Xét nghiệm COVID-19 dựa trên CRISPR sử dụng camera trên điện thoại thông minh

  • 06/12/2020
Loại xét nghiệm chẩn đoán dựa trên điện thoại thông minh này có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các đại dịch hiện tại và tương lai.

Xác định và cách ly những cá nhân có thể lây nhiễm coronavirus là chìa khóa để hạn chế sự lây lan của bệnh. Nhưng thậm chí hàng tháng trời khi xảy ra đại dịch, nhiều bệnh nhân vẫn đang ngày ngày chờ đợi để nhận kết quả xét nghiệm COVID-19.

Hãy tưởng tượng ngoáy dịch mũi họng, đặt tăm bông vào một thiết bị và nhận được thông báo trên điện thoại của bạn trong vòng 15 đến 30 phút sẽ cho bạn biết liệu bạn có bị nhiễm vi-rút COVID-19 hay không. Đây là tầm nhìn của một nhóm các nhà khoa học tại Viện Virus học Gladstone, Đại học California, Berkeley (UC Berkeley) và Đại học California, San Francisco (UCSF). Và bây giờ, họ báo cáo một bước đột phá khoa học đưa họ đến gần hơn với việc biến tầm nhìn này thành hiện thực.

Ảnh minh họa

Một trong những trở ngại lớn để chống lại đại dịch COVID-19 và mở cửa lại hoàn toàn các cộng đồng trên toàn nước Mỹ là sự sẵn có của xét nghiệm nhanh hàng loạt. Biết ai bị nhiễm sẽ cung cấp những hiểu biết có giá trị về khả năng lây lan và đe dọa của vi rút cho các nhà hoạch định chính sách cũng như người dân.

Tuy nhiên, mọi người thường phải đợi vài ngày để biết kết quả của họ, hoặc thậm chí lâu hơn khi có tồn đọng trong quá trình xử lý các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm. Và, tình hình trở nên tồi tệ hơn khi hầu hết những người bị nhiễm bệnh đều có triệu chứng nhẹ hoặc không có triệu chứng, nhưng vẫn mang và lây lan vi rút.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí khoa học Cell, nhóm nghiên cứu từ Viện Virus học Gladstone, Đại học California, Berkeley và Đại học California, San Francisco đã phác thảo công nghệ cho một xét nghiệm COVID-19 dựa trên CRISPR sử dụng camera điện thoại thông minh để cung cấp kết quả chính xác trong vòng chưa đầy 30 phút.

Ảnh minh họa

Tiến sĩ Melanie Ott, Giám đốc Viện Virus học Gladstone và là một trong những người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Một nhiệm vụ cấp bách đối với cộng đồng khoa học là không chỉ tăng cường các xét nghiệm mà còn cung cấp các phương án xét nghiệm mới. Xét nghiệm mà chúng tôi phát triển có thể cung cấp một xét nghiệm nhanh chóng, chi phí thấp để giúp kiểm soát sự lây lan của COVID-19".

Kỹ thuật này được thiết kế với sự cộng tác của Tiến sĩ Daniel Fletcher, nhà kỹ thuật sinh học tại Đại học California, Berkeley, cũng như Tiến sĩ Jennifer Doudna, một nhà nghiên cứu tại Viện Gladstone, một giáo sư tại Đại học California, Berkeley, chủ tịch của Viện Hệ Gene đổi mới sáng tạo, và là một nhà nghiên cứu của Viện Y tế Howard Hughes. Tiến sĩ Doudna gần đây đã giành giải Nobel Hóa học năm 2020 nhờ đồng phát hiện ra việc chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas, công nghệ làm nền tảng cho công trình này.

Xét nghiệm chẩn đoán mới của họ không chỉ có thể tạo ra kết quả dương tính hoặc âm tính, nó còn đo tải lượng vi-rút (hoặc nồng độ của SARS-CoV-2, vi-rút gây ra COVID-19) trong một mẫu nhất định.

Tiến sĩ Daniel Fletcher

Tiến sĩ Fletcher, đồng thời cũng là một nhà nghiên cứu của Chan Zuckerberg Biohub, cho biết: “Khi kết hợp với việc xét nghiệm lặp đi lặp lại, việc đo tải lượng vi-rút có thể giúp xác định xem tình trạng nhiễm đang tăng hay giảm. Theo dõi quá trình nhiễm của bệnh nhân có thể giúp các chuyên gia chăm sóc sức khỏe ước tính giai đoạn nhiễm và dự đoán trong thời gian thực có thể cần bao lâu để hồi phục".

Xét nghiệm đơn giản hơn thông qua phát hiện trực tiếp

Các xét nghiệm COVID-19 hiện tại sử dụng phương pháp gọi là phản ứng chuỗi polymerase (PCR) định lượng - tiêu chuẩn vàng của xét nghiệm. Tuy nhiên, một trong những vấn đề khi sử dụng kỹ thuật này để xét nghiệm SARS-CoV-2 là nó cần có ADN. Coronavirus là một loại virus ARN, có nghĩa là để sử dụng phương pháp phản ứng chuỗi polymerase, ARN của virus trước tiên phải được chuyển đổi thành ADN. Ngoài ra, kỹ thuật này dựa vào phản ứng hóa học hai bước, bao gồm một bước khuếch đại để cung cấp đủ lượng ADN giúp nó có thể phát hiện được. Vì vậy, các xét nghiệm hiện tại thường cần người dùng được đào tạo, thuốc thử chuyên dụng và thiết bị phòng thí nghiệm cồng kềnh, điều này gây hạn chế nghiêm trọng và gây chậm trễ trong việc nhận kết quả.

Ảnh minh họa

Để thay thế cho phương pháp phản ứng chuỗi polymerase, các nhà khoa học đang phát triển các chiến lược xét nghiệm dựa trên công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR, công nghệ này vượt trội trong việc xác định cụ thể vật liệu di truyền.

Tất cả các chẩn đoán CRISPR cho đến nay đều yêu cầu ARN của virus phải được chuyển đổi thành ADN và được khuếch đại trước khi nó có thể được phát hiện, làm tăng thêm thời gian và sự phức tạp. Ngược lại, cách tiếp cận mới được mô tả trong nghiên cứu gần đây này bỏ qua tất cả các bước chuyển đổi và khuếch đại, sử dụng CRISPR để phát hiện trực tiếp ARN của virus.

Tiến sĩ Doudna cho biết: “Một lý do khiến chúng tôi hào hứng với chẩn đoán dựa trên CRISPR là khả năng cho kết quả nhanh chóng, chính xác tại chỗ. Điều này đặc biệt hữu ích ở những nơi có khả năng tiếp cận xét nghiệm hạn chế hoặc khi cần xét nghiệm nhanh thường xuyên. Nó có thể loại bỏ rất nhiều nút thắt cổ chai mà chúng tôi đã thấy với COVID-19".

Ảnh minh họa

Parinaz Fozouni, một sinh viên tốt nghiệp của Đại học California, San Francisco làm việc trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Melanie Ott tại Viện Gladstone, đã nghiên cứu một hệ thống phát hiện ARN của virus HIV trong vài năm qua. Nhưng vào tháng 1 năm 2020, khi nhận thấy rõ ràng rằng coronavirus đang trở thành một vấn đề lớn hơn trên toàn cầu và việc xét nghiệm là một khó khăn tiềm ẩn, bà và các đồng nghiệp đã quyết định chuyển trọng tâm sang COVID-19.

Tiến sĩ Fozouni, đồng tác giả chính của bài báo, cùng với Sungmin Son và María Díaz de León Derby thuộc nhóm của Tiến sĩ Fletcher tại Đại học California Berkeley, cho biết: “Chúng tôi biết rằng xét nghiệm mà chúng tôi đang phát triển sẽ phù hợp để giải quyết cuộc khủng hoảng bằng cách cho phép xét nghiệm nhanh chóng với nguồn lực tối thiểu. Thay vì protein CRISPR nổi tiếng được gọi là Cas9, nhận biết và phân cắt ADN, chúng tôi đã sử dụng Cas13, phân cắt ARN".

Trong xét nghiệm mới, protein Cas13 được kết hợp với một phân tử phóng xạ trở thành huỳnh quang khi được cắt ra, sau đó trộn với mẫu bệnh nhân từ tăm bông. Mẫu được đặt trong một thiết bị gắn vào điện thoại thông minh. Nếu mẫu chứa ARN từ SARS-CoV-2, Cas13 sẽ được kích hoạt và sẽ cắt phân tử phóng xạ, gây ra sự phát ra tín hiệu huỳnh quang. Sau đó, camera của điện thoại thông minh, về cơ bản được chuyển đổi thành kính hiển vi, có thể phát hiện huỳnh quang và báo cáo rằng một mẫu bệnh phẩm đã được xét nghiệm dương tính với vi rút.

Tiến sĩ Melanie Ott

Tiến sĩ Melanie Ott, người cũng là giáo sư tại Khoa Y tại Đại học California, San Francisco, cho biết: “Điều thực sự làm cho xét nghiệm này trở nên độc đáo là nó sử dụng phản ứng một bước để xét nghiệm trực tiếp ARN của virus, trái ngược với quy trình hai bước trong các xét nghiệm phản ứng chuỗi polymerase truyền thống. Hóa học đơn giản hơn, được ghép nối với camera điện thoại thông minh, giảm thời gian phát hiện và không yêu cầu thiết bị phòng thí nghiệm phức tạp. Nó cũng cho phép xét nghiệm mang lại các phép đo định lượng thay vì chỉ đơn giản là kết quả dương tính hoặc âm tính".

Các nhà nghiên cứu cũng cho biết rằng xét nghiệm của họ có thể được điều chỉnh cho phù hợp với nhiều loại điện thoại di động, giúp công nghệ này dễ dàng tiếp cận.

Tiến sĩ Fletcher giải thích: “Chúng tôi chọn sử dụng điện thoại di động làm cơ sở cho thiết bị phát hiện của mình vì chúng có giao diện người dùng trực quan và camera có độ nhạy cao mà chúng tôi có thể sử dụng để phát hiện huỳnh quang. Điện thoại di động cũng được sản xuất hàng loạt và tiết kiệm chi phí, chứng tỏ rằng các dụng cụ phòng thí nghiệm chuyên dụng không cần thiết cho xét nghiệm này".

Ảnh minh họa

Kết quả chính xác và nhanh chóng để hạn chế đại dịch

Khi các nhà khoa học thử nghiệm thiết bị của họ bằng cách sử dụng mẫu bệnh nhân, họ xác nhận rằng nó có thể cung cấp thời gian quay vòng kết quả rất nhanh cho các mẫu có tải lượng vi rút liên quan đến lâm sàng. Trên thực tế, thiết bị đã phát hiện chính xác một loạt các mẫu dương tính trong vòng chưa đầy 5 phút. Đối với các mẫu có tải lượng vi rút thấp, thiết bị cần đến 30 phút để phân biệt với xét nghiệm âm tính.

Tiến sĩ Melanie Ott cho biết: “Các mô hình gần đây của SARS-CoV-2 cho thấy rằng việc xét nghiệm thường xuyên với thời gian quay vòng nhanh là những gì chúng ta cần để vượt qua đại dịch hiện nay. Chúng tôi hy vọng rằng với việc tăng cường xét nghiệm, chúng tôi có thể tránh bị phong tỏa và bảo vệ những nhóm dân cư dễ bị tổn thương nhất".

Ảnh minh họa

Xét nghiệm dựa trên CRISPR mới không chỉ cung cấp một lựa chọn đầy hứa hẹn để xét nghiệm nhanh, mà bằng cách sử dụng điện thoại thông minh và tránh nhu cầu về thiết bị phòng thí nghiệm cồng kềnh, nó có khả năng trở nên di động và cuối cùng được cung cấp tại chỗ thậm chí sử dụng tại nhà. Và, nó cũng có thể được mở rộng để chẩn đoán các virus đường hô hấp khác ngoài SARS-CoV-2.

Ngoài ra, độ nhạy cao của camera điện thoại thông minh, cùng với khả năng kết nối GPS và xử lý dữ liệu, đã khiến điện thoại thông minh trở thành công cụ hấp dẫn để chẩn đoán bệnh ở các vùng ít nguồn lực.

Tiến sĩ Melanie Ott cho biết: “Chúng tôi hy vọng sẽ phát triển xét nghiệm của mình thành một thiết bị có thể tải ngay kết quả lên các hệ thống dựa trên đám mây trong khi vẫn duy trì quyền riêng tư của bệnh nhân, điều này rất quan trọng đối với các nghiên cứu dịch tễ học và truy vết tiếp xúc. Loại xét nghiệm chẩn đoán dựa trên điện thoại thông minh này có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các đại dịch hiện tại và tương lai".

Hoa Hồng

Theo medicalxpress


Tin khác

  • Lượt truy cập: 7424468
  • Đang xem: 13956