新技术浪潮下的数字PCR

ITL创新器械开发

1992年， Sykes等科学家首次提出了“数字PCR”的概念。他提到有限稀释，终点PCR和泊松统计数据的结合可以定量测量核酸浓度。

数字聚合酶链反应，简称数字PCR，dPCR或dePCR，是对常规聚合酶链反应方法的生物技术改进，可用于直接定量扩增DNA，cDNA或RNA的核酸链。追溯历史，我们发现聚合酶链反应已经更新了三代。第一代PCR依靠凝胶电泳来分析PCR产物，但始终受到检测限制，操作费力和仅适用于定性研究的局限。第二代PCR，也称为实时定量PCR（RT-qPCR），可以通过标准曲线对产物进行定量，但对干扰物质的耐受性较低。数字PCR（dPCR）是第三代PCR，可通过分配反应进行绝对定量。这项技术在分子检测中具有很高的灵敏度和准确性。人们称之为一项精确定量核酸的革命性技术。

数字PCR
历史，原理，平台
数字PCR工作原理
数字PCR的关键步骤是样品分配。样品的制备方法类似于实时PCR，但随后样品被稀释到单分子水平后被分成成千上万个单元，每个单元包含零个或一个或最多几个待检核酸靶分子。每个单元的行为都像一个单独的PCR反应，就像实时PCR一样，荧光探针用于鉴定扩增的靶DNA。扩增后分析每个单元来确定其是否包含靶序列。包含扩增产物的样品被视为正（1），发荧光，而不含产物的样品则被视为负（0），几乎没有荧光。每个样品中1与0的比率是定量的基础。与实时qPCR不同，数字PCR不依赖于扩增循环的数量来确定每个样品中模板核酸的初始量。而是依靠泊松统计来确定绝对模板数量。

数字PCR优异的样品分配步骤与泊松统计数据分析相结合，比传统PCR和qPCR方法具有更高的精度。因此，数字PCR特别适合检测少量输入核酸或需要样品中目标量具有较高分辨率的应用。
如今，全球dPCR和qPCR市场竞争激烈。到2024年，市场规模预计从2019年的41.133亿美元增长到62.709亿美元，复合年增长率为8.8％。由于数字PCR和实时PCR的应用广泛，因此无时无刻不被拿出来做比较。
比较数字PCR和实时PCR
方法
原理
应用
优/缺点
数字PCR
PCR反应系统分为小体积隔室。扩增后，对阳性和阴性反应的数目进行计数，直接获得样品的拷贝数。
液体活检；拷贝数变化分析；检测低数量的病原体；检测罕见基因突变；非侵入性产前诊断；食品和转基因检测；环境检测；第二代测序文库分析
优点：绝对定量，无需标准曲线，灵敏度高，对PCR抑制剂的耐受性更高
缺点：动态范围窄，成本高
实时PCR
扩增产物的量与荧光信号强度成正比，并且使用反应周期阈值和标准曲线对样品进行定量。
病原体的检测和定量；基因表达的相对检测；单核苷酸多态性分析；肿瘤标志物的检测等
优点：动态范围广，应用范围广，成本低
缺点：扩增效率容易受到PCR抑制剂的影响

数字PCR仪器种类

数字PCR仪器根据反应混合物的分离方法，可分为芯片数字PCR（cdPCR）和液滴数字PCR（ddPCR）。
cdPCR利用微流控技术，将反应分为纳米级反应室。经过一系列反应后，用成像系统和倒置内窥镜检测荧光。然后利用成像软件计算目标序列的拷贝数。
ddPCR利用油包水和微流控技术创建微反应单元。核酸被随机分为油包水小滴，分别进行PCR。然后使用双色光学检测系统读取每个液滴中的信号。
PCR平台

尽管数字PCR是一项相对较新的技术，但已经开发出很多高端平台来提供更好的分析工具。
Fluidigm
2006年最早市场上售卖的商业化数字PCR仪器之一是来自Fluidigm家的基于微流控芯片技术的 BioMark HD dPCR系统。
Bio-Rad
Bio-Rad家的Droplet Digital PCR技术是唯一在开发过程的任何阶段都不使用微流控芯片的平台。
Stilla
Stilla 家的Naica 自动化微滴芯片数字PCR系统是最新一代的数字PCR平台，是目前市场上唯一款自动化完成三色检测的，闭管检测的，带有可视化质控的数字PCR平台，具有高灵敏度和高精度，大大减少了操作时间，标志着数字PCR技术创新的里程碑。

数字PCR
广受关注的未来技术
数字PCR检测已经从纯粹的学术研究发展到大规模的市场应用，成为了一种有效的辅助诊断方式。
虽然我国数字PCR处于早期阶段，但是在国家政策的鼓励和扶持下，最近几年数字PCR呈现迅猛发展的态势。
在国家发布的《“十三五”医疗器械科技创新专项规划》中，倡导发展前沿关键技术，引领医疗器械创新，其中列出5类创新产品研发发展方向作为重点任务。在IVD方面提出要发展新型分子诊断系统。重点开发现场快速提取/检测核酸一体化平台，新型基因测序仪，全自动核酸检测系统，定量数字PCR等系统。
国内企业在PCR仪器研发，芯片设计，自动化整合，临床应用等方面都存在难点，同时还面临NGS产业链的竞争，因此除了国家的扶持外，借助具有丰富研发技术经验的合作伙伴的帮助也是一条破局之道。

英国ITL集团在体外诊断仪器开发领域拥有丰富的经验，凭借其在工程设计，生物化学等领域的坚实基础，对于医疗器械法规的深刻认识以及完善的质量管理体系，ITL一直站在IVD检测技术创新应用的前沿，与多家国际知名企业共同开发具有创新性优势的IVD仪器，在业界创造了良好的口碑。如果您还在为您的下一代IVD产品寻找合作伙伴，赶快联系我们吧。