当新冠疫情最初爆发时，等待超灵敏聚合酶链式反应 (PCR) 检测的实验室结果需要数天时间是很常见的。后来，任何人、任何地点都可以使用的更快检测方法变得广泛可用，但准确性远不如 PCR。新的研究为一种诊断测试铺平了道路，它既像快速新冠检测一样快速简便，又像 PCR 技术一样准确。
研究人员已经改造了基因编辑技术 CRISPR，以识别来自病原体的遗传物质，例如导致新冠的 SARS-CoV-2 病毒。但大多数此类努力都涉及增强或“预扩增”要测量的 DNA 或 RNA 的量——这一步骤需要特殊的设备和培训。
最近发表在《自然通讯》杂志上的一项研究表明，基于 CRISPR 的检测可以在 PCR 水平的灵敏度下检测 SARS-CoV-2，以及危险的细菌和癌症突变，而无需预扩增。
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CRISPR 使用连接到 RNA 分子的切割酶，这些 RNA 分子与目标基因序列（在本例中，来自被检测病原体的基因序列）相匹配。RNA“引导”酶到达目标，然后激活酶切割该序列。但某些类型的 CRISPR 酶并不止于此；一旦激活，它们就会继续切割任何附近的单链 DNA (ssDNA)。研究人员可以通过将他们的测试设置为在 ssDNA 被切割时触发荧光闪烁来利用这种作用，从而确认 CRISPR 的目标病原体存在。
但在该设置中，每个目标 DNA 或 RNA 分子仅激活一种切割酶。为了增强信号，该研究的资深作者，悉尼新南威尔士大学的生物医学工程师 Ewa M. Goldys 和她的同事创造了微小的 DNA“纳米环”，其具有一个短的单链序列，该序列连接到目标序列的两端。当呈环状形式时，这些链不会触发 CRISPR 酶。但是，在被切割后，它们会展开成线性 DNA，CRISPR 可以检测到线性 DNA，从而激活更多的酶，形成链式反应。“即使只有少量目标分子存在，这也很容易检测到，”Goldys 说。
这种策略使基于 CRISPR 的检测灵敏度提高了百万倍。“去除预扩增步骤可以实现优雅、简单的化学过程，这可能更适合即时即地护理系统，”麻省理工学院生物学家 Jonathan Gootenberg 说，他共同开发了早期的 CRISPR 诊断系统。这种新方法可以实现廉价的测试套件组件，包括类似于当前快速新冠检测中的侧向流动条——每个成本仅为几美元。
科学家们基于纳米环的检测检测到了来自 SARS-CoV-2 和导致溃疡的细菌幽门螺杆菌的遗传物质，他们还能够在小鼠血液和人类血浆中发现肿瘤 DNA 循环。此类检测可以在 15 分钟内完成，而 PCR 通常需要一个小时或更长时间。“我们相信我们创造了一种有现实机会超越 PCR 的技术，”Goldys 说。
该小组正在与商业伙伴合作进行病毒诊断和水中寄生虫检测。然而，第一款产品是一个通用纳米环盒，研究人员可以将其添加到现有的 CRISPR 检测中以提高灵敏度。这些环带有自己的引导 RNA，一旦环的 DNA 展开，引导 RNA 就会靶向该 DNA。
最大的障碍将是同时检测多个目标。医疗应用通常需要此功能（通常用于检查测试是否正常运行），但 Gootenberg 表示这将难以实现。研究人员正在调查：“我们不知道我们将如何应对[这一挑战]，”Goldys 说，“但我们会尝试。”