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1、数字PCR可行性分析数字PCR技术的原理数字PCR（Digital PCR-dPCR）技术是一种新的核酸检测和定量方法，与传统定量PCR（qPCR）技术不同，数字PCR采用绝对定量的方式，不依赖于标准曲线和参照样本，直接检测目标序列的拷贝数。由于这种检测方式具有比传统qPCR更加出色的灵敏度和特异性、精确性，dPCR迅速得到广泛的应用，这项技术在极微量核酸样本检测、复杂背景下稀有突变检测和表达量微小差异鉴定方面变现出的优势已被普遍认可，而其在基因表达研究、microRNA研究、基因组拷贝数鉴定、癌症标志物稀有突变检测、致病微生物鉴定、转基因成分鉴定、NGS测序文库精确定量和结果验证等诸多方面具
2、有的广阔应用前景已经受到越来越多的关注。数字PCR采用的策略概括起来非常简单，就是“分而治之”（divide and conquer）1，这种做法非常类似于计算机科学中的“分治算法”，将一个标准PCR反应分配到大量微小的反应器中，在每个反应器中包含或不包含一个或多个拷贝的目标分子( DNA模板) ，实现“单分子模板PCR扩增”，扩增结束后，通过阳性反应器的数目“数出”目标序列的拷贝数。在实际的数字PCR实验中，事实上是通过呈现两种信号类型的反应器比例和数目进行统计学分析，计算出原始样本中的模板拷贝数。图1. 数字PCR的原理数字PCR可以直接计算目标序列的拷贝数，因此无需依赖于对照样品和标准曲
3、线就可以进行精确的绝对定量检测；此外，由于数字PCR在进行结果判读时仅判断有/无两种扩增状态，因此也不需要检测荧光信号与设定阈值线的交点，完全不依赖于Ct值的鉴定，因此数字PCR的反应受扩增效率的影响大大降低，对PCR反应抑制物的耐受能力大大提高；数字PCR实验中标准反应体系分配的过程可以极大程度上降低与目标序列有竞争性作用的背景序列浓度，因此数字PCR技术也特别适合在复杂背景中检测稀有突变。数字PCR技术的发展历史从原理可以看出，数字PCR与传统的定量PCR两者皆定位于同样的平台基础聚合酶链式反应和双链DNA标记技术，但两者采用的是完全不同的定量策略和思想方法， dPCR和qPCR并没有实验
4、方法和思路上的承继关系，从这个角度来说，目前很多人把数字PCR称为第三代PCR技术并不准确。在实时定量PCR技术成熟和发展之前，早在1992年，南澳洲弗林德斯医学中心的科学家使用有限稀释、PCR和泊松分布数据校正模型的方法（limiting dilution, PCR and Poisson statistics），检测了复杂背景下低丰度的IgH重链突变基因，进行了极其精细的定量研究2，虽然当时这种方法并没有被冠以“数字PCR”之名，但已经建立了数字PCR基本的实验流程，更重要的是了数字PCR检测中一个极其重要的原则以“终点信号的有或无”（all-or-none end point）作为判断标
5、志，这也是之后1999年Bert Vogelstein 和 Ken Kinzler将之命名为“数字PCR”(digital PCR)的主要原因3。数字PCR技术的原理非常简单，然而在样品分散（divide）的环节上却遇到了无法突破的瓶颈。早期的dPCR尝试使用96孔板到384孔板甚至1536孔板作为分散反应的载体，或者采用类似流式技术的磁珠乳液扩增方法(BEAMing-Beads, Emulsion, Amplification, Magnetics)，2006年 Fluidigm公司推出了第一台商品化的基于芯片的商品化数字PCR系统。2008年德国 Inostics推出基于磁珠法乳浊液扩增和
6、流式检测方式的BEAMing dPCR 检测服务，但这些方法无论在分散程度和数据群体的体量上都无法达到更加精细的要求，时间和耗材成本严重限制了dPCR技术的发展。近几年来，随着纳米制造技术和微流体技术（nanofabrication and microfluidics）的发展，数字PCR技术遇到了突破技术瓶颈的最佳契机。1997年Kalinina, 、Brown J, 和Silver J使用纳升级芯片进行单克隆模板PCR扩增，获得了美国专利，更重要的是这种采用“电浸润法”进行纳升级芯片制造技术显露雏形4。伴随二代测序技术发展起来的“油包水PCR”技术，可以一次生成数万乃至数百万个纳升甚至皮升级
7、别的单个油包水微滴，可以作为dPCR的样品分散载体。QuantaLife利用油包水微滴生成技术 开发了微滴式数字PCR技术，这也是最早出现的相对成熟的数字PCR平台，在运行成本和实验结果稳定性方面都基本达到了商品化的标准。2011年，QuantaLife公司被Bio-Rad公司收购，其微滴式数字PCR仪产品更名为QX100型号仪继续在市场上销售，这个早期型号为dPCR概念的普及和应用领域的拓展发挥了重要作用。2013年该公司又推出了升级型号QX200。2012年，RainDance公司推出Raindrop型号数字PCR设备，这个设备将其原有的二代测序文库制备平台技术平移到数字PCR技术平台，在
8、高压气体驱动下，将每个标准反应体系分割成包含100万至1000万个皮升级别微滴的反应乳液， 该公司的创始人之一Darren Link表示这种超高的微滴数目可以为用户“提供更高的检测动态范围，适用于处理更大浓度差异的不同样品” 1。2013年下半年，Life-technologies推出了QuantStudio 3D数字PCR系统， 这也是目前数字PCR市场上最新型号的产品。采用高密度的纳升流控芯片技术，样本均匀分配至20,000个单独的反应孔中。在整个工作流程中，样本之间保持完全隔离 ，可以有效地防止样品交叉污染，减少移液过程，简化操作步骤。同时芯片式设计避免了微滴式系统可能面临的管路堵塞问题
9、5。数字PCR技术的应用领域从上世纪90年代以来qPCR技术的爆发式发展使得现代核酸检测技术具有全新的面貌，而进入二十一世纪之后，速度更快、通量更高。成本更低的DNA测序技术正在迅速发展，也是目前竞争最为激烈的研究领域之一，即使在这种情况下，dPCR技术仍然以其高度的灵敏性和特异性在诸多科学领域争取到属于自己的一席之地。1. 癌症诊断检测研究表明，肿瘤可能通过细胞坏死及凋亡从而释放大量的基因组DNA进入人体系统循环，因此可以通过这些DNA分子的微卫星DNA变化、易位、突变和甲基化等对癌症进行检测。近年来，数字PCR技术被广泛应用到血液、粪便等非侵入性样本分析中，为癌症的检测提供新的途径。表皮生
10、长因子受体(epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR)属于酪氨酸激酶受体，它介导的信号转导途径调节细胞的生长、增殖和分化，大量研究表明，EGFR基因的突变或过表达会导致癌症的发生。Yung等6利用数字PCR技术研究非小细胞性肺癌病人血浆和肿瘤中第19外显子框内缺失和第21外显子L858R突变两种ERFR突变体，通过微流体系统对35份血浆样本进行检测，两种突变类型检出率分别为17%和26%，该结果与对肿瘤样本的测序相比，其灵敏度和特异性分别达到92%与100%。随后，Wang等7也将数字PCR检测应用到肺癌基因组中EGFR异常的检测中，得出了相同的结论，即数字PCR能
11、够对EGFR突变具有灵敏的检测与精确的定量，适用于肺癌的诊断，对预测治疗反应、监测病情进程及早期抗药性诊断等提供了非常有利的分析手段。在对结肠癌的研究中，Taly等8采集19位病人的血液样本，通过数字PCR分析结果显示其中14例样本检测到KRAS基因突变，1例检出与肿瘤样本不一致的突变，另外5例则检测不到，同时其中5例BRAFV600E突变型全部检测出来。Qi等9则利用数字PCR对直肠癌病人的粪便样本进行mRNA定量分析，在8例病人组织和9例粪便样本中的检出率分别达100%和77%。2. 产前诊断（prenataldiagnosis）产前诊断又称宫内诊断，是指胎儿出生前采用遗传学和影像学等各种
12、检测方法预测其是否有先天性疾病，是预防染色体病患儿出生的主要措施。传统的产前诊断采用侵入性诊断（invasiveprenataldiagnosis）方法，主要包括孕中期的胎儿羊水的产前诊断、脐血的产前诊断，目前常用的取材手术主要有绒毛膜绒毛取样，羊膜腔穿刺，脐带血穿刺等，但这些方法对母体和胎儿均有一定的创伤并存在胎儿丢失风险。而非侵入性产前诊断(non-invasiveprenataldiagnosis,NIPD)则采用了无创伤的技术方法避免了以上的安全威胁，成为当下引起广泛关注的诊断方法。1997年，Lo等采集孕妇血液进行研究，利用PCR的方法扩增Y染色体特异片段并出现阳性信号，证明母体血液
13、中存在胎儿的DNA10，自此拉开了NIPD研究的序幕。但是，从大量母体DNA中成功检测到胎儿游离DNA的过程中存在相当大的难度，需要提高检测方法的灵敏度和特异性。2007年，Lo等利用数字PCR技术发展了两种策略用于产前诊断胎儿21三体综合症，其一称之为digitalRNA-SNP，检测胎盘细胞特异表达即完全来自胎儿的21号染色体上PLAC4mRNA的SNP位点的比例；其二为digitalRCD法，检测孕妇血液中21号染色体与1号染色体的相对含量，可以检测到血液中25%的胎儿基因11。Lun等12比较了数字PCR与实时定量PCR、质谱检测三者的灵敏度，发现数字PCR比其他两种方法更为精确，因此
14、，数字PCR检测到胎儿基因的浓度可能要高于预期。随着研究的深入，数字PCR被证明比传统技术方法具有更高的临床灵敏度和特异性，未来该技术在产前诊断领域将越来越被广泛地应用。3. 稀有突变分析在基因组变异研究领域，群体基因组水平上的SNP（Single Nucleotide Polymorphism，单核苷酸多态性）检测面临的问题主要是突变序列往往与大量正常序列同时存在，竞争性反应严重影响突变序列的检测精度，数字PCR技术带来的极高的扩增特异性在稀有突变检测方面具有天然的优势，在癌症标志物检测、无创产前检查、线粒体突变检测等研究方向上，我们已经看到dPCR的许多精彩表现。稀有突变检测对癌症研究具有
15、重大意义。原癌基因或肿瘤抑癌基因的突变累积是促进肿瘤发生的一个重要因素。极少量体细胞的上述突变即足以促进癌症发生或发展。由于上述突变通常只存在于极少量的细胞中，因此需要使用具有高信噪比和低假阳性率的Assay。常用的SNP基因分型技术(如毛细管电泳或实时荧光定量PCR)是最高效的突变检测方法，可以检测突变率不低于20% (约五分之一细胞)的突变细胞。但是，数字PCR能够从野生型背景中鉴别出突变基因，具有更高的灵敏度和精度。数字PCR通过将样本分到芯片的数千个单独的PCR反应中，大大降低了某个反应中的总分子数，从而有效地富集目标序列，并稀释了野生型背景。4. 拷贝数变异（CNV）鉴定拷贝数变异
16、(CNV) 是基因座的野生型拷贝数相比参考基因组增加或减少造成的基因组失衡。这些基因组改变从小的 (小于 10 kb) 插入或缺失到大的(超过1 Mb)、复杂的多等位基因复制均有。CNV 是人类基因组中最常见的遗传变异，与多种疾病有关，包括癌症或遗传性疾病易感性 13, 14。因此，我们需要简单可靠的方法定量CNV，用作潜在的生物标记物，并用于了解肿瘤形成的分子机制。目前的 CNV 评估方法如表1所示。这些方法包括原位杂交，但该方法耗时、费力且结果分析具有主观性15。阵列比较基因组杂交 (aCGH) 可以提供更高的精度，但该方法需要大量的操作时间且分辨率取决于所需的阵列类型 16。最近，下一代测序技术的进步使得通过单次运行即可经济高效地检测多种类型的遗传变异成为可能17。最后，在目前所有方法中，实时荧光定量和数字 PCR 技术提供了
