2016 年唐獎回顧 － 『SHERLOCK』再進化，COVID-19 檢測也能在家進行？

自從 2019 年底，由嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒 2 型 (SARS-CoV-2) 感染所導致的新冠肺炎 (COVID-19) 已造成全球大流行，在各國政府實施各種防疫措施試圖減緩病毒傳播速度的同時，各國的研究人員也積極地加速各項偵測、治療以及預防 COVID-19 的技術開發，希望能為這波疫情盡一份心力。

快速且準確的檢測是否感染 SARS-CoV-2 為疫情的追蹤與控制中舉足輕重的一環。根據檢測方法所偵測的標的物，可以將目前用於偵測 COVID-19 的方式分為兩種，第一種是偵測受試者檢體內是否有 SARS-CoV-2 病毒；第二種則是偵測血液內是否有 SARS-CoV-2 病毒的抗體。在疫情爆發初期，大多數國家主要仰賴專一性及靈敏度高且較容易建立的反轉錄酶—聚合酶鏈鎖反應 (RT-PCR) 技術，作為大量篩檢 SARS-CoV-2 病毒的方式；然而， RT-PCR 需要受過專業訓練的人員操作並且需要特定的機器，將病毒篩檢侷限在實驗室中進行，再加上檢體的收集與運送所需要的時間，都使得篩檢數量難以大幅地提升。

為了加速 SARS-CoV-2 病毒的檢測並排除對於 PCR 儀器的需求，一直致力於將 CRISPR 技術推展應用於臨床層級的張鋒團隊，在 2/14 發表如何利用其團隊開發的 SHERLOCK 技術（註1）[1] 偵測 SARS-CoV-2 病毒的詳細實驗步驟（註2）[2, 3, 4]，並於 5/7 在其創立的 Sherlock Biosciences 公司官網上宣布 SherlockTM CRISPR SARS-CoV-2 kits 已成功取得美國食藥署 (FDA) 的授權。

近日 (2020/5/5) 其團隊又再進一步利用 SHERLOCK 技術發展出 SARS-CoV-2 的床邊檢驗（Point-of-care Testing，註3）並將此技術取名為 STOPCovid (SHERLOCK Testing in One Pot) [5]。STOPCovid 將前述發表的實驗步驟中的『病毒基因放大』與『SHERLOCK 偵測』兩步驟簡化為一鍋式反應，STOPCovid 採用恆溫環形核酸增幅法 (Loop-mediated isothermal amplification, LAMP) 以擴增病毒的 RNA 基因，搭配熱穩定性較高的 Cas 酵素 AapCas12b 產生可讀取的訊號。為了盡可能地再將開始反應所需要的操作簡化，張鋒團隊從 18 種 sgRNA 與 94 種能增加酵素熱穩定性的添加劑中研發出了最佳的組合 (Sherlock Mastermix) 。

STOPCovid 的檢測程序為（1）檢體裂解（5-10分鐘）：從受試者取得的唾液或鼻咽拭子與裂解緩衝液混合後靜置。（2）STOPCovid 偵測（1 小時）：將部分的裂解檢體與Sherlock mastermix 混合靜置。（3）讀取檢測結果（2 分鐘）：將市售的 HybriDetect Dipstick 快篩試紙放入前述反應液體中，即可藉由讀取線號判斷陰陽性。此技術不僅具有和以 RT-qPCR 為基礎的檢測方法（例如：已取得美國 FDA 授權的 Abbott ID NOW 和 Cepheid GeneXpert）相當的敏感度，STOPCovid 不需要專業的操作人員與昂貴的設備，更有機會被廣泛使用。

以目前 COVID-19 床邊檢測方式而言，大多數的檢測方法皆針對 SARS-CoV-2 病毒的抗體進行偵測，針對 SARS-CoV-2 病毒的床邊檢測方法選擇相對少很多，因此 STOPCovid 的出現無疑更完整了 COVID-19 床邊檢測方式的這張光譜。

 

備註：

1. SHERLOCK 為 Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing 技術的縮寫，為張鋒團隊結合 CRISPR-Cas13a 與常溫的重組酶聚合酶擴增 (Recombinase Polymerase Amplification, RPA) 所發展出的一項 RNA 及 DNA 的偵測技術，此技術於 2017 年刊登在科學期刊（Science）上。
2. 以 SHERLOCK 技術偵測 SARS-CoV-2 病毒主要包括兩個步驟：（1）病毒基因放大：常溫的重組酶聚合酶擴增反應，以放大 SARS-CoV-2 病毒的 RNA 基因（2）SHERLOCK 偵測：利用 CRISPR/Cas13a 專一性結合到可編輯的目標 crRNA 上，使其非專一性核糖核酸內切酶的活性被活化，剪切並釋放出報導 RNA 中的螢光分子，使之被偵測線上的抗體捕捉而顯現陽性反應訊號。
3. 床邊檢驗 (Point-of-care Testing) 意指可以在病患周圍（病床邊或家中）進行的即時檢測，可以在短時間（分鐘 — 小時）內得到準確的檢測結果，例如常見的血糖儀及懷孕檢測試紙就屬於此類。

 

 

延伸閱讀：

1. 唐獎回顧報導—2016第二屆唐獎生技醫藥獎得獎主題：CRISPR
2. 時下最夯！基因編輯器 CRISPR
3. 第二屆唐獎生技醫藥獎特別報導 – 基因編輯大師的故事
4. 主題回顧 — 2016 唐獎生技醫藥獎
5. 回顧月：CRISPR及其應用

參考文獻：

1. Kellner, M. J., Koob, J. G., Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O., & Zhang, F. (2019). SHERLOCK: nucleic acid detection with CRISPR nucleases. Nature Protocols, 14(10), 2986–3012. https://doi.org/10.1038/s41596-019-0210-2
2. Lall, S. (2020, March 23). Enabling coronavirus detection using CRISPR-Cas13: An open-access SHERLOCK research protocol. Retrieved from https://mcgovern.mit.edu/2020/02/14/enabling-coronavirus-detection-using-crispr-cas13-an-open-access-sherlock-research-protocol/
3. F Zhang, OO Abudayyeh, JS Gootenberg. (2020). A protocol for detection of COVID-19 using CRISPR diagnostics. Retrieved from https://www.broadinstitute.org/files/publications/special/COVID-19%20detection%20%28updated%29.pdf
4. Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O., Lee, J. W., Essletzbichler, P., Dy, A. J., Joung, J., … Zhang, F. (2017). Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science, 356(6336), 438–442. https://doi.org/10.1126/science.aam9321
5. Joung, J., Ladha, A., Saito, M., Segel, M., Bruneau, R., Huang, M. W., … Zhang, F. (2020). Point-of-care testing for COVID-19 using SHERLOCK diagnostics. https://doi.org/10.1101/2020.05.04.20091231

 

撰文｜林映希

審稿｜熊浩安