Thông cáo báo chí sau đây được phát hành ngày hôm nay bởi Viện Broad của MIT và Harvard.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một công nghệ mới có thể linh hoạt mở rộng quy mô chẩn đoán phân tử dựa trên CRISPR, sử dụng chip vi lỏng có thể chạy hàng nghìn xét nghiệm đồng thời. Khả năng của một con chip có thể từ phát hiện một loại vi rút duy nhất trong hơn 1,000 mẫu cùng một lúc đến tìm kiếm một số lượng nhỏ các mẫu cho hơn 160 loại vi rút khác nhau, bao gồm cả vi rút Covid-19.

Được gọi là Phản ứng Mảng Tổ hợp để Đánh giá Đa hợp các Axit Nucleic (CARMEN), công nghệ này - được xác nhận trên các mẫu bệnh phẩm - cung cấp kết quả trong ngày và một ngày nào đó có thể được khai thác cho các nỗ lực y tế công cộng rộng rãi.

Công việc xuất hiện trong Thiên nhiên, được dẫn dắt bởi các đồng tác giả đầu tiên Cheri Ackerman và Cameron Myhrvold, cả hai đều là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Broad của MIT và Harvard. Paul Blainey, thành viên cốt lõi của Viện Broad và là phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Sinh học tại MIT, và Pardis Sabeti, thành viên viện tại Broad, giáo sư tại Đại học Harvard, và Điều tra viên Viện Y tế Howard Hughes, là đồng tác giả.

Sabeti cho biết: “Đại dịch hiện tại chỉ nhấn mạnh rằng các công cụ nhanh và nhạy là rất quan trọng để chẩn đoán, khảo sát và xác định đặc điểm của bệnh nhiễm trùng trong một quần thể. “Nhu cầu về chẩn đoán sáng tạo có thể được áp dụng rộng rãi trong các cộng đồng chưa bao giờ cấp thiết hơn thế”.

Myhrvold cho biết: “Chẩn đoán dựa trên CRISPR là một công cụ hấp dẫn cho khả năng lập trình, độ nhạy và dễ sử dụng. “Bây giờ, với một cách để mở rộng quy mô chẩn đoán này, chúng tôi có thể khám phá tiềm năng của chúng cho các phương pháp tiếp cận toàn diện - ví dụ: cho phép các bác sĩ lâm sàng xem liệu bệnh nhân có đang chứa nhiều bệnh nhiễm trùng hay không, để loại trừ toàn bộ nhóm bệnh rất nhanh chóng hoặc để kiểm tra một một số lượng lớn bệnh nhân vì nhiễm trùng nặng. ”

Thu nhỏ chẩn đoán CRISPR

Để xây dựng một nền tảng thử nghiệm với năng lực này, nhóm đã chuyển sang sử dụng chất lỏng siêu nhỏ, thích ứng và cải tiến về công nghệ được phát triển trong 2018 bởi phòng thí nghiệm của Blainey. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các chip cao su, lớn hơn một chút so với điện thoại thông minh, với hàng chục nghìn "microwell" - các ngăn nhỏ được thiết kế để mỗi ngăn chứa một cặp giọt kích thước nanolit. Một giọt chứa vật liệu di truyền virus từ một mẫu và giọt kia chứa thuốc thử phát hiện virus.

Ackerman giải thích: “Các chip microwell được làm giống như một con tem - đó là cao su được đổ trên khuôn,” Ackerman giải thích. “Chúng tôi có thể dễ dàng sao chép và chia sẻ công nghệ này với các cộng tác viên.”

Phương pháp phát hiện được sử dụng trên các chip được điều chỉnh từ SHERLOCK chẩn đoán dựa trên CRISPR, được mô tả lần đầu tiên vào năm 2017 và được phát triển bởi nhóm các nhà khoa học từ Viện Broad, Viện Nghiên cứu Não bộ McGovern tại MIT, Viện Kỹ thuật & Khoa học Y tế tại MIT, và Viện Wyss về Kỹ thuật Lấy cảm hứng Sinh học tại Đại học Harvard.

Để sử dụng nền tảng CARMEN, trước tiên các nhà nghiên cứu trích xuất RNA virus từ các mẫu và tạo bản sao của vật liệu di truyền này, tương tự như quy trình chuẩn bị cho chẩn đoán RT-qPCR hiện đang được sử dụng cho các trường hợp nghi ngờ COVID-19. Sau đó, các nhà nghiên cứu thêm một loại thuốc nhuộm màu huỳnh quang duy nhất vào mỗi mẫu đã chuẩn bị và chia hỗn hợp thành những giọt nhỏ.

Mặt khác, hỗn hợp phát hiện chứa protein CRISPR Cas13, một RNA dẫn đường tìm kiếm một trình tự virus cụ thể và các phân tử để báo cáo kết quả. Các hỗn hợp này cũng được đánh mã màu và phân tách thành các giọt nhỏ.

Hàng nghìn giọt từ các mẫu và hỗn hợp phát hiện sau đó được gộp lại với nhau và được tải vào một con chip trong một bước pipet duy nhất. Mỗi microwell trong chip bắt được hai giọt. Khi một giọt phát hiện tìm thấy mục tiêu của nó - một chuỗi di truyền virus cụ thể - trong một giọt mẫu trong cùng một vi khuẩn, một tín hiệu sẽ được tạo ra và phát hiện bằng kính hiển vi huỳnh quang. Toàn bộ quy trình, từ chiết xuất RNA đến kết quả, mất dưới tám giờ.

“Việc hợp nhất hai công nghệ này trong một nền tảng duy nhất mang lại cho chúng tôi những khả năng mới thú vị để điều tra các câu hỏi về lâm sàng và dịch tễ học,” đồng tác giả Gowtham Thakku, một nghiên cứu sinh của MIT trong Chương trình Bệnh truyền nhiễm và Vi sinh vật của Broad cho biết.

CARMEN cho phép hơn 4,500 xét nghiệm trên một chip microfluidics duy nhất, có thể áp dụng cho các mẫu bệnh phẩm theo nhiều cách khác nhau bằng cách sử dụng các mã huỳnh quang có sẵn. Ví dụ, một con chip đơn lẻ có thể kiểm tra đồng thời 1,048 mẫu cho một loại virus hoặc 169 mẫu cho XNUMX loại virus. Ackerman lưu ý: “Chúng tôi có thể dễ dàng mở rộng công suất hơn nữa bằng cách bổ sung thêm nhiều chip:“ Chúng tôi thường chạy bốn hoặc năm chip trong một ngày, ”Ackerman lưu ý.

Khả năng ghép kênh

Để giới thiệu khả năng đa chẩn đoán của nền tảng, nhóm đã phát triển một chiến lược để kiểm tra nhanh hàng chục mẫu cho 169 loại vi rút liên quan đến người có hơn 10 trình tự bộ gen đã được công bố. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm bảng phát hiện này dựa trên 58 mẫu bệnh nhân, sử dụng nhiều chip. Họ cũng áp dụng CARMEN trên các mẫu bệnh phẩm để phân biệt giữa các phân nhóm của các chủng cúm A và để phát hiện các đột biến kháng thuốc ở HIV.

Nhóm nghiên cứu cũng kết hợp các hỗn hợp phát hiện SARS-CoV-2 - vi rút gây ra Covid-19 - và các mầm bệnh đường hô hấp khác để chứng minh, bằng cách sử dụng các trình tự vi rút tổng hợp, cách xét nghiệm có thể được điều chỉnh nhanh chóng để phát hiện các vi rút mới nổi.

“CARMEN cung cấp cả thông lượng ấn tượng và tính linh hoạt trong kiểm tra chẩn đoán,” đồng tác giả cho biết Catherine Freije, một sinh viên tốt nghiệp Harvard tại phòng thí nghiệm Sabeti.

Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng độ nhạy của nền tảng này có thể so sánh với các thử nghiệm SHERLOCK đã được công bố trước đây và họ đang tiếp tục cải thiện và xác nhận CARMEN bằng cách sử dụng các mẫu lâm sàng bổ sung. Cùng với dữ liệu thử nghiệm thành công từ các mẫu bệnh nhân được mô tả trong Thiên nhiên ngày nay, theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể được dịch dễ dàng tại phòng khám.

Blainey nói: “Phương pháp chẩn đoán thu nhỏ này tiết kiệm tài nguyên và dễ thực hiện. “Các công cụ mới đòi hỏi sự sáng tạo và đổi mới, đồng thời với những tiến bộ này trong hóa học và vi chất lỏng, chúng tôi rất nhiệt tình về tiềm năng của CARMEN khi cộng đồng nỗ lực để chống lại cả COVID-19 và các mối đe dọa bệnh truyền nhiễm trong tương lai.”

Hỗ trợ một phần cho nghiên cứu này được cung cấp bởi Viện Y tế Howard Hughes, Dự án Cầu nối Nghiên cứu Trung tâm Ung thư của Viện Koch-Trung tâm Ung thư Harvard, Giải thưởng Sáng tạo của Trung tâm MIT Deshpande, Viện Merkin về Công nghệ Biến đổi trong Chăm sóc Sức khỏe, Giải thưởng CASI của Quỹ Burroughs Wellcome , Cơ quan Dự án Nghiên cứu Nâng cao Quốc phòng (DARPA) cấp D18AC00006 và NIH (F32CA236425).