麻省理工學院和哈佛大學的工程師們設計了一個小型桌面設備，可以在大約一小時內從唾液樣本中檢測出SARS-CoV-2。在一項新研究中，他們表明，這種診斷方法與現在使用的PCR測試一樣準確。
該設備還可以用來檢測與現在流行的一些SARS-CoV-2變種有關的特定病毒突變。這一結果也可以在一小時內獲得，有可能使追蹤病毒的不同變體變得更加容易，特別是在沒有基因測序設施的地區。
麻省理工學院醫學工程與科學研究所（IMES）和生物工程系的Termeer醫學工程與科學教授James Collins說：“我們證明了我們的平台可以被編程以檢測出現的新變體，而且我們可以相當迅速地重新使用它。在這項研究中，我們的目標是英國、南非和巴西的變體，但你可以很容易地調整診斷平台，以解決德爾塔變體和其他正在出現的變體。”
研究人員說，這種依靠CRISPR技術的新診斷方法可以以大約15美元的價格組裝起來，但是如果這些設備大規模生產，這些成本可能會大幅下降。
Collins是這項新研究的資深作者，該研究於8月6日發表在《科學進展》雜誌上。該論文的主要作者是哈佛大學維斯生物啟發工程研究所的博士后Helena de Puig；波士頓兒童醫院和貝斯以色列女執事醫療中心的兒科講師和維斯研究所的訪問學者Rose Lee；麻省理工學院媒體實驗室的研究生Devora Najjar；以及維斯研究所的臨床研究員和麻省總醫院的消化科講師Xiao Tan。
一個獨立的診斷器
這種新的診斷方法基於SHERLOCK，這是Collins和其他人在2017年首次報告的一種基於CRISPR的工具。該系統的組成部分包括一個允許檢測特定目標RNA序列的RNA引導鏈，以及切割這些序列併產生熒光信號的Cas酶。所有這些分子成分都可以冷凍乾燥，以便長期儲存，並在接觸到水時重新激活。
去年，Collins的實驗室開始致力於改造這項技術，以檢測SARS-CoV-2病毒，希望他們能夠設計出一種診斷設備，能夠產生快速的結果，並且只需很少或不需要專業知識就能操作。他們還希望它能與唾液樣本一起使用，使用戶更加方便。
為了實現這一目標，研究人員必須加入一個關鍵的預處理步驟，使被稱為唾液核酸酶的酶失效，這些酶會破壞RNA等核酸。一旦樣本進入該設備，核酸酶就會被加熱和兩種化學試劑滅活。然後，通過讓唾液通過一個膜來提取和濃縮病毒RNA。
Lee說：“這層膜是收集核酸和濃縮它們的關鍵，這樣我們就能獲得我們在這種診斷中顯示的靈敏度。”
然後，這種RNA樣本被暴露在凍乾的CRISPR/Cas組件中，這些組件通過自動穿刺設備內的密封水包而被激活。一系列反應擴增了RNA樣本，然後檢測目標RNA序列（如果存在的話）。
研究人員表示：“我們的目標是創造一種完全獨立的診斷方法，不需要其他設備。基本上，病人向這個設備吐痰，然後你按下一個活塞，一小時后你就能得到答案。”
研究人員設計了這個設備，他們稱之為最小儀器化的SHERLOCK（miSHERLOCK），因此它最多可以有四個模塊，每個模塊尋找不同的目標RNA序列。原始模塊包含檢測任何SARS-CoV-2菌株的RNA引導鏈。其他模塊是專門針對與過去一年出現的一些變體相關的突變，包括B.1.1.7、P.1和B.1.351。
當研究人員進行這項研究時，德爾塔變體還沒有大規模擴散，但由於該系統已經建成，他們說設計一個新模塊來檢測該變體應該是很簡單的。該系統也可以很容易地進行編程，以監測可能使病毒更具感染性的新變異。
“如果你想做更廣泛的流行病學調查，你可以在人群中出現令人擔憂的突變之前設計檢測方法，以監測刺突糖蛋白中潛在的危險突變，”Najjar說。
追蹤變體
研究人員首先用添加了合成SARS-CoV-2 RNA序列的人類唾液測試了他們的設備，然後用大約50個病毒檢測呈陽性的病人的樣本進行測試。他們發現該設備與現在使用的黃金標準PCR測試一樣準確，後者需要鼻拭子，並需要更多的時間和更多的硬件和樣本處理來產生結果。
該設備產生的熒光讀數可以用肉眼看到，研究人員還設計了一個智能手機應用程序，可以讀取結果並將其發送給公共衛生部門，以方便追蹤。
研究人員認為他們的設備可以以每台設備低至2至3美元的成本生產。如果得到美國食品和藥物管理局的批准並大規模生產，他們設想這種診斷器可以對那些希望能夠在家裡進行測試的人有用，或者在沒有廣泛的PCR測試或SARS-CoV-2變體基因測序的地區的保健中心有用。
de Puig說：“檢測和跟蹤這些變體的能力對有效的公共衛生至關重要，但不幸的是，變體目前只能在專門的流行病學中心通過核酸測序進行診斷，而這些中心即使在資源豐富的國家也很缺乏。”