CRISPR/Cas12结合反向斑点杂交技术进行可视化多重靶标检测

  • 2023 - 12 - 19
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01、CRISPR-RDB的检测原理

作者在CRISPR-RDB体系中采用了Cas12a,利用Cas12a在靶标识别后表现出的针对非特异单链DNA的反式剪切活性实现多重检测。首先,作者设计了四条序列不同的Biotin-recognition DNA(recDNA I、II、III和IV),及其相应的序列互补的捕获DNA(capDNA I、Ⅱ、III和Ⅳ)。recDNA I、II、III和IV分别与识别不同靶标序列的Cas12a/crRNA复合物孵育,形成单独的反应单元。将待测样本分别加入这4个反应单元,在对应靶标存在的情况下,Cas12a被激活并反式剪切recDNA;在对应靶标不存在的情况下,Cas12a不会被反式激活,相应的recDNA保持完整。反应结束后,将4个反应单元的产物混合,并与尼龙膜上包被的capDNA I、Ⅱ、III和Ⅳ孵育,完整的recDNA能与对应的capDNA互补结合,从而引入Biotin标记。Biotin标记的recDNA:capDNA双链可以结合streptavidin-HRP,将无色的TMB底物转化为蓝色。因此,蓝色指示对应靶标不存在;而白色指示对应靶标存在,且recDNA全部被反式剪切。

CRISPR-RDB检测原理 02、CRISPR-RDB的可行性分析

为了验证CRISPR-RDB体系的可行性,作者先将4种recDNA和4种capDNA杂交,结果表明每条带有4种capDNA的尼龙膜可识别到对应的recDNA,且recDNA I、II、III和IV之间没有干扰。 同时,作者测试了4个具有不同靶标序列识别能力的Cas12a/crRNA系统,显示能够在特异靶标存在的情况下剪切对应的recDNA。

接下来,为了进行临床检测探索,作者将4重靶标分别设置为甲型流感病毒(FA)、乙型流感病毒(FB)、呼吸道合胞病毒(RSV)和严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)的部分序列,并搭建了简易的4通道微流控芯片。随后,作者模拟了FA、FB、RSV、SARS-CoV-2这4种靶标序列的多种可能性组合(包括同时存在0种,1种,2种,3种,甚至4种靶标),结果表明CRISPR-RDB体系能够检测到以上所有组合情况。而且,使用智能手机应用程序对不同浓度的靶标DNA(0、5、10、30 nM)进行蓝点颜色识别,可以观察到靶标浓度与蓝点的颜色深浅呈反比,由此可以进行靶标浓度的相对定量。

CRISPR-RDB可行性分析图 03、CRISPR-RDB关键参数优化

为了提升CRISPR-RDB体系的检测性能,作者对其中的关键因素进行了优化,确认尼龙膜承载体积(每个正方形尺寸为0.5 cm×0.6 cm)为1 μL;capDNA(1 μL,10 μM)和recDNA(75 nM)之间杂交条件为35℃,40 min;Cas12a浓度对为100 nM;HRP孵育时间为20 min。

CRISPR-RDB关键参数优化图 04、CRISPR-RDB检测性能

在上述优化的关键参数条件下,作者进一步测试了CRISPR-RDB体系的检测性能。作者采用RPA预扩增的方案进行靶标富集,随后用CRISPR-RDB体系对靶标浓度进行相对定量。如图展示了针对4种靶标病毒的RPA引物和crRNA设计方案。随后,对不同浓度(0、2.5、5、10、15、20 nM)靶标DNA进行检测,随着各靶标DNA浓度的增加,4个通道中的蓝点强度相应地逐渐变弱。使用智能手机应用程序对一系列靶标DNA浓度进行相对量化,结果显示在2.5–20 nM范围内具有良好的线性。进一步评估CRISPR-RDB对真实病毒样品的检测灵敏度,结果显示对不同浓度(0、2、4、6、8、10和100个拷贝)FA、FA、RSV和SARS-CoV-2样本有梯度检测结果,且检测限低至4个拷贝/μL。

CRISPR-RDB检测灵敏度图

为了测试CRISPR-RDB检测体系的特异性,作者首先证明4种病毒靶标都可以被对应的Cas12a/crRNA特异识别,具有较高的选择性;进一步地,作者在靶标序列中引入2个突变碱基后,结果表明2个位点错配会导致Cas12a反式剪切活性的显著降低,说明CRISPR-RDB检测体系具有较高的特异性。此外,作者还测试了蓝点在尼龙膜上的显色稳定性,结果表明4°C比25°C、37°C更有利于蓝点颜色的稳定保存,这可能与单链DNA在较高的温度更容易降解有关。因此,确认尼龙膜显色最佳存储条件为4°C下不超过10天,25°C下不超过3天。

CRISPR-RDB检测特异性和稳定性图 05、CRISPR-RDB的临床应用

为了探索CRISPR-RDB在真实临床样本中的应用,作者展示了工作流程图。其从样本到检测结果的时长大约为105 min,检测信号可以通过智能手机应用程序或肉眼来读取。对23个临床样本进行检测(1号:阴性对照;2–6号:FA阳性样本;7–11号:FB阳性样本;12–16号:新冠病毒阳性样本;17–23号:呼吸道合胞病毒阳性样本),并将检测结果与qPCR对比,结果显示,除19号样本外,其它临床样本检测结果一致。

随后,作者使用含有FA、FB、RSV和SARS-CoV-2真实样本的随机混合来评估多通道性能(第1号:阴性对照;第2–7号:含有两种病毒的样本;第8–11号:含有三种病毒的样本;第12号:含有四种病毒的样本),结果显示CRISPR-RDB对单个或多个混合靶标都表现出高灵敏度和特异性,证明了其在多重核酸检测领域的潜力。

CRISPR-RDB检测呼吸道临床样本图

高危HPV的持续感染会导致全球女性第二常见的恶性肿瘤,侵袭性子宫颈癌的主要高危HPV基因型为HPV 16、18、31、33、35、45、52和58。目前,PCR-RDB作为一种常见的诊断方法已被广泛应用于HPV类型的精确鉴定。作者基于CRISPR-RDB策略,构建了针对高致病性类型HPV 16、18、52和58的4通道诊断方法。该方法不仅比传统的PCR-RDB更加省时(105 minVS PCR-RDB的290 min),而且所需的仪器也非常简单。为了验证其多重核酸诊断性能,作者优先使用商业PCR-RDB试剂盒测试了5个样本,随后使用CRISPR-RDB平台对确认的临床样本进行测试,获得了与PCR-RDB一致的检测结果。这充分说明了CRISPR-RDB作为一个平台型检测策略应用于多重核酸检测的巨大潜力。

CRISPR-RDB检测HPV临床样本图

总的来说,CRISPR-RDB平台可通过使用掌心型微流控芯片和尼龙膜进行可视化信号读出,且能用于同时检测多重核酸靶标。与金标准qPCR进行比较,CRISPR-RDB平台显示出对临床样本高度一致的检测结果;与PCR-RDB相比,其检测时间节省了2/3。因此,CRISPR-RDB平台可能在未来为多重核酸检测提供一种简单、通用、经济高效的解决方案。

参考文献:Hu T, Ke X, Li W, Lin Y, Liang A, Ou Y, Chen C. CRISPR/Cas12a-Enabled Multiplex Biosensing Strategy Via an Affordable and Visual Nylon Membrane Readout.Adv Sci (Weinh). 2023 Jan;10(2):e2204689. doi: 10.1002/advs. 202204689. Epub 2022 Nov 28. PMID: 36442853; PMCID: PMC9839848.