《中国医学前沿杂志(电子版)》2016年第8卷第11期 ・综述・15 DOl:10.12037/YXQY.2016.11-05 微滴式数字PCR技术进展 王琦,范颖(首都医科大学附属北京地坛医院肝病中心,北京 100015) 1985年,美国科学家Kary Mullis发明了聚合 2技术发展历史 酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)。PCR 1999年,美国约翰・霍普金斯大学Ludwig中 是现代生命科学研究中最常规的实验方法之一,其 心的Kinzler和Vogelstein等口 通过纯手工操作将 发展经历了3个主要阶段:①操作烦琐、只适用 直肠癌患者粪便样品基因组DNA稀释并等分至 于定性研究的琼脂糖电泳PCR;②实时荧光定量 384孔微量滴定板的各个孔中,然后通过PCR扩 PCR,也是目前应用最广泛的PCR技术;③数字 增,结果在超过100个孔中发现了基因组DNA, PCR(digital PCR,dPCR),属于第3代PCR,最 其中4个显示出KAS基因突变。这一研究被认为 早出现于1999年,目前正逐渐被广大科研工作者 是dPCR理念的开端之作。此后,研究人员开始从 熟知与接受。本文将从dPCR的原理、发展及应用 操作简化及检测便捷等方面对系统进行了优化,并 等角度进行综述。 开发出了下列3种样品分散模式: 1技术核心原理 (1)磁珠模式:主要包括以96孔板、384孔 dPCR核心原理如下:将含有核酸分子的反应 板甚至1536孔板作为分散反应的载体模式,以及 体系处理为纳升级的微滴,使每个微滴含或不含待 利用“小珠、乳浊液、扩增、磁性”为主要操作流 检靶分子,且每个微滴都作为一个的PCR反 程的磁珠乳液扩增法(Beads,Emulsion,Amplif- 应器,经PCR扩增后采用微滴阅读仪逐个对微滴 ication,Magnetics,BEAMing)。但上述两种方法 进行检测,并以终点信号的有或无作为判断标准(有 无论在分散程度和数据群体的体量方面均无法达到 荧光信号的微滴判读为“1”,无荧光信号的微滴判 更加精细的要求。 读为“0”)。最后,根据泊松分布原理及阳性微滴 (2)微滴模式:微滴模式是随着纳米制造技术 的比例,利用分析软件计算待检靶分子的浓度或拷 (nanofabrication)、微流体技术(microfluidics),特 贝数, 从而获得最终结果。 别是二代测序技术发展起来的新模式,因此dPCR 域值循环数(cycle threshold,Ct)是实时荧 通常也被称为“微滴式数字PCR(droplet digatil 光定量PCR的重要概念,是指每个反应管内的荧 PCR,ddPCR)”。 光信号到达设定的域值时所经历的循环数。对实时 QuantaLife公司最早开发了ddPCR平台。2011年, 荧光定量PCR和dPCR的原理进行比较后可以发 Bio.Rad公司收购了QuantaLife公司后更名为QXIO0 TM 现,dPCR通过统计学原理直接给出靶序列的起始 微滴式数字PCR仪【3]。2013年,升级为QX200。 浓度,其结果不再依赖于Ct值[1],可以避免实时 2012年,RainDance公司推出了Raindrop型号设备, 荧光定量PCR在低拷贝靶分子、细微模板浓度差 这一设备可以将每个标准反应体系分割为包含100 异中灵敏度和精确度相对较差的缺陷。 万至1000万个皮升级别微滴的反应乳液,从而获 基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(81500439);首都医科大学基础.临床科研合作基金(15JL80) 通讯作者:范颖E-mail:wofy55@163.corn f 16・综述・ 《中国医学前沿杂志(电子版)》2016年第8卷第11期 得超高的微滴数目。 开展了一项研究,证实非小细胞肺癌EGFR.TKI 耐药患者ctDNA中的EGFR T790M突变是一种不 良结局的预测因子¨3】。Isobe等㈣也证实,通过 dPCR可以高效检出肺腺癌患者癌组织、复发肿瘤 组织以及血清游离DNA中的T790M突变,且复 发灶T790M突变阳性患者原发灶突变频率远高于 阴性患者。 (3)芯片模式:1997年,Kalinina等_4 应用纳 升级芯片进行了单克隆模板PCR扩增。2013年,Life Technologies公司推出了最新型号的QuantStudioTM 3D数字PCR系统。该系统可以使样本均匀分配至 2万个完全单独隔离的反应孔中,能够在尽可能简 化操作步骤的同时有效防止交叉污染,并有效避免 了微滴式系统可能面临的管路堵塞问题『5]。 Reid等『1q采用dPCR研究了恶性黑素瘤患者 3数字PCR的主要应用 ddPCR具有诸多优点l6],近年关于以ddPCR 为核心技术平台的报道越来越多,本文将对其中几 个主要领域的应用情况进行介绍。 3.1 突变位点检测(mutation detection) 随着个 体化治疗理念的深入推进,突变基因检测及突变 位点癌细胞比例分析越来越受到个体化治疗研究 人员的重视和关注。研究表明,循环肿瘤DNA (circulating tumor DNA,ctDNA)是实体瘤治疗效 果和预后评估的重要监测指标之一,而高筛查能 力、多分子检测则是ctDNA应用于临床需要迫切 解决的关键技术问题 。2013年,Hindson等 在Nature Method发表文章,首次将ddPCR和实 时荧光定量PCR在分析微小RNA(miRNA)表达 水平的重复性进行了系统的统计学比较,证明了 ddPCR技术可于不同情况下准确、可重复性地定 量检测血浆和血清miRNAs,并为miRNAs及其他 核酸用于循环生物标志物的检测提供了更多依据。 表皮生长因子受体(epidermal growth factor rec. eptor,EGFR)的T790M突变被认为是EGFR.酪氨 酸激酶抑制剂(tyrosinekinas inhibitor,TKI)耐药 性产生的重要原因。吉非替尼(如易瑞沙)和厄洛 替尼(如Tarceva)是TKI的典型代表。多项研究 表明,ddPCR在EGFR相关突变检测方面具有显著 优势[10-13]。Watanabe等 “ 利用dPCR建立了一种具 有超高检测敏感性的EGFR突变检测方法。Oxnard 等[ 1对9例接受厄洛替尼一线治疗的非小细胞肺 癌患者的血浆ctDNA进行了检测,结果显示,6 例患者中检出T790M突变;随着治疗周期的延长, 突变浓度呈递增趋势,且在时间上较影像学确认 的肿瘤恶化提前了16周。Zheng等[1 利用ddPCR 循环肿瘤细胞中BRAF基因 D 和V6OOK突变, 结果表明,dPCR在灵敏度上高出实时荧光定量 PCR 200倍,检测下限为0.0005%,表明dPCR高 灵敏度检测的强大优势。 伊马替尼是一种BCR.ABL酪氨酸激酶抑制剂, 可用于BCR-ABL阳性慢性粒细胞白血病的分子靶 向治疗。Mori等 研究发现,利用dPCR可以非 常有效地预测伊马替尼治疗慢性粒细胞白血病的复 发率。 3.2基因表达分析长期以来,如何对多等位基 因拷贝数变异(multi.allelic copy number variation, mCNV)进行准确的遗传学分析是困扰科研人员的 难题之一。2015年,Nature Genetics报道了Hand— saker等【1踟在这一领域的突破性进展,他们通过 全基因组测序和ddPCR证实,人与人之间90%己 观察到的基因拷贝数差异均属于mCNV。这一研 究也从技术层面证实,ddPCR是一个非常有效的、 可用于mCNV精确分析的技术平台。 因样本中含有大量PCR反应的抑制物及无 法找到合适的定量标准物质等原因,石蜡包埋组 织、血液、粪便、食品、土壤等样本的基因分析往 往较困难。而dPCR可以完美解决上述问题[19-2t1。 Dingle等 系统比较了十二烷基硫酸钠(sodium dodcyl sulfate sodium salt,SDS)、乙二胺四乙酸二 钠及肝素等常见PCR抑制物对ddPCR和实时荧光 定量PCR的影响,结果显示,ddPCR对SDS和肝 素的耐受程度远高于实时荧光定量PCR。姜羽等[2 、 Witwer等 、Morisset等[251研究均证实,ddPCR 的灵敏度、重复性均优于实时荧光定量PCR,具 有实时荧光定量PCR无可比拟的优势。 Ferracin等 利用Bio Rad公司的QX200TMddPCR 《中国医学前沿杂志(电子版)》2016年第8卷第11期 ・综述・17 系统,确定了多种癌症患者的血浆和血清样本中关 键miRNA分子的绝对水平,他们通过比较癌症患 者和健康个体的数据证实miR-181a.5p有望成为乳 腺癌的标志物。 3_3 高通量测序结果的验证与深入 高通量测序 技术与ddPCR的联合表现在下述两方面: (1)高通量测序技术中样品制备流程和针对低 含量核酸分子的成单分子测序对ddPCR系统革新 具有重要的推动作用,这也是ddPCR技术不断创 新发展的重要基础。 (2)数据量大、可拓展性强是高通量测序的主 要特点,但这也造成后续结果分析困难、验证难度 大以及假阳性率高的缺陷。dPCR对二代测序结果 的高性能验证和分析可以为后续研究的准确性奠定 坚实基础。BoeRger等 首先通过高通量测序技 术对人17号染色体的17q2l_31区域进行了深入分 析,之后采用dPCR对结果进行了大样本量的验证, 结果显示,dPCR的结果与高通量测序数据高度吻 合,相关性>99%。目前,dPCR与高通量测序、“阵 列”联用来进行CNV位点发现及确认已经逐步成 为一种标准化流程【3]。 3.4病原学研究ddPCR由于其绝对定量的特点 在病毒的核酸检测中也有很好的应用前景。 “功能性治愈”是人类免疫缺陷病毒/艾滋病 (HIV/AIDS)领域非常重要的临床概念。2013年, Richman等报道了一项具有里程碑意义的研究成果: HIV感染患儿出生3O小时后便开始接受组合式抗 逆转录病毒治疗,29天后患儿HIV常规检测结果 呈阴性;随后,应用dPCR技术分别于出生后第 24个月和第26个月对患儿血液中HIV RNA水平 进行了反复检测,结果仅能发现部分HIV RNA片 段,未检测到具有复制能力的HIV。在该项研究中, dPCR发挥了关键作用。目前,dPCR应用于HIV 相关核酸检测的报道越来越多,重点应用的仍然是 其灵敏度和绝对定量两方面[28-30]。 乙型肝炎病毒(hepatitiS B virus,HBV)慢性 感染是导致原发性肝癌发生的重要原因。HBV共 价闭合环状DNA(covalently closed circular DNA, cccDNA)仅存在于被感染的肝细胞核内,拷贝数 极低,被认为是HBV感染慢性化及抗病毒治疗停 止后复发的最主要原因,也是目前HBV药物研究 的核心靶点之一。2015年,Mu等p 采用基于绝 对定量的dPCR对HBV cccDNA进行了检测,结 果发现,dPCR的检测灵敏度可达单拷贝水平;基 于dPCR的核酸检测能够对HBV cccDNA实现灵 敏并精确的定量。此外,由于HBV表面抗原突变 和低病毒载量等原因,原发性肝癌组织标本中的 HBV相关研究较为困难。Huang等[3 利用dPCR 检测了固定后石蜡包埋的肝癌组织标本 中的HBV特征,结果证实,dPCR能够高效地检 出此类标本中的HBV cccDNA,其线性范围良好, 具有很好的研究示范价值。 魏飞力等[3 评价了dPCR在HCV RNA定量 检测中的应用价值,特别是其对低拷贝HCV RNA 的定量检测能力,结果提示,dPCR在线性范围、 精密度、准确度和检测灵敏度方面均表现良好。目 前临床检测中的HCV RNA定量试剂可以直接应用 于dPCR中,但其检测结果,特别是极低检测下限 在临床中的实际应用价值尚需进一步研究。 3.5 无创产前诊断 无创DNA产前检测(non— invasive prenatal testing,NIPT)是一项非常具有应 用前景,但目前仍处于尝试阶段的产科诊断平台。 通常所谓的DNA产前检测技术是指通过高通量测 序技术对母体外周血浆中的游离胎儿DNA(cell—free fetal DNA,cfmNA)进行测序,再通过测序结果 的生物信息分析获得胎儿遗传信息的方法。一般认 为,cffDNA是胎盘细胞凋亡的结果,最早可在妊 娠5周时检测到,其浓度随着孕周增加而增加[3 。 由于cffDNA数量极少,能够在多少拷贝的 水平顺利实现DNA或RNA分子稳定检出是影响 其临床应用前景的关键性技术问题。传统的基因 组DNA大多采用商品化的核酸提取试剂盒进行。 2013年,Holmberg等口 比较了konni Biosystems 公司的TruTip核酸提取技术和QIAGEN公司的 Circulating Nucleic Acids试剂盒对于cffDNA提 取的效果,结果显示,TruTip试剂盒对片段化的 cffDNA提取率较QIAGENO试剂盒提高了约87%, 且定量PCR结果与ddPCR结果相关性良好。这一 18・综述・ 《中国医学前沿杂志(电子版)》2016年第8卷第11期 结果也为ddPCR用于产前诊断提供了成功的范例。 目前,还有更多的类似研究和应用正在开展_3 。 位于5q13的SMN1基因和SMN2基因是脊髓 性肌萎缩(spinal muscular atrophy,SMA)的致病 基因,其中SMN2基因拷贝数的准确检测是SMA 诊断的重要依据内容。Zhong等 首先成功应用 dPCR技术对SMA样本进行了SMN2基因拷贝数 的检测。Stabley等【3踟也利用dPCR技术开展了针 对SMN1和SMN2基因拷贝数的精确检测,结果提 示,该技术可以精确检测0~3拷贝的SMN1基因 和0~5拷贝的SMN2基因,且变异系数分别仅 为1.6~3.7%和2.1~2.7%,其检测下限和变异 度均远低于实时荧光定量PCR技术。Tsui等『3 9]应 用dPCR和相对突变剂量方法对血友病关键致病基 因F8基因或F9基因杂合性突变携带孕妇进行了 研究,结果提示,dPCR在以血友病为代表的x一 连锁遗传性疾病检测中具有非常好的检测性能。此 外,dPCR在镰状细胞性贫血和22q11.2微缺失综 合征等疾病诊断方面的研究尚在不断开展和深入过 程中。 dPCR作为一项新的技术,还有许多问题需要 进一步探讨,包括技术本身以及应用方面。相信随 着应用的深入,ddPCR技术一定会以更好的性能 在生命科学领域发挥更多、更好的作用。 参考文献 [1] Wa ̄en RM,Gey van Pittius NC,Bamard M,et a1.Differe— ntiation of Mycobacterium tuberculosis complex by PCR ampliifcation of genomic regions of diference[J].Int J Tuberc Lung Dis,2006,10(7):8I8—822. 【2] Vogelstein B,Kinzler KW.Digital PCR[J].Proc Natl Acad Sci u s A,1999,96(16):9236—9241. 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