一毫升血液含有大約15滴血液。對于患有人類免疫缺陷病毒(HIV)的人來說，每一滴血中可能含有的病毒拷貝從不到20個到超過50萬個不等。這被稱為病毒載量，是用來讓臨床醫生了解患者對抗病毒藥物的反應和監測潛在進展的。

耗時的病毒載量檢測需要在患者接受治療時重復多次?，F在，賓夕法尼亞州立大學的一個研究小組已經開發出一種既省時又經濟的數字檢測方法，可以直接測量一滴血中HIV的存在。他們在ACS Nano上發表了這項研究。

根據通訊作者、賓夕法尼亞州立工程學院電子工程和生物醫學工程副教授管Weihua Guan的說法，數字檢測是為一系列傳染病提供臨床診斷工具的第一步。

艾滋病毒載量的常規檢測包括從樣本中提取遺傳物質，將其放大并與參考樣本進行比較。被稱為RT-PCR的金標準測試，可以對實際病毒載量做出接近的估計，但它不是直接測量。Guan和他的團隊在他們的測試中采用了更直接的方法，名為通過自動膜基分割(STAMP)進行自我數字化，與RT-PCR相比，這種方法更便宜、更快，需要的血液也更少。

“它的工作原理是這樣的:我們從一個人的血液中提取一小部分樣本，從中提取病毒RNA——病毒的遺傳物質，”Guan說。“然后我們將這種RNA與一種叫做Cas13的特殊蛋白質混合，Cas13是CRISPR系統的一部分。”

Guan說，CRISPR-Cas13是一種“革命性的工具”，它使研究人員能夠瞄準和操縱RNA序列。在這項研究中，研究人員利用這項技術不是為了它的編輯能力，而是為了它的診斷潛力。他們正在使用CRISPR-Cas13來檢測HIV的存在并發出信號。

一旦RNA與Cas13結合，研究人員在混合物上放置一層納米孔聚碳酸酯膜——一種很容易獲得的薄過濾器，使其成為一種具有成本效益的材料，Guan說。納米孔是如此之小，以至于它們可以將混合物分割成只含有一個RNA分子的單個液滴，這個RNA分子附著著Cas13蛋白。如果HIV在RNA分子中，Cas13蛋白——被HIV RNA激活——將切斷報告分子，產生研究人員可以檢測到的信號。

“通過計算顯示這種信號的液滴的數量，我們可以確定人血液中的艾滋病毒數量，”Guan說。“帶有信號的液滴越多，病毒載量就越高。”

在測試實驗室血漿和最終患者血漿樣本之前，研究人員用合成HIV RNA測試了這種方法，以優化分析的靈敏度和準確性。他們通過定量20例患者血漿樣本中的HIV病毒載量來驗證STAMP方法，其準確性與傳統的RT-PCR方法相當，后者通常需要更多的血液。Guan說，他們正在努力獲取更多的樣本來繼續他們的測試。

該研究小組還發現，這種方法可以對每毫升血液中超過2000個病毒拷貝的HIV病毒載量進行準確評估。當每毫升病毒拷貝數少于1萬個時，就認為病毒載量低；在20份或更少拷貝時無法檢測;大約10萬份，但也可能超過100萬份。

據Guan說，2000到10000的檢測范圍對于臨床醫生監測患者的病毒反彈可能很重要。接受抗逆轉錄病毒治療(ART)的人可以達到無法檢測到的病毒水平，這意味著他們不能再通過性行為傳播病毒，但病毒水平上升可能表明一個人正在產生抗逆轉錄病毒治療耐藥性或其他問題。

Guan說:“雖然需要進一步改進以提高其檢測極限和自動化設置，但基于STAMP的數字CRISPR方法顯示出推進HIV病毒載量監測的巨大潛力。”他解釋說，研究人員計劃繼續提高平臺的效率和準確性，以量化多種病毒，最終目標是將該設備推向市場。

Reza Nouri, Yuqian Jiang, Anthony J. Politza, Tianyi Liu, Wallace H. Greene, Yusheng Zhu, Jonathan J. Nunez, Xiaojun Lian, Weihua Guan. STAMP-Based Digital CRISPR-Cas13a for Amplification-Free Quantification of HIV-1 Plasma Viral Loads. ACS Nano, 2023; 17 (11): 10701


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