基因编辑技术CRISPR已经催生了一些旨在使用该工具开发新疗法的初创公司，现在介绍的是该技术应用的另一个不太拥挤的赛道——诊断测试。

美国加利福尼亚的一个学术研究团队开发了一种新技术，研究团队包括加州大学伯克利分校、Keck Graduate研究院、斯克里普斯学院、克莱蒙特麦肯纳学院的研究人员，以及两家生物技术初创公司Cardea Biosciences和Nanosens Innovations。

关于CRISPR-Chip的研究成果已经发表于3月25日的《Nature Biomedical Engineering》上，进一步证明了CRISPR-Cas技术在诊断领域的实用性。研究人员开发了一种基于石墨烯的新型手持设备，名为“CRISPR-Chip”，无需扩增或测序，就可以从患者的DNA样本中进行特定的基因突变数字检测。

大多数检测核酸的方法需要许多试剂和昂贵的设备。而该手持装置利用CRISPR的基因靶向能力，将一种部分失活的Cas9蛋白，与特异性的单链guild RNA复合并连接到基于石墨烯的晶体管上，实现核酸检测功能。

“我们与合作伙伴一起开发了第一个使用CRISPR搜索基因组以寻找潜在突变的设备。”加州大学伯克利分校生物工程系助理教授、Keck Graduate研究院的Kiana Aran博士说：“你只需将纯化的DNA样品放在芯片上，让CRISPR进行搜索，石墨烯晶体管在15分钟内就可以报告这次搜索的结果。”

CRISPR-Chip原型在石墨烯晶体管上覆盖了数千个CRISPR-Cas复合体，这些蛋白会在DNA中找到特定位点结合，但是不会剪切。如果CRISPR-Cas分子未能检测到样品中的靶基因，则DNA将被释放而不会结合。然而，当发现完美的序列匹配时，蛋白与其结合并触发石墨烯的表面产生额外的电荷。石墨烯晶体管的导电率发生变化，由CRISPR-Chip检测并且作为电信号读出。

在论文中，Aran的团队使用CRISPR-Chip分析从表达蓝色荧光蛋白bfp基因的HEK293T细胞系收集的DNA样本，这是一种常用于验证CRISPR-Cas基因编辑的基因。他们还检测了由抗肌营养不良蛋白基因突变引起的杜氏肌营养不良症（DMD）患者的临床样本。虽然突变可以在基因的所有79个外显子中发生，但最常见的缺失发生在外显子2-10和外显子45-55。该团队使用CRISPR-Chip检测这些常见缺失外显子中的两个（外显子3或外显子51）的突变，能够在没有任何预扩增的情况下特异性地检测缺失。

“我们只需要大约1/10的颊部拭子DNA。”Aran说，“这项技术非常令人兴奋，因为我们正在跳过通常需要在这些DNA样本上进行的大部分实验室的处理程序。”所需的硬件大小与大型手机相当，可以在笔记本电脑上运行，移动性非常强。

“设备的灵敏度为每微升3.3纳克。”Aran说，“当然，不同个体诊断测试的敏感性和特异性需要在临床试验中进行测量，我们还没有进行到这一步工作。”

这个平台“非常聪明”，亚利桑那州立大学生物设计研究所单分子生物物理中心主任Stuart Lindsay评论说，他没有参与这项研究。“这里的新颖之处在于使用CRISPR进行基因组检索。通过化学物质上DNA杂交来检测靶基因是非常容易和相当常规的，比如这里使用的石墨烯这种化学物质。但是CRISPR的搜索功能允许它通过基因组寻找目标靶，这就是为什么使用未扩增的DNA也可以实现。“

另外也有DNA分子电子学专家认为，该文章的实验数据相对较少，这使人怀疑结果是否可以重现。但是，Cardea首席技术官兼该研究的共同作者Brett Goldsmith博士断言，“测试数据是我从纳米电子传感器中看到的最好和最可重复的数据之一。”

Goldsmith指出，“其他技术需要将DNA扩增，任何DNA扩增过程都会带来相同的背景干扰问题。很少有人能做到在不扩增的情况下检测DNA。“PCR扩增DNA只能在绝对必要的时候使用，因为在研究实验室之外使用扩增会有很多实际问题。

未来，该装置进入临床试验后，可用于快速诊断疾病，通过快速基因检测帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。同时，也可以在实验室中用于监测CRISPR是否与特定DNA序列结合，评估基于CRISPR的基因编辑技术的准确性。据Aran称，该实验室将在今年准备就绪，开始使用Cardea生产设备并与Keck Graduate研究院一起使用，但是要想进入临床试验还有很复杂的程序。

加州大学伯克利分校的CRISPR早期技术专家Jennifer A. Doudna，在2017年创立了Mammoth Biosciences。该公司拥有加州大学的技术许可，利用CRISPR技术完成传染病、肿瘤学和基因突变方面的快速诊断。而就在今年3月22日，张锋参与组建的Sherlock Biosciences公司刚刚成立，并获得了3500万的融资。该公司通过博德研究所获得授权，也是基于CRISPR技术完成快速诊断。

众多科学家正在参与CRISPR-Cas在诊断领域的发展，解决诸多难题。很多疾病、基因突变测试获得结果可能需要很长时间，而且在发展中国家等低资源环境下可能无法进行测试。如果科学家能够开发新的诊断测试技术，可以显著降低成本，提高便捷性，扩大可及性，让医疗不可能三角的难题得以解决。

参考文献：

https://www.genengnews.com/insights/fishing-for-mutations-using-crispr-chip/

https://www.nature.com/articles/s41551-019-0371-x?_ga=2.66237870.1055437075.1553821161-1102980628.1553140428