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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Nous présentons un protocole qui combine l’amplification de la polymérase recombinase avec un système CRISPR/Cas12a pour la détection de traces de virus à ADN et construisons une microscopie portable pour smartphone avec une classification assistée par l’intelligence artificielle pour la détection des virus à ADN au point de service.
Nous présentons un système de détection de virus à ADN rapide, facile à mettre en œuvre, très sensible, spécifique à une séquence et au point de service (POC), qui combine l’amplification par polymérase recombinase (RPA) et le système CRISPR/Cas12a pour la détection de traces de virus à ADN. L’ADN cible est amplifié et reconnu séparément par RPA et CRISPR/Cas12a, ce qui déclenche l’activité de clivage collatéral de Cas12a qui clive un rapporteur d’ADN marqué par fluorophore et généralise la fluorescence. Pour la détection POC, la microscopie portable pour smartphone est conçue pour prendre des images fluorescentes. En outre, des modèles d’apprentissage profond pour la classification binaire d’échantillons positifs ou négatifs, atteignant une grande précision, sont déployés au sein du système. Le virus de la grenouille 3 (FV3, genres Ranavirus, famille des Iridoviridae) a été testé à titre d’exemple pour ce système de détection POC de virus à ADN, et les limites de détection (LoD) peuvent atteindre 10 aM en 40 min. En l’absence d’opérateurs qualifiés et d’instruments encombrants, le RPA-CRISPR/Cas12a-SPM portable et miniature avec classification assistée par l’intelligence artificielle (IA) présente un grand potentiel pour la détection des virus ADN POC et peut aider à prévenir la propagation de ces virus.
Ces dernières années, des épidémies de maladies infectieuses causées par différents virus se sont produites fréquemment, notamment l’épidémie de maladie à virus Ebola (MVE) en 20141 et 20182, le syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS) en 20153, l’épidémie de maladie à virus Zika en 20154, la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) causée par le coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SRAS-CoV-2)5 et la variole du singe persistante causée par le virus de la variole du singe (MKPV) en 20226. Ces épidémies soudaines de maladies infectieuses épidémiques causent un grand nombre de décès et entraînent d’énormes pertes économiques et des troubles sociaux. Il est urgent de disposer d’un système de détection rapide et précis pour diagnostiquer rapidement l’infection et empêcher la propagation du virus.
Récemment, les répétitions palindromiques courtes (CRISPR) et les protéines associées à CRISPR (Cas) ont attiré l’attention du monde entier et ont montré des résultats prometteurs dans la détection des acides nucléiques 7,8,9,10,11,12,13,14,15 . La protéine CRISPR/Cas12a, guidée par l’ARN CRISPR (ARNcr), se lie à l’ADN cible et le clive. Cette activité conduit à la libération d’ADN simple brin non spécifique (ADNsb), connu sous le nom de trans-clivage, et peut être utilisée pour améliorer le signal de détection pour la détection des acides nucléiques. Certaines méthodes de détection traditionnelles, telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR), la PCR quantitative en temps réel (qPCR) et le test immuno-enzymatique (ELISA) sont compliquées, longues et coûteuses pour la détection au point de service (POC). Nos travaux précédents ont permis de développer un système de détection automatisé, intégré et rentable du virus de la peste porcine africaine (PPA) basé sur la technologie CRISPR/Cas12a. Dans ce système, nous avons atteint une limite de détection de 1 pM dans un laps de temps de 2 h sans avoir besoin d’amplification. Le système CRISPR/Cas12a et l’amplification par polymérase recombinase (RPA) sont combinés pour améliorer la sensibilité et la spécificité de la détection de l’ADN trace. Comparé à d’autres techniques d’amplification isotherme, le RPA est simple dans sa conception et pratique dans son fonctionnement car il a un temps de réaction plus court sans équipement sophistiqué de contrôle de la température.
Pour la détection des agents pathogènes au point de service, des instruments tels que la microscopie sur smartphone (SPM), le fluorimètre portable ou les bandelettes à flux latéral ont été développés pour la lecture des résultats 16,17,18. SPM capture des images via une caméra et les télécharge sur certaines applications mobiles pour une analyse rapide des données. Une telle microscopie constitue un système d’acquisition de signaux portable, bon marché et miniature avec une sensibilité élevée et a montré des avantages dans la détection d’agents pathogènes tels que H5N1, le virus Zika et le SRAS-CoV-219,20. Par conséquent, nous construisons un SPM portable pour capter les signaux de fluorescence déclenchés par la détection RPA-CRISPR/Cas12a du virus à ADN cible. La sonde rapporteure d’ADNsb reliant un fluorophore et un quencher sera clivée lorsque CRISPR/Cas12a reconnaîtra le virus à ADN cible, et la fluorescence émise par le fluorophore pourra être capturée par SPM.
Par rapport aux logiciels professionnels habituellement utilisés pour obtenir les informations sur les résultats des images de fluorescence de SPM21, certains experts utilisent l’apprentissage automatique et l’apprentissage profond pour quantifier les concentrations d’ADN viral après avoir obtenu des images de fluorescence22, ce qui prend plus de temps. Lorsqu’il s’agit de classifier des images médicales, les réseaux neuronaux conventionnels (CNN) sont souvent utilisés pour apprendre des caractéristiques à partir d’images pixélisées brutes de bout en bout 23,24,25,26. Des modèles populaires d’apprentissage profond basés sur CNN tels que AlexNet, DenseNet-121 et EfficientNet-B7 ont été appliqués avec succès dans ce domaine27,28. Cependant, l’obtention de grands ensembles de données dans des domaines spécifiques peut être difficile, nécessitant un apprentissage par transfert 29,30. Cette approche pré-entraîne un modèle de Deep Learning avec un grand ensemble de données, et le modèle pré-entraîné est utilisé comme point de départ pour une nouvelle tâche avec un petit jeu de données. Cette technique peut réduire le besoin de grands ensembles de données, lutter contre le surajustement et réduire le temps d’entraînement31. Ici, nous utilisons des modèles d’apprentissage profond avec apprentissage par transfert pour la classification binaire des images de fluorescence des échantillons positifs et négatifs.
Dans cette méthode, nous combinons la RPA et le système CRISPR/Cas12a pour la détection de traces de virus à ADN. L’ADN cible est amplifié et reconnu séparément par RPA et CRISPR/Cas12a, ce qui déclenche l’activité de clivage collatéral de Cas12a qui clive un rapporteur d’ADN marqué par fluorophore et généralise la fluorescence. Nous construisons un SPM portable pour prendre les images fluorescentes pour la détection POC et développons des modèles d’apprentissage profond pour la classification binaire. Le schéma du système de détection POC construit est illustré à la figure 1. En l’absence d’opérateurs qualifiés et d’instruments encombrants, le RPA-CRISPR/Cas12a-SPM avec classification assistée par l’intelligence artificielle (IA) présente un grand potentiel pour la détection des virus ADN POC.

Figure 1 : Le schéma du système de détection RPA-CRISPR/Cas12-SPM ainsi que la classification par IA des images collectées. Les acides nucléiques des échantillons d’origine animale sont libérés par le PINDBK. L’ADN cible du virus est amplifié et reconnu spécifiquement par le système RPA-CRISPR/Cas12a. Les liaisons CRISPR/Cas12a avec l’ARNcr et le complexe Cas12a-ARNcr se lie à l’ADN cible, ce qui déclenche le clivage collatéral de CRISPR/Cas12a sur les sondes rapporteures de l’ADNss. Le fluorophore sur le rapporteur est libéré et la fluorescence est détectée par un lecteur de plaques commercialisé ou le SPM que nous construisons. Trois modèles d’apprentissage profond différents, dont AlexNet, DenseNet-121 et EfficientNet-B7 avec apprentissage par transfert, sont utilisés pour classer les images de fluorescence. Cette figure est réutilisée avec la permission de Lei et al.35. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
1. Traitement des échantillons
| Nom | Séquence | ||
| FV3 MCP | SNRC : 5' ... gtaacccggctttcGGGCAGCAGTTTCGGTCGGCGTtcccaggtcg... 3 pi (240 pb) | ||
| TS : 5' ... ccgacctgggaACGCCGACCGAAACTGCTGCCCtgctgcgcgaaagc... 3 pi (240 pb) | |||
| ISKNV MCP | SNRC : 5' ... ggccatgccaatttTGGGCAGGAGTTTAGTGTGACGgtggcgaggg... 3 pi (231 pb) | ||
| TS : 5' ... ccctcgccaccgtcACACTAAACTCCTGCCCAAAATtggcatggcc... 3 pi (231 pb) | |||
Tableau 1 : Séquence cible sélectionnée dans cette méthode.
2. Réaction RPA
| Nom | Séquence |
| Apprêt RPA F | ATGTCTTCTGTAACTGGTTCAGGTATCACA |
| Apprêt RPA R | GGCGTTGAGGATGTAATCCCCCGACCTGGG |
Tableau 2 : Amorces RPA utilisées dans cette méthode.
| Composant | Concentration d’origine | Addition |
| PEG 20 000 | - | 114 mg |
| ATP | 100 millions de mètres | 125 μL |
| dNTP | 25 millions d’euros | 48 μL |
| Tris-HCl | 1 M | 125 μL |
| La TNT | 1 M | 125 μL |
| Phosphocréatine | 1 M | 250 μL |
| Créatine kinase | 10 μg/μL | 50 μL |
| jjH2O | - | 277 μL |
| Total Volume | - | 1 mL |
Tableau 3 : La composition du tampon de réaction 5x RPA (pH 7,5).
| Composant | Concentration d’origine | Addition |
| 5x tampon de réaction RPA | - | 10 μL |
| Protéine UvsX | 5 mg/mL | 2,6 μL |
| Protéine UvsY | 5 mg/mL | 0,9 μL |
| Protéine GP32 | 5 mg/mL | 2,54 μL |
| Protéine Bsu | 5 mg/mL | 0,88 μL |
| apprêt avant | 100 μM | 0,25 μL |
| apprêt inversé | 100 μM | 0,25 μL |
| jjH2O | - | 24,58 μL |
| Cible | - | 1 μL |
| *MgCl2 | 100 millions de mètres | 7 μL |
| Total Volume | 50 μL | |
| *MgCl2 doit être ajouté en dernier lieu pour initier la réaction RPA. | ||
Tableau 4 : Composition de la réaction RPA.
3. Détection CRISPR/Cas12a sans SPM
| Nom | Séquence | |
| ARNc LbCas12a pour FV3 | uaauuucuacuaaguguagauGGGCAGCAGTTTTTTCGGTCGGCGT | |
| Rapporteur d’ADNss | /5TAMRA/TTATT/3BHQ2 | |
Tableau 5 : Séquences de l’ARNcr CRISPR/Cas12a et du rapporteur d’ADNsb utilisés dans cette méthode.
| Composant | Concentration d’origine | Addition |
| NEBuffer r2.1 | - | 10 μL |
| LBA Cas12a (Cpf1) | 10 μM | 0,5 μL |
| ARNcr | 10 μM | 0,625 μL |
| Attendez au moins 5 min pour laisser le complexe LbCas12a/ARNcr se combiner. | ||
| Rapporteure ADN | 100 μM | 0,5 μL |
| jjH2O | - | 87,375 μL |
| Cible | - | 1 μL |
| Total Volume | - | 100 μL |
Tableau 6 : La composition de la réaction CRISPR/Cas12a.
4. Configuration SPM

Figure 2 : Schéma et aspect physique du dispositif SPM utilisé pour la détection de fluorescence. (A) Aspect physique du dispositif SPM pour la collecte d’images de fluorescence après la réaction RPA-CRISPR/Cas12a. (B) Schéma du dispositif SPM pour la détection de fluorescence basé sur la réaction RPA-CRISPR/Cas12a. Cette figure est modifiée (position et couleur de l’image ajustées) avec la permission de Lei et al.35. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
5. Traitement de la lame de verre pour la détection avec SPM
6. Détection CRISPR/Cas12a avec SPM
7. Ensemble de données et augmentation des données
8. Apprentissage par transfert
Cette méthode se concentre sur un système de détection rapide, facile à mettre en œuvre, très sensible et au point de service (POC) pour les virus à ADN. La conception des paires d’amorces pour la réaction RPA et la conception de l’ARNcr pour la réaction CRISPR/Cas12a sont deux des éléments essentiels car elles affecteront l’efficacité de la réaction RPA-CRISPR/Cas12a et influenceront la détection et la classification ultérieures.
Dans cette méthode, le FV3 est considéré comme un exemple de détection de virus à ADN. Certaines paires d’amorces RPA pour FV3 sont conçues, et la plus efficace est choisie et s’assure qu’elle présente une bonne efficacité d’amplification, ce qui peut être confirmé en assurant la luminosité et la taille des bandes par électrophorèse sur gel des produits RPA comme mentionné à l’étape 2.8. Dans le même temps, nous avons conçu des ARNc CRISPR/Cas12a et choisi le plus efficace en fonction du signal de fluorescence plus fort déclenché dans la réaction CRISPR/Cas12a sans RPA. La séquence des trois amorces avant et des trois amorces arrière pour la RPA et des trois ARNcr pour Cas12a est illustrée dans le tableau 7. D’après les résultats de l’électrophorèse sur gel d’agarose présentés à la figure 3, la 6ème paire d’amorces donne une meilleure efficacité d’amplification (F2 et R1), qui est sélectionnée pour la méthode. Comme le montre la figure 4, l’ARNcr-3 est le plus efficace pour le clivage collatéral, qui est sélectionné dans la méthode.
| Apprêt RPA F1 | ATGTCTTCTGTAACTGGTTCAGGTATCAAG |
| Apprêt RPA F2 | ATGTCTTCTGTAACTGGTTCAGGTATCACA |
| Apprêt RPA F3 | TCTTCTGTAACTGGTTCAGGTATCAAGTGGT |
| Apprêt RPA R1 | GGCGTTGAGGATGTAATCCCCCGACCTGGG |
| Apprêt RPA R2 | GGCGTTGAGGATGTAATCCCCCGACCTGGGAA |
| Apprêt RPA R3 | CGTTGAGGATGTAATCCCCCGACCTGGGAACG |
| LbCas12a ARNcr-1 | uaauuucuacuaaguguagauATCGACTTGGCCACTTATGACAA |
| LbCas12a ARNcr-2 | uaauuucuacuaaguguagauTCAAGGAGCACTACCCCGTGGGG |
| LbCas12a ARNcr-3 | uaauuucuacuaaguguagauGGGCAGCAGTTTTTTCGGTCGGCGT |
Tableau 7 : Les amorces RPA et les séquences d’ARNcr pour l’optimisation de la réaction.

Figure 3 : Résultats de l’électrophorèse sur gel d’agarose pour l’évaluation de l’efficacité de la RPA. Les réactions RPA ont été réalisées à l’aide de différentes combinaisons d’amorces dans les mêmes conditions avec une cible purifiée de 1 nM. La question numéro 1 était la combinaison de RPA-F3 et RPA-R3, 2 RPA-F3 et RPA-R2, 3 RPA-F3 et RPA-R1, 4 RPA-F2 et RPA-R3, 5 RPA-F2 et RPA-R2, 6 représentaient RPA-F2 et RPA-R1, 7 RPA-F1 et RPA-R3, 8 RPA-F1 et RPA-R2, 9 RPA-F1 et RPA-R2. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Détection des fragments cibles du FV3 avec trois ARNcr différents par le CRISPR/Cas12a. Les concentrations de fragments purifiés appliqués dans la détection étaient de 10 nM à 100 pM d’ADN cible contre 10 nM d’ADN témoin avec 30 min d’incubation. Cette figure est réutilisée avec la permission de Lei et al.35. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Pour générer les données de la figure 5, nous avons appliqué des amorces RPA optimisées, de l’ARNcr et la configuration SPM. Pour avoir une meilleure idée de la concentration dans les échantillons, nous avons amplifié 240 fragments d’ADN pb du gène de la capside majeure (MCP) hautement conservé du FV3 et du virus de la nécrose infectieuse de la rate et du rein (ISKNV, Iridoviridae) comme cible et témoin à l’aide d’un kit d’amplification PCR, qui est exécuté avec les procédures indiquées dans le tableau 8. La taille de l’ADN amplifié est confirmée par électrophorèse sur gel d’agarose, et nous avons extrait la cible et le contrôle de l’ADNdb purifiés du gel. Les fragments d’ADN purifiés sont quantifiés à l’aide d’un spectrophotomètre NanoDrop 2000.

Figure 5 : Les images de fluorescence de l’ADN cible purifié et de l’ADN témoin. (A) Le contrôle négatif. (B) ADN cible purifié (100 pM). Cette figure est réutilisée avec la permission de Lei et al.35. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Étape | Température (°C) | Heure | Cycle(s) |
| Démarrage à chaud | 95 | Durée : 5 minutes | 1 |
| Dénaturation | 95 | 30 s | 35 |
| Recuit | 60 | 45 secondes | |
| Extension | 72 | 30 s | |
| Extension | 72 | Durée : 5 minutes | 1 |
| Stockage | 4 | - | - |
Tableau 8 : Procédure d’amplification par PCR.
À titre de référence uniquement, un ensemble de données comprenant 162 images de fluorescence est obtenu après le nettoyage des données. Le nombre d’images de fluorescence pour une analyse plus approfondie doit être augmenté, et nous avons entraîné l’ensemble de données en utilisant 337 images de fluorescence pour la classification binaire et 398 pour la classification multiclasse.
Nous avons réalisé une détection en 40 minutes environ, dont 30 minutes pour l’amplification RPA et 10 minutes pour la détection LbCas12a après RPA. Lors de l’utilisation du système de détection développé avec des amorces RPA et de l’ARNcr sélectionnés, l’intensité du signal de 10 aM FV3 et du contrôle montre des différences significatives, comme le montre la figure supplémentaire 1.
Figure supplémentaire 1 : Les statistiques de l’intensité du signal pour les images de fluorescence collectées dans les réactions RPA-LbCas12a avec diverses concentrations de fragments purifiés. * : p < 0,05 ; ** : p < 0,01 ; : p < 0,001 ; : p < 0,0001 ; F : FV3, I : ISKNV ; U.A. : Unité d’absorbance. Cette figure est réutilisée avec la permission de Lei et al.35. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous présentons un protocole qui combine l’amplification de la polymérase recombinase avec un système CRISPR/Cas12a pour la détection de traces de virus à ADN et construisons une microscopie portable pour smartphone avec une classification assistée par l’intelligence artificielle pour la détection des virus à ADN au point de service.
Ce travail est soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine 31970752, la Commission de la science, de la technologie et de l’innovation de la municipalité de Shenzhen JCYJ20190809180003689, JSGG20200225150707332, JSGG20191129110812708 WDZC20200820173710001 ; Laboratoire de la baie de Shenzhen, SZBL2020090501004 ; Fondation chinoise des sciences postdoctorales 2020M680023 ; et Administration générale des douanes de la République populaire de Chine 2021HK007.
| Amplification 20x | OLYMPUS | OPLN20X | |
| 532 nm laser vert | Thorlabs | PL201 | avec puissance de sortie de 0,9 mW Longueur |
| d’onde de coupure de 535 nm | chrome | AT535 | |
| 6x tampon de chargement d’ADN | Thermo scientific | R0611 | |
| Microplaque noire à 96 puits | Corning Incorporated | 3603 | Noir avec fond plat clair |
| Lentille asphérique | Lubang | N/A | |
| Filtre passe-bande | SEMROCK | FF01-542/27-25 | |
| Bsu ADN polymérase | ATG Biotechnology | M103 | Large Fragment |
| crRNA | Sangon Biotech | N/A | |
| Fragments d’ADN | Sangon Biotech | N/A | |
| Supports dichroïques | Ruicage | N/A | |
| Miroir dichroïque | SEMROCK | FF555-Di03-25x36 | avec une longueur d’onde de coupure de 535 nm |
| E.Z.N.A Kit d’extraction de gel Omega | Biotek | D2500-02 | |
| EnGen Lba Cas12a (Cpf1) | New England Biolabs (Beijing) LTD | M0653T | |
| Porte-filtres | Ruicage | N/A | |
| Fluorophore-ssDNA-Quencher sondes rapporteures | Sangon Biotech | N/A | TAMRA (carboxy tétraméthylrhodamine) comme fluorophore aux 5 extrémités ; BHQ2 (Black Hole Quencher-2) en tant que quencher aux 3 extrémités |
| GP32 | ATG Biotechnology | M104 | |
| ImageJ Open-source | Version 1.53t 24 | Téléchargé de https://imagej.nih.gov/ij/  ; | |
| Lecteur de microplaques | SPARK, TECAN | N/A | |
| Multi-Block Thermal Cycler Instrument PCR | LongGene | N/A | |
| NanoDrop 2000/2000c Spectrophotomètres | Thermo Scientific | ND-2000 | |
| NEBuffer r2.1 | New England Biolabs (Beijing) LTD | B6002S | 10x CRISPR/Cas12a Tampon de réaction |
| Traitement au plasma d’oxygène  ; | Electro-Technique  ; Produits | N/A | |
| Inactivé par agent pathogène, sans extraction d’acide nucléique, tampon Direct-to-PCR avec protéinase K (PINDBK) | Ebio | PINDBK -25mL | |
| Paires d’amorces PCR | Sangon Biotech | N/A | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| Paires d’amorces RPA | Sangon Biotech | N/A | |
| Smartphone | Huawei | Mate10 | |
| Étages de traduction | Ruicage | N/A | |
| Filtres à densité neutre transmis | Thorlabs | ND40A | |
| Lentilles achromatiques triplets | Thorlabs | TRH127-020-A | |
| UvsX | ATG Biotechnology | M105 | |
| UvsY | ATG Biotechnology | M106 |