據外媒報道，對COVID-19進行頻繁、快速的檢測對於控制疫情的蔓延至關重要，特別是在出現新的、更具傳播性的變體時。雖然今天的標準COVID-19診斷測試（使用qRT-PCR）非常敏感，可以檢測到每微升一個RNA拷貝，但它需要專門的設備、幾個小時的運行時間和一個集中的實驗室設施。因此，測試通常需要至少一到兩天的時間。由加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna、David Savage和Patrick Hsu實驗室的科學家領導的一個研究小組，旨在開發一種比qRT-PCR更快和更容易部署的診斷測試。
它現在已經將兩種不同類型的CRISPR酶結合起來，創造出一種能夠在不到一小時內檢測出少量病毒RNA的檢測方法。Doudna因開發CRISPR-Cas9 基因組編輯方法而獲得了2020年諾貝爾化學獎。
雖然新技術還沒有達到與qRT-PCR的靈敏度相媲美的階段，qRT-PCR可以檢測到每微升液體中僅有的幾個病毒拷貝，但它已經能夠拾取病毒RNA的水平–每微升約30個拷貝–足以用於監視人口和限制感染的傳播。
研究共同作者、分子和細胞生物學教授David Savage說：“你不需要PCR的靈敏度來基本上捕捉和診斷社區中的COVID-19，如果測試足夠方便和快速。我們的希望是儘可能地推動生物化學的發展，使你能夠想象出一種非常方便的形式，在這樣的環境中，你可以每天接受測試，比如說，在上班的入口處。”
研究人員於2021年8月5日在《自然-化學生物學》雜誌上報告了他們的成果。
幾種基於CRISPR的檢測方法已被美國食品和藥物管理局授權緊急使用，但所有這些都需要一個初始步驟，在這個步驟中，病毒RNA被放大，以便檢測信號–涉及釋放一種在藍光下發光的熒光分子–足夠亮，可以看到。雖然這種初始擴增將測試的靈敏度提高到與qRT-PCR類似的水平，但它也引入了一些步驟，使測試在實驗室外更難進行。
由加州大學伯克利分校領導的團隊試圖在不犧牲檢測的簡單性的情況下達到有用的靈敏度和速度。
團隊負責人、創新基因組學研究所（IGI）Doudna實驗室的研究科學家Tina Liu說：”對於護理點的應用，你希望有一個快速的反應，以便人們能夠迅速知道他們是否被感染，例如在你坐飛機或去拜訪親戚之前，”IGI是一個以CRISPR為重點的中心，有加州大學伯克利分校和舊金山分校的科學家參與。
除了增加了一個步驟之外，初始擴增的另一個缺點是，由於它製造了數十億份病毒RNA，因此在病人樣本中出現交叉污染的機會更大。該團隊開發的新技術將這一點翻轉過來，轉而增強了熒光信號，消除了交叉污染的一個主要來源。
這種無擴增的技術，他們稱之為快速綜合核酸酶串聯檢測（FIND-IT），可以對許多其他傳染病進行快速和廉價的診斷測試。
Tina說：“雖然我們啟動這個項目的明確目的是影響COVID-19，但我認為這種特殊的技術可以適用於不僅僅是這種大流行病，因為最終，CRISPR是可以編程的。因此，你可以給CRISPR酶加載一個針對流感病毒或HIV病毒或任何類型的RNA病毒的序列，並且該系統有可能以同樣的方式工作。這篇論文真正確立了這種生物化學是一種更簡單的檢測RNA的方法，並且有能力在敏感和快速的時間範圍內檢測該RNA，這可能適合於未來在護理點診斷中的應用。”
研究人員目前正在利用FIND-IT建立這樣一種診斷方法，這將包括收集和處理樣本的步驟，並在一個緊湊的微流控設備上運行檢測方法。
為了從方程中去除目標放大，該團隊採用了一種CRISPR酶–Cas13–首先檢測病毒RNA，而另一種稱為Csm6的Cas蛋白則放大了熒光信號。
Cas13是一把用於切割RNA的通用“剪刀”；一旦它與由指導RNA指定的目標序列結合，它就會被激發去切割廣泛的其他RNA分子。這種目標觸發的切割活動可以被用來將特定RNA序列的檢測與熒光報告分子的釋放聯繫起來。然而，就其本身而言，當目標RNA的數量非常少時，Cas13可能需要幾個小時才能產生一個可檢測的信號。
Tina的見解是使用Csm6來放大Cas13的效果。Csm6是一種CRISPR酶，能感知小環狀RNA的存在，並被激活以切割細胞中廣泛的RNA分子。
為了提高Cas13的檢測能力，她和她的同事設計了一個特別設計的激活劑分子，當Cas13檢測到病毒性RNA時，該分子會被切割。這個分子的一個片段可以與Csm6結合併觸發Csm6切割並從一段RNA中釋放出一個明亮的熒光分子。通常情況下，激活劑分子會迅速被Csm6分解，從而限制了它能產生的熒光信號的數量。劉和她的同事設計了一種方法，對激活劑進行化學修飾，使其免受降解的影響，並能為Csm6“充電”，以反覆切割和釋放與RNA相連的熒光分子。這導致了比原始激活劑好100倍的靈敏度。
Tina說：“當Cas13被激活時，它切割這個小的激活劑，去除保護它的一段。現在它被解放了，它可以激活第二種酶Csm6的許多不同分子。因此，Cas13識別的一個目標不僅僅導致其自身的RNA切割能力被激活；它還導致產生更多的活性酶，然後每個酶都可以切割更多的熒光報告物。”
該研究小組還納入了一種優化的引導RNA組合，使Cas13對病毒RNA的識別更加敏感。當這與Csm6及其激活劑相結合時，該團隊能夠在短短20分鐘內檢測到每微升低至31個拷貝的SARS-CoV-2 RNA。
研究人員還將從病人樣本中提取的RNA加入到微流控盒中的FIND-IT檢測中，以了解這種檢測是否能夠適應在便攜式設備上運行。使用一個帶攝像頭的小型設備，他們可以檢測從病人樣本中提取的SARS-CoV-2 RNA，其靈敏度可以捕捉到COVID-19感染的高峰。
Tina表示：“這種串聯核酸酶方法–Cas13加Csm6–將所有東西結合到一個溫度下的單一反應中，即37攝氏度，因此它不需要高溫加熱或多個步驟，而其他診斷技術則需要這樣。我認為這為更快、更簡單的測試提供了機會，可以達到與目前其他技術相當的靈敏度，並有可能在未來達到更高的靈敏度。”
這種無擴增的RNA檢測方法的開發源於IGI內部在大流行開始時對COVID-19的診斷和治療問題進行的研究方向調整。最終，加州大學伯克利分校的五個實驗室和加州大學舊金山分校的兩個實驗室參與了這個研究項目，這是IGI內部眾多研究項目中的一個。