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基因編輯技術及相關IVD產品簡介

瀏覽次數:482+ 發布時間:2023-05-24

基因編輯技術通常指的是利用基因編輯系統進行分子生物學操作的技術。這里的基因編輯系統是一大類序列依賴的基因剪切酶的統稱,最廣泛使用為CRISPR/Cas系統,其中CRISPR全稱clustered regularly interspaced short palindromic repeats, 意為“成簇的規律間隔的短回文重復序列”;Cas指的是CRISPR-associated, 意為“與CRISPR相關的(蛋白)”,可以理解為與CRISPR相關的具備某種或某些(剪切)酶活性的蛋白。由于這個系統包含CRISPR相關的剪切蛋白,因此實現了基因的剪切-拼接,達到“編輯”的功能,因此,CRISPR也成為了基因編輯技術的代名詞。


基因編輯的現象最早發現于原核生物(細菌和古生菌)中,是細菌抵抗病毒的自適應免疫系統。簡要來說,其原理是細菌首次被病毒入侵時,其基因組序列整合了病毒的基因組形成了一段CRISPR,當再有外源性的病毒(質?;蚴删w)入侵時,該段CRISPR可以識別再次入侵的外源DNA,細菌利用其自身的Cas相關蛋白切斷外源的基因組變為線性,使得病毒無法進行復制和表達,最終被細菌體內的酶降解。


基因編輯系統中的CRISPR/Cas系統能夠“識別序列”并“剪切”的特性使得其成為基因編輯領域的良好工具,目前已發現并研究了多種CRISPR/Cas系統,包括CRISPR/Cas9,CRISPR/Cas12a,CRISPR/Cas13a等。特別是近幾年發現的Cas13a,Cas12a等,他們一方面具有識別并剪切目標基因的特性,還具有無差別剪切DNA/RNA的特性。根據無差別剪切DNA/RNA的特性,研究人員將DNA/RNA設計成標記有熒光報告基因和猝滅基因的報告基團,當用CRISPR/Cas12a或CRISPR/Cas13a識別目標基因并剪切目標基因時,同時剪切下來熒光報告基因,其釋放的熒光數和靶基因數量一致,這樣可以通過熒光檢測設備檢測的熒光數量來間接檢測靶基因。該項檢測通過等溫擴增及熒光閱讀儀等常規儀器即可完成,在遵循實驗室生物安全管理相關規定的前提下,應用場景廣泛。


目前已有多種有關IVD檢測應用研究的文章發表,總結來說,這類發表的方法通常先從人體樣本中提取目標核酸(如病毒的DNA或RNA),Cas經過一段先導RNA(gRNA, guide RNA)的設計引導其配對至目標核酸序列位置,通過RPA(Recombinase Polymerase Amplification,重組酶聚合酶擴增)擴增(一種等溫擴增技術,最佳反應溫度37℃)放大其中目標基因的濃度,隨后采用基因編輯技術進行剪切并釋放熒光信號,進而對熒光信號進行檢測。例一,采用CRISPR/Cas12a識別單鏈DNA開發的檢測人體樣本中人乳頭瘤病毒HPV 16和18的試劑,也叫做DETECTR( DNA endonuclease-targeted CRISPR trans reporter);例二,國外的張峰團隊結合前期研究開發了SHERLOCK(specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking)方法,該方法基于Cas13a酶,采用RPA擴增技術和RNA引導Cas13a進行信號剪切,該技術熒光信號是連接在RNA上的,利用Cas13酶的附帶的無差別剪切RNA的功能,實現信號釋放,該團隊認為開發產品的難點在于提取純化Cas13;例三,其他團隊采用另外一種更簡便快速的樣本處理方式HUDSON(heating unextracted diagnostic samples to obliterate nucleases)處理諸如咽拭子、唾液、尿液等樣本并結合SHERLOCK方法,已證實可以很好地檢出如寨卡病毒、登革病毒、黃病毒等RNA病毒,由于HUDSON僅是通過加熱免提取處理臨床唾液或尿液樣本,拋開了繁復的核酸提取過程,今后有望應用于POCT現場檢測,或可供WHO采購用在實驗條件有限的國家和地區;例四,還有團隊開發了用于人基因組單核苷酸多態性(SNP,single nucleotide polymorphism)的檢測方法等。


新冠病毒同屬于RNA病毒,自去年疫情暴發以來, FDA 在2020年5月EUA(for Emergency Use Authorization only,僅限于緊急授權使用)首次批準了張峰團隊開發的基因編輯IVD產品——SHERLOCK方法學定性檢測人體上呼吸道樣本中的新冠病毒N基因和ORF1ab基因,從檢索批準文件和產品說明書上看,該產品是一個僅限在實驗室使用而非可以廣泛使用的產品,需要采用Thermo公司的RNA提取試劑盒嚴格地進行核酸提取純化步驟來完成,并非如文獻報道的那樣采用加熱免提取來處理臨床樣本如唾液、咽拭子等。分析性能方面,該產品最低檢出限N基因為1.35copies/ul VTM,ORF1ab基因為6.75copies/ul VTM,整個從提取至檢測出結果時間不超過2小時。


國內目前已有進入優先/應急審評的國產基因編輯方法學的新冠病毒檢測產品中,已批準的產品2個,處于溝通交流及資料完善中的產品1個,從現有資料看,采用的基因編輯系統一種為國內廠商使用的CRISPR/Cas13a以及Cas12a系統,與國際研究相符,因為Cas13或Cas12除了靶向剪切目標核酸序列外,還附帶有無差別剪切核酸信號的功能。另外,國內廠商都是通過外購獲得Cas13a和Cas12a這兩種剪切蛋白,并未具有自行制備的能力。第二種為有自己自主知識產權的科研院所和企業合作,轉化為相應基因編輯方法學的新冠病毒檢測產品,比如中國科學院動物研究所周琪院士團隊,其研究者采用的是CRISPR/Cas12b剪切系統,該系統是我國自主研發并申請了國際、國內專利,目前產品已完成注冊檢驗,處于溝通交流及資料完善階段。目前國產產品從批準和完成的注冊檢驗的情況來看,可以滿足新冠病毒國家參考品和臨床使用的要求,根據產品不同,最低檢出限在450copies~1000copies左右。


從CRISPR/Cas系統的發現到臨床實踐的應用及探索,除了最初帶給人類上帝之手的驚喜之外,研究人員逐漸認識到了該系統家族應用的優、缺點,目前仍在不斷地進行改造和應用于不同的領域,隨著近年Cas13及Cas12的發現,相較早先的Cas9基因編輯系統具有更好的準確性,解決了脫靶效應(即未嚴格按照設計要求剪切)問題,同時其附帶的無差別剪切功能契合了體外診斷中需要釋放檢測信號的需求,總體來說CRISPR應用到IVD是一個劃時代的發現,可以稱作是新的診斷技術,其精準性和快速性逐漸得到了科研人員的認可。


準確、快速、簡便、經濟一直是IVD開發的目標,但就目前已在臨床應用的產品來看,CRISPR技術和傳統的成熟PCR相比還未顯現明顯優勢,PCR的最低檢出限和檢測速度甚至可以超越CRISPR。一個新技術需要一定時間的成熟和發展,也需要越來越多的臨床應用反饋來改進,因此,隨著提取技術、等溫擴增技術的應用以及更新更好的Cas蛋白的發現,CRISPR技術是否能超越傳統PCR,是否如發表文獻所說的有專屬的應用場景還有待觀察。


審評關注點:gRNA設計,靶序列的識別信號剪切的驗證與對應關系,脫靶效應,最低檢出限,檢測所需時間等。


注:


1.基因編輯診斷產品的擴增方式多采用等溫擴增,除采用RPA外,還常采用LAMP(Loop-mediated isothermal amplification,環介導等溫擴增)和RAA(Recombinase Aided Amplification,重組酶介導等溫擴增)。


2.有報道Cas12a的無差別剪切活性激活在gRNA與靶序列配對時就發生了,并不依賴與靶序列是否切割。

 

參考文獻:

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[2] Daniel S. Chertow, Next-generation diagnostics with CRISPR, Science 360(6387), 381-382, 2018

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[4] FDA網站EUA查詢:產品名稱:Sherlock CRISPR SARS-CoV-2 Kit, 2020 May 6,https://www.fda.gov/medical-devices/coronavirus-disease-2019-covid-19-emergency-use-authorizations-medical-devices/vitro-diagnostics-euas

[5] SHERLOCK官網產品說明書:https://sherlock.bio/wp-content/uploads/2020/06/EUA200466-Sherlock-IFU-_FDA-Authorized-Copy_-05062020-FINAL-Copy3.pdf

[6] Lu Guo, Xuehan Sun, Xinge Wang, Chen Liang, Haiping Jiang, Qingqin Gao, Moyu Dai, Bin Qu, Sen Fang, Yihuan Mao, Yangcan Chen, Guihai Feng, Qi Gu, Ruiqi Rachel Wang, Qi Zhou and Wei Li,SARS-CoV-2 detection with CRISPR diagnostics,Cell Discoverry (2020)6:34.

[7] Fei Teng, Lu Guo, Tongtong Cui, Xin-Ge Wang, Kai Xu, Qingqin Gao, Qi Zhou and Wei Li,CDetection: CRISPR-Cas12b-based DNA detection with sub-attomolar sensitivity and single-base specificity, Genome Biology (2019)20:132.

轉載:器審中心  審評六部 陳亭亭 

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