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實時熒光定量PCR原理、特點和應(yīng)用領(lǐng)域介紹

瀏覽次數(shù):13224 發(fā)布日期:2009-12-25  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

實時熒光定量PCR原理、特點和應(yīng)用領(lǐng)域介紹

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction,PCR)可對特定核苷酸片斷進(jìn)行指數(shù)級的擴增。在擴增反應(yīng)結(jié)束之后,我們可以通過凝膠電泳的方法對擴增產(chǎn)物進(jìn)行定性的分析,也可以通過放射性核素?fù)饺霕?biāo)記后的光密度掃描來進(jìn)行定量的分析。無論定性還是定量分析,分析的都是PCR終產(chǎn)物。但是在許多情況下,我們所感興趣的是未經(jīng)PCR信號放大之前的起始模板量。例如我們想知道某一轉(zhuǎn)基因動植物轉(zhuǎn)基因的拷貝數(shù)或者某一特定基因在特定組織中的表達(dá)量。在這種需求下熒光定量PCR技術(shù)應(yīng)運而生。
 
實時熒光定量PCR技術(shù)(Real-time quantitative Polymerase Chain Reaction簡稱Real Time PCR)是在定性PCR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的核酸定量技術(shù)。實時熒光定量PCR技術(shù)于1996年由美國Applied biosystems公司推出,在PCR反應(yīng)體系中加入熒光基團,利用熒光信號積累實時監(jiān)測整個PCR進(jìn)程,使每一個循環(huán)變得“可見”,最后通過Ct值和標(biāo)準(zhǔn)曲線對樣品中的DNA(orcDNA)的起始濃度進(jìn)行定量的方法。實時熒光定量PCR是目前確定樣品中DNA(或cDNA)拷貝數(shù)最敏感、最準(zhǔn)確的方法。如果用于RNA檢測,這被稱為逆轉(zhuǎn)錄實時PCR即(Real-time RT-PCR)是實時PCR法,它是指對DNA或經(jīng)過反轉(zhuǎn)入(RT-PCR)的RNA通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并實時監(jiān)測DNA的放大過程,在擴增的指數(shù)增長期就測量擴增產(chǎn)物,因為擴增指數(shù)增長期測量值與特異DNA(RNA)起始量存在相關(guān)性,從而實現(xiàn)定量檢測。RealTime PCR的基本目標(biāo)是精確測量和鑒別非常微量的特異性核酸,從而可通過監(jiān)測CT值而實現(xiàn)對原始目標(biāo)基因的含量定量。實時熒光定量PCR法最大的優(yōu)點是克服了終點PCR法進(jìn)入平臺期或叫飽和期后定量的較大誤差,實現(xiàn)DNA/RNA的精確定量。該技術(shù)不僅實現(xiàn)了對DNA/RNA模板的定量,而且具有靈敏度和特異性高、能實現(xiàn)多重反應(yīng)、自動化程度高、無污染、實時和準(zhǔn)確等特點,該技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床檢驗及臨床醫(yī)學(xué)研究方面有著重要的意義。
 
microRNA實時熒光定量PCR的技術(shù)特點
雖然microRNA實時定量PCR是一種最近才發(fā)展起來的檢測技術(shù),其技術(shù)細(xì)節(jié)還在不斷完善中,但是microRNA實時定量PCR檢測系統(tǒng),相對其它microRNA檢測技術(shù)有以下優(yōu)點:
  • 高特異性,可以只對成熟microRNA進(jìn)行定量,有效區(qū)分成熟microRNA分子和前體分子以及其它成熟microRNA的同源分子;
  • 快速,簡單,省時,整個操作只需兩步,不到3個小時,即可獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù);
  • 檢測靈敏度高,樣品消耗少,僅需1-10ng的總RNA或50pg左右的microRNA;
  • 超寬的線性范圍,可跨越7個數(shù)量級。
實時定量PCR的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

熒光定量檢測系統(tǒng)由實時熒光定量PCR儀,實時熒光定量試劑,通用電腦,自動分析軟件等構(gòu)成。設(shè)備由熒光定量系統(tǒng)和計算機組成,用來監(jiān)測循環(huán)過程的熒光。

與實時設(shè)備相連的計算機收集熒光數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過開發(fā)的實時分析軟件以圖表的形式顯示。原始數(shù)據(jù)被繪制成熒光強度相對于循環(huán)數(shù)的圖表。原始數(shù)據(jù)收集后可以開始分析。實時設(shè)備的軟件能使收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正常化處理來彌補背景熒光的差異。正;罂梢栽O(shè)定域值水平,這就是分析熒光數(shù)據(jù)的水平。樣品到達(dá)域值水平所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)稱為Ct值(限制點的循環(huán)數(shù))。域值應(yīng)設(shè)定在使指數(shù)期的擴增效率為最大,這樣可以獲得最準(zhǔn)確,可重復(fù)性的數(shù)據(jù)。如果同時擴增的還有標(biāo)有相應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)品,線性回歸分析將產(chǎn)生一條標(biāo)準(zhǔn)曲線,可以用來計算未知樣品的濃度。
 
 
所謂Real-time Q-PCR技術(shù),是指在PCR反應(yīng)體系中加入熒光基因,利用熒光信號累積實時監(jiān)測整個PCR進(jìn)程,最后通過標(biāo)準(zhǔn)曲線對未知模板進(jìn)行定量分析的方法。在real-time技術(shù)的發(fā)展過程中,兩個重要的發(fā)現(xiàn)起著關(guān)鍵的作用:
  • 在90年代早期,TaqDNA多聚酶的5′核酸外切酶活性的發(fā)現(xiàn),它能降解特異性熒光記探針,因此使得間接的檢測PCR產(chǎn)物成為可能。
  • 此后熒光雙標(biāo)記探針的運用使在一密閉的反應(yīng)管中能實時地監(jiān)測反應(yīng)全過程。這兩個發(fā)現(xiàn)的結(jié)合以及相應(yīng)的儀器和試劑的商品化發(fā)展導(dǎo)致real-timeQ-PCR方法在研究工作中的運用。
定量PCR儀的梯度功能:對于使用染料法的定量PCR反應(yīng),雖然有各種各樣的PCR引物設(shè)計軟件或者經(jīng)驗公式計算熔解溫度(Tm值),但運用的公式不同、引物序列不同,Tm值的差異會很大。引物的熔解溫度決定了退火溫度。而且模版中堿基的組合千變?nèi)f化,對于特殊片斷,經(jīng)驗公式得到的數(shù)據(jù)不一定能得出準(zhǔn)確的結(jié)果,退火溫度細(xì)微的差異對結(jié)果都可能產(chǎn)生決定性的影響,因而“摸條件”一度是讓人很頭疼的問題。梯度PCR的出現(xiàn)部分解決了一些問題——在反應(yīng)過程中每個孔的溫度控制條件可以在指定范圍內(nèi)按照梯度變化,根據(jù)結(jié)果,一步就可以摸索出最適合的反應(yīng)條件。
 
不單退火溫度,連變性溫度和延伸溫度都可以優(yōu)化——對于多種聚合酶混合酶擴增如Invitrogen、Clontech、Promega的多數(shù)高保真Taq酶來說這個非常重要,因為Taq和校正酶的最佳反應(yīng)溫度可能有顯著差異,優(yōu)化延伸溫度就顯得很重要。使用有梯度功能的熒光定量PCR可以一次完成以往多次實驗才能完成的優(yōu)化過程,簡化了摸索 PCR反應(yīng)條件的繁瑣實驗,既節(jié)省實驗時間提高效率,又節(jié)省實驗成本。
 
PCR反應(yīng)過程中產(chǎn)生的DNA拷貝數(shù)是呈指數(shù)方式增加的,隨著反應(yīng)循環(huán)數(shù)的增加,最終PCR反應(yīng)不再以指數(shù)方式生成模板,從而進(jìn)入平臺期。在傳統(tǒng)的PCR中,常用凝膠電泳分離并用熒光染色來檢測PCR反應(yīng)的最終擴增產(chǎn)物,因此用此終點法對PCR產(chǎn)物定量存在不可靠之處。在real-timeQ-PCR中,對整個PCR反應(yīng)擴增過程進(jìn)行了實時的監(jiān)測和連續(xù)地分析擴增相關(guān)的熒光信號,隨著反應(yīng)時間的進(jìn)行,監(jiān)測到的熒光信號的變化可以繪制成一條曲線。在PCR反應(yīng)早期,產(chǎn)生熒光的水平不能與背景明顯地區(qū)別,而后熒光的產(chǎn)生進(jìn)入指數(shù)期、線性期和最終的平臺期,因此可以在PCR反應(yīng)處于指數(shù)期的某一點上來檢測PCR產(chǎn)物的量,并且由此來推斷模板最初的含量。
 
為了便于對所檢測樣本進(jìn)行比較,在real-timeQ-PCR反應(yīng)的指數(shù)期,首先需設(shè)定一定熒光信號的域值,一般這個域值(threshold)是以PCR反應(yīng)的前15個循環(huán)的熒光信號作為熒光本底信號(baseline),熒光域值的缺省設(shè)置是3~15個循環(huán)的熒光信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍。如果檢測到熒光信號超過域值被認(rèn)為是真正的信號,它可用于定義樣本的域值循環(huán)數(shù)(Ct)。Ct值的含義是:每個反應(yīng)管內(nèi)的熒光信號達(dá)到設(shè)定的域值時所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)。研究表明,每個模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對數(shù)存在線性關(guān)系,起始拷貝數(shù)越多,Ct值越小。利用已知起始拷貝數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品可作出標(biāo)準(zhǔn)曲線,因此只要獲得未知樣品的Ct值,即可從標(biāo)準(zhǔn)曲線上計算出該樣品的起始拷貝數(shù)。
 
 

1、Ct值的定義
在熒光定量PCR技術(shù)中,有一個很重要的概念--Ct值。C代表Cycle,t代表threshold,Ct值的含義是:每個反應(yīng)管內(nèi)的熒光信號到達(dá)設(shè)定的域值時所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)。
2、熒光域值(threshold)的設(shè)定
PCR反應(yīng)的前15個循環(huán)的熒光信號作為熒光本底信號,熒光域值的缺省設(shè)置是3-15個循環(huán)的熒光信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍,即:threshold=10′SDcycle6-15
3、Ct值與起始模板的關(guān)系
研究表明,每個模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對數(shù)存在線性關(guān)系〔1〕,起始拷貝數(shù)越多,Ct值越小。利用已知起始拷貝數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品可作出標(biāo)準(zhǔn)曲線,其中橫坐標(biāo)代表起始拷貝數(shù)的對數(shù),縱坐標(biāo)代Ct值。因此,只要獲得未知樣品的Ct值,即可從標(biāo)準(zhǔn)曲線上計算出該樣品的起始拷貝數(shù)。

4、熒光化學(xué)
熒光定量PCR所使用的熒光化學(xué)可分為兩種:熒光探針和熒光染料。現(xiàn)將其原理簡述如下:
1)TaqMan熒光探針:PCR擴增時在加入一對引物的同時加入一個特異性的熒光探針,該探針為一寡核苷酸,兩端分別標(biāo)記一個報告熒光基團和一個淬滅熒光基團。探針完整時,報告基團發(fā)射的熒光信號被淬滅基團吸收;PCR擴增時,Taq酶的5-3外切酶活性將探針酶切降解,使報告熒光基團和淬滅熒光基團分離,從而熒光監(jiān)測系統(tǒng)可接收到熒光信號,即每擴增一條DNA鏈,就有一個熒光分子形成,實現(xiàn)了熒光信號的累積與PCR產(chǎn)物形成完全同步。而新型TaqMan-MGB探針使該技術(shù)既可進(jìn)行基因定量分析,又可分析基因突變(SNP),有望成為基因診斷和個體化用藥分析的首選技術(shù)平臺。
2)SYBR熒光染料:在PCR反應(yīng)體系中,加入過量SYBR熒光染料,SYBR熒光染料特異性地?fù)饺隓NA雙鏈后,發(fā)射熒光信號,而不摻入鏈中的SYBR染料分子不會發(fā)射任何熒光信號,從而保證熒光信號的增加與PCR產(chǎn)物的增加完全同步。

實時熒光定量PCR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

實時熒光定量PCR技術(shù)是DNA定量技術(shù)的一次飛躍。運用該項技術(shù),我們可以對DNA、RNA樣品進(jìn)行定量和定性分析。定量分析包括絕對定量分析和相對定量分析。前者可以得到某個樣本中基因的拷貝數(shù)和濃度;后者可以對不同方式處理的兩個樣本中的基因表達(dá)水平進(jìn)行比較。除此之外我們還可以對PCR產(chǎn)物或樣品進(jìn)行定性分析:例如利用熔解曲線分析識別擴增產(chǎn)物和引物二聚體,以區(qū)分非特異擴增;利用特異性探針進(jìn)行基因型分析及SNP檢測等。目前實時熒光PCR技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究、臨床診斷、疾病研究及藥物研發(fā)等領(lǐng)域。其中最主要的應(yīng)用集中在以下幾個方面:
  • DNA或RNA的絕對定量分析。包括病原微生物或病毒含量的檢測,轉(zhuǎn)基因動植物拷貝數(shù)的檢測,RNAi基因失活率的檢測等。
  • 基因表達(dá)差異分析。例如比較經(jīng)過不同處理樣本之間特定基因的表達(dá)差異(如藥物處理、物理處理、化學(xué)處理等),特定基因在不同時相的表達(dá)差異以及cDNA或差顯結(jié)果的確證。
  • 基因分型。例如SNP檢測,甲基化檢測等。
實時熒光定量PCR技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用:
病原體檢測
目前,采用熒光定量PCR檢測技術(shù)可以對淋球菌、沙眼衣原體、解脲支原體、人類乳頭瘤病毒、單純皰疹病毒、肝炎病毒、結(jié)核桿菌、細(xì)小病毒B19、EB病毒和人巨細(xì)胞病毒等病原體進(jìn)行定量測定。與傳統(tǒng)的檢測方法相比具有靈敏度高、取樣少、快速簡便等優(yōu)點。
遺傳及優(yōu)生優(yōu)育診斷
到目前為止,人們對遺傳性物質(zhì)改變引起的遺傳性疾病還無法治療,只能通過產(chǎn)前監(jiān)測,減少病嬰出生,以防止各類遺傳性疾病的發(fā)生,如為減少X連鎖遺傳病患兒的出生,從孕婦的外周血中分離胎兒DNA,用實時熒光定量PCR檢測其Y性別決定區(qū)基因是一種無創(chuàng)傷性的方法,易為孕婦所接受。例外還可以通過實時熒光定量PCR對孕婦弓形蟲,梅毒等檢測,這對找出不明原因流產(chǎn)和習(xí)慣性流產(chǎn)的病因提供有力的幫助,大大提高優(yōu)生優(yōu)育。
指導(dǎo)治療
對病原體定量分析顯示:病原體量與某些藥物的療效關(guān)系。如HCV高水平表達(dá),干擾素治療作用不敏感,而HCV低滴度,干擾素作用敏感;在拉米夫定治療過程中,HBV-DNA的血清含量曾有下降,隨后若再度上升或超出以前水平,則提示病毒發(fā)生變異等。
腫瘤基因檢測
盡管腫瘤發(fā)病的機理尚未清楚,但相關(guān)基因發(fā)生突變是致癌性轉(zhuǎn)變的根本原因已被廣泛接受。p53癌基因的表達(dá)增加和突變,在許多腫瘤早期就可以出現(xiàn)。實時熒光定量PCR不但能有效地檢測到基因的突變,而且可以準(zhǔn)確檢測癌基因的表達(dá)量。隨著與腫瘤相關(guān)的新基因的不斷發(fā)現(xiàn),熒光定量PCR技術(shù)將會在腫瘤的研究中發(fā)揮更大的作用。
免疫方面檢測
通過熒光定量PCR檢測出B27,HLA等來幫助診斷免疫性疾病,如強直性脊柱炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、器官移植排異反應(yīng)等。
實時熒光定量PCR技術(shù)在藥物研究方面的應(yīng)用:

新藥開發(fā)研究,
人用藥物及其他藥物
:針對一些感染性疾病的藥物,如各種病毒病、細(xì)菌病等,在新藥的開發(fā)過程中,快速了解藥物對疾病進(jìn)程的影響可以為新藥開發(fā)節(jié)約大量的人力、時間和資金,與以前所用的Elisa等方法相比,實時熒光定量PCR技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、定量、靈敏地測定血液或組織中病原體的含量,因此有利用分析藥物的作用效果,為比較不同的配方的療效、用藥量、用藥時間等等提供快速、定量的評價。

超早期感染用藥物及療法的研究與開發(fā)
實時熒光定量PCR方法測定是血液中病毒核酸的含量,因此不必等到病人體內(nèi)產(chǎn)生抗體,同時,由于其靈敏度與Elisa相比不可同日而語,在病毒感染的早期,即血液中病毒含量很低時就可以測定。因此就出現(xiàn)了一個新的領(lǐng)域,即在病毒或細(xì)菌含量很低時如何用藥,用什么藥以及用藥量等進(jìn)行研究,為將疾病消滅在超早期作出貢獻(xiàn)。

藥物療效研究
對于一些已經(jīng)上市的新藥或是應(yīng)用了很長時間的老藥,其用藥的效果以及用藥量及用藥時間都可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究,為更加合理化的應(yīng)用這些藥物為人類造福進(jìn)行進(jìn)一步的研究。以前所用的方法由于不能準(zhǔn)確定量,靈敏度也不夠,因此有很多需要研究的內(nèi)容沒有完成。這一方面需要研究內(nèi)容很多,意義也很大。

新的愈后指標(biāo)的研究
對于感染性疾病,在藥物作用至一定程度后,就認(rèn)為可以停藥了,但是應(yīng)該在什么停藥,現(xiàn)在大都沒有一個明確的指標(biāo),現(xiàn)在所用的指標(biāo)由于受到檢測方法的靈敏度及準(zhǔn)確性限制,這一指標(biāo)未必合理,因此有必要對治愈的指標(biāo)以及指標(biāo)與復(fù)發(fā)率以及疾病轉(zhuǎn)化為其他疾病之間的關(guān)系等進(jìn)行進(jìn)一步的研究,從而為藥物或療法徹底治愈疾病打下堅實的理論基礎(chǔ)。

新診斷及檢驗試劑的開發(fā)
現(xiàn)有的很多診斷及檢驗方法都不能同時滿足快速、靈敏、定量的要求如現(xiàn)有培養(yǎng)法、Elisa法等等,而熒光定量PCR方法以則可以做到這一點,從而可為臨床疾病、商檢、糧油檢驗、食品檢驗、血液檢驗等等開發(fā)新的試劑,從而提高檢驗的靈敏度、速度及準(zhǔn)確性等;這類試劑的種類是非常多的,所開發(fā)的試劑的社會效益及經(jīng)濟效益都是很巨大的。
實時熒光定量PCR技術(shù)在檢測人感染A(H1N1)型豬流感病毒上的應(yīng)用:
2009年4月,全球性的人感染豬流感公共衛(wèi)生事件發(fā)展勢頭迅猛,發(fā)生國家眾多,世界衛(wèi)生組織29日晚已將全球流感大流行警告級別從4級提高到5級,我國也于28日召開了國務(wù)院常務(wù)會議對防控進(jìn)行了部署,F(xiàn)在已進(jìn)入關(guān)鍵的防控措施落實階段,其中檢測與診斷技術(shù)至關(guān)重要。
人感染豬流感疫情發(fā)生后,美國疾病預(yù)防控制中心(CDC)于2009年4月28日發(fā)布了針對人感染豬流感病毒治療和預(yù)防臨時指南,其中規(guī)定了確診病例的診斷方法:具有急性發(fā)燒呼吸道疾病的臨床癥狀并且經(jīng)實時熒光定量PCR(real-timeRT-PCR)或病毒分離培養(yǎng)(viralculture)實驗室檢測方法檢驗證實感染A(H1N1)型豬流感病毒。
來源:北京力途科技有限公司
聯(lián)系電話:010-84766480
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