Home / آخرین اخبار / CRISPR، پلتفرم جدید تشخیص بیماری و ابزار قدرتمند پژوهشی در علوم اعصاب

CRISPR، پلتفرم جدید تشخیص بیماری و ابزار قدرتمند پژوهشی در علوم اعصاب

نوروسافاری | تیمی از دانشمندان انستیتوهای Broad ، تحقیقات مغز McGovern و علوم و مهندسی پزشکی در دانشگاه  MIT ، و انستیتو مهندسی الهام گرفته از بیولوژی Wyss در دانشگاه هاروارد، یک پروتئین CRISPR را  به نحوی تغییر دادند که به جای DNA بتواند RNA را هدف قرار دهد؛ این روش به عنوان یک ابزار سریع، ارزان و بسیار حساس برای تشخیص بیماری، تاثیری انقلابی را در زمینه پژوهش و سلامت عمومی به همراه خواهد داشت.

در یک مطالعه که نتایج آن در ژورنال Science منتشر شده است، اعضای انستیتو Broad شامل فنگ ژنگ، جیم کالینز، دب هانگ، ایویو ریجو و پردیس ثابتی، توضیح میدهند که چگونه این آنزیم CRISPR که RNA را هدف قرار میدهد به یک ردیاب بسیار حساس تبدیل شده است. ردیابی که توانایی (دقت) تشخیص آن، به اندازه شناسایی حضور یک مولکول خاص از DNA یا RNA مورد نظر است. در راستای همین پژوهش، دو همکار، و نویسنده های اول این مطالعه، عمر ابودایه و جاناتان گوتنبرگ، دانشجویان تحصیلات تکمیلی در MIT و هاروارد، این ابزار جدید را SHERLOCK نام گذاری کردند که برگرفته از عبارت Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unlocking میباشد. این تکنولوژی میتواند به زودی برای واکنش سریع به شیوع بیماری های ویروسی و باکتریایی، کنترل و رصد مقاومت به آنتی بیوتیک ها و تشخیص سرطان مورد استفاده قرار بگیرد.

کاربرد های CRISPR در پزشکی و علوم اعصاب

دانشمندان محدوده ای از کاربردها را مشخص کردند که این روش میتواند مطابق با هر کدام، تطبیق یافته و مورد استفاده قرار بگیرد:

  • تشخیص ویروس زیکا در نمونه ی خون یا ادرار بیمار در بازه ی زمانی چند ساعت.
  • تشخیص تفاوت بین توالی های ژنتیکی نمونه های آفریقایی و آمریکایی ویروس زیکا.
  • تشخیص و تمایز انواع مختلفی از باکتری مانند E.coli
  • تشخیص و شناسایی ژن های مقاومت به آنتی بیوتیک.
  • شناسایی جهش های ژنی مولد سرطان در بخش هایی از DNA شبیه سازی شده، خارج از سلول (بدون حضور سلول)
  • خوانش سریع اطلاعات ژنتیکی افراد، مانند ریسک بیماری قلبی، از یک نمونه ی بزاق.

با توجه به کاربردهای بیان شده، نکته ی مهم، کاربرد این ابزار در تشخیص بیماری های سیستم اعصاب مرکزی است. به طور مثال در تشخیص تومورهای مغزی. روش تشخیص و آسیب شناسی تومورها، اغلب روش هایی تهاجمی مانند نمونه برداری از بافت توده ی مورد نظر در ماده ی خاکستری یا ماده ی سفید میباشد. اما با توجه به کارآمدی و دقت این ابزار، میتوان با سرعت و دقت بیشتری، تنها با یک آزمایش خون، به ماهیت تومورهای احتمالی مغز بیمار پی برد و ریسک انجام نمونه برداری را تنها در موارد ضروری تر پذیرفت. بعلاوه، وجود چنین ابزاری، احتمالا میتواند به تشخیص سریع بیماری های ژنتیکی سیستم اعصاب مرکزی نیز کمک کند. با توجه به اینکه در سال های اخیر تلاش های زیادی در زمینه ی شناسایی بیومارکرهای مختلف (نشانگر های زیستی قابل استفاده برای تشخیص یک بیماری) برای بیماری های سیستم اعصاب مرکزی مانند پارکینسون و آلزایمر شده است، وجود ابزاری با این دقت، سرعت و انعطاف پذیری بالا، میتواند در زمینه ی تشخیص های بالینی بسیار موثر واقع شود.

اما کاربرد این ابزار قدرتمند را میتوان در حوزه ی تحقیقات علوم اعصاب نیز بررسی کرد. این ابزار میتواند در شناسایی بیومارکرهای (خصوصا ژنتیکی) بهتر و دقیق تر، محققان علوم اعصاب بالینی را یاری کند. وجود این ابزار وقتی ارزش واقعی خود را نشان میدهد که هدف، بیماری پیچیده ای مانند اسکیزوفرنی باشد که علی رغم شناسایی دخالت برخی جهش های ژنی خاص، باز هم اطلاعات ناقصی از این بیماری در دست است. بعلاوه در بسیاری از بیماری ها و اختلالات فراگیر مانند اوتیسم، وسواسی-جبری و افسردگی، نشانه هایی از دخالت برخی ژن ها دیده شده است که با وجود تکنولوژی قدرتمندی مانند CRISPR امکان بررسی آنها در مدت زمان کمتر و دقت بیشتر فراهم شده است. به طور مثال تصور کنید بر اساس پژوهش های قبلی، حدس هایی مبنی بر دخالت یک ژن در بروز بیماری هانتینگتون مطرح شده است. برای تولید مدل حیوانی (موش) به منظور آزمایش این فرضیه، با روش های کنونی، چیزی در حدود دو سال زمان لازم است، تا بعد از چندین اصلاح نژاد و پرورش چندباره، به مدل حیوانی نسبتا خوبی دست پیدا کرد که آن هم دقت CRISPR را تضمین نخواهد کرد. اما با این ابزار، زمان لازم برای دستیابی به مدل حیوانی مورد نظر حدودا دو ماه خواهد بود زیرا این امکان برای محققان وجود دارد که تغییرات (جهش) ژنتیکی را به سرعت و دقت به جنین موش تحمیل (معرفی) کنند و نیازی به اصلاح نژاد چندگانه و پرورش چندباره نخواهد بود. از طرفی اگر به مدل حیوانی پیچیده تری، مثلا برای بیماری اسکیزوفرنی، نیاز باشد، CRISPR امکان معرفی جهش های چندگانه ی همزمان را به جنین موش، برای پژوهشگران فراهم کرده است.

 این ابزار میتواند طوری طراحی شود که برای تست های کاغذی (با استفاده از نشانگرهای کاغذی) استفاده شود، لذا نیازی به سیستم های خنک کننده  ندارد و طبق گفته های محققین، این ابزار برای استقرار سریع و استفاده ی گسترده در داخل و خارج از محیط های مرسوم، مناسب است. مانند بیمارستان های صحرایی در خلال شیوع یک بیماری یا یک کلینیک روستایی که دسترسی محدودی به تجهیزات پیشرفته دارد.

از DNA به سوی RNA ؛ با Cas13a آشنا شوید

فنگ ژنگ، عضو اصلی انستیتو Broad، محقق انستیتو پژوهش های مغز McGovern ، استاد علوم اعصاب درJames and Patricia Poitras و دانشیار دپارتمان مغز و علوم شناختی و مهندسی زیستی در دانشگاه MIT گفت: ” آنزیم Cas13a، اصالتا در همکاری ما با یوجین کونین، در زمینه ی مطالعه ی اصول زیستی مصونیت باکتریایی، شناسایی شد. هیجان انگیز است که میتوان از این آنزیم به منظور دستیابی به یک حساسیت غیر معمول بهره برداری کرد که هم برای علم و هم دانش پزشکی ابزار قدرتمندی خواهد بود.”

ژوئن ۲۰۱۶، ژنگ و همکارانش، در ابتدا، آنزیم CRISPR ای را که RNA را هدف قرار میدهد، توصیف و شناسایی کردند. این آنزیم که در حال حاضر Cas13a  نامیده میشود (در گذشته آن را با نام C2c2 میشناختند) میتواند برای جداسازی توالی خاصی از RNA سلولهای باکتریایی برنامه ریزی شود. بر خلاف آنزیم های CRISPR ای که DNA را هدف قرار میدهند (مانند Cas9 و Cpf1)، آنزیم Cas13a میتواند پس از جداسازی بخش مورد نظر از RNA هدف، همچنان فعال باقی بماند و رفتاری بی قاعده از خود بروز داده و به جداسازی بخش های دیگر RNA که هدف آن نبودند، طی یک فعالیت انفجاری، ادامه دهد. دانشمندان آزمایشگاه ژنگ این ویژگی را “جداسازی جانبی” نامگذاری کردند. تیم تحقیقاتی، در مقاله و فرم ثبت امتیاز انحصاری، طیف وسیعی از کاربردهای بیوتکنولوژیکی را برای این سیستم توصیف کردند. مانند: بهره برداری، جهت جداسازی (شکافتن) RNA و فعالیت های جانبی برای تحقیقات پایه، تشخیص بیماری ها و درمان.

دقت و سرعت روش جدید 

طبق مقاله ای که در ژورنال Nature در سپتامبر ۲۰۱۶ به چاپ رسید، جنیفر دودنا، الکساندرا ایست-سلتسکای و همکارانشان در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، خاصیت جداسازی جانبی آنزیم Cas13a را برای شناسایی RNA بکار گرفتند. با این حال روش آنها به حضور میلیون ها مولکول احتیاج داشت و لذا فاقد حساسیت لازم برای کاربردهای پژوهشی و بالینی بود.

روشی که اخیرا گزارش شده است، میلیون ها بار حساس تر است. این افزایش حساسیت، حاصل همکاری بین ژنگ و تیم تحقیقاتی وی و یکی از اعضای انستیتو Broad ، جیم کالینز است که در زمینه ی تشخیص ویروس زیکا فعالیت داشته است. در سال ۲۰۱۴، کالینز و تیم تحقیقاتی وی در انستیتو Wyss ، یک آزمایش شیمیایی سریع کاغذی (با استفاده از نشانگرهای کاغذی) برای ویروس ابولا خلق کردند که میتوان آن را در دمای اتاق نگهداری کرده و انتقال داد. کمی بعد، آنها این روش را برای تشخیص ویروس زیکا تغییر داده و نشان دادند که قادر هستند حساسیت تست را با افزایش مقدار RNA موجود در نمونه، با کمک گرفتن از مقادیر اندکی گرما، افزایش دهند.

طی این همکاری بین تیم ژنگ و کالینز، آنها توانستند با به کارگیری فرآیند افزایشی دیگری، با اتکا به گرمای بدن، مقدار DNA یا RNA را در نمونه های تست خود افزایش دهند. پس از اینکه سطح مقداری افزایش یافت، آنها طی یک اقدام دیگر، به تبدیل DNA به RNA پرداختند. این عمل آنها را قادر ساخت تا حساسیت آنزیم CRISPR ای که RNA را هدف قرار میدهد تا میلیون ها برابر افزایش دهند؛ و این ابزار، تقریبا برای هر شرایطی قابل استفاده است.

کالینز، استاد مهندسی بیولوژیک در دانشگاه MIT و از اعضای اصلی هیئت علمی انستیتو Wyss در دانشگاه هاروارد گفت: ” ما اکنون میتوانیم به آسانی و به صورتی موثر سنسورهایی را برای هر اسید نوکلئیکی بسازیم به طوریکه در زمینه ی تشخیص بیماری و کاربردهای پژوهشی به طور شگفت انگیزی قدرتمند خواهند بود. این ابزار حساسیت بسیار بالایی را برای ما فراهم میکند به طوری که قادر به تشخیص مقدار بسیار اندکی از DNA سرطان در نمونه خون بیمار خواهیم بود و به طور مثال این قابلیت باعث میشود که درک محققان از جهش های ژنتیکی سرطان در طول زمان افزایش یابد. در زمینه ی سلامت عمومی، این امکان برای محققان فراهم خواهد بود که فرکانس رشد باکتری های مقاوم به آنتی بیوتیک ها را در یک جمعیت رصد و کنترل کنند. این امکانات جدید علمی، بسیار هیجان انگیز است.”

یکی از حیاتی ترین و واضح ترین کاربردهای این ابزار جدید تشخیصی، استفاده ی آن در مناطق دچار فقر منابع، برای تشخیص سریع شیوع بیماری های عفونی (واگیردار) است.

دب هانگ،  نویسنده ی همکار و نایب رئیس برنامه ی بیماری های عفونی و میکروبیوم انستیتو Broad گفت: ” این سیستم بسیار هیجان انگیز است. هنوز کارهای زیادی وجود دارند که باید انجام شوند، اما اگر بتوان SHERLOCK را بر اساس تمام پتانسیل موجودش تولید کرد، قادر خواهد بود که تشخیص بیماری های عفونی رایج و نو ظهور را از پایه و اساس تغییر دهد.”

پردیس ثابتی، نویسنده ی همکار مقاله گفت: ” یکی از نقاط قوت SHERLOCK ، توانایی شروع فرآیند تست، بدون انجام مقادیر زیادی از آزمایشات طاقت فرسا، زمانبر و پیچیده است.” از شیوع ویروس زیکا، ثابتی و اعضای آزمایشگاه وی در حال جمع آوری نمونه، ساخت سریع توالی ژنوم ها و به اشتراک گذاری داده های مربوطه به منظور شتاب بخشیدن به واکنش علیه شیوع بیماری بوده اند. ثابتی گفت: ” توانایی گرفتن نمونه های خام و شروع بلافاصله ی فرآیند آزمایش، میتواند تشخیص زیکا و تعداد بی شماری از بیماری های عفونی (واگیردار) را دگرگون کند.. البته این تنها آغاز راه است.”

 

بیشتر بخوانید:  ارتباط استرس و افسردگی با ناراحتی‌های کبدی

ترجمه و تالیف : سید محمد رضا گواهی وبسایت نوروسافاری

 

منبع گزارش خبری در وب سایت انستیتو Broad :

Scientists unveil CRISPR-based diagnostic platform

منبع مقاله خبری در وب سایت دانشگاه Harvard :

CRISPR in Neuroscience: How Precision Gene Editing May Unravel How the Brain Works

مرجع مقاله پژوهشی در ژورنال Science :

Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2

مقاله سال ۲۰۱۶ در ژورنال نچر:

Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection

مقاله سال ۲۰۱۶ در ژورنال ساینس:

Check Also

تعیین سطح هوشیاری با تصاویر رنگین‌کمانی/امضاء طیفی هوشیاری

نوروسافاری |  این تصاویر رنگی شاید ابزار تعیین هوشیاری افرادی باشند که به دلیل عدم …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *