Một Startup Mới Muốn Sử Dụng Crispr để Chẩn Đoán Bệnh

Năm 2011, các nhà sinh học Jennifer Doudna và Emmanuelle Charpentier đã công bố một bài báo đột phá giới thiệu thế giới với Crispr. Gia đình protein vi khuẩn bí ẩn này có tài năng cắt chính xác DNA, và một trong số chúng—Cas9—sau đó đã làm nảy mình ngành đầu tư sinh học với giá tỷ đô. Thử nghiệm lâm sàng sử dụng công cụ cắt Cas9 để sửa chữa khuyết tật gen chỉ mới bắt đầu, vì vậy sẽ mất nhiều năm nữa trước khi liệu pháp dựa trên Crispr có thể đến tay người tiêu dùng.

Tuy nhiên, công nghệ Crispr thực sự có thể xuất hiện trong phòng mạch của bác sĩ bạn sớm hơn nhiều. Không phải để điều trị mà bạn đang gặp vấn đề, mà là để chẩn đoán nó.

Hôm nay, Doudna hợp tác với các nghiên cứu viên từ phòng lab tại Đại học Berkeley và các chuyên gia sinh học tin học từ Stanford để ra mắt nền tảng Crispr thương mại đầu tiên để phát hiện DNA gây bệnh. Được gọi là Mammoth Biosciences, startup này đang phát triển các bài kiểm tra chẩn đoán tại chỗ bằng cách sử dụng Crispr để nhận diện các đoạn gen tồn tại trong máu, nước bọt hoặc nước tiểu của bạn—ví dụ, một số bản sao của virus Zika được để lại bởi một con muỗi, hoặc một số đột biến trong tế bào ung thư rơi ra từ một khối u.

Họ không phải là những nhà khoa học duy nhất đang nghiên cứu về khả năng mới của Crispr này, nhưng họ là những người đầu tiên tài trợ cho một công ty để sử dụng nó. “Crispr có những tính chất phát hiện sinh học tuyệt vời mà mọi người đã không nhận ra trong thời gian dài,” nói Trevor Martin, CEO của Mammoth và một trong năm người sáng lập của công ty. “Hơn một tỷ năm tiến hóa đã mang lại cho chúng ta những protein tuyệt vời này, mà khoa học chỉ mới bắt đầu mô tả.” Mục tiêu của họ là sử dụng những tính chất đó để thiết kế các phương tiện chẩn đoán cho tuyến đầu của các đợt bùng phát và trong phòng cấp cứu bệnh viện, những nơi mà bệnh nhân không có ngày đợi để gửi mẫu đi kiểm tra tại phòng thí nghiệm.

Một trong những protein tuyệt vời đó là Cas12a, trước đây được biết đến với tên là Cpf1. Trong một bài báo được xuất bản trong tạp chí Science vào tháng 2, Doudna và hai người sáng lập Mammoth khác, Janice Chen và Lucas Harrington, giới thiệu cách Cas12a có thể xác định chính xác các loại khác nhau của virus HPV trong mẫu người. Giống như Cas9, Cas12a kết nối với một chuỗi DNA khi nó đến đích gen của nó, sau đó cắt. Nhưng sau đó nó làm điều Cas9 không thể: Nó bắt đầu phá hủy bất kỳ DNA một chuỗi nào mà nó tìm thấy.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định chiếm đánh nói đến năng lượng cần thiết cho nucleotide. Trước tiên, họ lập trình Cas12a để chặt hai dòng HPV có thể gây ung thư. Họ thêm nó, cùng với một “phân tử báo cáo”—một đoạn DNA một chuỗi phát ra tín hiệu tỏa sáng khi được cắt—vào ống nghiệm chứa tế bào người. Các mẫu đã bị nhiễm HPV phát sáng; những mẫu khỏe mạnh không phát sáng.

Martin không tiết lộ hệ thống Crispr nào Mammoth sẽ sử dụng, chỉ nói rằng công ty tin tưởng vào công nghệ mà họ đã mua bản quyền độc quyền từ Đại học Berkeley. Và vì đơn xin cấp bằng sáng chế là bí mật trong 18 tháng đầu tiên sau khi nó được nộp, không có cách nào tốt để biết chính xác hệ thống Crispr Mammoth đang làm việc với. Nhưng với Chen và Harrington và Doudna tất cả đều tham gia, tất cả dấu hiệu đều chỉ đến Cas12a.

Điều này có thể tiềm ẩn vấn đề, vì Feng Zhang của Broad Institute đã đệ trình bằng sáng chế chỉnh sửa gen về Cas12a từ năm 2015 và đã cấp phép chúng cho Editas Medicine để họ có thể sử dụng trong lĩnh vực thăm dò dược học cho con người. Mọi tranh chấp có thể dựa vào mục đích sử dụng của protein. Trong cuộc xung đột đang diễn ra giữa Berkeley và Broad về Cas9, Cơ quan Bằng sáng chế và Thương hiệu Hoa Kỳ đã quyết định rằng việc sử dụng Crispr để phát hiện DNA, thay vì chỉnh sửa nó, được coi là một yêu cầu khác biệt và hợp lệ. Năm 2016, cơ quan đã cấp bằng sáng chế Cas9 để phát hiện axit nucleic cho Caribou Biosciences ở Berkeley, do Doudna sáng lập như một nhà phát triển công cụ Crispr và cũng đã đệ trình bằng sáng chế Cas12a của riêng mình. Tại sao nó không phải là một sự kết hợp tốt cho việc xây dựng một nền tảng chẩn đoán mới là không rõ. (Doudna từ chối trả lời bất kỳ câu hỏi nào cho câu chuyện này).

Nhưng có những dấu hiệu khác cho thấy cuộc chiến tranh bằng sáng chế về khả năng chẩn đoán của Crispr có thể không bao giờ xảy ra. Nhóm của Zhang đã nỗ lực sử dụng một protein khác—Cas13—để phát hiện bệnh. Họ đã báo cáo vào năm ngoái trong Science rằng hệ thống của họ có thể nhận biết nhiều loại virus, như Zika và sốt xuất huyết, trong một mẫu cùng một lúc. Và họ đã tiến xa hơn fluorescence để đến một điều gì đó thực tế hơn: những dải giấy có thể bỏ đi. Đặt chúng vào mẫu đã được chuẩn bị và một đường đỏ sẽ xuất hiện nếu có gene virus, không cần thiết bị phòng thí nghiệm hoặc điện.

Broad Institute nói rằng họ đang nghiên cứu một chiến lược cấp phép sẽ làm cho các bài kiểm tra—chi phí chỉ vài đô la để sản xuất—trở nên phổ biến, đặc biệt là ở thế giới đang phát triển nơi nhu cầu về thiết bị chẩn đoán tại hiện trường là cấp bách nhất. Một nhóm nghiên cứu khác tại tổ chức, do nhà săn virus Pardis Sabeti dẫn đầu, dự định bắt đầu các thử nghiệm kiểm chứng và đánh giá chất lượng của công nghệ vào cuối năm nay tại Nigeria, nơi một đợt bùng phát sốt Lassa đã lây nhiễm hàng trăm người kể từ tháng 1. Nếu mọi thứ diễn ra thuận lợi, hy vọng là cuối cùng sẽ thiết lập cơ sở hạ tầng để kiểm tra những người khi họ bắt đầu xuất hiện các triệu chứng, để giúp các quan chức y tế công cộng theo dõi và kiểm soát virus một cách tốt hơn.

“Chúng tôi đã tiến hành nhiều chuỗi gen của Lassa trong vài năm qua để hiểu rõ về sự tiến hóa của nó, và bây giờ chúng tôi đang ở giai đoạn có thể sử dụng tất cả thông tin đó để thiết kế những bài kiểm tra thực sự tuyệt vời, thực sự phân biệt,” nói Cameron Myhrvold, một nhà sinh học hệ thống tại Broad đã giúp phát triển các giao thức để làm cho chẩn đoán dựa trên Cas13 hoạt động mà không cần bất kỳ thiết bị phức tạp nào. “Những nguồn gen này thực sự là những điều kiện cho phép chúng tôi vượt qua các bài kiểm tra kháng thể tiêu chuẩn, cần phải được thực hiện trong phòng thí nghiệm.”

Cả hai phương pháp của Broad và Mammoth đều cần thêm công việc để chứng minh độ chính xác trước khi đạt được sự chấp thuận của cơ quan quản lý. Nhưng khi điều đó xảy ra, bạn có thể thiết kế một bài kiểm tra cho bất cứ thứ gì; chỉ là vấn đề lập trình hướng dẫn gen đúng để Crispr đạt được mục tiêu dự kiến của nó. Hãy tưởng tượng kiểm tra bệnh nhân ER cho nhiều loại kháng thuốc kháng khuẩn trước khi kê đơn kháng sinh cứu mạng. Hoặc có khả năng chi trả để cung cấp bài kiểm tra cho mọi phụ nữ độ tuổi sinh đẻ ở khu vực nhiễm Zika. Hoặc tăng cường kiểm tra ung thư lên ba, bốn, năm lần mỗi năm, tất cả với giá của một chai bia nghệ thuật.

Việc cuối cùng đó là ưu tiên hàng đầu của Mammoth; công ty đang tập trung vào việc tìm đối tác trong lĩnh vực xét nghiệm chất lỏng, để đưa các bài kiểm tra dựa trên giấy vào phòng khám. Nhưng một ngày nào đó, họ hy vọng sẽ trở thành nhiều mục đích hơn, giúp người nông dân theo dõi thối rễ trong cánh đồng của họ hoặc sử dụng mã vạch DNA để theo dõi dòng nước fracking vào các tầng chứa nước dưới đất. Crispr-Cas9 có thể là thành viên đầu tiên trong gia đình chữa trị bệnh cho con người, nhưng những người em họ có thể là người đầu tiên cứu sống mạng.

Clever Crispr

• Bạn có biết Crispr có thể biến tế bào sống thành những kho hàng số? Năm ngoái, các nhà khoa học đã sử dụng nó để tải một hình ảnh GIF ngựa đang chạy vào E. coli

• Nó cũng có thể làm những việc nghiêm túc hơn, như loại bỏ các loài xâm lược đe dọa động vật bản địa.

• Và các phiên bản mới của Crispr không cần phải cắt để chỉnh sửa DNA, chúng có thể thay thế cặp cơ sở một cách từng bước một thay vì.