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QPCR實驗室技術原理對比——染料法與探針法
2022-09-22

1992年,一位日本研究人員Higuchi提出了qPCR(Quantitative real-time PCR)技術——在PCR反應體系中加入熒光基團,利用熒光信號的變化來實時監(jiān)測PCR擴增反應中每一個循環(huán)擴增產(chǎn)物量的變化,通過CT值和標準曲線的分析對起始模板進行定量分析的一項技術。經(jīng)歷從研發(fā)到市場化,1996年,美國應用生物系統(tǒng)公司ABI推出了首臺qPCR儀。


目前,主要通過兩種方式對PCR產(chǎn)物進行標記跟蹤——熒光染料法與熒光探針法,既可以定量分析,也可以用來定性分析。

 qPCR染料法 

在PCR反應體系中,加入過量的SYBR Green I熒光染料,該染料只與雙鏈DNA小溝結合,并不與單鏈DNA鏈結合,且在游離狀態(tài)不發(fā)出熒光,只有摻入DNA雙鏈中才可以發(fā)光。因此,在PCR體系中,隨著特異性PCR產(chǎn)物的指數(shù)擴增,每個循環(huán)的延伸階段,染料摻入雙鏈DNA都會發(fā)出熒光,其熒光信號強度與PCR產(chǎn)物數(shù)量呈正相關。

qPCR染料法

每個模板的CT值與模板起始濃度的對數(shù)存在線性關系,起始濃度越多,CT值越小。利用已知起始濃度的標準品可做出標準曲線,其中縱坐標代表起始濃度的對數(shù),橫坐標代表CT值。根據(jù)待測標本進行熒光定量得出的CT值,即可從標準曲線上計算出該標本的起始濃度。

標準曲線

熔解曲線是為了驗證擴增產(chǎn)物特異性,如果熔解曲線是單峰(80~90℃之間)說明產(chǎn)物只有一條,結果較好;如果是雙峰(70~80℃、80~90℃之間均有峰),說明產(chǎn)物不特異,可能存在引物二聚體或非特異性擴增。

正常樣本熔解曲線


異常樣本熔解曲線

根據(jù)qPCR檢測系統(tǒng)所生成的數(shù)據(jù),結合標準曲線和熔解曲線,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理就可以得到起始模板濃度。

qPCR染料法特點

染料法經(jīng)濟實惠,但是由于染料只要是雙鏈DNA就會與之結合發(fā)光,特異性不強,需要做熔解曲線觀察其特異性。

在高通量測序實驗室中(以血液樣本為例),運用核酸提取試劑盒提取出基因組DNA,再將基因組DNA打斷、拼接、重組,制備出重塑的DNA模型即基因文庫。為了對建庫產(chǎn)物進行質量檢測,應用的就是qPCR熒光染料技術,該技術屬于相對定量方法。

 qPCR探針法 


在PCR反應體系中,包含一對引物和一個特異性熒光探針。該探針為一段特異性寡核苷酸序列,兩端分別標記了一個熒光報告基團和一個熒光淬滅基團。探針完整時,報告基團發(fā)射的熒光信號被淬滅基團吸收,不發(fā)出熒光。PCR擴增時,DNA聚合酶利用酶的外切活性將探針酶切降解,報告基團與淬滅基團分離,發(fā)出熒光。最終,被qPCR儀監(jiān)測信號并檢出。

 qPCR探針法

根據(jù)熒光定量檢測系統(tǒng)生成的擴增曲線,讀取標本CT值。根據(jù)結果判斷原則,對每一個標本進行準確的結果判讀。


熒光定量CT值


qPCR探針法特點

探針法只有在探針結合的片段才能收集信號,具有很好的特異性,但是合成探針成本較高。

目前,隨著新冠疫情趨勢的發(fā)展,國內(nèi)既要防控境外輸入,又要應對本土新增病例和無癥狀感染者。核酸檢測已成為診斷新冠病毒感染最可靠的一種方法。核酸檢測由于qPCR染料法不能特異性識別DNA片段,所以最好的技術是RT-qPCR探針法。


RT-qPCR:新冠核酸為RNA病毒,在PCR反應之前,需要將單鏈RNA轉cDNA,再進行qPCR反應。在實驗室當中,為了達到實驗簡單快速的目的,通常使用一步法,在PCR反應體系中,直接加入逆轉錄酶進行熒光定量PCR反應。這種方法是RT-PCR與qPCR的結合。

新冠病毒核酸檢測為定性實驗,只需要根據(jù)qPCR的CT值即得出位點檢出與否。目前,新冠病毒核酸檢測位點主要包括病毒基因組中3段保守基因序列,即開放讀碼框1ab(Open reading frame 1ab,ORF1ab)、 核 殼 蛋 白(Nucleocapsid protein,N)基因以及包膜蛋白(Envelop,E)基因作為檢測靶標。根據(jù)國家衛(wèi)健委發(fā)布的新型冠狀病毒感染的肺炎實驗室檢測技術指南(第二版),在實驗室要確認一個病例為陽性,需滿足同一份標本中新冠病毒的ORF1ab及N基因 2個靶標特異性實時熒光RT-PCR檢測結果均為陽性。


圖片來源:國家衛(wèi)健委官網(wǎng)


結果判斷原則

陰性:無Ct值或Ct值>40。

陽性:Ct值<37,可報告為陽性。

可疑:Ct值在37-40之間,建議重復實驗,若Ct值<40,擴增曲線有明顯起峰,該樣本判斷為陽性,否則為陰性。

目前,國內(nèi)PCR市場因為新冠疫情帶來巨大增量,行業(yè)景氣度上升。隨著疫情防控的發(fā)展,暴露出基層檢測能力不足的短板,衛(wèi)健委多次發(fā)布政策要求加強實驗室建設和增強核酸檢測能力。廣闊的市場需求和因技術快速迭代升級帶來應用范圍拓展及成本下降,以及伴隨而來的政府支持,PCR市場規(guī)??焖僭鲩L。PCR行業(yè)居于分子診斷黃金賽道,市場規(guī)模有望長期高增。雖然數(shù)字PCR已經(jīng)出現(xiàn),但目前在臨床應用上仍處于探索階段。所以,qPCR技術在未來分子診斷市場中仍然扮演重要角色。


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