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QPCR实验室技术原理对比——染料法与探针法
2022-09-22

1992年,一位日本研究人员Higuchi提出了qPCR(Quantitative real-time PCR)技术——在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号的变化来实时监测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物量的变化,通过CT值和标准曲线的分析对起始模板进行定量分析的一项技术。经历从研发到市场化,1996年,美国应用生物系统公司ABI推出了首台qPCR仪。


目前,主要通过两种方式对PCR产物进行标记跟踪——荧光染料法与荧光探针法,既可以定量分析,也可以用来定性分析。

 qPCR染料法 

在PCR反应体系中,加入过量的SYBR Green I荧光染料,该染料只与双链DNA小沟结合,并不与单链DNA链结合,且在游离状态不发出荧光,只有掺入DNA双链中才可以发光。因此,在PCR体系中,随着特异性PCR产物的指数扩增,每个循环的延伸阶段,染料掺入双链DNA都会发出荧光,其荧光信号强度与PCR产物数量呈正相关。

qPCR染料法

每个模板的CT值与模板起始浓度的对数存在线性关系,起始浓度越多,CT值越小。利用已知起始浓度的标准品可做出标准曲线,其中纵坐标代表起始浓度的对数,横坐标代表CT值。根据待测标本进行荧光定量得出的CT值,即可从标准曲线上计算出该标本的起始浓度。

标准曲线

熔解曲线是为了验证扩增产物特异性,如果熔解曲线是单峰(80~90℃之间)说明产物只有一条,结果较好;如果是双峰(70~80℃、80~90℃之间均有峰),说明产物不特异,可能存在引物二聚体或非特异性扩增。

正常样本熔解曲线


异常样本熔解曲线

根据qPCR检测系统所生成的数据,结合标准曲线和熔解曲线,经过数据处理就可以得到起始模板浓度。

qPCR染料法特点

染料法经济实惠,但是由于染料只要是双链DNA就会与之结合发光,特异性不强,需要做熔解曲线观察其特异性。

在高通量测序实验室中(以血液样本为例),运用核酸提取试剂盒提取出基因组DNA,再将基因组DNA打断、拼接、重组,制备出重塑的DNA模型即基因文库。为了对建库产物进行质量检测,应用的就是qPCR荧光染料技术,该技术属于相对定量方法。

 qPCR探针法 


在PCR反应体系中,包含一对引物和一个特异性荧光探针。该探针为一段特异性寡核苷酸序列,两端分别标记了一个荧光报告基团和一个荧光淬灭基团。探针完整时,报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收,不发出荧光。PCR扩增时,DNA聚合酶利用酶的外切活性将探针酶切降解,报告基团与淬灭基团分离,发出荧光。最终,被qPCR仪监测信号并检出。

 qPCR探针法

根据荧光定量检测系统生成的扩增曲线,读取标本CT值。根据结果判断原则,对每一个标本进行准确的结果判读。


荧光定量CT值


qPCR探针法特点

探针法只有在探针结合的片段才能收集信号,具有很好的特异性,但是合成探针成本较高。

目前,随着新冠疫情趋势的发展,国内既要防控境外输入,又要应对本土新增病例和无症状感染者。核酸检测已成为诊断新冠病毒感染最可靠的一种方法。核酸检测由于qPCR染料法不能特异性识别DNA片段,所以最好的技术是RT-qPCR探针法。


RT-qPCR:新冠核酸为RNA病毒,在PCR反应之前,需要将单链RNA转cDNA,再进行qPCR反应。在实验室当中,为了达到实验简单快速的目的,通常使用一步法,在PCR反应体系中,直接加入逆转录酶进行荧光定量PCR反应。这种方法是RT-PCR与qPCR的结合。

新冠病毒核酸检测为定性实验,只需要根据qPCR的CT值即得出位点检出与否。目前,新冠病毒核酸检测位点主要包括病毒基因组中3段保守基因序列,即开放读码框1ab(Open reading frame 1ab,ORF1ab)、 核 壳 蛋 白(Nucleocapsid protein,N)基因以及包膜蛋白(Envelop,E)基因作为检测靶标。根据国家卫健委发布的新型冠状病毒感染的肺炎实验室检测技术指南(第二版),在实验室要确认一个病例为阳性,需满足同一份标本中新冠病毒的ORF1ab及N基因 2个靶标特异性实时荧光RT-PCR检测结果均为阳性。


图片来源:国家卫健委官网


结果判断原则

阴性:无Ct值或Ct值>40。

阳性:Ct值<37,可报告为阳性。

可疑:Ct值在37-40之间,建议重复实验,若Ct值<40,扩增曲线有明显起峰,该样本判断为阳性,否则为阴性。

目前,国内PCR市场因为新冠疫情带来巨大增量,行业景气度上升。随着疫情防控的发展,暴露出基层检测能力不足的短板,卫健委多次发布政策要求加强实验室建设和增强核酸检测能力。广阔的市场需求和因技术快速迭代升级带来应用范围拓展及成本下降,以及伴随而来的政府支持,PCR市场规模快速增长。PCR行业居于分子诊断黄金赛道,市场规模有望长期高增。虽然数字PCR已经出现,但目前在临床应用上仍处于探索阶段。所以,qPCR技术在未来分子诊断市场中仍然扮演重要角色。


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