作者在CRISPR-RDB體系中采用了Cas12a,利用Cas12a在靶標識別后表現(xiàn)出的針對非特異單鏈DNA的反式剪切活性實現(xiàn)多重檢測。首先,作者設計了四條序列不同的Biotin-recognition DNA(recDNA I、II、III和IV),及其相應的序列互補的捕獲DNA(capDNA I、Ⅱ、III和Ⅳ)。recDNA I、II、III和IV分別與識別不同靶標序列的Cas12a/crRNA復合物孵育,形成單獨的反應單元。將待測樣本分別加入這4個反應單元,在對應靶標存在的情況下,Cas12a被激活并反式剪切recDNA;在對應靶標不存在的情況下,Cas12a不會被反式激活,相應的recDNA保持完整。反應結束后,將4個反應單元的產(chǎn)物混合,并與尼龍膜上包被的capDNA I、Ⅱ、III和Ⅳ孵育,完整的recDNA能與對應的capDNA互補結合,從而引入Biotin標記。Biotin標記的recDNA:capDNA雙鏈可以結合streptavidin-HRP,將無色的TMB底物轉化為藍色。因此,藍色指示對應靶標不存在;而白色指示對應靶標存在,且recDNA全部被反式剪切。
為了驗證CRISPR-RDB體系的可行性,作者先將4種recDNA和4種capDNA雜交,結果表明每條帶有4種capDNA的尼龍膜可識別到對應的recDNA,且recDNA I、II、III和IV之間沒有干擾。 同時,作者測試了4個具有不同靶標序列識別能力的Cas12a/crRNA系統(tǒng),顯示能夠在特異靶標存在的情況下剪切對應的recDNA。
接下來,為了進行臨床檢測探索,作者將4重靶標分別設置為甲型流感病毒(FA)、乙型流感病毒(FB)、呼吸道合胞病毒(RSV)和嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2型(SARS-CoV-2)的部分序列,并搭建了簡易的4通道微流控芯片。隨后,作者模擬了FA、FB、RSV、SARS-CoV-2這4種靶標序列的多種可能性組合(包括同時存在0種,1種,2種,3種,甚至4種靶標),結果表明CRISPR-RDB體系能夠檢測到以上所有組合情況。而且,使用智能手機應用程序對不同濃度的靶標DNA(0、5、10、30 nM)進行藍點顏色識別,可以觀察到靶標濃度與藍點的顏色深淺呈反比,由此可以進行靶標濃度的相對定量。
為了提升CRISPR-RDB體系的檢測性能,作者對其中的關鍵因素進行了優(yōu)化,確認尼龍膜承載體積(每個正方形尺寸為0.5 cm×0.6 cm)為1 μL;capDNA(1 μL,10 μM)和recDNA(75 nM)之間雜交條件為35℃,40 min;Cas12a濃度對為100 nM;HRP孵育時間為20 min。
在上述優(yōu)化的關鍵參數(shù)條件下,作者進一步測試了CRISPR-RDB體系的檢測性能。作者采用RPA預擴增的方案進行靶標富集,隨后用CRISPR-RDB體系對靶標濃度進行相對定量。如圖展示了針對4種靶標病毒的RPA引物和crRNA設計方案。隨后,對不同濃度(0、2.5、5、10、15、20 nM)靶標DNA進行檢測,隨著各靶標DNA濃度的增加,4個通道中的藍點強度相應地逐漸變?nèi)?。使用智能手機應用程序對一系列靶標DNA濃度進行相對量化,結果顯示在2.5–20 nM范圍內(nèi)具有良好的線性。進一步評估CRISPR-RDB對真實病毒樣品的檢測靈敏度,結果顯示對不同濃度(0、2、4、6、8、10和100個拷貝)FA、FA、RSV和SARS-CoV-2樣本有梯度檢測結果,且檢測限低至4個拷貝/μL。
為了測試CRISPR-RDB檢測體系的特異性,作者首先證明4種病毒靶標都可以被對應的Cas12a/crRNA特異識別,具有較高的選擇性;進一步地,作者在靶標序列中引入2個突變堿基后,結果表明2個位點錯配會導致Cas12a反式剪切活性的顯著降低,說明CRISPR-RDB檢測體系具有較高的特異性。此外,作者還測試了藍點在尼龍膜上的顯色穩(wěn)定性,結果表明4°C比25°C、37°C更有利于藍點顏色的穩(wěn)定保存,這可能與單鏈DNA在較高的溫度更容易降解有關。因此,確認尼龍膜顯色最佳存儲條件為4°C下不超過10天,25°C下不超過3天。
為了探索CRISPR-RDB在真實臨床樣本中的應用,作者展示了工作流程圖。其從樣本到檢測結果的時長大約為105 min,檢測信號可以通過智能手機應用程序或肉眼來讀取。對23個臨床樣本進行檢測(1號:陰性對照;2–6號:FA陽性樣本;7–11號:FB陽性樣本;12–16號:新冠病毒陽性樣本;17–23號:呼吸道合胞病毒陽性樣本),并將檢測結果與qPCR對比,結果顯示,除19號樣本外,其它臨床樣本檢測結果一致。
隨后,作者使用含有FA、FB、RSV和SARS-CoV-2真實樣本的隨機混合來評估多通道性能(第1號:陰性對照;第2–7號:含有兩種病毒的樣本;第8–11號:含有三種病毒的樣本;第12號:含有四種病毒的樣本),結果顯示CRISPR-RDB對單個或多個混合靶標都表現(xiàn)出高靈敏度和特異性,證明了其在多重核酸檢測領域的潛力。
高危HPV的持續(xù)感染會導致全球女性第二常見的惡性腫瘤,侵襲性子宮頸癌的主要高危HPV基因型為HPV 16、18、31、33、35、45、52和58。目前,PCR-RDB作為一種常見的診斷方法已被廣泛應用于HPV類型的精確鑒定。作者基于CRISPR-RDB策略,構建了針對高致病性類型HPV 16、18、52和58的4通道診斷方法。該方法不僅比傳統(tǒng)的PCR-RDB更加省時(105 minVS PCR-RDB的290 min),而且所需的儀器也非常簡單。為了驗證其多重核酸診斷性能,作者優(yōu)先使用商業(yè)PCR-RDB試劑盒測試了5個樣本,隨后使用CRISPR-RDB平臺對確認的臨床樣本進行測試,獲得了與PCR-RDB一致的檢測結果。這充分說明了CRISPR-RDB作為一個平臺型檢測策略應用于多重核酸檢測的巨大潛力。
總的來說,CRISPR-RDB平臺可通過使用掌心型微流控芯片和尼龍膜進行可視化信號讀出,且能用于同時檢測多重核酸靶標。與金標準qPCR進行比較,CRISPR-RDB平臺顯示出對臨床樣本高度一致的檢測結果;與PCR-RDB相比,其檢測時間節(jié)省了2/3。因此,CRISPR-RDB平臺可能在未來為多重核酸檢測提供一種簡單、通用、經(jīng)濟高效的解決方案。
參考文獻:Hu T, Ke X, Li W, Lin Y, Liang A, Ou Y, Chen C. CRISPR/Cas12a-Enabled Multiplex Biosensing Strategy Via an Affordable and Visual Nylon Membrane Readout.Adv Sci (Weinh). 2023 Jan;10(2):e2204689. doi: 10.1002/advs. 202204689. Epub 2022 Nov 28. PMID: 36442853; PMCID: PMC9839848.