基于CRISPR的诊断技术可以快速检测不同的新冠病毒变种和其他病原体

在Omicron激增期间，mCARMEN平台被用来帮助指导马萨诸塞州的公共卫生工作。阅读更多

　　

麻省理工学院布罗德研究所(Broad Institute of MIT)和哈佛大学(Harvard)、普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员开发了一种基于crispr的技术，可以快速区分Omicron、Delta和其他COVID-19变体，以及包括流感在内的其他呼吸道病毒。该团队在2021年12月Omicron激增开始期间使用了这种被称为mCARMEN的方法，以初步了解马萨诸塞州这种变体日益流行的情况。基于这些结果，马萨诸塞州公共卫生部(MDPH)与该州的医院分享了这一信息，以帮助指导COVID-19患者的治疗选择。

为了设计mCARMEN，研究人员采用了基于crispr的诊断技术CARMEN，该技术于2020年在Broad实验室开发，使其更快、更敏感、更容易在临床和监测实验室中实施，目标是在未来SARS-CoV-2或其他病原体暴发时更广泛地使用优化的平台。

mCARMEN是“核酸多路评估的微流控组合排列反应”的首字母缩写，发表在《自然医学》杂志上。

“COVID-19大流行向我们表明，我们需要更多的检测，更频繁地进行检测，尤其是在大流行的早期，”联合资深作者Cameron Myhrvold说。他在布罗德大学(Broad)担任博士后研究员，帮助开发了CARMEN，目前是普林斯顿大学(Princeton University)分子生物学助理教授。“COVID-19向我们表明，具有挑战性的病毒将不断出现，所以我们必须继续寻找它们，并提出更好的方法。”

该研究的第一作者妮可·韦尔奇(Nicole Welch)说:“能在这个大型合作项目上工作真是太棒了。”她是哈佛大学病毒学项目的研究生，同时也是布罗德大学帕蒂斯·萨贝蒂(Pardis Sabeti)实验室的一名学生。“我们很兴奋，它已经在这场大流行中发挥了作用，我们希望看到它继续用于改善公共卫生。”

Sabeti实验室的研究人员和Broad核心成员Paul Blainey首次开发了CARMEN平台，使用定制微流体芯片和基于crispr的引导RNA分子，可以检测病原体遗传物质中的特定序列。在2020年的一项研究中，他们表明CARMEN可以在1000多个样本中同时识别单一类型的病毒，或在少数样本中搜索160多种不同的病毒，包括COVID-19病毒。

然而，最初的CARMEN平台需要定制设备，涉及8至10小时的人工密集工作流程，并且提供的吞吐量低于大流行期间所需的吞吐量。为了更好地应对新SARS-CoV-2变体的出现等公共卫生威胁，研究人员在2021年对该技术进行了改进，使其在临床上更有用，并允许其快速检测多种病毒和变体。

该团队将CARMEN应用于商业化的Fluidigm微流体和仪器平台，使其更易于运行，并将运行时间缩短了一半。这组科学家还简化了工作流程，以提高灵敏度，从而可以检测遗传物质较少的样本中的病原体。此外，通过结合使用基于crispr的酶Cas12和Cas13, mCARMEN不仅可以发现病毒的存在，而且还可以测量样本中的病毒数量——这些信息可以表明患者感染他人的能力，或者治疗是否有效。

在他们的最新研究中，科学家们表明，mCARMEN可以区分患者样本中的21种不同的人类呼吸道病毒，包括SARS-CoV-2、其他冠状病毒和流感毒株，表现与最初的CARMEN技术一样。他们与马萨诸塞州总医院的合作伙伴合作，进一步证明了mCARMEN在患者样本中检测和区分多种人类呼吸道病毒的能力。

为了使mCARMEN能够诊断患者和监测新出现的COVID-19变异，研究人员还为该平台开发了一种跟踪SARS-CoV-2病毒变化的方法。他们设计了一个基于crispr的引导rna的“变异识别小组”，可以识别病毒刺突蛋白中的二十多个突变。每个变异都有一个独特的突变模式，可以作为样本中变异的“指纹”。有了这个面板，该团队表明，mCARMEN可以寻找这些指纹，并区分6种SARS-CoV-2变体血统，包括Delta和Omicron，与病毒测序一样准确。

研究人员说，mCARMEN还可以帮助标记新的变异。如果一个未知的病毒突变指纹在一个样本中出现，这可能是一个新的变异可能出现的信号，这可以通过更深入的病毒测序来确认。

自2021年3月以来，布罗德研究所与美国疾病控制和预防中心和MDPH合作，一直在进行大规模病毒测序，以支持COVID-19基因组监测。随着2021年底Omicron变种的出现，MDPH要求Broad使用mCARMEN检测马萨诸塞州各地的COVID-19样本，并提供更快的Omicron流行率的初步分析，以提高公共卫生形势意识。2021年12月下旬，基因组学平台将病毒监测工作流程中的一组covid - 19阳性样本交给了mCARMEN平台开发团队。

mCARMEN团队利用他们的平台在一天内处理了近1000个样本，并迅速生成了在该州流通的变种的图片。他们估计，自12月中旬以来，Omicron一直是马萨诸塞州的主要COVID-19变种。除了展示了该平台从相对较少的样本中快速生成见解的能力外，这一发现还对该州的COVID应对工作产生了实时影响。MDPH能够联系地区医院，并建议在使用单克隆抗体治疗COVID-19患者时，他们现在应该选择更适合Omicron的抗体，而不是Delta或其他变体的抗体。

韦尔奇说:“由于mCARMEN的快速周转时间，我们可以帮助支持这种立即的公共卫生反应。”“欧米克隆的疫情表明，需要一种比基于pcr的标准检测提供更多信息的诊断方法，而且不需要病毒测序所需的成本和时间。”

mCARMEN将需要监管部门的批准才能用于诊断患者。目前，该团队正在与基因组平台、疾病预防控制中心和MDPH的同事合作，继续使用该技术监测Omicron和其他COVID-19变体。随着新的变异的出现，他们可以很容易地在mCARMEN工作流程中添加新的变异变异面板，以了解哪些变异正在传播并支持公共卫生应对措施。

该小组还与全国及其他地区的公共卫生部门合作，利用mCARMEN对这些地区的病毒进行监测。此外，他们还支持合作研究人员开发新冠肺炎大流行之外的新应用，如检测和鉴别细菌感染和监测抗生素耐药性。

“我们的希望是更广泛地传播这项技术，”联合资深作者Pardis Sabeti说，他是布罗德研究所的成员、哈佛大学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员。“随着CARMEN平台的更新，我们可以设计多种用途的面板，这将帮助我们为下一个传染病威胁做好准备。”

DARPA D18AC00006、流感实验室和一群通过“大胆项目”(Audacious Project)的捐助者为这项研究提供了部分支持。“大胆项目”是TED的一个合作资助项目，包括ELMA基金会、麦肯齐·斯科特(MacKenzie Scott)、斯科尔基金会(Skoll Foundation)和开放慈善机构(Open Philanthropy)。