Xét nghiệm Covid-19 trên diện rộng, giúp chấm dứt đại dịch

Vào tháng ba, khi dịch coronavirus bắt đầu lan rộng ở Thái Lan, ba bệnh viện ở Bangkok tuyên bố ngưng xét nghiệm virus vì hết thuốc thử. Ngay lúc đó, các nhà nghiên cứu Thái Lan đã phải vội vã lao vào nghiên cứu để giúp các phòng thí nghiệm lâm sàng của đất nước này đáp ứng đủ nhu cầu.

Thu mẫu xét nghiệm. Ảnh: Xavier Galiana/AFP/ Getty.

Nhằm tìm kiếm các xét nghiệm giá cả phải chăng và dễ sử dụng, nhà sinh học Chayasith Uttamapinant, tại Viện Khoa học và Công nghệ Vidyasirimedhi ở Rayong đã liên hệ Feng Zhang – nhà nghiên cứu đồng tác giả của phương pháp chỉnh sửa gene CRISPR – hiện nay đang phát triển một thử nghiệm cho coronavirus dựa trên công nghệ chỉnh sửa gene.

Trong vài ngày, Uttamapinant đã nhận được bộ kit từ phòng thí nghiệm của Zhang tại Viện MIT và Harvard ở Cambridge, Massachusetts và thử chúng trên các mẫu được lấy từ một bệnh viện ở Bangkok. Uttamapinant nói:“Bộ kit này khá rẻ và hoạt động tốt, hy vọng sẽ được chấp thuận cho thử nghiệm lâm sàng vào cuối năm nay”. Ông đã hợp tác với các nhà sinh hóa ở Thái Lan để sản xuất thuốc thử tại chỗ, với sự giúp sức của Zhang. Uttamapinant cho biết: “nỗ lực sản xuất thuốc thử ngay tại địa phương này có tác động bền vững đến việc theo dõi và chẩn đoán bệnh truyền nhiễm ở khu vực này”.

Các nhà dịch tễ học cho biết, thử nghiệm hàng loạt cho SARS-CoV-2, với yêu cầu hàng triệu xét nghiệm mỗi tuần trên mỗi quốc gia là cách thiết thực nhất để thoát khỏi cuộc khủng hoảng hiện nay. Nó cho phép chính phủ cách ly những người xét nghiệm dương tính, hạn chế sự lây lan của bệnh và giúp xác định thời điểm an toàn để giảm cách li xã hội.

Điều chỉnh “tiêu chuẩn Vàng” PCR

Các quốc gia đang vật lộn để tăng cường các xét nghiệm. Xét nghiệm tiêu chuẩn vàng để phát hiện SARS-CoV-2 dựa trên kỹ thuật gọi là Phản ứng tổng hợp chuỗi thời gian thực, hay RT-PCR đòi hỏi nhân viên được đào tạo, vật tư, hóa chất, dụng cụ đắt tiền, mất hàng giờ để cung cấp kết quả và thường chỉ có sẵn trong các phòng thí nghiệm hiện đại. Điều này giới hạn số lượng thử nghiệm có thể được thực hiện, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Ngay cả ở những nước giàu có như Hoa Kỳ cũng thiếu hụt các bộ kit xét nghiệm và các vật liệu cần thiết nghiêm trọng do các vấn đề về chuỗi cung ứng - từ tăm bông mũi họng đến thuốc thử.

Do đó, các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang xây dựng các phương pháp xét nghiệm khác: một số phương pháp điều chỉnh RT-PCR giúp xét nghiệm kiểu này nhanh hơn hoặc dễ sử dụng hơn; sử dụng công cụ chỉnh sửa gene CRISPR để tìm ra các đoạn mã di truyền của SARS-CoV-2; một số xác định virus bằng cách sử dụng các protein nằm trên bề mặt của nó. Có phương pháp, chẳng hạn như của Zhang, đang được kiểm chứng bằng cách sử dụng các mẫu lâm sàng. Vào tháng tư, Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ đã dành 1,5 tỷ USD để phát triển các xét nghiệm coronavirus, với mục đích có thể đáp ứng hàng triệu xét nghiệm mỗi tuần vào cuối mùa hè này. Zhang nói:“Chúng ta phát triển nhiều giải pháp càng sớm thì cuộc sống càng nhanh chóng trở lại bình thường”.

Theo nhà hóa sinh tại Đại học Rochester, New York Clark O’Connell, cách hứa hẹn nhất để thực hiện một số lượng lớn các thử nghiệm là sử dụng đa dạng các phương pháp dựa trên các công cụ và chuỗi cung ứng khác nhau để đáp ứng nhu cầu gia tăng đột biến trên toàn thế giới. Nếu các thử nghiệm đó đã sẵn sàng, đó sẽ là tin tốt cho đại dịch hiện tại hay những đợt bùng phát trong tương lai. Còn nếu các thử nghiệm đang trong quá trình phát triển, nó có thể dễ dàng thích nghi hay đáp ứng với mầm bệnh mới, sau khi trình tự di truyền của chúng được giải mã. Eckerle nói: “Mặc dù phương án lý tưởng nhất – là xét nghiệm nhanh chóng, hiệu quả, rẻ tiền, dễ sử dụng và dễ mở rộng sản xuất thì hiện tại chưa có, nhưng nhiều thảo luận sẽ tìm được phương pháp hữu ích”.

Ngoài PCR

Các xét nghiệm coronavirus thuộc hai loại chính: 1) những xét nghiệm phát hiện vật liệu di truyền từ virus hoặc các phân tử trên bề mặt của nó - được sử dụng để chẩn đoán liệu một người có bị nhiễm virus hay không; hoặc 2) xét nghiệm tìm kháng thể - cũng là dấu hiệu cho thấy bệnh nhân đã bị nhiễm bệnh và đã phát triển một phản ứng miễn dịch với virus. Mặc dù vậy, xét nghiệm kháng thể có giới hạn: nếu một người được xét nghiệm sớm trong quá trình nhiễm trùng, khi phản ứng miễn dịch của họ vẫn đang hình thành, thì có thể không phát hiện ra kháng thể.

Cho nên phương án một vẫn được ưu tiên, và xét nghiệm bằng RT-PCR là tiêu chuẩn vàng để phát hiện bệnh. Cách thực hiện xét nghiệm này: bác sĩ lấy một mẫu lấy từ tế bào hay chất lỏng trong mũi hoặc cổ họng của người để tìm chuỗi di truyền cụ thể từ SARS-CoV-2. Nếu trình tự di truyền của virus được tìm thấy, kỹ thuật này sẽ khuếch đại nó đến mức có thể được phát hiện. Đầu tiên, RNA virus được chuyển đổi thành DNA.

Sau đó, các chuỗi ngắn được gọi là mồi bám lên các vị trí bổ sung với nó, kết hợp với các nucleotit để giúp nhân đôi chuỗi lên hàng triệu lần, quy trình thay đổi nhiệt độ nóng và lạnh nhiều lần và lặp lại (chu trình nhiệt). Sự khuếch đại này dễ dàng phát hiện số lượng virus cực nhỏ, với chỉ một phân tử RNA trên mỗi microlit. Các mồi có thể gắn nhãn vào các chuỗi DNA được khuếch đại. Chúng giải phóng tín hiệu huỳnh quang được đo bằng máy tính, đánh dấu sự hiện diện của virus. Các xét nghiệm RT-PCR tiêu chuẩn đối với coronavirus mất từ ​​một đến bốn giờ và có thể chính xác tới 100%.

Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm cách giảm thời gian xét nghiệm, chẳng hạn như bằng cách khuếch đại DNA ở nhiệt độ không đổi, giúp loại bỏ sự cần thiết các bước làm nóng và làm lạnh. Một số thử nghiệm dựa trên một kỹ thuật gọi là khuếch đại đẳng nhiệt thông qua cấu trúc vòng hay móc (loop) (LAMP). LAMP dựa vào hai enzyme - một để chuyển RNA virus thành DNA và một enzyme khác để sao chép DNA - cũng như một bộ gồm bốn đến sáu đoạn mồi ngắn được thiết kế để phát hiện các đoạn khác nhau của bộ gene virus. Những đoạn này không chỉ giúp bắt đầu sao chép như trong RT-PCR, mà còn cho phép các chuỗi DNA mới được sao chép tạo thành các cấu trúc vòng có thể được khuếch đại nhanh hơn nhiều so với PCR tiêu chuẩn. Tuy nhiên, nó kém chính xác hơn và chỉ có thể chạy vài chục mẫu cùng lúc.

Bởi vì kỹ thuật này không cần thiết bị hay dụng cụ đặc biệt, nên có thể được sử dụng trong những khu vực thiếu thiết bị tiên tiến, bao gồm cả vùng sâu vùng xa và trại tị nạn, Vicent Pelechano, chuyên gia về gene của Viện Karolinska ở Stockholm, người đồng phát triển xét nghiệm dựa trên LAMP cho SARS-CoV-2 nói. “Tất cả những gì bạn cần là một ống nghiệm chứa các mồi, pipet, bếp hâm và một nồi nước”, ông nói. “Một xét nghiệm đơn không tính công lao động sẽ có giá khoảng 1 USD”.

Trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm dựa trên LAMP của Pelechano và đồng nghiệp có thể phát hiện ít nhất 10 bản sao bộ gene SARS-CoV-2 trong không quá 40 phút. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm bằng cách sử dụng các mẫu từ 248 người bị nhiễm coronavirus đã được xác nhận và kết quả là nó có thể phát hiện virus với độ chính xác ở mức gần 90%. Pelechano cũng cho biết rằng xét nghiệm có thể kém chính xác hơn đối với một số mẫu, chẳng hạn như những mẫu bị nhiễm máu.

Nhưng dù nó không tuyệt đối chính xác thì vẫn rất cần thiết ở một số nơi, “các quốc gia thu nhập thấp và các khu vực bị chiến tranh tàn phá không có đủ máy PCR để thực hiện xét nghiệm chẩn đoán chuẩn cho coronavirus”, Nabil Karah, nhà vi sinh học lâm sàng tại Đại học Umeå ở Thụy Điển cho biết. Karah đang làm việc với các nhà khoa học khác và với nhóm của Pelechano để mang xét nghiệm dựa trên LAMP của họ đến Syria hỗ trợ các địa phương tăng năng lực xét nghiệm.

Đẩy mạnh các xét nghiệm dựa vào CRISPR

Đầu tháng ba, khi các nhà khoa học vật lộn để theo kịp sự lây lan của coronavirus trên khắp Hoa Kỳ, kỹ sư hóa học Howard Salis nảy ra một ý tưởng, thứ đã cách mạng hóa tốc độ nghiên cứu bộ gene. Khoảng ba tuần sau, nhóm các nhà sinh học tổng hợp của Salis tại Đại học bang Pennsylvania ở University Park đã tìm ra cách kiểm tra mẫu từ gần 20.000 người trong một lần chạy .

Phương pháp của họ thêm các ‘mã vạch phân tử’ riêng lẻ vào các mẫu lâm sàng trước khi gộp chúng và sử dụng máy giải trình tự thế hệ mới để xử lý tất cả chúng cùng một lúc. Các mã vạch sau đó cho phép các nhà nghiên cứu xác định xem mẫu nào có kết quả xét nghiệm dương tính. Các nhóm khác cũng đã công bố chi tiết về các phương pháp thử nghiệm hàng loạt tương tự, bao gồm công ty khởi nghiệp công nghệ sinh học Octant ở Emeryville, California và các nhà nghiên cứu tại Viện Broad.

Các nhà nghiên cứu ước tính rằng các xét nghiệm như trên có thể được sử dụng để phân tích tới 100.000 mẫu trong một lần chạy. Trong khi, một máy PCR tiêu chuẩn có thể kiểm tra chỉ hàng chục hoặc hàng trăm mẫu cùng một lúc. Nhưng các thử nghiệm giải trình tự này mất rất nhiều thời gian - ít nhất 12 giờ - và yêu cầu các thiết bị chuyên dụng trong các phòng thí nghiệm tập trung. Việc một cơ sở nhận hàng triệu lượt mẫu gửi về không phải là chuyện nhỏ.

Một cách tiếp cận khác là phát triển các thử nghiệm có thể sử dụng mọi lúc mọi nơi. Ít nhất hai đội đang tận dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR cho ý tưởng này. Ví dụ, các nhà nghiên cứu do Zhang dẫn đầu đã phát triển một xét nghiệm coronavirus có thể thực hiện trên một ống nghiệm trong khoảng một giờ. Nhưng nó vẫn yêu cầu làm nóng mẫu đến khoảng 65°C và nó không nhạy như xét nghiệm dựa trên PCR. “Không sao, vì nó dễ sử dụng hơn nhiều”, Zhang nói. Khi xét nghiệm nhiều lần trên 12 mẫu bệnh phẩm từ người bị nhiễm virus corona, xét nghiệm này đã phát hiện virus gần như mọi lúc.

Thử nghiệm được xây dựng dựa trên cách tiếp cận mà Zhang đồng phát triển vào năm 2017, được gọi là SHERLOCK. Nó dựa trên khả năng của CRISPR để xử lý các trình tự di truyền cụ thể. Các nhà nghiên cứu lập trình một phân tử hướng dẫn để bám vào một đoạn đặc biệt của bộ gene SARS-CoV-2. Nếu phân tử dẫn hướng này tìm thấy sự trùng khớp, một enzyme tạo ra tín hiệu có thể được phát hiện dưới dạng huỳnh quang hoặc là một dải tối trên que nhúng. Vào ngày 6/5, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã cho phép dùng thử nghiệm coronavirus SHERLOCK như một biện pháp khẩn cấp. Thử nghiệm được thực hiện bởi công ty công nghệ sinh học Sherlock BioScatics ở Cambridge, Massachusetts (trong đó Zhang là đồng sáng lập), và công ty đã hợp tác với một nhà sản xuất để sản xuất hàng loạt.

Guozhen Liu, một nhà nghiên cứu sinh học tại Đại học New South Wales ở Sydney, Australia, nói rằng các công nghệ như CRISPR có thể là nhân tố “thay đổi cuộc chơi” trong đại dịch hiện nay. Chúng sử dụng các thuốc thử khác nhau từ các xét nghiệm dựa trên RT-PCR. Điều này rất hữu ích, trong bối cảnh thiếu nguồn cung cấp hóa chất cho các xét nghiệm tiêu chuẩn như hiện nay, và chúng có thể được thiết kế để nhắm mục tiêu bất kỳ mầm bệnh nào. Ví dụ, một nhóm do nhà sinh học tính toán Pardis Sabeti tại Viện Broad tạo ra “chip” cao su có kích thước bằng một chiếc điện thoại thông minh có thể phát hiện 1.000 mẫu cho một loại virus, hoặc 5 mẫu cho một bảng gồm 169 loại virus được biết là lây nhiễm cho con người.

Kháng nguyên bề mặt

Một cách tiếp cận khác là tìm kiếm các phân tử nằm trên bề mặt của virus, thay vì cố gắng phát hiện vật liệu di truyền của chúng. Một xét nghiệm như vậy sẽ chứa một kháng thể được điều chỉnh để liên kết với một loại protein hoặc kháng nguyên cụ thể - tương tự như công nghệ que thử thai tại nhà. Sản xuất những xét nghiệm này ít tốn kém và thực hiện đơn giản, đã từng được sử dụng để phát hiện cúm. Nhưng xét nghiệm kháng nguyên không chứa bước khuếch đại giống như cách xét nghiệm vật liệu di truyền của virus, vì vậy chúng ít nhạy hơn.

Vào ngày 8/5, FDA đã cấp giấy phép sử dụng khẩn cấp đầu tiên cho xét nghiệm kháng nguyên coronavirus nhắm vào protein nucleocapsid trên bề mặt của virus. Nhà nghiên cứu sinh học tính toán An-Suei Yang thuộc Academia Sinica ở Đài Bắc, người đã phát triển xét nghiệm tương tự, cho kết quả trong vòng 20 phút. Nhóm của Yang đã sử dụng AI để xác định các kháng thể có thể liên kết với protein trên bề mặt coronavirus. Yang cho biết, các nhà nghiên cứu chưa thử nghiệm nó trên các mẫu coronavirus từ những người bị nhiễm bệnh.

Ngay cả khi một xét nghiệm đang hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm, nó vẫn phải đối mặt với một hành trình gian khổ để có thể sử dụng hàng loạt. Thách thức đầu tiên là xác minh hiệu suất, bởi vì chất lượng có thể khác nhau. Catharina Boehme, giám đốc điều hành của Quỹ chẩn đoán sáng tạo mới (FIND), một nhóm phi lợi nhuận ở Geneva đang hợp tác với Tổ chức Y tế Thế giới và Bệnh viện Đại học Geneva để đánh giá hàng trăm lựa chọn về các xét nghiệm SARS-CoV-2. Hầu hết các xét nghiệm dựa trên RT-PCR mà FIND đã đánh giá cũng giống như tiêu chuẩn vàng ban đầu, trong khi xét nghiệm kháng nguyên cho đến nay không đạt được kỳ vọng, Boehme nói.

Một trở ngại khác là vấn đề sản xuất các xét nghiệm trên quy mô lớn. Với sự hạn chế này, Boehme nghĩ rằng các xét nghiệm mới này khó được triển khai trước cuối năm nay. Nhưng một khi sẵn sàng các phương pháp này có thể được sử dụng cùng với RT-PCR để đưa các quốc gia đến gần mục tiêu hàng triệu thử nghiệm mỗi tuần. Điều này giúp thế giới chuẩn bị cho đại dịch tiếp theo.

Nguồn: Khoa học & Phát triển