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前沿进展 | 下一代高特异性高灵敏核酸平台技术——光子CRISPR传感新技术

时间:2022-09-07 点击量: 2805

以下文章来源于爱光学 ,作者有理想


01 导读


近日,深圳大学物理与光电工程学院特聘教授张晗领衔的研究团队首次报道了联合表面等离激元共振技术(SPR)与CRISPR基因编辑技术的基因序列检测平台。其中光子CRISPR传感新技术 (MOPCS)充分发挥了CRISPR技术的基因序列特异性优势,以及SPR技术的灵敏度优势,在实际应用中准确检测出未经扩增的病人核酸样本并同步进行基因分型。

相关研究成果以“A CRISPR/Cas12a-empowered surface plasmon resonance platform for rapid and specific diagnosis of the Omicron variant of SARS-CoV-2” 为题发表在National Science Review上,并被选为2022年第8期的封面论文。

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图1 National Science Review 2022年第8期封面


02 研究背景


在当前疫情防控工作中,PCR(聚合酶链反应)核酸检测是主要的标准化手段。但是PCR法依然存在公共资源消耗大、时效性较差、病毒同步分型能力有限等问题,无法满足当前疫情形势下病毒检测快速、精准的要求。

表面等离子体共振(SPR)传感技术是光学传感领域内广受认可的通用技术,已被广泛应用于分子相互作用的研究,包括抗原-抗体、药物-目标、蛋白质-核酸、蛋白质-蛋白质和蛋白质-脂质,近年来已成为小分子药物-体内蛋白靶点分子间相互作用检测的标准方法之一。

集群定期间隔短回文重复(CRISPR)系统是一个微生物自然适应性免疫系统,近年来被开发为革命性的基因组编辑工具,相关技术于2020年获诺贝尔化学奖。除基因编辑的应用以外,基于CRISPR的基因检测方法已经被开发研究,并表现出超高的基因序列特异性。


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图2 CRISPR基因编辑技术在基因检测方面的应用

 (Kellner et al. Nature Protocols, 2019)


"如果把SPR和CRISPR结合起来呢?"张晗教授与团队中的陈挚、李景枫博士产生了这一灵感的火花,并立即投身于大量的实验验证去完成这项研究。在为这项研究做了大量和反复的测试后,终于建立了一个CRISPR赋能的SPR传感平台的原型,同时满足基因检测应用中快速、高灵敏度、高特异性的三大需求。


03 研究创新点


该团队将此平台命名为“Methodologies Of Photonic CRISPR Sensing (MOPCS)”,它结合了光学传感技术——表面等离子体共振(SPR)和 “基因剪刀”CRISPR技术,实现了对病毒变异株的高灵敏度和特异性测定。

MOPCS是一个低成本的、由CRISPR/Cas12a系统驱动的SPR基因检测平台,可以分析病毒RNA,不需要扩增,从样品输入到结果输出只需38分钟,并达到15 fM的检测极限。此外,MOPCS实现了对SARS-CoV-2的高灵敏度分析,并准确区分B.1.617.2(Delta)、B.1.1.529(Omicron)和BA.1(Omicron的一个亚型)等变异株。

这个平台还被用来分析最近收集的一些来自深圳市本地出现的病人样本,并与深圳市疾病控制和预防中心的PCR检测结果一致,并准确区分了病毒分型。这个创新的CRISPR赋能的SPR平台将进一步促进各种快速、敏感和准确检测具有单碱基突变的目标核酸序列。

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图3 MOPCS技术原理示意图


MOPCS平台具备以下优势:

(一)高特异性。该技术基于基因编辑工具CRISPR技术,具备高度核酸序列特异性;

(二)高灵敏度。该光传感芯片发挥SPR技术高灵敏度的特点,能够直接检测到新冠患者的病毒样本,无需传统检测方法的额外的“扩增”步骤。

(三)高便利性。随着进一步技术革新,该技术可直接在各公共场合、居民社区当场检测并快速出结果,无需依托实验室进行各项检测流程,进一步优化现有的抗疫模式。

(四)高延展性。该技术除运用于新冠疫情防控,还可广泛应用于各类基因检测,如病毒筛查、癌症早筛、细菌检测等方面,不断为民众提供健康福祉,并对提高国家生物安全治理能力具有重要意义。


04 总结与展望


张晗教授团队研究的MOPCS技术得到学术界各方肯定,侯云德院士评价道:“该团队发明了MOPCS技术,在检测SARS-CoV-2的实际工作中提供了一种杰出的研究方法。该研究结果为基因检测领域提供了启示,并可能在未来的大规模病毒筛查中取代PCR。” 

(https://doi.org/10.1093/nsr/nwac149)


目前,该技术相关成果获得专利权和欧盟CE认证。在技术交流中,国家科技部、中国科学院、广东省科技厅高新处、深圳市科创委等相关部门及专家对技术的应用价值给予高度认可和期待。在深圳市政府的大力支持下,技术已试点应用于人体病毒样本、进口货物、环境污水的新冠病毒检测。

深圳大学张晗教授、深圳市儿童医院谢中建研究员、麻晓鹏院长和深圳市疾病预防与控制中心何雅青研究员为共同通讯作者,深圳大学陈挚和李景枫博士后为共同第一作者。



论文链接:


https://doi.org/10.1093/nsr/nwac104