CRISPR颠覆传统医学：一张纸、几分钟，即可诊断疾病！

全文共6863字，预计学习时长14分钟

插图 Cathryn Virginia

以基因编辑而闻名的生物技术正被用于开发便携式、家庭式的传染病和癌症测试。这将改变药物的使用方式。

如今，当你生病的时候，需要预约去看医生，这可能需要等待数天时间。在等待期间，由于不知道身体出了哪些问题，你也许会继续工作——或许这样会让你感觉更加难受。

当你最终见到医生时，她可能只会根据你的症状做出简单的诊断，或者让你做检查看是否有流感或其他常见感染。可能还需要再花费数天的时间，才能拿到医生根据检查结果开出的最终治疗处方。

但是不久的将来，新的测试方法将能够节省时间和金钱，甚至不再需要去看医生就能做出诊断。这种诊断可以在几分钟内得出明确的阳性或阴性结果，类似于家庭怀孕自测。测试结果可以通过手机上的应用程序发送给医生，医生可以立即开出处方或给出治疗建议。这些测试还可以在医院使用，以快速确定引起肿瘤的突变基因，或者快速预测人们是否有罹患某种癌症的遗传基因。

上述想法推动了Mammoth Biosciences和Sherlock Biosciences两家初创公司使用CRISPR技术开发纸张测试，CRISPR是一项突破性技术——著名的基因编辑工具——用来快速诊断疾病。随着用CRISPR治疗疾病的流行，首例人类临床试验正在进行中，CRISPR还将可以应用于快速、便携式诊断，这种诊断几乎可以在任何地方用于检测任何感染或基因突变。

“当你打喷嚏和发烧时，你会想知道自己生的是什么病。”Sherlock Biosciences的联合创始人张锋说。他认为，如果人们可以呆在家里自己测试，而不用去看医生或者将疾病传染给别人，将是公共卫生的一大进步。

可以在药店甚至在家里运行一站式的即时诊断——如果这听起来很熟悉，那是因为它与如今声名狼藉的生物技术公司Theranos的创始人Elizabeth Holmes所阐述的愿景相似。2018年，Holmes和前总裁Ramesh “Sunny” Balwani陷入网络欺诈和阴谋的指控后，一度市值100亿美元的Theranos倒闭。尽管这家总部位于帕罗奥多的公司吹捧其血液检测技术是一项突破，但从未发表过任何同行评议的科学论文来支持其说法。Holmes本人是斯坦福大学的辍学生，甚至没有真正的专业知识背景。

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另一方面，在Mammoth和Sherlock两家技术公司研究人员的帮助下，CRISPR诞生了，这可以说是21世纪最重要的科学进步之一。来自麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的科学家张锋率先使用了CRISPR，而Mammoth Biosciences的合伙创始人之一、来自加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna也声称发明了CRISPR。（第三位科学家是来自马克斯·普朗克研究所的Emanuelle Charpentier，她也被认为是CRISPR的发明者之一，尽管她并没有参与这两家公司。）两家公司都已经发表了一些同行评审的论文，内容涉及其诊断技术，并已经对患者进行了样本测试。

如今，两家公司的创始人都说，他们希望能够通过CVS和Walgreens提供试纸，这样就可以不用去医生办公室也能进行测试。他们还想把价格低廉的纸基测试带到流行病和疫情爆发的发展中国家。在那里，基于CRISPR的测试不需要额外设备就能快速确认寨卡病毒、埃博拉病毒或登革病毒等，并帮助医护人员根据紧急程度确定治疗顺序。在美国和其他地方，该测试也可以用来发现抗药性感染，并帮助医生决定病人应该用什么抗生素或其他药物。

CRISPR的强大之处在于它能够用两种关键分子轻松切割DNA：一种是像分子剪刀一样的Cas9蛋白质，另一种是导向RNA，能够帮助Cas9到达基因组的正确位置。一旦到达正确位置，Cas9就会在基因组中编程设定好的特定位点进行切割。

上述能力使得CRISPR可以修复那些可能导致疾病的基因突变。然而，作为一种诊断工具，CRISPR的工作方式略有不同。它也使用导向RNA，但这里不是与Ca9配对，而是与Cas家族中的其他蛋白质——Ca12、Cas13或Ca14——结合以切割目标，但也会撕碎目标位置附近的RNA或DNA。

如果是试图编辑基因，这将是个问题，但是对于诊断测试来说，这种特性本质上起到了信号增强器的作用。如果CRISPR击中目标，那么与CRISPR系统相连的所谓报告分子就会释放出荧光信号。这将在浸入病人血液、尿液或唾液样本的测试纸上显示为一条线，类似于怀孕测试的结果显示方式。

 

与基因编辑一样，向导RNA可以被编程设定为寻找任何遗传密码序列，例如病毒、抗生素抗性细菌菌株，甚至与癌症相关的基因突变。Mammoth和Sherlock公司都想利用这一特性为目前无法轻易诊断的疾病创造新的测试。

“如今很多人都不去诊断。”Mammoth Biosciences的首席执行官Trevor Martin说，“他们可能会因为不确定是否需要看医生而患上某种疾病。”2018年4月份，首轮融资2300万美元后不久，这家总部位于旧金山的公司不再韬光养晦。一年后，以其诊断平台命名的Sherlock Biosciences在马萨诸塞州剑桥市启动，融资3500万美元。

这并不是这两个主要的CRISPR研究中心第一次发现彼此在竞争。自从2015年起，布罗德研究所和加州大学伯克利分校就谁拥有CRISPR基因编辑技术的基本专利权陷入了一场持续而昂贵的法律纠纷中。Doudna和张锋已经共同创立了 Caribou Biosciences和Editas Medicine两家公司来寻求基于CRISPR的疗法。现在，研究CRISPR的两位先驱将在诊断测试领域再次迎头相遇。

“如果能够开发出更好的诊断方法，病人将会受益。我认为越多的人试图推进这项工作越好。”

不过，张锋并不认为这是件坏事。“有太多的公共健康和人类健康问题需要解决，”他说，“所以我认为该领域有两个甚至更多公司的发展空间。如果能够开发出更好的诊断方法，病人将会受益。我认为越多的人试图推进这项工作越好。”

当然，前提是检测有效。

2016年，Trevor Martin在斯坦福大学完成博士学位时就对诊断学产生了兴趣。他在寻找机会，想要基于改善医疗保健系统的想法创办一家诊断公司。他阅读了Doudna团队的早期论文，该论文描述了如何使用CRISPR来检测DNA的分子近亲RNA。许多人类感染的病毒，如埃博拉和麻疹，都以RNA为遗传物质，而不是DNA。Doudna和她的团队意识到这一特性可以用于检测疾病，甚至张锋的团队在布罗德研究所也有类似发现。

Martin与Doudna联系，想基于她团队称之为DETECTR的技术创办一家公司。“我原本只是冷冷地给她发了封邮件。之前从未和她说过话。”他说。Doudna把Martin介绍给了她实验室里从事DETECTR研究的一些博士生，几个月后，这些团队联合起来创立了Mammoth Biosciences。

“我变得非常迷恋诊断学，因为它并没有高深的技术含量，还是一直被忽视的领域。”Martin说，“诊断行业还正在使用几十年前的技术。”

Martin是对的。苏格兰生物学家Alexander Fleming在1928年发现了抗生素青霉素，今天传染病检测的主要技术之一在Fleming那个时期就已经存在。在培养皿中培养取自血液、尿液、皮肤或身体的其他部位的细菌或病毒细胞，以帮助识别传染因子。这种被称为培养测试的结果可能需要几天到一两周的时间才能拿到，因为有些微生物生长得比其他慢。

肺结核检测可能需要六到八周才能得到结果。“如果需要治疗，那这时间就太长了。”陈祖克伯格生物中心的科学家Emily Crawford说，她正在研究另一种基于CRISPR的诊断工具，叫做FLASH，用于识别体液中可能存在的抗药性微生物。

另一种传统的检测方法——酶联免疫吸附测定法（ELISA）是在20世纪70年代发展起来的，用于检测人体对某些感染环境产生的抗体。该检测需要复杂的实验室步骤，要数天才能得到结果。

然后是聚合酶链式反应，或称 PCR，发明于20世纪80年代。这种方法能够复制特定的DNA或RNA片段，比如病毒，本质上是将其放大，直到能够被检测出来。但是这种检测需要在平均价值数万美元的昂贵机器上进行，还需要电力和训练有素的科学家才能运行。许多医院拥有进行这些测试所必需的设备和专业知识，但是小诊所则需要将患者样本送到像LabCorp 和Quest Diagnostics这样的公司。

“由于检测的集中化，可能需要数天时间才能得到传染病的检测结果……由患者自行检测，可能会在几分钟内完成。”

大多数现有的传染病检测速度太慢，据估计，多达四分之一的肺炎病例和30%的发热和败血症病例的感染原因从未确定。“由于检测的集中化，现在可能需要数天才能得到传染病的检测结果。”Sherlock Biosciences的总裁兼CEORahul Dhanda说，“由患者自行检测，可能会在几分钟内完成。”

好的诊断工具需要兼具灵敏性和准确性。灵敏性是指检测要能够正确识别出疾病患者，而准确性则是检测要能正确识别出无病之人。高灵敏度的检测意味着几乎不存在假阴性结果，因此更少错过病例。高准确度的检测意味着几乎不存在假阳性结果，从而最大限度地减少误诊造成的不必要治疗和痛苦。流感的快速鼻拭子检测已被使用多年，可以在10到15分钟内得出结果，但是这种检测方式缺乏灵敏度，遗漏了多达一半的流感病例。

Mammoth和Sherlock两家公司表示，他们已经能够实现高灵敏度和高准确性的检测，但是还需要在临床试验中进行测试，并与目前可用的检测方法进行比较。两家公司都没有明确计划何时这样进行测试和比较。

全球健康非营利组织日内瓦创新诊断基金会的首席科学官Ranga Sampath认为，准确性只是一个障碍。要在发展中国家广泛推广，诊断还必须便宜，最好是每次测试只需1-3美元。（而ELISA检测每项费用约为15-20美元。）

张锋说，生产SHERLOCK检测的材料成本不到1美元。“当扩大生产规模时，成本可能会更低。”他补充道，“这很有利，尤其是如果想要在资源不足的环境中使用时。”他还认为，大规模制造这些材料，并在世界各地进行推广将是一大挑战。

Sampath对此也有考虑。他指出，在资源匮乏的国家，大多数病人都是在农村诊所就诊，而这些诊所有时离最近的城市或医院有数百英里远。“如何将诊断推广到这种环境中呢？”他问道。

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这是布罗德研究所的研究人员所面临的挑战。一个与张锋合作的团队将 SHERLOCK系统带到了尼日利亚，想看看该系统是否可以在活跃的爆发环境中使用。去年，拉沙热病例的激增令人担忧，此病席卷了有着1.9亿多人的西非国家尼日利亚。

拉沙热是一种病毒性出血热。拉沙病毒与致命的埃博拉病毒和马尔堡病毒同属一科，每年会在西非造成数千人死亡。这些疾病症状相似，最初都会出血、发烧和腹泻。来自哈佛公共卫生学院的布罗德研究所研究员 Kayla Barnes说：“患者最初会发烧，疟疾、流感或其他疾病都会导致该症状。”这使得临床医生很难单独诊断拉沙症状，因此患者就面临着被误诊或完全漏诊的风险，反过来又会进一步加剧疫情。这也是为什么迫切需要对拉沙进行准确快速的诊断。

越早诊断出患者，他们就能越早获得支持性护理，如补液，和抗病毒药物利巴韦林，他们康复的机会就越大。所以Barnes和她的团队，以及西非的合作者，正在尼日利亚和塞拉里昂测试SHERLOCK系统，以求尽早发现病例。

第一步，他们正在医院进行这项测试，但是Barne希望这个测试能够最终推广到乡村和农村地区。（尽管为了应对去年的疫情，尼日利亚疾控中心正在其他医院开设更多的诊所。但直到最近，全国范围内拉沙热的检测仍然只能在一家医院进行。）“最重要的是社区环境和及时将病人送到医院，”她说。到目前为止，Barnes和她的团队已经能够识别出几例当前检测遗漏的拉沙热患者。

目前在理想条件下，识别拉沙病毒的检测至少需要五个小时，但实际上，在贫困地区需要一两天的实验室检测才能得到结果。然而，使用SHERLOCK系统，Barnes和她在尼日利亚的同事能够将检测时间减少到大约三个小时。

目前的检测系统还需要一条冷链——一条温控供应链，以及专业知识和一台昂贵的电动机器。这些都经常供不应求—— 不到60% 的尼日利亚人能够日常用电，这一比例在农村地区甚至更低。而SHERLOCK检测可以对样本进行冷冻、干燥处理，处理样本使用的是小型电动实验室仪器，Barnes说，没有电的话，该仪器可以通过汽车发电机来启动。

尽管基于CRISPR的检测比目前的检测方法更为简单，但想要在疟疾和结核等传染病肆虐的发展中国家有所作为，测试必须能够在实验室或医院环境之外进行。Bill & Melinda Gates基金会创新技术解决方案主管Dan Wattendorf说：“CRISPR可能是一项使人受益的技术，但除非它能够为人们自己所使用，否则我不确定它是否会从根本上改变诊断行业的游戏规则。”

在像美国这样的富裕国家则面临不同的挑战。Bryan Roberts是纽约风投公司Venrock的合伙人，他投资了诊断公司，却对家庭检测的想法持怀疑态度。“表演必须非常精彩。”他说，“如果周围没有医护人员，你告诉了消费者，他们患病或者没患病，你都会有麻烦。除非你能够几乎永远不出错。”

Bryan Roberts也不确定家庭测试是否会有巨大的市场，个人消费者是否会来购买这些测试并使用它们。患者更有可能去当地的CVS或Walgreens接受药房工作人员进行的CRISPR测试，获得即时结果，而不是等待医生的预约。这样，保健专业人员仍然可以向病人解释结果。Roberts 说，基于CRISPR的测试也有可能取代医院中的传统测试——但前提是它们真的更快、更便宜。

Mammoth 和 Sherlock想要开发传染病检测以外的检测。使用CRISPR可以对检测进行编程，以寻找能导致癌症的基因突变。来自Sherlock的Dhanda没有说公司将研究哪个特定的基因突变，但他指出公司希望开发“在家里或者医院”都可行的检测。

人们已经可以接受Color Genomics公司提供的价值249美元的唾液测试，该测试可以评估30种不同的癌症风险基因。23andMe的Health + Ancestry测试可以检测出BRCA1和BRCA2的三种基因突变。这些基因有患乳腺癌和卵巢癌的高风险，但是23andMe测试检测的这三种突变基因在普通人群中并不是中最常见的；但针对它们的研究却是最多的。

对于已经确诊癌症的患者来说，快速基因突变测试可以帮助医生快速确定正确的治疗方法。随着更多针对癌症的药物和免疫疗法上市，癌症的基因检测变得越来越普遍，但仍然很昂贵，而且并非所有的保险公司都涵盖这一过程。Dhanda认为自己公司的平台可能是更便宜的选择。他说：“如果成本能够降低，接受测试的病人数量就会上升。”

CRISPR也可以作为人类乳头瘤病毒（HPV）的早期检测器。某些HPV病毒会导致宫颈癌，在美国每年有4,000 多人死于宫颈癌。专家建议女性每三年进行一次HPV检测，以降低患宫颈癌的风险，但是HPV检测目前需要到医院进行巴氏涂片检测。

Mammoth的创始人之一、伯克利杜德纳实验室的前研究生贾尼斯·陈（Janice Chen）表示，更简易的HPV检测可以跨越各项筛查障碍，这些障碍包括对HPV的污名化、对HPV和宫颈癌之间联系的无知，以及缺乏医疗保险或前往诊所的交通不便。

 

陈和她的同事设计了DETECTR，以在患者样本中寻找某些致癌的HPV类型，结果发现DETECTR几乎能100%准确识别出正确菌株。如今HPV检测需要耗费的时间是一到三周，但是DETECTR只需在每个患者样本上运行不到一个小时。

这意味着在医院接受测试的病人可以在同一次就诊中拿到结果。如果患者是在家进行测试，他们可以通过应用程序与医生联系——这也是两家公司都在努力开发的领域。患者可以上传测试条的照片，应用程序会提供测试结果。他们还可以与医生联系，以了解更多关于测试结果的信息或请求医生开出处方。

Martin说：“我认为真正的前景是，任何人都可以使用它。”

“如果诊断可以推广到真正有需要的地方，而不是只在医院进行，那么患者就可以对自己的医护拥有更多自主权。”

这可能需要数年的时间，因为两家公司都需要说服美国食品和药物管理局，他们的测试符合目前可用的标准。如果得到批准，那么这两家跨越美国东西两海岸的公司关于CRISPR竞赛将进入新的层面——不仅仅是如何治愈疾病，而是如何先发现它。

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