Statt PCR-Test sollen uns Massentests mittels Smartphone und CRISPR-Technologie helfen, die Corona-Pandemie besser zu meistern.
Stellen Sie sich vor, Sie tupfen sich die Nasenlöcher ab, stecken den Tupfer in ein Gerät und erhalten in 15 bis 30 Minuten eine Anzeige auf Ihrem Telefon, aus der hervorgeht, ob Sie mit COVID-19 infiziert sind Virus. Dies war die Vision eines Wissenschaftlerteams an den Gladstone Institutes der University of California in Berkeley (UC Berkeley) und der University of California in San Francisco (UCSF) zu effektiven Test für die Corona-Pandemie. Und jetzt berichten sie von einem wissenschaftlichen Durchbruch, der sie der Verwirklichung dieser Vision näher bringt.
Verfügbarkeit von Massenschnelltests als Herausforderung der Corona-Pandemie
Eine der größten Hürden bei der Bekämpfung der COVID-19-Pandemie und der vollständigen Wiedereröffnung der Gesellschaft im ganzen Land ist die Verfügbarkeit von Massenschnelltests. Zu wissen, wer infiziert ist, würde sowohl politischen Entscheidungsträgern als auch Bürgern wertvolle Erkenntnisse über die potenzielle Verbreitung und Bedrohung des Coronavirus SARS-Cov-2 liefern.
Normalerweise müssen Menschen jedoch oft mehrere Tage auf ihre Ergebnisse warten oder sogar länger auf Ergebnisse warten. Die Situation wird durch die Tatsache verschlechtert, dass die meisten infizierten Menschen leichte oder keine Symptome haben und dennoch das Coronavirus tragen und verbreiten.
In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht wurde, hat ein Forscherteam von Gladstone, UC Berkeley und UCSF die Technologie für einen CRISPR-basierten Test für COVID-19 beschrieben, bei dem man mithilfe einer Smartphone-Kamera in weniger als 30 Minuten genaue Ergebnisse bekommt.
„Es war eine dringende Aufgabe für die Wissenschaft, nicht nur die Tests zu verbessern, sondern auch neue Testoptionen bereitzustellen“, sagt Dr. Melanie Ott, Direktorin des Gladstone Institute of Virology und eine der Leiterinnen der Studie. „Der von uns entwickelte Test könnte schnelle und kostengünstige Tests ermöglichen, um die Ausbreitung von COVID-19 zu kontrollieren.“
Neuer diagnostischer Test
Die Technik wurde in Zusammenarbeit mit dem Bioingenieur Daniel Fletcher von UC Berkeley sowie von Jennifer Doudna, PhD, Senior Investigator bei Gladstone, Professor an UC Berkeley, Präsident des Innovative Genomics Institute, und Investigator des Howard entwickelt Hughes Medical Institute. Doudna hat kürzlich den Nobelpreis für Chemie 2020 für die gemeinsame Entdeckung der CRISPR-Cas-Genombearbeitung erhalten, der Technologie, die dieser Arbeit zugrunde liegt.
Ihr neuer diagnostischer Test kann nicht nur ein positives oder negatives Ergebnis liefern, sondern auch die Viruslast (oder die Konzentration von SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht) in einer bestimmten Probe messen.
„In Verbindung mit wiederholten Tests kann die Messung der Viruslast dazu beitragen, festzustellen, ob eine Infektion zunimmt oder abnimmt“, sagt Fletcher, der auch ein Chan Zuckerberg Biohub Investigator ist. „Die Überwachung des Infektionsverlaufs eines Patienten könnte den Angehörigen der Gesundheitsberufe helfen, das Infektionsstadium abzuschätzen und in Echtzeit vorherzusagen, wie lange die Genesung wahrscheinlich dauern wird.“
Direkte Erkennung mittels Gen-Editing-Technologie CRISPR
Aktuelle COVID-19-Tests verwenden eine Methode namens quantitative PCR – den Goldstandard für Tests. Eines der Probleme bei der Verwendung dieser Technik zum Testen auf SARS-CoV-2 ist jedoch, dass DNA erforderlich ist. Coronavirus ist ein RNA-Virus, was bedeutet, dass zur Verwendung des PCR-Ansatzes die virale RNA zuerst in DNA umgewandelt werden muss. Darüber hinaus beruht diese Technik auf einer zweistufigen chemischen Reaktion, einschließlich eines Amplifikationsschritts, um genügend DNA bereitzustellen, um sie nachweisbar zu machen. Aktuelle Tests erfordern daher in der Regel geschulte Benutzer, spezielle Reagenzien und umständliche Laborgeräte. Dies schränkt die Möglichkeiten für Tests erheblich ein und führt zu Verzögerungen beim Empfang der Ergebnisse.
Als Alternative zur PCR entwickeln Wissenschaftler Teststrategien auf der Grundlage der Gen-Editing-Technologie CRISPR, die sich durch die spezifische Identifizierung von genetischem Material auszeichnet.
Bei allen bisherigen CRISPR-Diagnosen musste die virale RNA in DNA umgewandelt und amplifiziert werden, bevor sie nachgewiesen werden kann. Das erfordert mehr Zeit und erhöht die Komplexität. Im Gegensatz dazu überspringt der in dieser kürzlich durchgeführten Studie beschriebene neuartige Ansatz alle Umwandlungs- und Amplifikationsschritte und verwendet CRISPR, um die virale RNA direkt nachzuweisen.
„Ein Grund, warum wir von der CRISPR-basierten Diagnostik begeistert sind, ist das Potenzial für schnelle und genaue Ergebnisse am Ort der Notwendigkeit“, sagt Doudna. „Dies ist besonders hilfreich an Orten mit eingeschränktem Zugang zu Tests oder wenn häufige, schnelle Tests erforderlich sind. Dadurch können viele der Engpässe, die wir bei COVID-19 festgestellt haben, beseitigt werden.“
Schnelle Tests mit minimalen Ressourcen für die Corona-Pandemie
Parinaz Fozouni, ein UCSF-Doktorand, der in Ott’s Labor in Gladstone arbeitet, hatte in den letzten Jahren an einem RNA-Nachweissystem für HIV gearbeitet. Als im Januar 2020 klar wurde, dass das Coronavirus weltweit zu einem größeren Problem wird und das Testen eine potenzielle Gefahr darstellt, beschlossen sie und ihre Kollegen, ihren Fokus auf Tests für die Corona-Pandemie zu verlagern.
„Wir wussten, dass der von uns entwickelte Test eine logische Lösung sein würde, um die Krise zu bewältigen, indem schnelle Tests mit minimalen Ressourcen ermöglicht werden“, sagt Fozouni, Co-Erstautor des Papiers, zusammen mit Sungmin Son und María Díaz de León Derby von Fletchers Team an der UC Berkeley. „Anstelle des bekannten CRISPR-Proteins Cas9, das DNA erkennt und spaltet, haben wir Cas13 verwendet, das RNA spaltet.“
Im neuen Test wird das Cas13-Protein mit einem Reportermolekül kombiniert, das beim Schneiden fluoresziert, und dann mit einer Patientenprobe aus einem Nasentupfer gemischt. Die Probe wird in ein Gerät gelegt, das an ein Smartphone angeschlossen ist. Wenn die Probe RNA aus SARS-CoV-2 enthält, wird Cas13 aktiviert und schneidet das Reportermolekül, wodurch ein fluoreszierendes Signal emittiert wird. Dann kann die Smartphone-Kamera, die im Wesentlichen in ein Mikroskop umgewandelt wurde, die Fluoreszenz erfassen und melden, dass ein Tupfer positiv auf das Virus getestet wurde.
Virale RNA in einem Schritt direkt testet
„Was diesen Test wirklich einzigartig macht, ist, dass er die virale RNA in einem Schritt direkt testet, im Gegensatz zum zweistufigen Verfahren bei herkömmlichen PCR-Tests“, sagt Ott, der auch Professor an der medizinischen Abteilung ist bei UCSF. „Die einfachere Chemie in Verbindung mit der Smartphone-Kamera verkürzt die Erkennungszeit und erfordert keine komplexen Laborgeräte. Außerdem kann der Test quantitative Messungen liefern und nicht nur ein positives oder negatives Ergebnis.“
Die Forscher sagen auch, dass ihr Test an eine Vielzahl von Mobiltelefonen angepasst werden könnte, wodurch die Technologie leicht zugänglich wird.
„Wir haben uns für Mobiltelefone als Basis für unser Erkennungsgerät entschieden, da diese über intuitive Benutzeroberflächen und hochempfindliche Kameras verfügen, mit denen wir Fluoreszenz erkennen können“, erklärt Fletcher. „Mobiltelefone werden auch in Massenproduktion hergestellt und sind kostengünstig. Dies zeigt, dass für diesen Test keine speziellen Laborinstrumente erforderlich sind.“
Exakte, schnelle Test-Ergebnisse zur Begrenzung der Corona-Pandemie
Als die Wissenschaftler ihr Gerät anhand von Patientenproben testeten, bestätigten sie, dass es eine sehr schnelle Bearbeitungszeit der Ergebnisse für Proben mit klinisch relevanter Viruslast liefern kann. Tatsächlich hat das Gerät einen Satz positiver Proben in weniger als 5 Minuten genau erfasst. Bei Proben mit geringer Viruslast benötigte das Gerät bis zu 30 Minuten, um es von einem negativen Test zu unterscheiden.
„Neuere Modelle von SARS-CoV-2 legen nahe, dass häufige Tests mit einer schnellen Bearbeitungszeit erforderlich sind, um die aktuelle Pandemie zu überwinden“, sagt Ott. „Wir hoffen, dass wir mit zunehmenden Tests Sperren vermeiden und die am stärksten gefährdeten Bevölkerungsgruppen schützen können.“
Der neue CRISPR-basierte Test bietet nicht nur eine vielversprechende Option für Schnelltests, sondern kann durch die Verwendung eines Smartphones und die Vermeidung sperriger Laborgeräte auch tragbar werden und schließlich für Point-of-Care- oder Point-of-Care-Tests zur Verfügung gestellt werden auch zu Hause. Es könnte auch erweitert werden, um andere Atemwegsviren über SARS-CoV-2 hinaus zu diagnostizieren.
Darüber hinaus haben die hohe Empfindlichkeit von Smartphone-Kameras zusammen mit ihren Konnektivitäts-, GPS- und Datenverarbeitungsfunktionen Mobilfunkgeräte zu attraktiven Werkzeugen für die Diagnose von Krankheiten in Regionen mit geringen Ressourcen gemacht.
„Wir hoffen, unseren Test zu einem Gerät entwickeln zu können, mit dem Ergebnisse sofort in Cloud-basierte Systeme hochgeladen werden können, während die Privatsphäre der Patienten in der Corona-Pandemie gewahrt bleibt. Dies wäre wichtig für die Kontaktverfolgung und epidemiologische Studien“, sagt Ott. „Diese Art von Smartphone-basierten Diagnosetests könnte eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der aktuellen und zukünftigen Pandemien spielen.“
Quelle: GLADSTONE INSTITUTE
