本文介绍了基于重组酶的等温扩增反应和基于成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)反应的预混、冻干试剂的逐步制备方法,可用于检测传染病病原体的核酸生物标志物或其他感兴趣的遗传标志物。
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本文介绍了基于重组酶的等温扩增反应和基于成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)反应的预混、冻干试剂的逐步制备方法,可用于检测传染病病原体的核酸生物标志物或其他感兴趣的遗传标志物。
基于成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)的分子诊断技术具有高诊断准确性,且具备适用于现场即时检测(point-of-care)的特点,例如结果周转时间短、读取方式简便直观,且无需复杂仪器。然而,由于该检测反应组分较多且需手动操作步骤繁杂,限制了其在即时检测场景中的便捷应用。本文提供了一种经过优化的、分步操作的实验方案,用于实现对疾病病原体和遗传标志物的稳定检测,该方案结合了基于重组酶的等温扩增技术和预混并冻干处理的CRISPR检测试剂,试剂以即用型、易储存的形式制备。预混并冻干的试剂可直接加水复溶后立即使用,并保持高效的扩增与检测性能。同时,我们还针对CRISPR诊断中预混冻干试剂在制备与使用过程中常见问题提供了故障排查指南,以提升该检测平台在更广泛的诊断与基因检测领域的可及性。
基于CRISPR的核酸检测技术于2017年首次被报道,用于检测核酸生物标志物1,2,3,4,此后已在多个国家被证实为新一代诊断技术,并已有获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准的检测方法,尤其适用于严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)RNA的检测5,6,7,8。除2019冠状病毒病(COVID-19)外,该技术还被证明可有效检测多种病毒和细菌9,10,11,12,13,以及遗传性疾病相关的突变和缺失,并可通过工程化手段用于检测蛋白质和小分子生物标志物2,12。基于CRISPR的诊断技术通常将等温扩增方法——如重组酶聚合酶扩增(RPA)或环介导等温扩增(LAMP)14,15——与基于CRISPR的检测相结合,后者利用RNA引导的CRISPR相关(Cas)酶在识别靶标后产生“附带”内切核酸酶活性3。等温扩增与基于CRISPR的检测双重结合赋予了该技术多项理想特性,尤其是诊断准确性接近作为金标准的聚合酶链式反应(PCR),并具备多重检测能力,可识别微小序列差异,包括单核苷酸多态性1,9。
然而,最精确的基于CRISPR的诊断方法包含多个组分和步骤,对于非专业人员或在即时检测(POC)条件下操作可能较为复杂。为解决将高精度CRISPR诊断技术推广至POC场景的挑战,我们开发了预混、冻干、基于重组酶的等温扩增与基于CRISPR的检测反应体系的制备方案,这些方案易于使用和储存7。这些方案可作为现有优秀CRISPR诊断方案的补充14,后者包含了CRISPR诊断所需生化组分的制备方法7、设计指南1,以及采用其他等温扩增技术2,14,15,16和不同Cas酶12的配方。最终,我们希望基于CRISPR的诊断技术能够在需要便携式且无需仪器分析的场景中,实现快速、低成本且高灵敏度的核酸检测1,9,17。
在我们的实验方案中,主要采用重组酶聚合酶扩增(RPA)与基于Cas13的检测相结合的方法。RPA在接近环境温度(37–42 °C)下进行,因此对能量和设备的要求较低。其他等温扩增反应则需要更高的温度(环介导等温扩增(LAMP),60–65 °C;链置换扩增(SDA),60 °C;指数扩增反应(EXPAR),55 °C;解旋酶依赖性扩增(HDA),65 °C)2。与LAMP引物不同,RPA引物的设计并不复杂,并可扩展用于多重扩增7,9,14。尽管在实际操作中,RPA实现两个以上目标的多重扩增较为困难,但已有明确的指导原则,可用于设计多重RPA引物以最大限度减少相互干扰18。
尽管扩增产物残留污染在两步法工作流程中仍是一个严重问题,但RPA产生的扩增片段较小,相较于LAMP产生的大片段串联重复扩增子,引起残留污染的可能性更低14。RPA引物的设计可遵循标准指南14:通常长度为25-35个核苷酸,熔解温度在54至67 °C之间。扩增片段的大小应小于200个碱基对。可在RPA中加入逆转录酶(RT),以实现对RNA模板的扩增;在逆转录-RPA(RT-RPA)中,通常还需添加少量核糖核酸酶H(RNase H),以帮助解离形成的RNA:DNA杂合链,促进扩增反应的进行5,19。为了实现基于Cas13检测的T7转录,可将T7 RNA聚合酶启动子序列置于正向RPA引物的5'端。
RPA 扩增产物生成后,可通过 crRNA 编程的 Cas 酶进行检测。在可用于扩增产物检测的多种 Cas 酶中,我们倾向于选择靶向 RNA 的 Cas13 变体,因其具有较高的切割活性1以及明确表征的多核苷酸切割偏好性7,9,后者可用于实现多重检测。Cas13 的 crRNA 序列设计为与扩增出的 RNA 目标位点互补(反向互补),包含间隔序列和直接重复序列(DR)。crRNA 序列与 RPA 引物不应重叠,以避免 Cas 酶对非目标扩增产物的非特异性检测,从而降低背景信号和假阳性结果14。
基于Cas的检测依赖于不同的检测方式来监测报告核酸分子的切割(基于Cas13的反应中为RNA报告分子)1,2,14不同的检测方式包括比色法、电化学读出、荧光、测序读出以及侧向流动试纸条2我们重点关注多种荧光染料和报告分子(如氰基5(Cy5)、罗丹明X(ROX)和羧基荧光素(FAM))的荧光信号输出,这些荧光分子可被单一蓝色LED光源有效激发,并通过酶标仪或实时荧光定量PCR仪检测其荧光信号。7,14此外,荧光检测信号易于设置,可实现连续监测,从而进行实时定量。多重RPA预扩增与基于Cas酶的多重Cas13检测可结合多色荧光读出,实现对多个遗传靶标的同步检测2,7.
在本实验方案中,我们首先通过将RNA样本加入冻干形式的RT-RPA试剂中进行等温扩增(图1)。在RT-RPA过程中,生成的双链DNA扩增子会接入T7启动子。随后,将RPA产物转移至含有T7 RNA聚合酶的冻干Cas13检测体系中。该检测反应利用T7 RNA聚合酶将DNA扩增子转录为RNA,进而可通过crRNA编程的Cas13进行检测。当Cas13被靶标激活后,会切割报告分子并产生可检测的荧光信号2,7,14。尽管本方案中所描述的检测基于Leptotrichia wadei(LwaCas13a),但也可扩展为利用正交的Cas13和Cas12酶实现最多四种靶标的同步多重检测7,9。RPA扩增与基于Cas的检测反应亦可合并于单管中进行,但灵敏度会有所降低14。

图1:基于CRISPR的检测流程。该流程展示了对两个目标基因的检测过程。首先,利用RPA对DNA目标中的感兴趣区域进行等温扩增;当检测RNA目标时,可采用逆转录(RT-RPA)反应。随后,T7转录将双链DNA扩增子转化为RNA,这些RNA可被Cas13-crRNA复合物识别,一旦结合目标序列,即可激活其附带的RNase活性。淬灭型荧光报告分子的切割将产生荧光信号,可通过酶标仪监测、LED透射仪观察,或在实时荧光定量PCR仪中使用。缩略语:CRISPR = 成簇规律间隔短回文重复序列;RT = 逆转录;RPA = 重组酶聚合酶扩增;Cas = CRISPR相关蛋白;LED = 发光二极管。 请点击此处查看此图的放大版本。
本文所介绍方案的关键特征在于冻干用预混制剂的配方设计。预混可简化反应使用过程并提高可重复性,但RPA和基于Cas的检测体系中的许多组分——特别是逆转录组分以及某些不稳定的辅因子(如ATP)——在溶液状态下并不稳定。因此,我们设计的预混溶液可进行冷冻干燥,以便长期保存、便于运输和现场部署1,9,20。预混并冻干的试剂还有助于提高检测灵敏度,因为可通过加入更大体积的样本(从而增加DNA/RNA投入量)来复溶反应体系10。在我们的配方中,主要使用海藻糖21作为冻干RPA和基于Cas的检测反应中的冷冻保护剂7。除了保护试剂稳定性外,海藻糖还能通过增强酶的稳定性16,22,23,24以及降低双链DNA的熔解温度23来促进反应进行。除海藻糖外,对其他稳定剂5,7,21,25,26的进一步探索,可能为不同应用场景开发出更优的配方。
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1. 冻干RT-RPA预混试剂的制备
2. 冻干CRISPR-Cas13a预混检测试剂的制备
注意:按照步骤 1.1 进行设备准备。
3. RT-RPA 核酸扩增
注意:为防止交叉污染,应将工作区域和移液器分别用于扩增前、加样和扩增后操作。我们建议使用带滤芯的移液器吸头。
4. CRISPR-Cas13 核酸检测
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我们重点展示了针对SARS-CoV-2的s基因和n基因联合检测时FAM荧光信号生成的动力学特征,并阐述如何利用这些信息确定冻干预混反应体系的最佳条件。在所有实验中,我们均包含了Ct值明显低于测定检测限(LoD)的样本(Ct ~31–33),以及Ct值处于检测限的样本(Ct ~35–37)7,以区分不同方案的灵敏度差异。
对于冻干预混的逆转录重组酶介导的扩增(RT-RPA)反应,我们发现预混体系中加入KOAc会降低反应的灵敏度(图2A)。因此,我们从预混反应体系中省略了KOAc,并在加入RNA样本后,随反应引发剂Mg(OAc)2一同添加。我们还采用类似的检测方法确定了保护剂海藻糖的最佳浓度(图2B),以及三甘氨酸7在冻干RT-R...
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本实验方案中存在若干关键步骤。在区域划分方面,建议将核酸提取、预混液配制(扩增前区域)、加样以及扩增产物检测(扩增后区域)分别在独立的空间进行。每个区域应配备独立的工具和设备。严禁将某一区域的工具带入另一区域,尤其是禁止将扩增后区域的工具带入扩增前区域。工作区域的清洁至关重要:应使用RNase/DNase去污染溶液或3%次氯酸钠溶液,随后用70%乙醇或经高压灭菌的去离子水清洁工作台面、移液器、涡旋振荡器以及永久性记号笔。需清洗基础实验耗材及仪器的可拆卸部件,例如1.5 mL离心管塑料架和微型离心机的转子适配器。无核酸酶水既用作阴性对照,也作为反应组分,因此是一种易受污染的敏感试剂,若操作不当可能导致污染。因此,我们建议将无核酸酶水分装为小份,每份仅使用一次。
始终使用检测引物运行阴性对照反应,以检查是否存在污染。此外,为避免污染问题,我们建议在扩增前区域而非样品添加室中,通过加入无核酸酶水来制备阴性对照反应。乙酸镁-乙酸钾混合液应分装为小体积(约 20 µL/管),每管仅使用一次,以避免试剂被残留扩增产物污染。向冻干的RPA预混液中添加乙酸镁-乙酸钾混合液时,建议每次更换移液器吸头...
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M.P. 和 C.U. 已在泰国就用于SARS-CoV-2 RNA多重检测的配方提交了专利申请。R.K. 宣布不存在利益冲突。
C.U. 感谢泰国科学、研究与创新部(Thailand Science Research and Innovation, TSRI)基础基金(2024 财年)以及 VISTEC-Siriraj 前沿研究中心(由暹罗商业银行资助)提供的经费支持,资助编号 FRB670026/0457。 R.K. 和 M.P. 分别获得 VISTEC 提供的研究生奖学金和研究助理基金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料 | |||
| 甜菜碱溶液 | Sigma-Aldrich | B0300-1VL | |
| DEPC处理水 | Invitrogen | AM9915G | |
| 二硫苏糖醇(DTT) | Merck | 3870-25GM | |
| EpiScript逆转录酶 | Lucigen | ERT12925K | |
| Gly-Gly-Gly | Sigma-Aldrich | SIA-50239-1G | |
| LwaCas13a | 实验室自制 | 菌株名称:Leptotrichia wadei,缩写:Lwa,蛋白名称:LwaCas13a | |
| 氯化镁溶液,1M | Sigma-Aldrich | M1028-10X1ML | |
| NxGenT7 RNA聚合酶 | Lucigen | 30223-2 | |
| 聚乙二醇 | Sigma-Aldrich | 81300-1KG | |
| 乙酸钾溶液,5M | Sigma-Aldrich | 95843-100ML-F | |
| 核糖核苷酸溶液混合物 | NEB | N0466L | |
| 核糖核酸酶H | NEB | M0297L | |
| 蔗糖 | TCI | TCI-S0111-500G | |
| 海藻糖二水合物 | Sigma-Aldrich | SIA-90210-50G | |
| 三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐溶液,1M,pH 7.4 | Sigma-Aldrich | T2194-100ML | |
| TwistAmp Basic试剂盒 | TwistDx | TABAS03KIT | |
| 设备 | |||
| BluPAD双LED蓝光/白光透射仪 | Bio-Helix | BP001CU | |
| 双模块干浴器 | ELITE | 4-2-EL-02-220 | 型号:EL-02 |
| 荧光微孔板读板仪 | Tecan | 30050303 | 型号:Infinite 200 Pro |
| 冷冻干燥机 | LABCONCO | 794001030 | FreeZone Triad台式冷冻干燥机 |
| 384孔微孔板 | Greiner | GDE0784076 | F型底,小体积,Hibase,中等结合力,黑色 |
| 实时荧光定量热循环仪(CFX Connect Real-Time PCR系统) | Bio-Rad | 185-5201 | 型号:CFX Connect光学模块 |
| 寡核苷酸 | |||
| s基因正向RPA引物 | IDT | GAAATTAATACGACTCAC TATAGGGAGGTTTCAAAC TTTACTTGCTTTACATAGA | |
| s基因反向RPA引物 | IDT | TCCTAGGTTGAAGA TAACCCACATAATAAG | |
| n基因正向RPA引物 | IDT | GAAATTAATACGACTC ACTATAGGAACTTCTC CTGCTAGAATGGCTG | |
| n基因反向RPA引物 | IDT | CAGACATTTTGCTCTC AAGCTGGTTCAATC | |
| 靶向s基因的LwaCas13a-crRNA | Synthego | GAUUUAGACUACCCCAAAAAC GAAGGGGACUAAAACGCAGCA CCAGCUGUCCAACCUGAAGAAG | |
| 靶向n基因的LwaCas13a-crRNA | Synthego | GAUUUAGACUACCCCAAAAACG AAGGGGACUAAAACAAAGCAAG AGCAGCAUCACCGCCAUUGC | |
| FAM-polyU-IABkFQ报告探针 | IDT | 56-FAM/rUrUrUrUrU/3IABkFQ | |
| O-hannah_cytb_F RPA引物 | IDT | GAAATTAATACGACTCACTA TAGGGTACGGATGAACCATA CAAAACCTTCACGCAATCG | |
| O-hannah_cytb_R RPA引物 | IDT | AAGATCCATAGTAGATTC CTCGTGCGATGTGGATA | |
| synT7crRNA13a_ O_hannah | IDT | GCGCATCCATATTCTTCAT CTGCATTTAGTTTTAGTCC CCTTCGTTTTTGGGGTA GTCTAAATCCCCTATAGT GAGTCGTATTAATTTC |
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