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小羅開講 | 數字PCR之“分”而治之納米微孔對dPCR定量結果的影響

更新時間:2022-10-19  |  點擊率:1023

轉自羅氏診斷生命科學公眾號


大家好,本堂課小羅將跟大家分享數字PCR之“分"而治之納米微孔對dPCR定量結果的影響      


                                         


1999年 “數字PCR"(Digital PCR,dPCR)的概念被 提出,至今已有十幾年的時間。現如今大多數科學工作者對數字PCR的概念已不再陌生。就其本質,可以歸結為“分而治之"(divide and conquer)【1】:通過將一份qPCR體系分配成大量納米微孔之后,再進行單獨、平行的PCR擴增。由于每個納米微孔中包含或者不包含目標分子(DNA模板),因此在PCR擴增結束后,通過對每個納米微孔熒光信號的統計學分析,就可以實現對整個反應體系中模板分子的絕對定量。


dPCR是“分而治之"的過程,“分"是技術關鍵,而分成多少個納米微孔正是困擾實驗者的首要問題。


應該分成多少個納米微孔?


首先需要明確納米微孔的數量

是如何影響dPCR的定量結果。


dPCR采用直接計數的方法進行定量分析,即在PCR擴增結束后,將有熒光信號的納米微孔記為1,無熒光信號記為0(定量是二進制的,因此稱為“數字")。有熒光信號的微孔說明至少含有一個拷貝的目標分子。在目標DNA濃度極低的情況下,理論上可以認為有熒光的納米微孔數目就等于DNA分子的拷貝數,但通常情況下,數字PCR的納米微孔中可能會包含兩個甚至更多的目標分子,因此需要采用泊松概率分布公式來進行計算:

λ = ?ln (1 ??p)

λ:每個微孔的目標分子的平均數量

p:具有正信號的納米微孔數量與微孔總數的比值。

可以使用λ計算出目標分子的絕對數量【2】,很明顯,微孔數越多,檢測的動態范圍就越廣【3】


圖1的泊松概率分布曲線圖更直觀地體現了這一點:

圖1. 由微孔預測目標分子數

(圖片來源:羅氏診斷整理)


如圖1顯示,隨著陽性微孔比例(p)的增加,體系中目標分子的平均拷貝數會有較大的差距,隨著p的持續增加,dPCR結果的不確定度也隨著提高。總體來說,dPCR陽性微孔數量不得超過總微孔數量的80%,總反應微孔數的增加提高的是dPCR檢測的線性范圍。


在傳統模擬分析中,測量的不確定度通常受檢測儀器分辨率的限制,例如,熒光檢測器分辨熒光信號微小差異的能力。但在dPCR 檢測中,檢測儀器只需要識別每個納米微孔是否有0個或大于1個目標分子,因此dPCR的數據分析較少依賴于檢測器的特性。排除了檢測器對dPCR定量結果的影響,那么下一個需要明確的信息是什么呢?



需要明確的是

引起dPCR偏差的來源有哪些。


dPCR主要有2個引起偏差的來源,分別是:二次采樣誤差和分區誤差。二次采樣過程引入了不可避免的誤差源,尤其是當原始樣本中要檢測的目標很少時,設定了檢測下限,儀器本身能兼容的二次采樣體積越大,一定程度上能提高檢測的靈敏度。


根據泊松分布原理,陽性微孔比例不超過80%,所以分區誤差在原始樣本濃度較高的情況下占主導地位。在一組重復實驗中,若信號為0的微孔數量存在差異,該差異會引起總反應體系中目標結果計算的差異。根據 Dube 等人的分析,可以找到對分區誤差的計算方式【4】【5】,根據該計算方式我們可以比較不同納米微孔數量下的分區誤差【6】


圖2比較了20,000個微孔和1,000,000個微孔的二次采樣和分區誤差與樣本濃度的關系。在dPCR中,通常將每個納米微孔中的模板拷貝數λ的范圍調整到0.001到6【4】(在某些情況下,可以高達8【7】)。在納米微孔N為1,000,000時,分區錯誤顯著下降到<3%,說明微孔數量越多,越能降低分區誤差,從而提高dPCR的檢測準確度。

圖2 . ( A ) 20,000 個分區和 ( B ) 1,000,000個微孔的

二次采樣和分區誤差與樣本濃度的關系

(圖片來源:羅氏診斷整理)


由dPCR定量的原理分析得出,“分"成的納米微孔數量與定量結果的準確性和檢測范圍緊密相關,總結下來就是:微孔越多,dPCR結果越準確,動態范圍越廣。


雖然現有數字PCR系統在實踐中采用稀釋樣品的方式來避免微孔不夠的問題,但這也限制了數字PCR的實際性能。因為更多的分區數量才能檢測到更多的野生型核酸,從而才能檢出更低頻率的變異。



參考文獻:

1. M Baker nature methods |VOL.9 NO.6 |JUNE 2012 | 541-544

2. Brunstein J (2013) Digital PCR: theory and applications. MLO Med Lab Obs 45:34–35

3. Hindson BJ, Ness KD, Masquelier DA et al (2011) High-throughput droplet digital PCR system for absolute quantitation of DNA copy number. Anal Chem 83:8604–8610

4. Bizouarn, F. In Quantitative Real-Time PCR; Biassoni, R., Raso, A., Eds.; Methods in Molecular Biology; Springer: New York, 2014; Vol. 1160, pp 27–41.

5. Dube, S., Qin, J., Ramakrishnan, R. Mathematical Analysis of Copy Number Variation in a DNA Sample Using Digital PCR on a Nanofluidic Device. PLoS One 2008, 3 (8), e2876.

6. Digital Assays Part I: Partitioning Statistics and Digital PCR,Vol 22, Issue 4, 2017

7. Morley, A. A. Digital PCR: A brief history. Biomol. Detect. Quantif. 2014, 1 (1), 1–2.


*僅用于科學研究,不用于臨床診斷。TE-CN-00454有效期至2024年12月8日。




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