《科學》重磅：張鋒的「神探」再無束縛！2小時內現場判斷病毒種類，即時檢驗迎來革命性突破，都靠這位美女科學家｜奇點猛科技

本周，《科學》雜誌以封面形式發表了一項有關CRISPR技術的最新進展。此前我們曾經報道過，張鋒團隊構建的「SHERLOCK」檢測技術，該技術利用CRISPR/Cas13a系統，在病毒快速檢測領域邁出了一大步。這項備受期待的技術，這次又迎來了新的重大突破，終於可以離開實驗室，有望在疾病一線大顯身手了！

《科學》本周封面

本項研究引入了一種新的樣品處理方法，告別了實驗室內繁複的核酸提取工作，使得新技術能夠直接在患者唾液和血清樣本中檢測到病毒，同時依舊保持著1個拷貝/微升的靈敏度。該技術也能夠更容易、快速地區分幾種相關的類似病毒（如寨卡、登革熱、黃熱病毒和西尼羅河病毒），這些病毒引起的癥狀相似，對辨明疫情特別有用！[1]

基於此前研究的基礎，檢測結果可以直觀地展示在試紙上，整個過程只需要不到2個小時。這意味著，不需要複雜的設備，不需要高端的技術人員，在疫情來臨時，普通的醫務人員即可在現場快速確認毒株！

此圖會動

在上一季度大熱的日劇《非自然死亡》的第一集中，出現了這樣的劇情：身為法醫的女主角，發現死者有感染中東呼吸綜合征（MERS）的可能性，為了確認是否存在病毒，急切尋求有相關技術設備和人員企業的幫助。

許多大規模傳染病都面臨著檢測難的問題。

2015年-2016年間，瘋狂肆虐的寨卡病毒（Zika Virus，ZIKV），本身傳播快、滴度低，受限於檢測技術，確診第一例病例時，疫情已蔓延了幾個月。而寨卡與登革熱（Dengue Virus，DENV）這類相似的病毒，往往造成的癥狀也很類似，區分更是難上加難[2]。

基於核酸的檢測方法，確實具有足夠的敏感性，檢測速度也夠快，但往往需要大量的樣本和昂貴的設備[2]；抗原檢測倒是對設備要求不高，但是特異性差了些，過程更是漫長[3]。

無論是不是這些傳播極快、疫情嚴重的疾病，理想的檢測方法都應該兼顧敏感性和特異性，速度要快，費用要低，最好能夠同時比對多個對象，同時對設備、技術、資源的要求也要儘可能低。

頗受關注的CRISPR小王子張鋒，於去年首次發表了SHERLOCK（specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking）技術，這項技術基於CRISPR/Cas13a系統，並結合重組聚合酶擴增技術（Recombinase Polymerase Amplification，RPA），能夠對樣本中痕量的核酸在恆溫條件下進行大量擴增，從而滿足Cas13a的檢測需求[4]。

SHERLOCK的作用機制

這裡再介紹一下Cas13a。它是一種RNA酶，與我們比較熟悉的乖巧的Cas9不同，Cas13a比較癲狂，對它來說完成靶向RNA序列的切割根本不是工作的終點，而是狂歡的開始，本來一個安安靜靜的酶就開始隨意切割其他不相干的RNA了。因為這種亂切一氣的態度，最開始科學家也沒覺得能拿它來幹嘛。

要不怎麼說創意值千金呢，利用它這個奇葩特點，配合上一個被切斷就會熒光的「報告RNA」，化「切割」為「檢測」，這隻搗蛋鬼也在SHERLOCK技術里找到了自己的一席之地。

兩個月前，張鋒團隊對SHERLOCK進行了再一次升級，提出了「Version2」。V2版結合了其他的Cas酶，實現同時檢測4種不同類型的病毒或者突變，而且信號靈敏度也大大提高[5]。

正是在這一版里，科學家們開發出了對應的試紙條，能夠直接用肉眼觀察結果！這種親眼看到CRISPR的感覺還蠻激動的！

不得不說，SHERLOCK在各種方面來看，都是一種很有希望實現「理想」的技術，面臨的問題，就是它還不能完全離開實驗室，比如檢測需要的樣本，依舊需要在實驗室內進行製備。這就是今天這項研究要解決的問題。

SHERLOCK技術的快速發展，是張鋒一手帶領的，但是今天這項研究卻並不是由張鋒主導的。雖然張鋒也名列作者之一，但是本文的通訊作者其實是另一位讀者可能不太熟悉的傑出科學家，同在Broad研究所任職的生物信息學家Pardis Sabeti。

當埃博拉病毒在西非開始流行的時候，Sabeti教授做了一件非常重要的事：她的團隊幾乎在疫情爆發第一時間就對來自感染者的病毒樣本進行了測序，從DNA數據中清楚確定了病毒傳播的途徑。參與這項工作的許多科學家在這次疫情中感染死亡，但換回了更多生命。她因此被評為《時代周刊》2014年度人物，當之無愧的「埃博拉鬥士」。

女科學家真是美炸了！

在本項研究中，Sabeti教授帶來了一種新的樣本處理技術，HUDSON（heating unextracted diagnostic samples to obliterate nucleases）。從名字也可以看得出來，HUDSON技術是一種基於熱處理的技術，對未處理的樣本進行快速的熱處理和化學處理，除去導致病毒核酸降解的核酸酶（RNase），同時溶解病毒衣殼，把核酸釋放到樣品里。

經過「哈德遜太太」處理過的樣本，直接讓「夏洛克」檢查，不到兩個小時就能在試紙上看到結果了！

HUDSON的作用機制

所謂樣本都包括什麼呢？全血、血漿、血清、尿液、唾液，這些都可以。實際上尿液和唾液取得方便而且對人體無創，也是研究者的主要研究目標。

我們都懂得樣品條件對檢測結果的重要性，就算製備簡便，但如果要犧牲敏感性也是得不償失。好在HUDSON和SHERLOCK都沒讓研究者失望，在多種樣品內對不同濃度的病毒進行檢測，高效一如既往，靈敏度保持在阿摩爾級，能夠檢測出1μl內的單個分子，而且保證了100%的特異性和一致性。

靈敏度達到aM級

對相似病毒和不同血清型的解析度也很令人滿意。研究者檢測了幾種導致類似癥狀的黃病毒，新技術的脫靶率<0.22%；分辨不同血清型的登革熱病毒（DENV），脫靶率也<3.2%，足夠以100%特異性分辨目標。

寨卡、登革熱、西尼羅河病毒、黃熱病毒，統統不是問題

這些可惡的惡性病毒帶來的另一個麻煩就是，它們在傳播過程中會不停地突變，進化出越來越多的技能，比如耐藥性，比如更強的毒性，又比如傳播得更快的能力。就拿寨卡舉例，孕婦感染了寨卡病毒，很可能會造成肚子里的小寶寶出現小頭畸形，這就與寨卡病毒的S139N突變有關[6]。

針對這類發生在單個核苷酸中的突變，SHERLOCK也是能夠一展身手的，具體細節不說了，以前的文章也報道過。就問你，一周測出來，快不快！

使用樣本來自患者

目前，新技術檢測需要用到的所有試劑，均可以製作成凍乾粉劑，在保存條件上要求並不嚴苛，想必未來這些小瓶子小紙條就可以跟隨前線的醫師們深入疫區，挽救更多的生命。

Sabeti教授在新聞稿中說道，「新技術讓我們能夠更快、更容易地診斷患者，並且這個技術可以帶到任何地方使用。」「技術的每一次改進都會減少必需的設備，我們正在努力讓它更好更容易用，這是患者真正需要的。」[7]

本項研究的第一作者Freijie也表示：「在南美洲這樣的地方，很多類似的病毒都在同時流通，可能會造成誤診，快速分辨出它們之間的差異是很重要的。使用這種新型的檢測方法，患者只要給出一份血液或者尿液樣本，幾次反應就能夠分析出包含的病毒，然後患者就能夠得到正確的治療。」

Broad研究所正在努力讓SHERLOCK能夠在發展中國家使用。在疫情爆發期間，這樣相對快速、廉價、可靠、即時的技術是十分需要的。無論是現實還是影視作品，我們或許可以告別「送回實驗室驗一驗」這種場面了。

編輯神叨叨

美圖預警

哈哈教授還是個搖滾樂隊的主唱，真是人美活狠，佩服佩服

參考資料：

[1] http://science.sciencemag.org/content/360/6387/444

[2] O. Faye et al., J. Clin. Virol. 43, 96–101 (2008).

[3] I. Bosch et al., Sci. Transl. Med. 9, eaan1589 (2017).

[4] Jonathan S. Gootenberg et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science, 2017 DOI:10.1126/science.aam9321

[5] http://science.sciencemag.org/content/360/6387/439

[6] L. Yuan et al., Science 358, 933–936 (2017).

[7]https://www.broadinstitute.org/news/crispr-based-diagnostic-sherlock-optimized-rapid-use-during-viral-outbreaks-and-pandemics

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