Innowacyjny test wykrywający SARS-CoV-2 za pomocą smartfona

Jedną z głównych przeszkód w walce z pandemią COVID-19 jest dostępność szybkich testów. Wiedza o tym, kto jest zakażony, dostarczyłaby cennych informacji o potencjalnym rozprzestrzenianiu się koronawirusa.

Obecnie, na wyniki testów trzeba jednak czekać kilka dni albo i dłużej. Sytuację pogarsza fakt, że większość zakażonych osób ma łagodne objawy lub nie ma ich wcale, a mimo to nadal roznosi wirusa. Naukowcy z Instytutu Gladstone'a, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco przedstawili technologię testu CRISPR dla COVID-19, który wykorzystuje kamerę smartfona do zapewnienia dokładnych wyników w mniej niż 30 min.

- Pilnym zadaniem dla społeczności naukowej było nie tylko zwiększenie liczby testów, ale również zapewnienie nowych opcji. Opracowane przez nas rozwiązanie może zapewnić szybkie i tanie testy, które pomogą kontrolować rozprzestrzenianie się SARS-CoV-2 - powiedziała dr Melanie Ott, dyrektor Instytutu Wirusologii Gladstone, szef zespołu badawczego.

Technika ta została opracowana we współpracy z bioinżynierem dr Danielem Fletcherem, jak również prof. Jennifer Doudną, która jest starszym badaczem w Instytucie Gladstone'a. Doudna otrzymała niedawno Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2020 r. za wspólne odkrycie technologii edycji genów CRISPR-Cas.

Nowy test diagnostyczny może nie tylko wygenerować wynik pozytywny lub negatywny, ale także zmierzyć wiremię (czyli stężenie SARS-CoV-2) w danej próbce.

- W połączeniu z powtarzanymi testami, pomiar wiremii może pomóc w ustaleniu, czy infekcja wzrasta, czy maleje. Monitorowanie przebiegu zakażenia pacjenta może pomóc pracownikom służby zdrowia oszacować stopień zaawansowania zakażenia i przewidzieć w czasie rzeczywistym, jak długo będzie ono prawdopodobnie potrzebne do powrotu do zdrowia - powiedział dr Fletcher.

Obecne testy COVID-19 wykorzystują metodę zwaną ilościowym PCR - złoty standard testowania. Jednak jednym z problemów związanych z wykorzystaniem tej techniki do badania SARS-CoV-2 jest to, że wymaga ona obecności DNA. Koronawirus jest wirusem RNA, co oznacza, że aby zastosować podejście PCR, wirusowe RNA musi być najpierw przekonwertowane na DNA. Ponadto technika ta opiera się na dwuetapowej reakcji chemicznej, w tym na etapie amplifikacji, w celu zapewnienia wystarczającej ilości DNA, aby materiał genetyczny był wykrywalny. Obecne testy zazwyczaj wymagają przeszkolonych pracowników, specjalistycznych odczynników i złożonego sprzętu laboratoryjnego, co poważnie ogranicza możliwość ich wykonywania.

Jako alternatywę dla PCR, naukowcy opracowują strategie testowania oparte na technologii modyfikacji genów CRISPR-Cas, która wyróżnia się w szczególności w zakresie identyfikacji materiału genetycznego. Wszystkie dotychczasowe metody diagnostyczne CRISPR wymagały konwersji wirusowego RNA do DNA i jego amplifikacji przed wykryciem, co wydłużało czas i zwiększało złożoność badań. Nowe podejście opisane w tym ostatnim badaniu pomija wszystkie etapy konwersji i amplifikacji, wykorzystując CRISPR do bezpośredniego wykrywania wirusowego RNA.

- Jednym z powodów, dla których jesteśmy podekscytowani diagnostyką z wykorzystaniem CRISPR, jest możliwość uzyskania szybkich i dokładnych wyników w momencie, gdy jest to konieczne. Jest to szczególnie pomocne w miejscach o ograniczonym dostępie do badań lub gdy potrzebne są szybkie testy, Może to wyeliminować wiele wąskich gardeł, które widzieliśmy w przypadku COVID-19 - dodała prof. Dounda.

Parinaz Fozouni, absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Franciscu pracujący w laboratorium Otta w Gladstone, przez ostatnie lata pracował nad systemem wykrywania RNA w kierunku HIV. Ale w styczniu 2020 r., kiedy stało się jasne, że koronawirus staje się coraz większym problemem na świecie, naukowcy zdecydowali, by przenieść zainteresowanie na COVID-19.

Zamiast znanego białka używanego zazwyczaj w technice CRISPR - kaspazie 9 (Cas9) - które rozpoznaje i rozszczepia DNA, użyto kaspazę 13 (Cas13), która rozszczepia RNA. Test wykorzystuje próbkę wymazu z nosa - jest ona umieszczana w urządzeniu, które podłącza się do smartfona. Jeżeli próbka zawiera RNA SARS-CoV-2, kaspaza 13 zostanie aktywowana, powodując emisję sygnału fluorescencyjnego. Kamera smartfonu staje się mikroskopem mogącym wykryć fluorescencję i potwierdzając pozytywny wynik testu.

- To, co naprawdę czyni ten test wyjątkowym, to fakt, że wykorzystuje on jednoetapową reakcję do bezpośredniego testowania wirusowego RNA, w przeciwieństwie do dwuetapowego procesu w tradycyjnych testach PCR. Prostsza chemia, w połączeniu z kamerą smartfona, skraca czas wykrywania i nie wymaga skomplikowanego sprzętu laboratoryjnego - powiedziała Ott.

Testy mogą być dostosowane do różnych telefonów komórkowych, dzięki czemu technologia ta jest łatwo dostępna.
- Zdecydowaliśmy się wykorzystać telefony komórkowe jako podstawę naszego urządzenia do wykrywania, ponieważ posiadają one intuicyjny interfejs użytkownika i bardzo czułe aparaty fotograficzne, które możemy wykorzystać do wykrywania fluorescencji. Telefony komórkowe są również produkowane masowo i opłacalne, co pokazuje, że specjalistyczne instrumenty laboratoryjne nie są potrzebne do tego badania - dodał dr Fletcher.
Test został już sprawdzony na pacjentach - wyniki były dostępne już w ciągu 5 minut. W przypadku próbek o niskiej zawartości wirusa, wynik był dostępny po 30 minutach od wykonania.