等温扩增荧光检测

2022年，新冠病毒“卷土重来”，奥密克戎变异株侵袭国内多地，上海、吉林等地疫情尤为严重。奥密克戎变异株具有传播快、隐匿性强的特点，因而近期本土疫情点多、面广、频发。为控制疫情，提高疫情防控效率，居家新冠核酸快速检测自检已经成为了不可逆的趋势。今年，国家发布《区域新型冠状病毒核酸检测（新冠核酸快速检测）组织实施指南（第三版）》明确推出了“抗原筛查，核酸诊断”的监测模式。目前, 传统的聚合酶链式反应(PCR技术)是新冠病毒核酸检测的“金标准”，最主要用到的技术为荧光定量PCR技术，该方法的优势为灵敏度高、特异性强、稳定性好。但是由于PCR方法核酸检测集中采样接触易感染，需配套洁净实验室，工作繁琐且获取结果时间长，难以实现对病原的现场快速检测。新冠病毒抗原检测通过抗原和抗体结合反应在试纸条上检测，方便快检，通常30分钟内可出结果，能够实现现场快速检测。但抗原检测灵敏度低，易出现假阳性，无法代替核酸检测作为诊断标准。因此，在“抗原筛查，核酸诊断”的现行新冠检测方案之外，是否能找到一种既可靠、又快速的技术方法，以适配除“集采”和“居家自测”以外更多的现场检测场景，如社区门诊、发热门诊、海关等？等温扩增可能是最佳答案。核酸等温扩增技术是指在某一恒定温度、由特定酶作用完成靶标核酸扩增和相关信号检测的技术。相比于PCR技术，等温扩增技术无需热循环，能快速达到实验所需的温度，基于该技术开发的分子诊断系统具有操作简便、检测快速高效、仪器易小型化和易普及等多重优点。经过十多年的发展，目前已有多种等温扩增技术用于分子诊断领域，包括同时扩增和检测（SAT）、重组酶辅助扩增（RAA)、交叉引物放大(CPA)和LAMP离心盘微流控芯片(LAMP-chip)等。基于等温扩增技术的新冠核酸快速检测，将大大提升新冠核酸现场快速检测效率，是对现行新冠检测方案很好的补充。本文对我国用于新冠病毒检测的恒温扩增快检技术和产品进行梳理盘点，以飨读者。目前，已经有多款基于恒温扩增技术的新冠病毒检测产品上市。1、 上海速创全自动恒温核酸扩增分析仪全自动恒温核酸扩增分析仪MA3000（国械注准20213220473）上海速创诊断产品有限公司推出的全自动恒温核酸扩增分析仪MA3000，该产品是一款基于微流控生物芯片技术打造的集核酸提取、纯化、扩增、分析、报告于一体的全自动核酸检测平台。与公司的微流控生物芯片试剂相结合，可以实现多样本、多靶点的微生物病原体DNA/RNA检测。检测通量可达96样本/小时，检测时间在30-45分钟之间，强阳性样本最快可以15分钟出结果（5分钟核酸提取纯化，10分钟扩增出结果）。2、成都博奥晶芯恒温扩增微流控芯片核酸分析仪晶芯® RTisochip™ -A 恒温扩增微流控芯片核酸分析仪（国械注准 20173401354） 恒温扩增微流控芯片核酸分析仪(型号:RTisochipTM-A)及配套碟式芯片是博奥研发的快速检测微生物核酸的新平台，博奥将微流控技术与恒温扩增技术结合，可提供 1×24、2×11、3×8三种不同型号的碟式芯片。 博奥同时自主研发和生产了呼吸道病原菌核酸检测试剂盒，与恒温扩增微流控芯片核酸分析仪一起通过国家药品监督管理局的创新审批，并获得三类医疗器械注册证。 性能指标3、上海仁度AutoSAT全自动核酸检测分析系统AutoSAT全自动核酸检测分析系统（国械注准20193220245）原理：采用SAT—RNA实时荧光恒温扩增检测技术，靶标RNA在RT酶作用下逆转录合成一条带T7启动子的双链DNA，T7 RNA聚合酶以这条双链DNA为模板进行转录,每个cDNA分子可以转录出100~1000个拷贝的RNA，合成出的RNA与分子信标结合，发出荧光，可以被荧光检测仪检测到。与此同时，新合成的RNA继续在RT酶和T7 RNA聚合酶的作用下循环逆转录和转录的过程。如此往复，以达到高效扩增的目的。检测通量：90分钟报告第一个样本结果，之后平均2分钟报告一个结果，8小时可检测200样本，24小时可检测500-700个样本；样本容量：可一次性放置80个样本并实现连续上样。4、上海伯杰一体化核酸快速检测系统BG-NOVA-X8一体化核酸快速检测系统（国械注准20213220715）伯杰医疗自主研发的BG-Nova-X8，集成CRISPR技术、磁珠提取、高精度机械臂，42℃恒温扩增检测，快速完成扩增反应，40分钟即可全自动出结果，2021年公司新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒（恒温CRISPR法）获批上市，国械注准20213400714。5、长光辰英Home Lab便携式恒温核酸扩增分析仪Home Lab便携式恒温核酸扩增分析仪长光辰英自主研发的Home Lab便携式恒温核酸扩增分析仪，基于光信号即时判读技术与环介导等温扩增技术（LAMP）结合，自动判读核酸检测结果。根据产品介绍，Home Lab分析仪搭配新冠核酸快速检测试剂盒（环介导等温扩增法），组成系统化快速检测方案，通过鼻拭子取样，12-30分钟内可完成4个样品的核酸检测，在感染早期即可进行病毒检测。目前，Home Lab分析仪已实现量产化生产，并于2021年末顺利通过了欧盟CE医疗许可认证。6、江苏奇天RAA快检平台系列仪器F1628 恒温核酸扩增分析仪原理：重组酶介导等温核酸扩增技术（Recombinase Aided Amplification）是一种全球领先的分子检测技术，简称RAA技术，该技术利用重组酶、单链结合蛋白、DNA聚合酶在等温（37℃）条件下进行核酸扩增，结合荧光探针实现即时检测，是一种精准、方便、快速的核酸检测技术，实现5－15分钟完成检测输出结果，灵敏度高达到1 拷贝/测试。2020年1月，奇天基因与中国疾病预防控制中心联合研制的新型冠状病毒（2019-nCoV）核酸等温扩增快速检测试剂盒， 实现了8-15分钟快速检测出结果。2021年，江苏奇天新型冠状病毒（2019-nCoV）核酸检测试剂盒（荧光RT-RAA法）获批上市，国械注准20213400656。7、杭州尤思达即时分子诊断系统新型冠状病毒（2019-nCoV）即时分子诊断系统系统基于交叉引物放大(CPA)原理，检测全流程时长约80分钟，通量为2个样本。今年以来，有更多等温扩增核酸检测仪研发成果被报道。据中科院苏州医工所官方网站报道，苏州医工所医学检验室尹焕才研究员联合马富强研究员及相关科研力量，在苏州医工所自主部署项目的支持下，开展了基于LAMP技术（Loop-mediated isothermal amplification，环介导等温扩增技术）的传染性病原体检测系统研制。从特异性引物筛选设计、LAMP反应核心酶研发、高灵敏反应体系构建、到配套便携式荧光检测仪器，进行了全链条部署研究，取得阶段性进展。半小时内完成测试，试剂可常温运输，无需冷链，便于居家、床旁及现场快速检测使用，已初步具备转产条件。呼吸道病原体快速检测系统构成4月，据有关媒体报道，香港理工大学研发的便携式新冠病毒检测仪，利用反转录恒温环状扩增法（RT-LAMP）及金纳米粒子(作为核酸扩增显示剂)，已成功进行精准的新冠病毒检测。临床样本测试结果与反转录聚合酶连锁反应（RT-PCR）标准完全吻合。检测仪在25分钟内可以确认新冠病毒阳性样本，整个检测约40分钟内完成，结果亦可凭肉眼辨识。据介绍，检测仪可同时放置六个样本，撇除两个阳性及阴性对照样本之外，可同时检测最多四个样本。采集样本后，即可使用检测仪在现场进行检测，无需将样本送回实验室。香港理工大学研发的“便携式新冠病毒检测仪”

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 近日，中国科学院深圳先进技术研究院博士周文华等在CRISPR等温扩增基因检测技术领域取得新进展。相关工作“A CRISPR-Cas9-triggered strand displacement amplification method for ultrasensitive DNA detection”（《一种应用于核酸超敏检测的CRISPR-Cas9链取代扩增技术》）发表于国际刊物《自然-通讯》（Nat. Commun.& nbsp 2018, 9, 5012）。论文共同第一作者是周文华和研究助理胡丽，通讯作者是研究员喻学锋。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 　　核酸分子检测已被广泛应用于精准医疗、食品安全检疫、公共安全监控等多个领域。尽管基于PCR（聚合酶链式反应）的核酸检测技术被广泛用于专业检测机构，但由于该技术操作复杂、仪器昂贵、以及涉及多重变温过程，并不适用于基层检测和家庭检测。为了克服PCR技术的缺点，一类不依赖变温的检测技术，即等温扩增检测技术得到广泛关注。然而，当前等温扩增技术在灵敏度、特异性和抗干扰度方面仍各自有着其内在缺陷，且成熟的等温扩增技术核心专利大多掌握在国外公司手中。因此，迫切需要开发出一种性能更优异，且具有完全自主知识产权的新的核酸等温扩增检测技术，以满足我国在核酸检测领域日益增长的需求。CRISPR/Cas9作为一种源自原核生物获得性免疫系统的基因定点编辑技术，自发现以来已吸引了大量科研关注和投资兴趣。然而，由于人体的复杂性和伦理方面的争议，基于CRISPR技术的临床基因治疗仍面临着诸多困难和挑战。另一方面，由于该技术操作简便、灵敏度高、抗干扰性强等优势，目前已开始在体外核酸分子的检测领域得到应用。但目前以CRISPR技术为基础的核酸检测手段仍依赖传统的PCR技术或等温扩增技术对靶分子进行扩增，其创新性和适用范围仍有待提高。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 　　针对这些现状，喻学锋课题组创新性地提出利用CRISPR系统效应蛋白Cas9在与靶核酸分子结合过程中独特的构象变化，作为链取代等温扩增反应的开关，高效启动针对靶核酸分子的指数倍扩增（简称CRISDA技术）。相比于传统PCR和其他等温扩增技术，CRISDA技术有着诸多独特优势。第一，该技术灵敏度高。基于CRISPR技术良好的抗干扰性，该技术可在复杂背景条件下，对aM（10-18M）浓度的靶核酸分子进行高效扩增检测。第二，CRISDA技术特异性强。通过在机理上的特殊优化，该技术很好地规避了在传统CRISPR基因编辑技术中普遍存在的脱靶效应，可实现对极低浓度的靶核酸分子进行单核苷酸多态性（SNP）检测。第三，CRISDA技术普适性极强。在针对不同靶位点的检测反应中，所需的扩增引物设计简单、无需优化，可迅速实现对新位点的检测反应体系开发。除此之外，该技术检测过程完全等温，并且在从室温到42oC的范围内均保持良好的扩增检测效果，可充分满足在实际检测中对新靶点的检测需求。目前，课题组已利用该技术成功检测出人基因组中乳腺癌相关的单核苷酸位点突变，并在野生型大豆中成功检测出万分之三的转基因大豆。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 　　同时，由于CRISDA技术所具有的独特优势和超越传统PCR技术的应用前景，以该技术为背景的“基于CRISPR-Cas系统的核酸高敏快速等温检测技术”项目在中科院首届“率先杯”未来技术创新大赛中，从数百个项目中脱颖而出，获得最终优胜奖，并已吸引了多家投资机构前来洽谈产业化事宜。目前，课题组正将该技术应用于突发或新型传染病的检测，如新型流感、非洲猪瘟等，并正积极开发相关检测试剂盒。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 　　该研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划国际合作研究、中科院前沿科学研究重点计划、深圳科技研究计划、英国利华休姆信托基金和香港研究资助局面上项目等的资助。 /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/32ba99f4-c48b-4ce7-af65-d3cb1a2f9940.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " 图1:& nbsp 传统PCR技术与CRISDA检测技术对比。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " & nbsp /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/b631edb6-a6db-4c5c-88b5-21d9ca4cb583.jpg" title=" 2.png" alt=" 2.png" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 　　图2:& nbsp 利用CRISDA技术对aM量级的靶分子进行特异性扩增检测。（a）扩增体系设计；和（b）利用CRISDA技术对合成的DNA片段进行特异性扩增检测。（c）利用CRISDA技术对来自人基因组的DNA片段进行特异性扩增检测。（d）利用CRISDA技术对人基因组的特定区域进行特异性扩增检测。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " & nbsp /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/89f1c732-cb1d-4b15-97bb-37f9e5aee8e8.jpg" title=" 3.png" alt=" 3.png" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 　　图3:& nbsp 利用CRISDA技术对aM量级的靶分子进行SNP扩增检测。（a）不同细胞株基因组中rs3803662位点的测序验证；（b）利用CRISDA技术对该SNP位点进行高灵敏度扩增检测。 /p

p 　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院博士周文华等在CRISPR等温扩增基因检测技术领域取得新进展。相关工作“A CRISPR-Cas9-triggered strand displacement amplification method for ultrasensitive DNA detection”(《一种应用于核酸超敏检测的CRISPR-Cas9链取代扩增技术》)发表于国际刊物《自然-通讯》(Nat. Commun. 2018, 9, 5012)。论文共同第一作者是周文华和研究助理胡丽，通讯作者是研究员喻学锋。 /p p 　　核酸分子检测已被广泛应用于精准医疗、食品安全检疫、公共安全监控等多个领域。尽管基于PCR(聚合酶链式反应)的核酸检测技术被广泛用于专业检测机构，但由于该技术操作复杂、仪器昂贵、以及涉及多重变温过程，并不适用于基层检测和家庭检测。为了克服PCR技术的缺点，一类不依赖变温的检测技术，即等温扩增检测技术得到广泛关注。然而，当前等温扩增技术在灵敏度、特异性和抗干扰度方面仍各自有着其内在缺陷，且成熟的等温扩增技术核心专利大多掌握在国外公司手中。因此，迫切需要开发出一种性能更优异，且具有完全自主知识产权的新的核酸等温扩增检测技术，以满足我国在核酸检测领域日益增长的需求。 /p p style=" text-indent: 2em " CRISPR/Cas9作为一种源自原核生物获得性免疫系统的基因定点编辑技术，自发现以来已吸引了大量科研关注和投资兴趣。然而，由于人体的复杂性和伦理方面的争议，基于CRISPR技术的临床基因治疗仍面临着诸多困难和挑战。另一方面，由于该技术操作简便、灵敏度高、抗干扰性强等优势，目前已开始在体外核酸分子的检测领域得到应用。但目前以CRISPR技术为基础的核酸检测手段仍依赖传统的PCR技术或等温扩增技术对靶分子进行扩增，其创新性和适用范围仍有待提高。 /p p 　　针对这些现状，喻学锋课题组创新性地提出利用CRISPR系统效应蛋白Cas9在与靶核酸分子结合过程中独特的构象变化，作为链取代等温扩增反应的开关，高效启动针对靶核酸分子的指数倍扩增(简称CRISDA技术)。相比于传统PCR和其他等温扩增技术，CRISDA技术有着诸多独特优势。第一，该技术灵敏度高。基于CRISPR技术良好的抗干扰性，该技术可在复杂背景条件下，对aM(10-18M)浓度的靶核酸分子进行高效扩增检测。第二，CRISDA技术特异性强。通过在机理上的特殊优化，该技术很好地规避了在传统CRISPR基因编辑技术中普遍存在的脱靶效应，可实现对极低浓度的靶核酸分子进行单核苷酸多态性(SNP)检测。第三，CRISDA技术普适性极强。在针对不同靶位点的检测反应中，所需的扩增引物设计简单、无需优化，可迅速实现对新位点的检测反应体系开发。除此之外，该技术检测过程完全等温，并且在从室温到42oC的范围内均保持良好的扩增检测效果，可充分满足在实际检测中对新靶点的检测需求。目前，课题组已利用该技术成功检测出人基因组中乳腺癌相关的单核苷酸位点突变，并在野生型大豆中成功检测出万分之三的转基因大豆。 /p p 　　同时，由于CRISDA技术所具有的独特优势和超越传统PCR技术的应用前景，以该技术为背景的“基于CRISPR-Cas系统的核酸高敏快速等温检测技术”项目在中科院首届“率先杯”未来技术创新大赛中，从数百个项目中脱颖而出，获得最终优胜奖，并已吸引了多家投资机构前来洽谈产业化事宜。目前，课题组正将该技术应用于突发或新型传染病的检测，如新型流感、非洲猪瘟等，并正积极开发相关检测试剂盒。 /p p 　　该研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划国际合作研究、中科院前沿科学研究重点计划、深圳科技研究计划、英国利华休姆信托基金和香港研究资助局面上项目等的资助。 /p p 　　 a href=" https://www.nature.com/articles/s41467-018-07324-5" target=" _self" strong 论文链接 /strong /a /p p 　　 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0d23d2ca-6349-469c-8baf-47725333d3c4.jpg" title=" 111.png" alt=" 111.png" style=" text-align: center " / /p p style=" text-align: center " 图1: 传统PCR技术与CRISDA检测技术对比。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/d9f7eaaa-745e-48b5-b10a-1fee29f62f2d.jpg" title=" 222.png" alt=" 222.png" style=" text-align: center " / /p p style=" text-indent: 2em " 图2: 利用CRISDA技术对aM量级的靶分子进行特异性扩增检测。(a)扩增体系设计 和(b)利用CRISDA技术对合成的DNA片段进行特异性扩增检测。(c)利用CRISDA技术对来自人基因组的DNA片段进行特异性扩增检测。(d)利用CRISDA技术对人基因组的特定区域进行特异性扩增检测。 br/ /p p 　　 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0f10d157-8779-46d8-8160-16cfad36b63c.jpg" title=" 333.png" alt=" 333.png" style=" text-align: center " / /p p 　　图3: 利用CRISDA技术对aM量级的靶分子进行SNP扩增检测。(a)不同细胞株基因组中rs3803662位点的测序验证 (b)利用CRISDA技术对该SNP位点进行高灵敏度扩增检测。 /p