1. 定義
數(shù)字PCR(Digital PCR) 是一種基于單分子擴(kuò)增的核酸絕對(duì)定量技術(shù),無需依賴標(biāo)準(zhǔn)曲線,通過將反應(yīng)體系分割成數(shù)萬至數(shù)百萬個(gè)獨(dú)立微單元,實(shí)現(xiàn)靶基因的“有/無”二元判定,最終通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算目標(biāo)分子拷貝數(shù)。
核心設(shè)備:數(shù)字PCR分析儀(包括微滴生成儀、PCR擴(kuò)增儀、微滴讀取儀三部分)。
2. 技術(shù)原理
工作流程
樣本分割:
微滴式(ddPCR):油包水微滴(如Bio-Rad QX200)。
芯片式(cdPCR):微流控芯片分艙(如Thermo Fisher QuantStudio? 3D)。
將含有核酸模板的PCR反應(yīng)體系(含熒光探針/染料)分割至大量獨(dú)立微單元(微滴或微孔)。
主流分割技術(shù):
PCR擴(kuò)增:
微單元在傳統(tǒng)PCR儀中進(jìn)行熱循環(huán)擴(kuò)增,靶分子獨(dú)立擴(kuò)增產(chǎn)生熒光信號(hào)。
熒光檢測(cè):
陽性單元:熒光信號(hào)超過閾值(含靶分子)。
陰性單元:無熒光信號(hào)(無靶分子)。
使用高通量熒光檢測(cè)系統(tǒng)掃描每個(gè)微單元的熒光強(qiáng)度。
3. 核心優(yōu)勢(shì)
特性 說明 絕對(duì)定量 無需標(biāo)準(zhǔn)曲線,直接輸出目標(biāo)分子拷貝數(shù)/μL。 超高靈敏度 可檢測(cè)低至0.001%的罕見突變(如腫瘤ctDNA)。 強(qiáng)抗干擾能力 對(duì)PCR抑制劑耐受性顯著高于qPCR。 精密度高 變異系數(shù)(CV)<5%,適合微小差異檢測(cè)(如基因表達(dá)微調(diào))。 多重檢測(cè)能力 支持多通道熒光(如HEX/FAM/Cy5),同時(shí)定量多個(gè)靶標(biāo)。 4. 與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比
參數(shù) 數(shù)字PCR(dPCR) 實(shí)時(shí)熒光PCR(qPCR) 定量方式 絕對(duì)定量(直接計(jì)數(shù)) 相對(duì)定量(依賴Ct值/標(biāo)準(zhǔn)曲線) 靈敏度 可檢測(cè)單拷貝差異 通常>10倍濃度差異 抗抑制能力 強(qiáng)(抑制劑被分散至微單元) 弱(抑制劑影響整體反應(yīng)) 成本/通量 單次成本高,中低通量(1-96樣本/次) 成本低,高通量(384孔板) 5. 核心應(yīng)用場(chǎng)景
(1)精準(zhǔn)醫(yī)療
腫瘤液體活檢:
超低頻突變檢測(cè)(如EGFR T790M、KRAS G12D)。
微小殘留病灶(MRD)監(jiān)控。
無創(chuàng)產(chǎn)前診斷(NIPT+):
染色體微缺失/微重復(fù)(如DiGeorge綜合征)。
(2)病原體檢測(cè)
病毒超早期感染:HIV/HBV潛伏期低載量病毒定量。
耐藥株識(shí)別:結(jié)核分枝桿菌耐藥基因低頻突變。
(3)基因編輯驗(yàn)證
CRISPR編輯效率精確定量(如脫靶率檢測(cè))。
(4)環(huán)境與食品安全
轉(zhuǎn)基因成分痕量分析(<0.1%)。
水體/土壤中病原微生物超敏檢測(cè)。
6. 技術(shù)局限性與挑戰(zhàn)
成本高昂:微滴生成芯片/專用試劑價(jià)格較高。
通量有限:?jiǎn)未芜\(yùn)行樣本數(shù)通常≤96例(遠(yuǎn)低于qPCR的384孔板)。
操作復(fù)雜度:需嚴(yán)格分區(qū)防污染(尤其微滴操作)。
數(shù)據(jù)解讀要求高:需專業(yè)軟件分析微滴聚類(如閾值設(shè)定)。
7. 儀器關(guān)鍵組件
模塊 功能 微滴生成儀 將樣本分割為均一微滴(油包水體系)或加載至微孔芯片。 PCR擴(kuò)增儀 提供標(biāo)準(zhǔn)熱循環(huán)條件(與傳統(tǒng)PCR儀兼容)。 微滴讀取儀 高通量熒光掃描儀,識(shí)別每個(gè)微滴的熒光信號(hào)(多通道濾光片系統(tǒng))。 分析軟件 自動(dòng)識(shí)別陽/陰性微滴,計(jì)算濃度并輸出結(jié)果(如QuantaSoft?、QuantStudio?)。 8. 發(fā)展趨勢(shì)
集成自動(dòng)化:一體化設(shè)備整合微滴生成、擴(kuò)增與檢測(cè)(如Stilla Naica系統(tǒng))。
納升級(jí)微滴:提升分割密度(百萬級(jí)/樣本),進(jìn)一步提高靈敏度。
多重檢測(cè)升級(jí):6色以上熒光通道,實(shí)現(xiàn)單次檢測(cè)>10靶標(biāo)。
成本降低:微流控芯片批量化生產(chǎn)推動(dòng)單次檢測(cè)費(fèi)用下降。
臨床認(rèn)證加速:FDA/CE認(rèn)證試劑盒增多(如乳腺癌PIK3CA突變檢測(cè))。
9. 代表機(jī)型
品牌 型號(hào) 技術(shù)路線 通量 Bio-Rad QX200? Auto DG 微滴式(ddPCR) 8樣本/批次 Thermo Fisher QuantStudio? Absolute Q 芯片微孔(cdPCR) 24樣本/芯片 Stilla Technologies Naica? Sapphire 微滴式(Crystal?) 6樣本/芯片 Qiagen QIAcuity? 納米板式 24/96樣本 總結(jié)
數(shù)字PCR分析儀憑借單分子絕對(duì)定量能力,在超低豐度靶標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域具有不可替代性,尤其推動(dòng)液體活檢、痕量病原體診斷等精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展。盡管存在成本與通量限制,但隨著微流控技術(shù)進(jìn)步和臨床需求增長,其正在從科研向臨床診斷快速滲透,成為分子診斷領(lǐng)域的“金標(biāo)準(zhǔn)”級(jí)工具。
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