Una nueva prueba basada en CRISPR para COVID-19 desarrollada por investigadores de los Institutos Gladstone, UC Berkeley y UC San Francisco esencialmente convierte la cámara de un teléfono inteligente en un microscopio para proporcionar resultados rápidos y precisos. Crédito: Institutos Gladstone
Imagínese limpiando sus fosas nasales, colocando el hisopo en un dispositivo y obteniendo una lectura en su teléfono en 15 a 30 minutos que le indique si está infectado con el COVID-19 virus. Esta ha sido la visión de un equipo de científicos de los Institutos Gladstone, Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley) y la Universidad de California, San Francisco (UCSF). Y ahora, informan de un avance científico que los acerca a hacer realidad esta visión.
Uno de los principales obstáculos para combatir la pandemia de COVID-19 y reabrir completamente las comunidades en todo el país es la disponibilidad de pruebas rápidas masivas. Saber quién está infectado proporcionaría información valiosa sobre la posible propagación y la amenaza del virus tanto para los responsables políticos como para los ciudadanos.
Sin embargo, las personas a menudo deben esperar varios días para recibir los resultados, o incluso más cuando hay un retraso en el procesamiento de las pruebas de laboratorio. Y la situación empeora por el hecho de que la mayoría de las personas infectadas tienen síntomas leves o no presentan síntomas, pero aún así portan y propagan el virus.
En un nuevo estudio publicado en la revista científica Célula, el equipo de Gladstone, UC Berkeley y UCSF ha delineado la tecnología para una prueba basada en CRISPR para COVID-19 que usa una cámara de teléfono inteligente para proporcionar resultados precisos en menos de 30 minutos.
Un equipo de científicos de Gladstone, UC Berkeley y UC San Francisco, incluidos Melanie Ott (izquierda) y Parinaz Fozouni (derecha), describieron la tecnología para una prueba móvil rápida de un solo paso que podría ayudar a combatir la pandemia y reabrir completamente las comunidades. . Crédito: Institutos Gladstone
“Ha sido una tarea urgente para la comunidad científica no solo aumentar las pruebas, sino también proporcionar nuevas opciones de prueba”, dice Melanie Ott, MD, PhD, directora del Instituto de Virología Gladstone y una de las líderes del estudio. «El ensayo que desarrollamos podría proporcionar pruebas rápidas y de bajo costo para ayudar a controlar la propagación de COVID-19».
La técnica fue diseñada en colaboración con el bioingeniero de UC Berkeley Daniel Fletcher, PhD, así como con Jennifer Doudna, PhD, quien es investigadora principal en Gladstone, profesora de UC Berkeley, presidenta del Innovative Genomics Institute e investigadora del Howard Instituto Médico Hughes. Doudna ganó recientemente el Premio Nobel de Química 2020 por co-descubrir la edición del genoma CRISPR-Cas, la tecnología que subyace a este trabajo.
Su nueva prueba de diagnóstico no solo puede generar un resultado positivo o negativo, sino que también mide la carga viral (o la concentración de SARS-CoV-2, el virus que causa COVID-19) en una muestra determinada.
“Cuando se combina con pruebas repetidas, medir la carga viral podría ayudar a determinar si una infección está aumentando o disminuyendo”, dice Fletcher, quien también es investigador de Chan Zuckerberg Biohub. «El seguimiento del curso de la infección de un paciente podría ayudar a los profesionales de la salud a estimar la etapa de la infección y predecir, en tiempo real, cuánto tiempo probablemente se necesite para la recuperación».
Una prueba más sencilla mediante la detección directa
Las pruebas actuales de COVID-19 utilizan un método llamado PCR cuantitativa, el estándar de oro de las pruebas. Sin embargo, uno de los problemas con el uso de esta técnica para probar el SARS-CoV-2 es que requiere ADN. El coronavirus es un ARN virus, lo que significa que para utilizar el método de PCR, el ARN viral debe convertirse primero en ADN. Además, esta técnica se basa en una reacción química de dos pasos, que incluye un paso de amplificación para proporcionar suficiente ADN para que sea detectable. Por lo tanto, las pruebas actuales generalmente necesitan usuarios capacitados, reactivos especializados y equipos de laboratorio engorrosos, lo que limita severamente dónde pueden ocurrir las pruebas y causa retrasos en la recepción de los resultados.
Como alternativa a la PCR, los científicos están desarrollando estrategias de prueba basadas en la tecnología de edición de genes CRISPR, que se destaca en la identificación específica de material genético.
Todos los diagnósticos CRISPR hasta la fecha han requerido que el ARN viral se convierta en ADN y se amplifique antes de que pueda detectarse, lo que agrega tiempo y complejidad. Por el contrario, el enfoque novedoso descrito en este estudio reciente omite todos los pasos de conversión y amplificación, utilizando CRISPR para detectar directamente el ARN viral.
“Una de las razones por las que estamos entusiasmados con los diagnósticos basados en CRISPR es la posibilidad de obtener resultados rápidos y precisos en el punto de necesidad”, dice Doudna. “Esto es especialmente útil en lugares con acceso limitado a las pruebas, o cuando se necesitan pruebas rápidas y frecuentes. Podría eliminar muchos de los cuellos de botella que hemos visto con COVID-19 «.
Fozouni (izquierda), estudiante de posgrado en el laboratorio de Ott (derecha), es coautor del estudio publicado en Cell. Crédito: Institutos Gladstone
Parinaz Fozouni, un estudiante graduado de UCSF que trabaja en el laboratorio de Ott en Gladstone, había estado trabajando en un sistema de detección de ARN para el VIH durante los últimos años. Pero en enero de 2020, cuando quedó claro que el coronavirus se estaba convirtiendo en un problema mayor a nivel mundial y que las pruebas eran un peligro potencial, ella y sus colegas decidieron cambiar su enfoque al COVID-19.
“Sabíamos que el ensayo que estábamos desarrollando sería un ajuste lógico para ayudar a la crisis al permitir pruebas rápidas con recursos mínimos”, dice Fozouni, quien es coautor del artículo, junto con Sungmin Son y María Díaz de León Derby de El equipo de Fletcher en UC Berkeley. «En lugar de la conocida proteína CRISPR llamada Cas9, que reconoce y escinde el ADN, usamos Cas13, que escinde el ARN».
En la nueva prueba, la proteína Cas13 se combina con una molécula informadora que se vuelve fluorescente cuando se corta y luego se mezcla con una muestra del paciente de un hisopo nasal. La muestra se coloca en un dispositivo que se conecta a un teléfono inteligente. Si la muestra contiene ARN de SARS-CoV-2, Cas13 se activará y cortará la molécula informadora, provocando la emisión de una señal fluorescente. Luego, la cámara del teléfono inteligente, esencialmente convertida en un microscopio, puede detectar la fluorescencia e informar que un hisopo dio positivo para el virus.
«Lo que realmente hace que esta prueba sea única es que utiliza una reacción de un solo paso para probar directamente el ARN viral, a diferencia del proceso de dos pasos en las pruebas de PCR tradicionales», dice Ott, quien también es profesor en el Departamento de Medicina. en UCSF. “La química más simple, combinada con la cámara del teléfono inteligente, reduce el tiempo de detección y no requiere equipos de laboratorio complejos. También permite que la prueba produzca mediciones cuantitativas en lugar de simplemente un resultado positivo o negativo «.
Los investigadores también dicen que su ensayo podría adaptarse a una variedad de teléfonos móviles, haciendo que la tecnología sea fácilmente accesible.
“Elegimos usar teléfonos móviles como base para nuestro dispositivo de detección, ya que tienen interfaces de usuario intuitivas y cámaras altamente sensibles que podemos usar para detectar fluorescencia”, explica Fletcher. «Los teléfonos móviles también se producen en masa y son rentables, lo que demuestra que los instrumentos de laboratorio especializados no son necesarios para este ensayo».
Resultados rápidos y precisos para limitar la pandemia
Cuando los científicos probaron su dispositivo con muestras de pacientes, confirmaron que podría proporcionar un tiempo de respuesta muy rápido de los resultados para muestras con cargas virales clínicamente relevantes. De hecho, el dispositivo detectó con precisión un conjunto de muestras positivas en menos de 5 minutos. Para muestras con una carga viral baja, el dispositivo requirió hasta 30 minutos para distinguirlo de una prueba negativa.
“Los modelos recientes de SARS-CoV-2 sugieren que lo que necesitamos para superar la pandemia actual es realizar pruebas frecuentes con un tiempo de respuesta rápido”, dice Ott. «Esperamos que con un aumento de las pruebas, podamos evitar bloqueos y proteger a las poblaciones más vulnerables».
La nueva prueba basada en CRISPR no solo ofrece una opción prometedora para pruebas rápidas, sino que al usar un teléfono inteligente y evitar la necesidad de equipos de laboratorio voluminosos, tiene el potencial de volverse portátil y eventualmente estar disponible para el punto de atención o incluso para uso doméstico. Y también podría ampliarse para diagnosticar otros virus respiratorios además del SARS-CoV-2.
Además, la alta sensibilidad de las cámaras de los teléfonos inteligentes, junto con su conectividad, GPS y capacidades de procesamiento de datos, las han convertido en herramientas atractivas para diagnosticar enfermedades en regiones de bajos recursos.
«Esperamos convertir nuestra prueba en un dispositivo que pueda cargar instantáneamente los resultados en sistemas basados en la nube mientras se mantiene la privacidad del paciente, lo cual sería importante para el rastreo de contactos y los estudios epidemiológicos», dice Ott. «Este tipo de prueba de diagnóstico basada en teléfonos inteligentes podría desempeñar un papel crucial en el control de las pandemias actuales y futuras».
Referencia: “Detección sin amplificación de SARS-CoV-2 con CRISPR-Cas13a y microscopía de teléfono móvil” por Parinaz Fozouni, Sungmin Son, María Díaz de León Derby, Gavin J. Knott, Carley N. Gray, Michael V. D ‘ Ambrosio, Chunyu Zhao, Neil A. Switz, G. Renuka Kumar, Stephanie I. Stephens, Daniela Boehm, Chia-Lin Tsou, Jeffrey Shu, Abdul Bhuiya, Max Armstrong, Andrew R. Harris, Pei-Yi Chen, Jeannette M. Osterloh, Anke Meyer-Franke, Bastian Joehnk, Keith Walcott, Anita Sil, Charles Langelier, Katherine S. Pollard, Emily D. Crawford, Andreas S. Puschnik, Maira Phelps, Amy Kistler, Joseph L. DeRisi, Jennifer A. Doudna, Daniel A. Fletcher y Melanie Ott, 4 de diciembre de 2020, Célula.
DOI: 10.1016 / j.cell.2020.12.001
Otros autores del estudio incluyen a Gavin J. Knott, Michael V. D’Ambrosio, Abdul Bhuiya, Max Armstrong y Andrew Harris de UC Berkeley; Carley N. Gray, G. Renuka Kumar, Stephanie I. Stephens, Daniela Boehm, Chia-Lin Tsou, Jeffrey Shu, Jeannette M. Osterloh, Anke Meyer-Franke y Katherine S. Pollard de los Institutos Gladstone; Chunyu Zhao, Emily D. Crawford, Andreas S. Puschnick, Maira Phelps y Amy Kistler del Biohub de Chan Zuckerberg; Neil A. Switz de la Universidad Estatal de San José; y Charles Langelier y Joseph L. DeRisi de UCSF.
La investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud (subvención NIAID 5R61AI140465-03 y subvención NIDA 1R61DA048444-01); el programa NIH Rapid Acceleration of Diagnostics (RADx); el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre; el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas; el Departamento de Salud y Servicios Humanos (Subvención No. 3U54HL143541-02S1); así como a través del apoyo filantrópico de Fast Grants, James B. Pendleton Charitable Trust, The Roddenberry Foundation y varios donantes individuales. Este trabajo también fue posible gracias a una generosa donación de un donante privado anónimo en apoyo del consorcio de diagnóstico ANCeR.