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Rapid, Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components. ​

文献信息 ​

DOI10.1016/j.cell.2016.04.059
PMID27160350
期刊Cell
影响因子42.5
JCR 分区Q1
发表年份2016
被引次数505
关键词寨卡病毒, 低成本检测, 生物分子传感器, CRISPR/Cas9, 合成生物学
文献类型Journal Article, Research Support, Non-U.S. Gov't
ISSN0092-8674
页码1255-1266
期号165(5)
作者Keith Pardee, Alexander A Green, Melissa K Takahashi, Dana Braff, Guillaume Lambert, Jeong Wook Lee, Tom Ferrante, Duo Ma, Nina Donghia, Melina Fan, Nichole M Daringer, Irene Bosch, Dawn M Dudley, David H O'Connor, Lee Gehrke, James J Collins

一句话小结 ​

本研究开发了一种快速低成本的无细胞纸基传感器，用于现场检测寨卡病毒RNA，结合了等温RNA扩增与CRISPR/Cas9技术，能够以单碱基分辨率区分不同病毒株。该传感器在猕猴血浆中成功检测到寨卡病毒，展示了合成生物学在应对全球健康危机中的应用潜力。

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寨卡病毒 · 低成本检测 · 生物分子传感器 · CRISPR/Cas9 · 合成生物学

摘要 ​

最近的寨卡病毒疫情突显了需要快速开发、低成本的诊断工具，以便在疫情地区进行分发和使用。在此，我们报告了一种快速设计、组装和验证无细胞纸基传感器的流程，用于检测寨卡病毒RNA基因组。通过将等温RNA扩增与踏脚开关RNA传感器相结合，我们能够检测到临床相关浓度的寨卡病毒序列，并证明其对 closely related 的登革热病毒序列具有特异性。当与一种新型的CRISPR/Cas9模块结合时，我们的传感器能够以单碱基分辨率区分病毒株。我们成功展示了一个简单的、适合现场使用的样本处理工作流程，并从一个带病毒的猕猴血浆中检测到寨卡病毒。我们的冻干生物分子平台解决了在现场部署分子诊断的重大实际限制，并展示了合成生物学如何用于开发应对全球健康危机的诊断工具。

英文摘要 ​

The recent Zika virus outbreak highlights the need for low-cost diagnostics that can be rapidly developed for distribution and use in pandemic regions. Here, we report a pipeline for the rapid design, assembly, and validation of cell-free, paper-based sensors for the detection of the Zika virus RNA genome. By linking isothermal RNA amplification to toehold switch RNA sensors, we detect clinically relevant concentrations of Zika virus sequences and demonstrate specificity against closely related Dengue virus sequences. When coupled with a novel CRISPR/Cas9-based module, our sensors can discriminate between viral strains with single-base resolution. We successfully demonstrate a simple, field-ready sample-processing workflow and detect Zika virus from the plasma of a viremic macaque. Our freeze-dried biomolecular platform resolves important practical limitations to the deployment of molecular diagnostics in the field and demonstrates how synthetic biology can be used to develop diagnostic tools for confronting global health crises. PAPERCLIP.

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主要研究问题 ​

  1. 在开发低成本Zika病毒检测工具时，如何确保其准确性和灵敏度？
  2. 这种纸基传感器的设计与传统的病毒检测方法相比有哪些优势和劣势？
  3. 除了Zika病毒，这种生物分子平台是否可以应用于其他病毒的检测？如果可以，具体有哪些？
  4. 在现场使用这些传感器时，样本处理流程的简化对检测结果的影响如何？
  5. CRISPR/Cas9模块在病毒检测中的应用前景如何，是否有可能在其他疾病的检测中发挥作用？

核心洞察 ​

1. 研究背景和目的 ​

随着寨卡病毒疫情的爆发，迫切需要快速、低成本的诊断工具，以便在疫情地区进行广泛分发和使用。寨卡病毒的传播对公共卫生构成了严重威胁，因此开发能够迅速识别该病毒的检测方法具有重要意义。本研究旨在建立一种利用可编程生物分子组件的快速设计、组装和验证流程，以实现针对寨卡病毒RNA基因组的检测。

2. 主要方法和发现 ​

研究者开发了一种纸基传感器，这是一种无细胞的分子诊断工具，结合了等温RNA扩增技术和“踏脚开关”RNA传感器。通过这一方法，研究团队成功检测到了临床相关浓度的寨卡病毒序列，并且对与其密切相关的登革热病毒序列表现出特异性。此外，通过结合一种新型的CRISPR/Cas9模块，这些传感器能够在单碱基分辨率下区分不同的病毒株。研究还展示了一种简单的、适合现场使用的样本处理工作流程，并成功从一只血液中含有病毒的猕猴中检测到了寨卡病毒。

3. 核心结论 ​

本研究的核心结论是，利用合成生物学技术开发的纸基传感器能够有效、快速地检测寨卡病毒，并在现场应用中克服了传统分子诊断方法的诸多局限。这种新型传感器不仅能在低成本的条件下进行高效检测，还能实现对不同病毒株的精准识别，为应对突发公共卫生事件提供了新的解决方案。

4. 研究意义和影响 ​

该研究的意义在于展示了合成生物学在公共卫生领域的应用潜力，提供了一种创新的、低成本的病毒检测方法，能够在资源有限的环境中使用。这种纸基传感器的开发不仅可以用于寨卡病毒的检测，还可能为其他病毒的快速诊断提供参考，推动全球卫生危机的应对能力。同时，研究中的方法论也为今后快速响应其他疫情提供了有力的技术支持，具有广泛的应用前景和重要的社会价值。

引用本文的文献 ​

  1. Instrument-Free Point-of-Care Molecular Detection of Zika Virus. - Jinzhao Song;Michael G Mauk;Brent A Hackett;Sara Cherry;Haim H Bau;Changchun Liu - Analytical chemistry (2016)
  2. Cell-Free Mixing of Escherichia coli Crude Extracts to Prototype and Rationally Engineer High-Titer Mevalonate Synthesis. - Quentin M Dudley;Kim C Anderson;Michael C Jewett - ACS synthetic biology (2016)
  3. An ultrasensitive electrogenerated chemiluminescence-based immunoassay for specific detection of Zika virus. - Dhiraj Acharya;Pradip Bastola;Linda Le;Amber M Paul;Estefania Fernandez;Michael S Diamond;Wujian Miao;Fengwei Bai - Scientific reports (2016)
  4. New Paradigms for Virus Detection, Surveillance and Control of Zika Virus Vectors in the Settings of Southeast Asia. - Indra Vythilingam;Jamal I-C Sam;Yoke F Chan;Loke T Khaw;Wan Y Wan Sulaiman - Frontiers in microbiology (2016)
  5. Diagnostics in Ebola Virus Disease in Resource-Rich and Resource-Limited Settings. - Robert J Shorten;Colin S Brown;Michael Jacobs;Simon Rattenbury;Andrew J Simpson;Stephen Mepham - PLoS neglected tropical diseases (2016)
  6. The growing impact of lyophilized cell-free protein expression systems. - J Porter Hunt;Seung Ook Yang;Kristen M Wilding;Bradley C Bundy - Bioengineered (2017)
  7. Rapid Detection Strategies for the Global Threat of Zika Virus: Current State, New Hypotheses, and Limitations. - Shruti Shukla;Sung-Yong Hong;Soo Hyun Chung;Myunghee Kim - Frontiers in microbiology (2016)
  8. Rapid, Affordable and Portable Medium-Throughput Molecular Device for Zika Virus. - Kamfai Chan;Scott C Weaver;Pui-Yan Wong;Sherly Lie;Eryu Wang;Mathilde Guerbois;Siva Praneeth Vayugundla;Season Wong - Scientific reports (2016)
  9. Point-of-Care Diagnostics: Recent Developments in a Connected Age. - Samiksha Nayak;Nicole R Blumenfeld;Tassaneewan Laksanasopin;Samuel K Sia - Analytical chemistry (2017)
  10. Future developments in biosensors for field-ready Zika virus diagnostics. - Ariana M Nicolini;Katherine E McCracken;Jeong-Yeol Yoon - Journal of biological engineering (2017)

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