Beim neuen COVID-19-Test werden eine Smartphone-Kamera und die CRISPR-Gentechnologie eingesetzt.

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Stellen Sie sich vor, Sie tupfen Ihre Nasenlöcher ab, legen den Tupfer in ein Gerät und erhalten in 15 bis 30 Minuten eine Anzeige auf Ihrem Telefon, die Ihnen sagt, ob Sie mit dem COVID-19-Virus infiziert sind. Dies war die Vision eines Teams von Wissenschaftlern an den Gladstone-Instituten der Universität von Kalifornien in Berkeley (UC Berkeley) und der Universität von Kalifornien in San Francisco (UCSF). Und jetzt berichten sie von einem wissenschaftlichen Durchbruch, der sie der Verwirklichung dieser Vision näher bringt.

Eine der größten Hürden bei der Bekämpfung der COVID-19-Pandemie und der vollständigen Wiedereröffnung der Gemeinschaften im ganzen Land ist die Verfügbarkeit von Massen-Schnelltests. Zu wissen, wer infiziert ist, würde sowohl den politischen Entscheidungsträgern als auch den Bürgern wertvolle Erkenntnisse über die potenzielle Verbreitung und Bedrohung des Virus liefern.

Dennoch müssen die Menschen oft mehrere Tage auf ihre Ergebnisse warten, oder sogar noch länger, wenn es einen Rückstand bei der Verarbeitung von Labortests gibt. Verschärft wird die Situation noch durch die Tatsache, dass die meisten Infizierten leichte oder keine Symptome haben, das Virus aber dennoch in sich tragen und verbreiten.

In einer neuen Studie, die in der wissenschaftlichen Zeitschrift Cell veröffentlicht wurde, hat das Team aus Gladstone, UC Berkeley und UCSF die Technologie für einen CRISPR-basierten Test für COVID-19 skizziert, bei dem eine Smartphone-Kamera verwendet wird, um in weniger als 30 Minuten genaue Ergebnisse zu liefern.

“Es war eine dringende Aufgabe für die wissenschaftliche Gemeinschaft, nicht nur die Zahl der Tests zu erhöhen, sondern auch neue Testoptionen anzubieten”, sagt Melanie Ott, MD, PhD, Direktorin des Gladstone Institute of Virology und eine der Leiterinnen der Studie. “Der von uns entwickelte Assay könnte schnelle und kostengünstige Tests bieten, um die Verbreitung von COVID-19 zu kontrollieren.

Die Technik wurde in Zusammenarbeit mit Daniel Fletcher, PhD, Bioingenieur an der UC Berkeley, sowie mit Jennifer Doudna, PhD, entwickelt, die eine leitende Forscherin in Gladstone, Professorin an der UC Berkeley, Präsidentin des Innovative Genomics Institute und Forscherin am Howard Hughes Medical Institute ist. Doudna erhielt kürzlich den Nobelpreis 2020 in Chemie für die Mitentdeckung der CRISPR-Cas-Genomeditierung, der Technologie, die dieser Arbeit zugrunde liegt.

Ihr neuer diagnostischer Test kann nicht nur ein positives oder negatives Ergebnis liefern, sondern misst auch die Viruslast (oder die Konzentration von SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht) in einer bestimmten Probe.

“In Verbindung mit wiederholten Tests könnte die Messung der Viruslast dazu beitragen, festzustellen, ob eine Infektion zu- oder abnimmt”, sagt Fletcher, der auch bei Chan Zuckerberg Biohub Investigator ist. “Die Überwachung des Infektionsverlaufs eines Patienten könnte den Fachleuten im Gesundheitswesen helfen, das Stadium der Infektion abzuschätzen und in Echtzeit vorherzusagen, wie lange die Genesung wahrscheinlich dauert.

Ein einfacherer Test durch direkten Nachweis

Bei den derzeitigen COVID-19-Tests wird eine Methode namens quantitative PCR verwendet – der Goldstandard für Tests. Eines der Probleme bei der Verwendung dieser Technik zum Testen auf SARS-CoV-2 ist jedoch, dass dafür DNA erforderlich ist. Das Coronavirus ist ein RNA-Virus, was bedeutet, dass zur Verwendung des PCR-Ansatzes die virale RNA zunächst in DNA umgewandelt werden muss. Darüber hinaus beruht diese Technik auf einer zweistufigen chemischen Reaktion, einschließlich eines Amplifikationsschritts, um genügend DNA für den Nachweis bereitzustellen. Daher sind für die derzeitigen Tests in der Regel geschulte Benutzer, spezialisierte Reagenzien und eine umständliche Laborausrüstung erforderlich, was die Testmöglichkeiten stark einschränkt und zu Verzögerungen beim Erhalt der Ergebnisse führt.

Als Alternative zur PCR entwickeln Wissenschaftler Teststrategien, die auf der Gen-Editier-Technologie CRISPR basieren, die sich durch die spezifische Identifizierung von genetischem Material auszeichnet.

Bei allen bisherigen CRISPR-Diagnoseverfahren muss die virale RNA in DNA umgewandelt und amplifiziert werden, bevor sie nachgewiesen werden kann, was Zeit und Komplexität erhöht. Im Gegensatz dazu überspringt der in dieser neuen Studie beschriebene neue Ansatz alle Umwandlungs- und Amplifikationsschritte und verwendet CRISPR zum direkten Nachweis der viralen RNA.

“Ein Grund, warum wir von der CRISPR-basierten Diagnostik begeistert sind, ist das Potenzial für schnelle und genaue Ergebnisse zum Zeitpunkt des Bedarfs”, sagt Doudna. “Dies ist besonders hilfreich an Orten mit beschränktem Zugang zu Tests oder wenn häufige, schnelle Tests erforderlich sind. Es könnte einen Großteil der Engpässe beseitigen, die wir bei COVID-19 gesehen haben”, so Doudna.

Parinaz Fozouni, ein UCSF-Absolvent, der in Otts Labor in Gladstone arbeitete, hatte in den letzten Jahren an einem RNA-Nachweissystem für HIV gearbeitet. Doch im Januar 2020, als klar wurde, dass das Coronavirus weltweit ein größeres Thema wird und dass Tests eine potenzielle Falle darstellen, beschlossen sie und ihre Kollegen, ihren Schwerpunkt auf COVID-19 zu verlagern.

“Wir wussten, dass der von uns entwickelte Assay logischerweise geeignet war, der Krise zu begegnen, indem er schnelle Tests mit minimalen Ressourcen ermöglichte”, sagt Fozouni, die zusammen mit Sungmin Son und María Díaz de León Derby von Fletchers Team an der UC Berkeley Co-Erstautorin des Papiers ist. “Anstelle des bekannten CRISPR-Proteins namens Cas9, das die DNA erkennt und spaltet, haben wir Cas13 verwendet, das die RNA spaltet.

In dem neuen Test wird das Cas13-Protein mit einem Reportermolekül kombiniert, das zu einem fluoreszierenden Whe

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