基因編輯技術CRISPR已經催生了一些旨在使用該工具開發(fā)新療法的初創(chuàng)公司，現(xiàn)在介紹的是該技術應用的另一個不太擁擠的賽道——診斷測試。
美國加利福尼亞的一個學術研究團隊開發(fā)了一種新技術，研究團隊包括加州大學伯克利分校、Keck Graduate研究院、斯克里普斯學院、克萊蒙特麥肯納學院的研究人員，以及兩家生物技術初創(chuàng)公司Cardea Biosciences和Nanosens Innovations。
關于CRISPR-Chip的研究成果已經發(fā)表于3月25日的《Nature Biomedical Engineering》上，進一步證明了CRISPR-Cas技術在診斷領域的實用性。研究人員開發(fā)了一種基于石墨烯的新型手持設備，名為“CRISPR-Chip”，無需擴增或測序，就可以從患者的DNA樣本中進行特定的基因突變數(shù)字檢測。
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更方便、更簡單、更快速的疾病檢測方式
大多數(shù)檢測核酸的方法需要許多試劑和昂貴的設備。而該手持裝置利用CRISPR的基因靶向能力，將一種部分失活的Cas9蛋白，與特異性的單鏈guild RNA復合并連接到基于石墨烯的晶體管上，實現(xiàn)核酸檢測功能。
“我們與合作伙伴一起開發(fā)了第一個使用CRISPR搜索基因組以尋找潛在突變的設備。”加州大學伯克利分校生物工程系助理教授、Keck Graduate研究院的Kiana Aran博士說：“你只需將純化的DNA樣品放在芯片上，讓CRISPR進行搜索，石墨烯晶體管在15分鐘內就可以報告這次搜索的結果。”
CRISPR-Chip原型在石墨烯晶體管上覆蓋了數(shù)千個CRISPR-Cas復合體，這些蛋白會在DNA中找到特定位點結合，但是不會剪切。如果CRISPR-Cas分子未能檢測到樣品中的靶基因，則DNA將被釋放而不會結合。然而，當發(fā)現(xiàn)完美的序列匹配時，蛋白與其結合并觸發(fā)石墨烯的表面產生額外的電荷。石墨烯晶體管的導電率發(fā)生變化，由CRISPR-Chip檢測并且作為電信號讀出。
在論文中，Aran的團隊使用CRISPR-Chip分析從表達藍色熒光蛋白bfp基因的HEK293T細胞系收集的DNA樣本，這是一種常用于驗證CRISPR-Cas基因編輯的基因。他們還檢測了由抗肌營養(yǎng)不良蛋白基因突變引起的杜氏肌營養(yǎng)不良癥（DMD）患者的臨床樣本。雖然突變可以在基因的所有79個外顯子中發(fā)生，但最常見的缺失發(fā)生在外顯子2-10和外顯子45-55。該團隊使用CRISPR-Chip檢測這些常見缺失外顯子中的兩個（外顯子3或外顯子51）的突變，能夠在沒有任何預擴增的情況下特異性地檢測缺失。
“我們只需要大約1/10的頰部拭子DNA。”Aran說，“這項技術非常令人興奮，因為我們正在跳過通常需要在這些DNA樣本上進行的大部分實驗室的處理程序。”所需的硬件大小與大型手機相當，可以在筆記本電腦上運行，移動性非常強。
“設備的靈敏度為每微升3.3納克。”Aran說，“當然，不同個體診斷測試的敏感性和特異性需要在臨床試驗中進行測量，我們還沒有進行到這一步工作。”
這個平臺“非常聰明”，亞利桑那州立大學生物設計研究所單分子生物物理中心主任Stuart Lindsay評論說，他沒有參與這項研究。“這里的新穎之處在于使用CRISPR進行基因組檢索。通過化學物質上DNA雜交來檢測靶基因是非常容易和相當常規(guī)的，比如這里使用的石墨烯這種化學物質。但是CRISPR的搜索功能允許它通過基因組尋找目標靶，這就是為什么使用未擴增的DNA也可以實現(xiàn)。“
另外也有DNA分子電子學專家認為，該文章的實驗數(shù)據(jù)相對較少，這使人懷疑結果是否可以重現(xiàn)。但是，Cardea首席技術官兼該研究的共同作者Brett Goldsmith博士斷言，“測試數(shù)據(jù)是我從納米電子傳感器中看到的和最可重復的數(shù)據(jù)之一。”
Goldsmith指出，“其他技術需要將DNA擴增，任何DNA擴增過程都會帶來相同的背景干擾問題。很少有人能做到在不擴增的情況下檢測DNA。“PCR擴增DNA只能在絕對必要的時候使用，因為在研究實驗室之外使用擴增會有很多實際問題。
未來，該裝置進入臨床試驗后，可用于快速診斷疾病，通過快速基因檢測幫助醫(yī)生為患者制定個性化的治療計劃。同時，也可以在實驗室中用于監(jiān)測CRISPR是否與特定DNA序列結合，評估基于CRISPR的基因編輯技術的準確性。據(jù)Aran稱，該實驗室將在今年準備就緒，開始使用Cardea生產設備并與Keck Graduate研究院一起使用，但是要想進入臨床試驗還有很復雜的程序。
CRISPR技術平臺檢測公司已有兩家
加州大學伯克利分校的CRISPR早期技術專家Jennifer A. Doudna，在2017年創(chuàng)立了Mammoth Biosciences。該公司擁有加州大學的技術許可，利用CRISPR技術完成傳染病、腫瘤學和基因突變方面的快速診斷。而就在今年3月22日，張鋒參與組建的Sherlock Biosciences公司剛剛成立，并獲得了3500萬的融資。該公司通過博德研究所獲得授權，也是基于CRISPR技術完成快速診斷。
眾多科學家正在參與CRISPR-Cas在診斷領域的發(fā)展，解決諸多難題。很多疾病、基因突變測試獲得結果可能需要很長時間，而且在發(fā)展中國家等低資源環(huán)境下可能無法進行測試。如果科學家能夠開發(fā)新的診斷測試技術，可以顯著降低成本，提高便捷性，擴大可及性，讓醫(yī)療不可能三角的難題得以解決。
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