Инженеры Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали небольшое настольное устройство, которое может обнаруживать SARS-CoV-2 в образце слюны примерно за час. В новом исследовании они показали, что диагностика так же точна, как и используемые сейчас тесты ПЦР.

Устройство также можно использовать для обнаружения специфических вирусных мутаций, связанных с некоторыми из распространенных сейчас вариантов SARS-CoV-2. Этот результат также можно получить в течение часа, что потенциально значительно упрощает отслеживание различных вариантов вируса, особенно в регионах, где нет доступа к средствам генетического секвенирования.

«Мы продемонстрировали, что нашу платформу можно запрограммировать на обнаружение новых возникающих вариантов и что мы можем довольно быстро ее перепрофилировать», — говорит Джеймс Коллинз, профессор медицинской инженерии и науки в Термире из Института медицинской инженерии и науки (IMES) Массачусетского технологического института. Отдел биологической инженерии. «В этом исследовании мы нацелены на варианты в Великобритании, Южной Африке и Бразилии, но вы можете легко адаптировать диагностическую платформу для решения проблемы варианта Дельта и других появляющихся».

Новая диагностика, основанная на технологии CRISPR, может быть собрана примерно за 15 долларов, но эти затраты могут значительно снизиться, если устройства будут производиться в больших масштабах, говорят исследователи.

Коллинз — старший автор нового исследования, которое сегодня публикуется в журнале Science Advances . Ведущими авторами статьи являются Хелена де Пуч, постдоктор Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета; Роуз Ли, инструктор по педиатрии в Бостонской детской больнице и Медицинском центре Бет Исраэль Дьяконесса, а также приглашенный научный сотрудник Института Висса; Девора Наджар, аспирантка медиа-лаборатории Массачусетского технологического института; и Сяо Тан, научный сотрудник Института Висс и инструктор по гастроэнтерологии в Массачусетской больнице общего профиля.

Автономная диагностика

Новая диагностика основана на SHERLOCK, инструменте на основе CRISPR, о котором Коллинз и другие впервые сообщили в 2017 году. Компоненты системы включают направляющую цепь РНК, которая позволяет обнаруживать определенные последовательности РНК-мишени, и ферменты Cas, которые расщепляют эти последовательности и производят флуоресцентный сигнал. Все эти молекулярные компоненты можно сушить вымораживанием для длительного хранения и реактивировать при контакте с водой.

В прошлом году лаборатория Коллинза начала работать над адаптацией этой технологии для обнаружения вируса SARS-CoV-2, надеясь, что они смогут разработать диагностическое устройство, которое даст быстрые результаты и будет работать с небольшим опытом или без него. Они также хотели, чтобы он работал с образцами слюны, что упростило бы задачу для пользователей.

Чтобы добиться этого, исследователям пришлось включить важный этап предварительной обработки, который отключает ферменты, называемые нуклеазами слюны, которые разрушают нуклеиновые кислоты, такие как РНК. Как только образец попадает в устройство, нуклеазы инактивируются под действием тепла и двух химических реагентов. Затем вирусная РНК извлекается и концентрируется, пропуская слюну через мембрану.

«Эта мембрана была ключом к сбору нуклеиновых кислот и их концентрации, чтобы мы могли получить чувствительность, которую мы демонстрируем с помощью этой диагностики», — говорит Ли.

Затем этот образец РНК подвергается воздействию лиофилизированных компонентов CRISPR / Cas, которые активируются путем автоматического прокалывания запечатанных пакетов с водой внутри устройства. В однореакторной реакции образец РНК амплифицируется, а затем определяется последовательность РНК-мишени, если она присутствует.

«Нашей целью было создание полностью автономной диагностики, не требующей никакого другого оборудования», — говорит Тан. «По сути, пациент плюет в это устройство, а затем вы нажимаете поршень и получаете ответ через час».

Исследователи разработали устройство, которое они называют минимально оснащенным SHERLOCK (miSHERLOCK), так что оно может иметь до четырех модулей, каждый из которых ищет свою последовательность целевой РНК. Исходный модуль содержит направляющие цепи РНК, которые обнаруживают любой штамм SARS-CoV-2. Другие модули относятся к мутациям, связанным с некоторыми вариантами, возникшими в прошлом году, включая B.1.1.7, P.1 и B.1.351.

Вариант Delta еще не был широко распространен, когда исследователи проводили это исследование, но поскольку система уже построена, они говорят, что разработать новый модуль для обнаружения этого варианта должно быть несложно. Систему также можно легко запрограммировать для отслеживания новых мутаций, которые могут сделать вирус более заразным.

«Если вы хотите провести более широкое эпидемиологическое обследование, вы можете разработать тесты до того, как в популяции появится вызывающая озабоченность мутация, чтобы отслеживать потенциально опасные мутации в шиповом белке», — говорит Наджар.

Варианты отслеживания

Сначала исследователи протестировали свое устройство с человеческой слюной, содержащей синтетические последовательности РНК SARS-CoV-2, а затем с примерно 50 образцами от пациентов, у которых был положительный результат теста на вирус. Они обнаружили, что устройство было таким же точным, как и применяемые сейчас золотые стандартные тесты ПЦР, которые требуют мазков из носа, требуют больше времени и значительно больше оборудования и обработки образцов для получения результатов.

Устройство производит флуоресцентное считывание, которое можно увидеть невооруженным глазом, и исследователи также разработали приложение для смартфона, которое может считывать результаты и отправлять их в отделы общественного здравоохранения для упрощения отслеживания.

Исследователи считают, что их устройство может быть произведено по цене от 2 до 3 долларов за устройство. В случае одобрения FDA и крупномасштабного производства, они предполагают, что этот вид диагностики может быть полезен либо для людей, которые хотят иметь возможность проводить тесты дома, либо в медицинских центрах в районах, где нет широкого доступа к ПЦР-тестированию или генетическому секвенированию. вариантов SARS-CoV-2.

«Способность обнаруживать и отслеживать эти варианты крайне важна для эффективного общественного здравоохранения, но, к сожалению, в настоящее время варианты диагностируются только путем секвенирования нуклеиновых кислот в специализированных эпидемиологических центрах, которых мало даже в странах, богатых ресурсами», — говорит де Пуч.

Исследование финансировалось Институтом Висса; Группа Пола Г. Аллена Фронтиерс; Центр исследований СПИДа Гарвардского университета при поддержке Национальных институтов здравоохранения; докторская стипендия Американского общества тропической медицины и гигиены Берроуза-Уэллкома; премия Американской гастроэнтерологической ассоциации для ученых в области фармацевтических исследований Takeda; и стипендия Центра MIT-TATA.