Исследователи из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарвардского и Принстонского университетов разработали технологию на основе CRISPR, которая позволяет быстро различать омикрон, дельта и другие варианты COVID-19, а также другие респираторные вирусы, включая грипп. Команда использовала метод, известный как mCARMEN, в начале всплеска омикронов в декабре 2021 года, чтобы предварительно оценить растущую распространенность варианта в Массачусетсе. Основываясь на этих результатах, Департамент общественного здравоохранения штата Массачусетс (MDPH) поделился этой информацией с больницами штата, чтобы помочь определить варианты лечения пациентов с COVID-19.
Для разработки mCARMEN исследователи адаптировали CARMEN, диагностическую технологию на основе CRISPR, разработанную в Broad в 2020 году, чтобы она была быстрее, чувствительнее и легче внедрялась в клинических лабораториях и лабораториях наблюдения, с целью более широкого использования оптимизированной платформы во время будущих вспышек SARS-CoV-2 или других патогенов, пишет medicalxpress.com.
mCARMEN, аббревиатура от «микрожидкостные комбинаторные комплексные реакции для мультиплексной оценки нуклеиновых кислот», описана в журнале Nature Medicine.
«Пандемия COVID-19 показывает нам, что нам нужно больше тестов, и чаще, особенно в начале пандемии», — сказал соавтор Кэмерон Мирвольд, который помог разработать КАРМЕН в качестве постдокторского исследователя в Broad, а сейчас является доцентом. молекулярной биологии в Принстонском университете. «COVID-19 показывает нам, что сложные вирусы будут появляться, поэтому мы должны продолжать их искать и придумывать лучшие способы сделать это».
«Было замечательно работать над этим большим совместным проектом», — сказала первый автор исследования Николь Уэлч, аспирант программы вирусологии Гарвардского университета и лаборатории Пардиса Сабети в Броуд. «Мы рады, что это уже имеет значение в этой пандемии, и мы надеемся увидеть его дальнейшее использование для улучшения общественного здравоохранения».
КАРМЕН V1
Исследователи из лабораторий Sabeti и члена Broad core Пола Блейни впервые разработали платформу CARMEN, используя специальные микрофлюидные чипы и направляющие молекулы РНК на основе CRISPR, которые могут обнаруживать определенные последовательности в генетическом материале патогена. В исследовании 2020 года они показали, что CARMEN может идентифицировать один тип вируса в более чем 1000 образцов за раз или искать более 160 различных вирусов, включая вирус COVID-19, в небольшом количестве образцов.Тем не менее, исходная платформа CARMEN требует специального оборудования, включает в себя 8-10-часовой рабочий процесс с интенсивным ручным управлением и предлагает более низкую пропускную способность, чем это необходимо во время пандемии. Чтобы лучше реагировать на угрозы общественному здоровью, такие как появление новых вариантов SARS-CoV-2, исследователи усовершенствовали технологию в 2021 году, чтобы сделать ее более полезной с клинической точки зрения и позволить быстро обнаруживать несколько вирусов и вариантов.
Команда адаптировала CARMEN для работы на имеющейся в продаже микрофлюидной и измерительной платформе Fluidigm, упростив ее запуск и сократив время работы вдвое. Исследователи также оптимизировали рабочий процесс для большей чувствительности, чтобы можно было обнаруживать патогены в образцах с меньшим количеством генетического материала. Кроме того, используя ферменты Cas12 и Cas13 на основе CRISPR в комбинации, mCARMEN может не только обнаруживать присутствие вируса, но и измерять количество вируса в образце — информация, которая может указывать на способность пациента заражать других или лечение работает.
Просмотр вариантов
В своем последнем исследовании ученые показали, что mCARMEN может различать 21 респираторный вирус человека в образцах пациентов, включая SARS-CoV-2, другие коронавирусы и штаммы гриппа, работая так же, как и оригинальная технология CARMEN. Работая с партнерами из Массачусетской больницы общего профиля, они также продемонстрировали способность mCARMEN обнаруживать и различать ряд респираторных вирусов человека в образцах, взятых у пациентов.Чтобы позволить mCARMEN как диагностировать пациентов, так и отслеживать новые варианты COVID-19, исследователи также разработали способ для платформы отслеживать изменения в вирусе SARS-CoV-2. Они разработали «панель идентификации вариантов» направляющих РНК на основе CRISPR, которые распознают более двух десятков мутаций в спайковом белке вируса. Каждый вариант имеет уникальный образец этих мутаций, который может служить «отпечатком пальца» для варианта в образце. С помощью этой панели команда показала, что mCARMEN может искать эти отпечатки пальцев и различать шесть вариантов SARS-CoV-2, включая дельта и омикрон, настолько точно, насколько это возможно с помощью секвенирования вируса.
Исследователи говорят, что mCARMEN также может помочь отметить новые варианты. Если в образце обнаруживается неизвестный вирусный мутационный отпечаток, это может сигнализировать о возможном появлении нового варианта, что может быть подтверждено более глубоким вирусным секвенированием.
В сотрудничестве с Центрами по контролю и профилактике заболеваний США и MDPH Институт Броуда с марта 2021 года проводит крупномасштабное секвенирование вируса для поддержки геномного наблюдения за COVID-19. С появлением варианта омикрон в конце 2021 года, MDPH потребовал, чтобы Броад использовал mCARMEN для тестирования образцов COVID-19 со всего Массачусетса и предоставил более быстрый предварительный анализ распространенности омикрон для ситуационной осведомленности общественного здравоохранения. В конце декабря 2021 года платформа Genomics передала часть положительных образцов COVID из своего рабочего процесса вирусного наблюдения команде, разрабатывающей платформу mCARMEN.
Команда mCARMEN использовала свою платформу для обработки почти 1000 образцов в день и быстрого создания картины вариантов, циркулирующих в штате. По их оценкам, омикрон был доминирующим вариантом COVID-19 в Массачусетсе с середины декабря. Помимо демонстрации способности платформы быстро генерировать информацию из относительно небольшого количества образцов, это открытие также оказало влияние на реакцию штата на COVID в режиме реального времени. MDPH удалось связаться с местными больницами и сообщить, что при использовании моноклональных антител для лечения пациентов с COVID-19 им теперь следует выбирать те, которые лучше подходят для омикрон, чем для дельта или других вариантов.
«С быстрым временем выполнения mCARMEN мы могли бы помочь поддержать эти немедленные ответные меры общественного здравоохранения», — сказал Уэлч. «Вспышка омикрон показывает потребность в диагностике, которая дает больше информации, чем стандартное тестирование на основе ПЦР, без затрат или времени, необходимых для секвенирования вируса».
mCARMEN потребуется одобрение регулирующих органов для использования для диагностики пациентов. На данный момент команда продолжает использовать эту технологию в сотрудничестве с коллегами из Genomics Platform, CDC и MDPH для мониторинга омикрон и других вариантов COVID-19. По мере появления новых вариантов они могут легко добавлять новые панели вариантных мутаций в рабочий процесс mCARMEN, чтобы узнать, что циркулирует, и поддержать ответные меры общественного здравоохранения.
Команда также работает с отделами общественного здравоохранения по всей стране и за ее пределами, чтобы использовать mCARMEN для эпиднадзора за вирусами в этих регионах. Кроме того, они поддерживают сотрудничающих исследователей, которые разрабатывают новые приложения платформы после пандемии COVID-19, такие как обнаружение и распознавание бактериальных инфекций и мониторинг устойчивости к антибиотикам.
«Мы надеемся распространить эту технологию гораздо шире», — сказал соавтор Пардис Сабети, член института Броуда, профессор Гарвардского университета и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Благодаря этому обновлению платформы CARMEN мы можем разрабатывать панели для различных целей, что поможет нам подготовиться к следующей угрозе инфекционного заболевания».