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CRISPR-Cas- and Aptamer-based Systems for Diagnosing Pathogens: A Review

基于CRISPR/Cas和核酸适配体（aptamer）的病原体诊断技术研究进展

作者： Helin Yu, Wenwen Jing, Xunjia Cheng

人兽共患病在世界范围内广泛流行。迄今为止已经发现了超过200种人畜共患病。根据致病特征，可将其分为细菌性、病毒性、真菌类、寄生虫类、立克次体类和支原体类。许多新发和再现人兽共患病已经被世界卫生组织列为国际关注的突发公共卫生事件，严重威胁人类和动物健康，给当地政府乃至全球带来巨大的经济压力。因此，开发快速、准确检测病原体的工具对于防治新发和再现传染病尤为重要。传统的检测方法往往耗时、成本高昂，且需要专业的技术人员，这极大阻碍了快速诊断的发展。

基于CRISPR/Cas和核酸适配体（aptamer）所开发的检测工具已经逐步取代了传统的检测方法。CRISPR/Cas系统被目标病原体特定核酸序列激活后，可非特异性切割dsDNA、ssDNA、ssRNA，用于病原体检测（图1）。aptamer是极好抗体替代品，它可以稳定地固定病毒、细菌、氨基酸、蛋白质和细胞等目标分子，并通过电流或电阻变化或肉眼识别荧光等物理、化学或电化学方法，间接检测病原体（图1）。

图1 基于CRISPR/Cas和核酸适配体系统（aptamer）的诊断平台示意图

2023年5月9日，复旦大学基础医学院程训佳教授团队在Zoonoses发表特约综述《CRISPR-Cas- and Aptamer-based Systems for Diagnosing Pathogens: A Review》（基于CRISPR/Cas和核酸适配体（aptamer）的病原体诊断技术研究进展）。

该综述回顾了用于临床和食源性病原微生物的新型病原体检测平台：①基于CRISPR/Cas的检测系统（包括dCas9、Cas12a/b、Cas13和Cas14）（表1、2），②基于aptamer的生物传感器检测工具（表3），③结合CRISPR/Cas和aptamer开发的检测工具各自优缺点比较（表4）。与传统的检测技术相比，这些新型工具检测病原体快速、灵敏、准确、成本低。

表1 基于CRISPR系统的新冠病毒快速、诊断诊断工具

表2 基于CRISPR-Cas系统的诊断工具

表3 用于病毒检测的aptamer生物传感器

表4 用于病原体检测的诊断工具优缺点比较

基于CRISPR/Cas的检测平台需要核酸提取、扩增等繁琐的操作步骤，筛选aptamer耗时以及灵敏度不高等缺点，阻碍病原体快速检测的进一步发展。CRISPR/Cas系统与aptamer方法结合所开发的检测工具（图2）不仅可以弥补单一方法的缺点，也可区分致病菌是否处于感染状态，此外还能应用于非核酸靶标的检测，但目前联合开发的工具多集中于检测致病菌，对其他类型的病原体检测还需进一步研究。

图2 CRISPR/Cas系统与aptamer方法结合用于病原体检测

未来迫切需要开发新型快速检测工具，以高效、快速应对各种新发和再现人兽共患病病原体。这些检测工具应该是实用和可推广的，在理想情况下，测试结果可与智能手机或智能手环相连，使公民能够自检食物或水中的病原体，以减轻临床压力。

Zoonoses 是全球第一本有关人兽共患病的金色开源期刊，旨在搭建人兽共患病领域科研人员、临床医生、兽医和公共卫生学者间沟通的桥梁。Zoonoses致力于刊载有关病毒性、细菌性、寄生虫性、真菌性人兽共患病的流行病学、病原学、生物学、诊断、预防、治疗和管理等方面的最新研究。

Zoonoses由中国疾病预防控制中心病毒学首席科学家董小平教授和美国德克萨斯大学医学分部Lynn Soong教授担任共同主编。