分享了这一信息,以帮助指导COVID-19患者的治疗选择。
为了设计mCARMEN,研究人员采用了基于crispr的诊断技术CARMEN,该技术于2020年在Broad实验室开发,使其更快、更敏感、更容易在临床和监测实验室中实施,目标是在未来SARS-CoV-2或其他病原体暴发时更广泛地使用优化的平台。
mCARMEN是“核酸多路评估的微流控组合排列反应”的首字母缩写,发表在《自然医学》杂志上。
“COVID-19大流行向我们表明,我们需要更多的检测,更频繁地进行检测,尤其是在大流行的早期,”联合资深作者Cameron Myhrvold说。他在布罗德大学(Broad)担任博士后研究员,帮助开发了CARMEN,目前是普林斯顿大学(princeton University)分子生物学助理教授。“COVID-19向我们表明,具有挑战性的病毒将不断出现,所以我们必须继续寻找它们,并提出更好的方法。”
该研究的第一作者妮可·韦尔奇(Nicole Welch)说:“能在这个大型合作项目上工作真是太棒了。”她是哈佛大学病毒学项目的研究生,同时也是布罗德大学帕蒂斯·萨贝蒂(pardis Sabeti)实验室的一名学生。“我们很兴奋,它已经在这场大流行中发挥了作用,我们希望看到它继续用于改善公共卫生。”
Sabeti实验室的研究人员和Broad核心成员paul Blainey首次开发了CARMEN平台,使用定制微流体芯片和基于crispr的引导RNA分子,可以检测病原体遗传物质中的特定序列。在2020年的一项研究中,他们表明CARMEN可以在1000多个样本中同时识别单一类型的病毒,或在少数样本中搜索160多种不同的病毒,包括COVID-19病毒。
然而,最初的CARMEN平台需要定制设备,涉及8至10小时的人工密集工作流程,并且提供的吞吐量低于大流行期间所需的吞吐量。为了更好地应对新SARS-CoV-2变体的出现等公共卫生威胁,研究人员在2021年对该技术进行了改进,使其在临床上更有用,并允许其快速检测多种病毒和变体。
该团队将CARMEN应用于商业化的Fluidigm微流体和仪器平台,使其更易于运行,并将运行时间缩短了一半。这组科学家还简化了工作流程,以提高灵敏度,从而可以检测遗传物质较少的样本中的病原体。此外,通过结合使用基于crispr的酶Cas12和Cas13, mCARMEN不仅可以发现病毒的存在,而且还可以测量样本中的病毒数量——这些信息可以表明患者感染他人的能力,或者治疗是否有效。
在他们的最新研究中,科学家们表明,mCARMEN可以区分患者样本中的21种不同的人类呼吸道病毒,包括SARS-CoV-2、其他冠状病毒和流感毒株,表现与最初的CARMEN技术一样。他们与马萨诸塞州总医院的合作伙伴合作,进一步证明了mCARMEN在患者样本中检测和区分多种人类呼吸道病毒的能力。
为了使mCARMEN能够诊断患者和监测新出现的COVID-19变异,研究人员还为该平台开发了一种跟踪SARS-CoV-2病毒变化的方法。他们设计了一个基于crispr的引导rna的“变异识别小组”,可以识别病毒刺突蛋白中的二十多个突变。每个变异都有一个独特的突变模式,可以作为样本中变异的“指纹”。有了这个面板,该团队表明,mCARMEN可以寻找这些指纹,并区分6种SARS-CoV-2变体血统,包括Delta和Omicron,与病毒测序一样准确。
研究人员说,mCARMEN还可以帮助标记新的变异。如果一个未知的病毒突变指纹在一个样本中出现,这可能是一个新的变异可能出现的信号,这可以通过更深入的病毒测序来确认。
自2021年3月以来,布罗德研究所与美国疾病控制和预防中心和MDpH合作,一直在进行大规模病毒测序,以支持COVID-19基因组监测。随着2021年底Omicron变种的出现,MDpH要求Broad使用mCARMEN检测马萨诸塞州各地的COVID-19样本,并提供更快的Omicron流行率的初步分析,以提高公共卫生形势意识。2021年12月下旬,基因组学平台将病毒监测工作流程中的一组covid - 19阳性样本交给了mCARMEN平台开发团队。
mCARMEN团队利用他们的平台在一天内处理了近1000个样本,并迅速生成了在该州流通的变种的图片。他们估计,自12月中旬以来,Omicron一直是马萨诸塞州的主要COVID-19变种。除了展示了该平台从相对较少的样本中快速生成见解的能力外,这一发现还对该州的COVID应对工作产生了实时影响。MDpH能够联系地区医院,并建议在使用单克隆抗体治疗COVID-19患者时,他们现在应该选择更适合Omicron的抗体,而不是Delta或其他变体的抗体。
韦尔奇说:“由于mCARMEN的快速周转时间,我们可以帮助支持这种立即的公共卫生反应。”“欧米克隆的疫情表明,需要一种比基于pcr的标准检测提供更多信息的诊断方法,而且不需要病毒测序所需的成本和时间。”
mCARMEN将需要监管部门的批准才能用于诊断患者。目前,该团队正在与基因组平台、疾病预防控制中心和MDpH的同事合作,继续使用该技术监测Omicron和其他COVID-19变体。随着新的变异的出现,他们可以很容易地在mCARMEN工作流程中添加新的变异变异面板,以了解哪些变异正在传播并支持公共卫生应对措施。
该小组还与全国及其他地区的公共卫生部门合作,利用mCARMEN对这些地区的病毒进行监测。此外,他们还支持合作研究人员开发新冠肺炎大流行之外的新应用,如检测和鉴别细菌感染和监测抗生素耐药性。
“我们的希望是更广泛地传播这项技术,”联合资深作者pardis Sabeti说,他是布罗德研究所的成员、哈佛大学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员。“随着CARMEN平台的更新,我们可以设计多种用途的面板,这将帮助我们为下一个传染病威胁做好准备。”
DARpA D18AC00006、流感实验室和一群通过“大胆项目”(Audacious project)的捐助者为这项研究提供了部分支持。“大胆项目”是TED的一个合作资助项目,包括ELMA基金会、麦肯齐·斯科特(MacKenzie Scott)、斯科尔基金会(Skoll Foundation)和开放慈善机构(Open philanthropy)。