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CRISPR-Cas- and Aptamer-based Systems for Diagnosing Pathogens: A Review

基于CRISPR/Cas和核酸適配體（aptamer）的病原體診斷技術(shù)研究進(jìn)展

作者： Helin Yu, Wenwen Jing, Xunjia Cheng

人獸共患病在世界范圍內(nèi)廣泛流行。迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過200種人畜共患病。根據(jù)致病特征，可將其分為細(xì)菌性、病毒性、真菌類、寄生蟲類、立克次體類和支原體類。許多新發(fā)和再現(xiàn)人獸共患病已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織列為國(guó)際關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件，嚴(yán)重威脅人類和動(dòng)物健康，給當(dāng)?shù)卣酥寥驇砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)壓力。因此，開發(fā)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)病原體的工具對(duì)于防治新發(fā)和再現(xiàn)傳染病尤為重要。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法往往耗時(shí)、成本高昂，且需要專業(yè)的技術(shù)人員，這極大阻礙了快速診斷的發(fā)展。

基于CRISPR/Cas和核酸適配體（aptamer）所開發(fā)的檢測(cè)工具已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。CRISPR/Cas系統(tǒng)被目標(biāo)病原體特定核酸序列激活后，可非特異性切割dsDNA、ssDNA、ssRNA，用于病原體檢測(cè)（圖1）。aptamer是極好抗體替代品，它可以穩(wěn)定地固定病毒、細(xì)菌、氨基酸、蛋白質(zhì)和細(xì)胞等目標(biāo)分子，并通過電流或電阻變化或肉眼識(shí)別熒光等物理、化學(xué)或電化學(xué)方法，間接檢測(cè)病原體（圖1）。

圖1 基于CRISPR/Cas和核酸適配體系統(tǒng)（aptamer）的診斷平臺(tái)示意圖

2023年5月9日，復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院程訓(xùn)佳教授團(tuán)隊(duì)在Zoonoses發(fā)表特約綜述《CRISPR-Cas- and Aptamer-based Systems for Diagnosing Pathogens: A Review》（基于CRISPR/Cas和核酸適配體（aptamer）的病原體診斷技術(shù)研究進(jìn)展）。

該綜述回顧了用于臨床和食源性病原微生物的新型病原體檢測(cè)平臺(tái)：①基于CRISPR/Cas的檢測(cè)系統(tǒng)（包括dCas9、Cas12a/b、Cas13和Cas14）（表1、2），②基于aptamer的生物傳感器檢測(cè)工具（表3），③結(jié)合CRISPR/Cas和aptamer開發(fā)的檢測(cè)工具各自優(yōu)缺點(diǎn)比較（表4）。與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，這些新型工具檢測(cè)病原體快速、靈敏、準(zhǔn)確、成本低。

表1 基于CRISPR系統(tǒng)的新冠病毒快速、診斷診斷工具

表2 基于CRISPR-Cas系統(tǒng)的診斷工具

表3 用于病毒檢測(cè)的aptamer生物傳感器

表4 用于病原體檢測(cè)的診斷工具優(yōu)缺點(diǎn)比較

基于CRISPR/Cas的檢測(cè)平臺(tái)需要核酸提取、擴(kuò)增等繁瑣的操作步驟，篩選aptamer耗時(shí)以及靈敏度不高等缺點(diǎn)，阻礙病原體快速檢測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展。CRISPR/Cas系統(tǒng)與aptamer方法結(jié)合所開發(fā)的檢測(cè)工具（圖2）不僅可以彌補(bǔ)單一方法的缺點(diǎn)，也可區(qū)分致病菌是否處于感染狀態(tài)，此外還能應(yīng)用于非核酸靶標(biāo)的檢測(cè)，但目前聯(lián)合開發(fā)的工具多集中于檢測(cè)致病菌，對(duì)其他類型的病原體檢測(cè)還需進(jìn)一步研究。

圖2 CRISPR/Cas系統(tǒng)與aptamer方法結(jié)合用于病原體檢測(cè)

未來迫切需要開發(fā)新型快速檢測(cè)工具，以高效、快速應(yīng)對(duì)各種新發(fā)和再現(xiàn)人獸共患病病原體。這些檢測(cè)工具應(yīng)該是實(shí)用和可推廣的，在理想情況下，測(cè)試結(jié)果可與智能手機(jī)或智能手環(huán)相連，使公民能夠自檢食物或水中的病原體，以減輕臨床壓力。

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https://www.scienceopen.com/hosted-document?doi=10.15212/ZOONOSES-2023-0008

Zoonoses 是全球第一本有關(guān)人獸共患病的金色開源期刊，旨在搭建人獸共患病領(lǐng)域科研人員、臨床醫(yī)生、獸醫(yī)和公共衛(wèi)生學(xué)者間溝通的橋梁。Zoonoses致力于刊載有關(guān)病毒性、細(xì)菌性、寄生蟲性、真菌性人獸共患病的流行病學(xué)、病原學(xué)、生物學(xué)、診斷、預(yù)防、治療和管理等方面的最新研究。

Zoonoses由中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒學(xué)首席科學(xué)家董小平教授和美國(guó)德克薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)分部Lynn Soong教授擔(dān)任共同主編。