Nieuwe CRISPR-test geeft labresultaat in 30 minuten, ook geschikt voor thuisgebruik

Van ingewikkeld laboratoriumproces naar één buisje

Een gewone DNA-test voor bijvoorbeeld corona of griep vraagt om meerdere stappen: eerst wordt het genetische materiaal van een ziekteverwekker vermenigvuldigd, daarna wordt gezocht naar een specifiek stukje DNA en tot slot wordt dat omgezet in een afleesbaar signaal. Normaal gebeurt dat in een laboratorium, met dure apparatuur en getraind personeel. Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en de Chinese University of Hong Kong hebben nu een methode ontwikkeld die al deze stappen in één reageerbuisje samenbrengt. Het systeem heet TEMPO, een afkorting voor Thermodynamically Encoded Molecular Programming for One-Pot Diagnostics, en werd beschreven in het tijdschrift Nature Communications.

De grootste uitdaging bij zulke 'one-pot'-tests is de volgorde waarin dingen gebeuren. Vermenigvuldiging van het DNA en de CRISPR-detectie gebruiken dezelfde bouwstenen en concurreren met elkaar in dezelfde buis. Begint de CRISPR-stap te vroeg, dan stokt de hele reactie. Onderzoeksleider Hsing I-Ming vergelijkt het met het bereiden van een ingewikkeld gerecht in één pan: alles moet in de juiste volgorde gebeuren, anders mislukt het geheel.

Primers die precies op tijd wakker worden

De oplossing zit in twee speciaal ontworpen DNA-primers, de korte stukjes DNA die de vermenigvuldiging op gang brengen. De eerste primer bindt makkelijk en start meteen het kopiëren van het doelwit. De tweede primer bevat bewust een kleine chemische onvolkomenheid, waardoor hij pas in actie komt zodra er genoeg kopieën van het DNA zijn gemaakt. Die tweede primer plaatst dan een klein herkenningspunt, een zogeheten PAM-plek, die het CRISPR-enzym activeert. Zo start de detectie automatisch op het juiste moment, zonder dat iemand handmatig hoeft in te grijpen. Een wiskundig model van het team voorspelde dit vertraagde gedrag nauwkeurig, waardoor het ontwerpen van nieuwe primers voortaan een kwestie van rekenen is in plaats van gokken.

Omdat het startsignaal voor CRISPR in de primer zelf is ingebouwd, kan TEMPO ook genetische plekken opsporen waar gewone CRISPR-tests niet bijkomen, zoals veel klinisch belangrijke puntmutaties. Toch blijft de test in staat om een verschil van slechts één DNA-letter te herkennen.

Van griep tot erfelijke aandoeningen

In experimenten haalde TEMPO een gevoeligheid van 1 attomolair, vergelijkbaar met de gouden standaard in laboratoria, en dat binnen dertig minuten in één simpele stap. De test werd gevalideerd op nagebootste hiv-monsters, met resultaten die volledig overeenkwamen met kwantitatieve PCR, en op echte patiëntmonsters voor influenza A en het coronavirus. Ook werd TEMPO ingebouwd in een microfluidic chip waarmee twintig menselijke DNA-monsters werden getest op drie klinisch relevante genvarianten, met uitkomsten die overeenkwamen met DNA-sequencing.

Omdat de test op stabiel DNA berust, is er geen koeling nodig en zijn geen grote laboratoriuminstrumenten vereist. Dat maakt TEMPO geschikt voor gebruik in klinieken, op luchthavens, in afgelegen gebieden en thuis. De onderzoekers willen de komende jaren de techniek uitbreiden naar meer luchtweginfecties en soa's, snelle diagnostiek voor multiresistente bacteriën, en genetische screening op erfelijke aandoeningen zoals thalassemie en aandoeningen die worden opgespoord bij de hielprik van pasgeborenen. Het einddoel is een thuistest die net zo gevoelig is als een laboratoriumtest, maar even simpel te gebruiken als een sneltest.