基于crispr的诊断技术可以快速检测出不同的新冠病毒变体和其他病原体

麻省理工学院布罗德研究所、哈佛大学和普林斯顿大学的研究人员开发了一种基于crispr的技术，可以快速区分omicron、delta和其他COVID-19变体，以及包括流感在内的其他呼吸道病毒。该团队在2021年12月omicron激增开始时使用了这种被称为mCARMEN的方法，以初步了解马萨诸塞州这种变体的患病率上升情况。基于这些结果，马萨诸塞州公共卫生部(MDPH)与该州的医院分享了这一信息，以帮助指导COVID-19患者的治疗方案。

为了设计mCARMEN，研究人员对Broad于2020年开发的基于crispr的诊断技术CARMEN进行了调整，使其更快、更敏感、更容易在临床和监测实验室中实施，目标是在未来SARS-CoV-2或其他病原体爆发期间更广泛地使用优化的平台。

mCARMEN是“用于核酸多路评估的微流控组合阵列反应”的首字母缩写自然医学。

共同资深作者Cameron Myhrvold说:“COVID-19大流行向我们表明，我们需要更多、更频繁地进行检测，特别是在大流行的早期。”他在布罗德大学担任博士后研究员时帮助开发了CARMEN，现在是普林斯顿大学分子生物学助理教授。“COVID-19向我们表明，具有挑战性的病毒将不断出现，所以我们必须继续寻找它们，并提出更好的方法。”

“参与这个大型合作项目真是太棒了，”该研究的第一作者妮可·韦尔奇(Nicole Welch)说，她是哈佛大学病毒学项目和布罗德学院Pardis Sabeti实验室的研究生。“我们很高兴它已经在这场大流行中发挥了作用，我们希望看到它的继续使用得到改善公共卫生．"

卡门V1

Sabeti实验室的研究人员和Broad的核心成员Paul Blainey首先开发了CARMEN平台，使用定制的微流体芯片和基于crispr的指导RNA分子，可以检测病原体遗传物质中的特定序列。在2020年的研究中他们的研究表明，CARMEN可以一次在1000多个样本中识别单一类型的病毒，或者在少量样本中搜索包括COVID-19病毒在内的160多种不同的病毒。

然而，最初的CARMEN平台需要定制设备，涉及8至10小时的手工密集型工作流程，并且提供的吞吐量低于大流行期间所需的吞吐量。为了更好地应对新出现的SARS-CoV-2变种等公共卫生威胁，研究人员在2021年改进了这项技术，使其在临床上更有用，并使其能够快速检测多种病毒和变种。

该团队将CARMEN应用于商用Fluidigm微流体和仪器平台，使其更易于运行，并将运行时间缩短了一半。研究人员还简化了工作流程，以提高灵敏度，从而可以在遗传物质较少的样本中检测病原体。此外，通过结合使用基于crispr的酶Cas12和Cas13, mCARMEN不仅可以发现病毒的存在，还可以测量样本中病毒的数量，这些信息可以表明患者感染他人的能力或治疗是否有效。

查看变量

在他们最新的研究中，科学家们表明mCARMEN可以区分21个不同的人呼吸道病毒在患者样本中，包括SARS-CoV-2、其他冠状病毒和流感毒株，表现与原来的CARMEN技术一样好。他们与麻省总医院的合作伙伴合作，进一步证明了mCARMEN在患者样本中检测和区分多种人类呼吸道病毒的能力。

为了使mCARMEN既能诊断患者，又能监测新出现的COVID-19变种，研究人员还开发了一种方法，让该平台跟踪SARS-CoV-2病毒的变化。他们设计了一种基于crispr的引导rna的“变体识别面板”，可以识别病毒刺突蛋白中的二十多个突变。每个变体都有一个独特的突变模式，可以作为样本中变体的“指纹”。有了这个面板，研究小组表明mCARMEN可以寻找这些指纹，并区分六种SARS-CoV-2变体谱系，包括delta和omicron，与病毒测序一样准确。

研究人员说，mCARMEN还可以帮助标记新的变异。如果样本中出现了未知的病毒突变指纹，这可能表明可能出现了新的变异，这可以通过更深入的病毒测序来证实。

布罗德研究所与美国疾病控制和预防中心以及MDPH合作，自2021年3月以来，一直在进行大规模病毒测序，以支持COVID-19基因组监测。随着2021年底omicron变体的出现，MDPH要求Broad公司使用mCARMEN测试来自马萨诸塞州的COVID-19样本，并为公共卫生态势感知提供更快速的omicron流行率初步分析。在2021年12月下旬，基因组平台将病毒监测工作流程中的一部分covid - 19阳性样本交给了开发mCARMEN平台的团队。

mCARMEN团队利用他们的平台在一天内处理了近1000个样本，并快速生成了在该州循环的变体的图片。他们估计，自12月中旬以来，omicron一直是马萨诸塞州主要的COVID-19变体。除了展示了该平台从相对较少的样本中快速生成见解的能力外，这一发现还对国家的COVID应对产生了实时影响。MDPH能够联系到地区医院，并建议在使用单克隆抗体治疗COVID-19患者时，他们现在应该选择更适合omicron而不是delta或其他变体的单克隆抗体。

韦尔奇说:“利用mCARMEN的快速周转时间，我们可以帮助支持立即采取的公共卫生应对措施。”“omicron的爆发表明，需要一种比标准的基于pcr的检测提供更多信息的诊断方法，而不需要病毒测序所需的成本和时间。”

mCARMEN需要监管机构批准才能用于诊断患者。目前，该团队正在继续与基因组学平台、疾病预防控制中心和MDPH的同事合作，使用该技术监测omicron和其他COVID-19变体。随着新变体的出现，他们可以很容易地添加新的面板变体mCARMEN工作流程的突变，以了解什么在传播，并支持公共卫生响应。

该团队还与全国各地的公共卫生部门合作，利用mCARMEN在这些地区进行病毒监测。此外，他们还支持正在开发该平台在2019冠状病毒病大流行之外的新应用的合作研究人员，例如检测和鉴别细菌感染以及监测抗生素耐药性。

“我们的希望是更广泛地传播这项技术，”共同资深作者、布罗德研究所成员、哈佛大学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员Pardis Sabeti说。“通过对CARMEN平台的这次更新，我们可以设计各种用途的面板，这将帮助我们为下一次传染病威胁做好准备。”