Полимеразная цепная реакция: принцип работы. Несмотря на революционное значение, принцип ПЦР основан на довольно базовых свойствах молекулы ДНК. ПЦР — полимеразная цепная реакция, способная обнаружить любой патоген в пробе, если там присутствует хотя бы малейшая его частица.
ПЦР: простыми словами о принципе работы, применении и новых технологиях
это метод, имитирующий естественную репликацию ДНК и позволяющий обнаружить единственную специфическую молекулу ДНК в присутствии миллионов других молекул. Полимеразная цепная реакция или ПЦР — это метод создания множества копий определенного участка ДНК in vitro (в пробирке, а не в организме). ПЦР — это полимеразная цепная реакция. Анализ — полимеразная цепная реакция имеет аббревиатуру — ПЦР.
Азбука жизни. Зачем в онкологии нужны ПЦР-тесты и какую информацию о болезни хранит в себе ДНК
Полимеразная цепная реакция: 2-й цикл. ПЦР-тест — основной метод обнаружения коронавирусной инфекции. На данный момент метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) регла-ментирован стандартами оказания медицинской помощи в перечне лабо-раторных исследований для диагностики хламидийной инфекции. medium ПЦР (Полимеразная цепная реакция) Если попытаться описать ПЦР-диагностику в трёх словах, то это, совершенно определённо, будут слова ТОЧНО, НАДЁЖНО, БЫСТРО.
Диагностика COVID-19: обзор основных методов
Ольга Игнатова В России разработана тест-система для выявления вируса кори, который диагностирует заболевание за 3-4 дня до появления клинических симптомов. Набор реагентов для выявления РНК вируса кори в мазке со слизистой носо- и ротоглотки методом полимеразной цепной реакции ПЦР разработан специалистами Центра стратегического планирования Федерального медико-биологического агентства ФМБА России и зарегистрирован Росздравнадзором. Как объясняют специалисты ФМБА, именно использование полимеразной цепной реакции при диагностике позволяет выявить РНК вируса кори за несколько дней до появления характерных клинических симптомов и обладает высокой аналитической чувствительностью. Таким образом, использование тест-системы даст возможность выявить заболевание в инкубационном периоде, что поможет остановить распространение вируса. По информации Роспотребнадзора, локальные вспышки заболевания уже зарегистрированы в 44 регионах нашей страны.
Метод обладает высочайшей чувствительностью — мы уже говорили о том, что возможно найти всего один фрагмент генетического материала возбудителя. Несомненное преимущество метода — оперативность. Постановка реакции занимает несколько часов, таким образом, вся диагностика, от момента сдачи материала на анализ до получения результата, отнимет всего один день.
При помощи ПЦР определяют возбудителя , а не реакцию на его внедрение со стороны организма. Таким образом, появилась возможность точно диагностировать заболевание еще в инкубационном периоде, когда нет никаких клинических или лабораторных признаков болезни. Но они напрямую связаны с его достоинствами и с так называемым «человеческим фактором». ПЦР — очень высокотехнологичный метод, требующий соблюдения строжайших правил оснащения лаборатории. Это связано с тем, что в воздухе постоянно присутствует невероятный коктейль из фрагментов ДНК всевозможных живых организмов, и в процессе подготовки к проведению реакции образец может быть загрязнен — возможно «ложное срабатывание». Оценивать результаты реакции должен практический врач, который лечит конкретного больного. Дело в том, что далеко не всегда положительный ответ теста означает наличие заболевания.
Например, человек пролечился от какого-либо заболевания, но погибший и уже не опасный возбудитель будет еще некоторое время «разбираться на запчасти» защитной системой организма. Если в этот момент сделать ПЦР — результат окажется положительным. Другой вариант — это отрицательный результат ПЦР при наличии даже явной клинической картины. Одна из наиболее возможных причин — материал для исследования был взят «не оттуда». Образец должен брать квалифицированный врач, строго следуя инструкции, которую ему дает лаборатория. Когда следует бежать в лабораторию, чтобы проанализировать итоги вашего летнего отпуска?
По этой причине единственным способом диагностики коронавируса остается ПЦР-тестирование. В частности, тогда считалось, что в большей части случаев на это влияют ошибки при заборе материала и качество самого теста. Тем не менее существует и другое обоснование. По словам заместителя директора по клинико-аналитической работе ЦНИИ эпидемиологии Роспотребнадзора профессора Натальи Пшеничной, на результате анализа сказывается период заболевания, в который заболевший сдает ПЦР-тест. На ранних стадиях болезни получить положительный результат значительно выше. Если проводить тестирование в эти сроки, то можно получить отрицательный результат», — приводит слова специалиста РИА «Новости». Общую картину по тестированию на COVID-19 также дополняет тот факт, что среди новых заболевших появляются и вакцинированные люди, но они при этом выделяют вирус в меньшем количестве и не такое продолжительное время, констатировала замдиректора Московского научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии имени Г.
И очень много таких случаев, на самом деле Антон Ершов Доктор медицинских наук, практикующий врач, профессор Он объяснил, что у разных людей с разной скоростью обновляются клетки слизистой оболочки носоглотки и ротоглотки, и у некоторых части погибшего SARS-Cov-2 сохраняются в верхних дыхательных путях по несколько недель. У меня есть случаи, когда пациент был два с половиной месяца ложноположительный по ПЦР, это было в первую волну. И представляете, он измучился, не мог с карантина выйти Антон Ершов Доктор медицинских наук, практикующий врач, профессор По словам практикующего врача, понять, что результат теста ложноположительный, можно на двух основаниях: отсутствие каких-либо симптомов болезни и как минимум два отрицательных ПЦР-теста в следующие несколько дней. Просто делаем нормальную санацию слизистой, очищаем её от этого всего, промываем и так далее — и потом дважды пациент ПЦР сдаёт, и он отрицательный Антон Ершов Доктор медицинских наук, практикующий врач, профессор Кроме того, иногда тест находит ковидные РНК у здорового человека в тот момент, когда вирус только что оказался на слизистой оболочке и ещё не успел там обосноваться, добавил профессор.
Важные сведения об использовании продукции BIOplastics в ПЦР и Real Time ПЦР анализах
Буфер — смесь катионов и анионов используемая в определенной концентрации, обеспечивающая оптимальные условия для реакции, а также стабильное значение рН. Значение рН буфера колеблется от 8,0 до 9,5 и стабилизируется Трис-HCl. Одним из компонентов буфера Taq-полимеразы является ион калия KCl , который способствует отжигу праймеров. Буферная концентрация ионов магния является еще одним важным фактором для правильного функционирования ДНК-полимеразы. Ионы магния служат кофактором для ДНК полимеразы. Анализируемый образец — вносимый в реакционную смесь препарат, обычно содержащий искомую ДНК, служащую мишенью для амплификации.
В случае отсутствия ДНК-мишени продукт не образуется. Иногда для удобства детекции или контроля эффективности в состав реакционной смеси могут быть внесены дополнительные компоненты. Внутренние контроли — несвойственный данному организму фрагмент ДНК, как правило, большего размера, ограниченный специфическими праймерами. Практически представляет собой альтернативную матрицу ПЦР и позволяет контролировать эффективность амплификации в каждой конкретной пробирке. ДНК-зонды — искусственно синтезированные олигонуклеотиды небольшого размера около 30 нуклеотидов , комплементарные специфическим ампликонам продуктам реакции.
Могут использоваться для детекции продуктов ПЦР, благодаря прикрепленным к ним изотопным или флуоресцентным меткам. Эти компоненты способны понижать температуру денатурации матрицы или стабилизируют ДНК-полимеразу. Если в пробе имеется искомая ДНК, с ней происходит ряд последовательных цикличных реакций, которые различаются температурными режимами. Ход реакции Амплификация может включать в себя множество циклов, но все они состоят из трёх этапов: денатурация, отжиг, элонгация [1]. Денатурация — процесс перехода двухнитевой формы ДНК в однонитевую из-за разрыва водородных связей между комплементарными парами оснований при воздействии высоких температур.
Отжиг — процесс присоединения праймеров к одноцепочечной ДНК-мишени. Отжиг происходит благодаря правилу комплементарностиЧаргаффа. Без соблюдения этих условий праймеры не отжигаются. Элонгация синтез. Температура в реакционной смеси доводится до оптимума работы Taq-полимеразы.
Таким образом, специфические фрагменты, ограниченные на концах праймерами, впервые появляются в конце второго цикла, накапливаются в геометрической прогрессии и очень скоро начинают доминировать среди продуктов амплификации. В клинико-диагностических лабораториях наиболее распространенными модификациями ПЦР являются: ПЦР с «горячим» стартом hot-start PCR — суть этой модификации состоит в предотвращении возможности начала реакции до момента достижения условий, которые обеспечивают специфический отжиг праймеров. ПЦР с «горячим» стартом дает возможность минимизировать вероятность образования неспецифических продуктов ПЦР и возможность получения ложноположительных результатов анализа. ПЦР с анализом результатов «по конечной точке» End-point PCR — эта модификация позволяет учитывать результаты реакции по наличию флуоресценции после амплификации, не открывая пробирку. Таким образом, решается проблема контаминации ампликонами.
Преимущество состоит в возможности совмещения детекции и количественного определения специфической последовательности ДНК в образце после каждого цикла амплификации в реальном времени. Для этого используются флуоресцентные красители, которые интеркалируют в двуцепочечные молекулы ДНК или модифицированные дезоксинуклеоты, флуоресцирующие после гибридизации с комплементарными участками ДНК.
Таким образом, использование тест-системы даст возможность выявить заболевание в инкубационном периоде, что поможет остановить распространение вируса. По информации Роспотребнадзора, локальные вспышки заболевания уже зарегистрированы в 44 регионах нашей страны.
При этом корь является крайне заразной тяжелой болезнью вирусного происхождения. До появления в 1963 году вакцины крупные эпидемии кори происходили каждые 2-3 года. В год, по данным Всемирной организации здравоохранения, от кори умирали до 2,6 миллиона человек.
При этом «затравка» для выявления, например, хламидии, работает только для хламидии и т. Таким образом, если тестируется биоматериал на наличие хламидийной инфекции, то в реакционную смесь помещается «затравка» для хламидий; если тестирование биоматериала на вирус Эпштейн-Барра, то и «затравка» для вируса Эпштейн-Барра. II этап — Объединение генетического материала возбудителя инфекции и «затравки». Этот процесс присоединения «затравки» и есть второй этап ПЦР. III этап - Копирование генетического материала возбудителя инфекции. К «затравкам» подходит фермент- «строитель» и синтезирует новую цепочку ДНК. То есть за один цикл ПЦР происходит увеличение количества генетического материала в два раза. Один цикл длится 2-3 минуты. Для образования достаточного количества генетического материала для идентификации, обычно производится 30-50 циклов ПЦР, что занимает 2-3 часа. Этап идентификации размноженного генетического материала Собственно ПЦР на этом заканчивается и далее идет не менее значимый этап идентификации. Для идентификации используют метод электрофореза или меченые «затравки». При использовании электрофореза полученные нити ДНК разделяются по размерам, и наличие фрагментов ДНК разной длины свидетельствует о положительном результате анализа то есть о наличии того или иного вируса, бактерии и т.
Тест на антитела к COVID-19 При вторжении в организм патогенного агента иммунная система начинает вырабатывать специфические белки-иммуноглобулины Ig , способные запомнить и нейтрализовать этот микроорганизм. Таким образом, повторная встреча с данным возбудителем будет неопасна. Организм быстро его инактивирует. IgM обнаруживаются в анализе на 7-10 день после инфицирования с 5-го дня появления клинических признаков заболевания и остаются в организме до двух месяцев. Поскольку иммуноглобулины начинают вырабатываться не с первого дня инфицирования, то и тест на антитела сначала может быть отрицательным, ведь исследование может проводиться в период, когда организм еще не успел сформировать иммунный ответ. Логично обнаружить IgM в разгар заболевания и сразу после регресса симптоматики. IgG вырабатываются позже, примерно с 21-28 дня от момента заражения, и сохраняются в организме более продолжительное время, в течение нескольких месяцев или лет. Следовательно, обнаружить их удастся только на стадии выздоровления или в более поздние сроки. По наличию и уровню IgG в крови можно судить, как о факте перенесенной инфекции в прошлом, так и определить наличие специфического иммунитета к данному возбудителю.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
Процедура проведения реакции была сравнительно неэффективной, требовала много времени и фермента полимеразы, а материал это весьма недешевый. К счастью, на помощь пришла матушка-природа. Это произошло потому, что данная температура является оптимальной для E. В природе встречаются микроорганизмы, чьи белки за миллионы лет естественного отбора стали более устойчивыми к действию высоких температур. Было предложено использовать ДНК-полимеразы из термофильных бактерий. Эти ферменты оказались термостабильными и были способны выдерживать множество циклов реакции. Их использование позволило упростить и автоматизировать проведение ПЦР. Одна из первых термостабильных ДНК-полимераз была выделена из бактерии Thermus aquaticus, обитающей в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, и названа Taq-полимеразой. ПЦР быстро превратилась в главную рабочую лошадку проекта «Геном человека». В общем, процесс не отличается от разработанного Муллисом, просто он был автоматизирован.
Мы больше не зависели от толпы подслеповатых аспирантов, кропотливо переливающих капельки жидкости в пластиковые пробирки. В современных лабораториях, осуществляющих молекулярно-генетические исследования, эта работа выполняется на роботизированных конвейерах. ПЦР-роботы, занятые в столь масштабном проекте по секвенированию, как «Геном человека», неумолимо трудятся с огромными объемами термостойкой полимеразы. Некоторые ученые, работающие в проекте «Геном человека», были возмущены неоправданно высокими отчислениями, которые добавляет к стоимости расходных материалов владелец патента на ПЦР, европейский индустриально-фармацевтический гигант Hoffmann-LaRoche. Другим «движущим началом» стал сам метод секвенирования ДНК. Химическая основа этого метода в то время уже не была новинкой: Межгосударственный проект «Геном человека» HGP взял на вооружение тот же самый хитроумный метод, что еще в середине 1970-х годов разработал Фред Сенгер. Инновация же заключалась в масштабе и степени автоматизации, которых удалось достичь при секвенировании.
Для того, чтобы система не начинала работать раньше времени, чипы хранят в вакуумной упаковке. Его суть в том, что реакционную смесь разделяют на множество микрообразцов, в которых реакция идет параллельно — на чипе это происходит в отдельных лунках.
После реакции флуоресценция позволяет определить, в какие микрообразцы попали молекулы ДНК, а в какие - нет. Доля светящихся микрообразцов в случае чипа — лунок пропорциональна концентрации искомой последовательности ДНК в исходном образце. Единственный минус для портативного чипа в том, что для подсчета лунок необходим микроскоп. Вдобавок ко всему авторы используют модификацию ПЦР , которая не требует температурных циклов, а проводится при постоянной температуре. Поэтому для работы чипа достаточно многоразовой солевой грелки.
Какие существуют возможности лекарственного лечения опухолей, ассоциированных с мутациями BRCA? Механизм действия таких препаратов основан на накоплении двунитевых разрывов в опухолевых клетках и их последующей гибели. PARP-ингибиторы одобрены для использования в 1 линии метастатического трижды негативного рака молочной железы, для лечения кастрационно-резистентного устойчивого к гормональной терапии рака предстательной железы, для проведения поддерживающей терапии терапия, которую проводят после завершения основного курса лечения после первой линии терапии рака яичников, рака поджелудочной железы. Какой метод диагностики мутаций выбрать? На данный момент существует два способа определения мутации: методом ПЦР полимеразная цепная реакция и NGS метод секвенирования нового поколения. Оптимальным материалом для исследования наследственных мутаций является венозная кровь. У каждого метода есть свои плюсы и минусы. Например, в нашей стране тест-системы на основе ПЦР анализируют 8 наиболее частых мутаций, характерных для славянского населения России.
При таком разделении количество нуклеиновых кислот может быть собрано и измерено более точно и чувствительно. Этот метод регулярно используется для клональной амплификации материалов для секвенирования следующего поколения и показал свою эффективность для анализа изменений в последовательностях генов, включая варианты числа копий и точечные мутации.
Важные сведения об использовании продукции BIOplastics в ПЦР и Real Time ПЦР анализах
Однако в отличие от копирования ДНК в живой клетке ПЦР, как уже было сказано выше, копирует многократно один и тот же участок. У клетки есть свой механизм решения этой проблемы, а для лабораторной ПЦР ученым нужно этот кусочек синтезировать. Называется он праймером, имеет длину в 18-30 нуклеотидов и комплементарен началу нужного участка, то есть его нуклеотиды парны нужным и должны с ними соединиться. Поскольку для денатурации, разворачивания и разъединения цепей ДНК, нужна высокая температура, а циклов в ходе ПЦР нужно много, полимераза должна быть устойчивой к высокой температуре, чтобы не приходилось снова и снова добавлять этот фермент в каждом цикле после денатурации, ведь в норме ДНК-полимераза в клетке работает при гораздо меньшей температуре и такие воздействия разрушают ее. Найти подходящий фермент удалось не сразу: если идею ПЦР предложил еще норвежец Хьелль Клеппе в начале 1970-х годов, то реализовать ее смог только Кэри Муллис в 1983 году, а публикация в Science появилась только в 1985 году позже за открытие этой реакции он получил Нобелевскую премию. В 1986 году он улучшил метод, предложив использовать полимеразу термофильных бактерий или архей, которые живут в горячих источниках и «привыкли» копировать свою ДНК при высоких температурах.
Кроме того, кПЦР используется в качестве инструмента для детектирования вновь возникающих заболеваний. Например, новых штаммов гриппа [15]. Использование кПЦР также позволяет проводить количественные измерения и генотипирование характеристика штаммов вирусов , например, вируса гепатита B [16]. Степень инфекции , которая оценивается, как число копий вирусного генома на единицу ткани пациента, имеет большое значение. Например, вероятность реактивации вируса простого герпеса типа 1 зависит от количества инфицированных ганглиев [17]. Целевыми генами является открытая рамка считывания 1ab ORF1ab и нуклеокапсидный белок N. Пороговое значение цикла значение Ct менее 37 определяют как положительный результат теста, а значение Ct 40 или более как отрицательный результат теста. Данные диагностические критерии основаны на рекомендации Национального института контроля и профилактики вирусных заболеваний [18]. Количественная ПЦР также широко используется для выявления опухолевых клеток в материале из твёрдых опухолей [20] [21] и даже при некоторых формах лейкемии [22] [23]. Так, например, рак молочной железы все ещё является наиболее частой причиной смерти среди раковых больных. Причём часто смерть вызвана возникшими метастазами. Метастазы возникают в результате того, что клетки, способные к пролиферации , отделяются от опухоли , выходят в кровяное русло и вторично поселяются в какой-то части организма. Эти клетки называются циркулирующими стволовыми клетками ЦСТ. Присутствие таких клеток в крови пациентов, больных раком молочной железы, как правило, связано с плохим прогнозом исхода терапии и выживаемости в целом, поэтому является очень важным диагностическим параметром. Но из-за очень низкого количества, выявление ЦСТ — трудная задача. И кПЦР как высокочувствительный метод может быть использован для решения этой проблемы. ЦСТ имеют эпителиальное происхождение и, следовательно экспрессируют определённый набор генов , отличающийся от окружающих их клеток крови , имеющих мезенхимальное происхождение. Для применения этого метода необходимо определить набор генов-маркеров ЦСТ и оценить их уровень экспрессии [24].
Ученым еще предстоит много разбираться с тонкостями регуляторных участков ДНК, чтобы понимать, когда какие гены будут включаться, а когда — выключаться. Их можно представить в виде текста из четырех букв, в котором записана информация о строении всего организма, вся наследственная информация. Этот текст, помимо всего прочего, хранит последовательность белков, которые впоследствии организм синтезирует. По изменениям в ДНК мы можем предсказать изменения в белке и, в конечном счете, в организме. Кроме того, существуют еще регуляторные участки и так называемая «мусорная ДНК», функции которых сегодня до конца неизвестны. Существуют специальные системы репарации ДНК. Когда ДНК удваивается, то по принципу комплиментарности напротив одного азотистого основания обязательно ставится другое. Это соответствие иногда может нарушаться по разным причинам. Из-за гигантской длины ДНК вероятность ошибки на трех миллиардах букв при копировании достаточно высокая. В результате большая часть мутаций ДНК исправляется специальными белками, специальными «машинками» внутри клетки. Для каждого вида нарушений существует свой фермент, который эти мутации исправляет. Информация об устройстве этих ферментов также закодирована в ДНК. К примеру, стресс может спровоцировать рак? Но все-таки статистически ДНК от внутренних причин повреждается больше. Достоверных хороших исследований на тему связи стресса и мутации ДНК нет. Если, гипотетически, представить механизм связи стресса и рака, то его следует искать на более высоком уровне, например, в изменениях иммунного ответа на клетки, в которых накопленные повреждения уже нельзя исправить. Такие клетки иммунная система должна уничтожать.
В амплификаторе проводится 30-40 циклов смены температур. Каждый из этих циклов состоит из трех этапов см. Отжиг праймеров температура обычно в районе 50-60оС — к концам цепей ДНК присоединяются праймеры. Вообще, при снижении температуры энергетически выгоднее воссоединение исходных цепей ДНК из исследуемого образца ренатурация , однако концентрация праймеров в реакционной смеси на много порядков больше концентрации ДНК из образца по крайней мере, на начальных циклах ПЦР , поэтому реакция отжига праймеров протекает быстрее ренатурации ДНК. Температура отжига выбирается в зависимости от температур плавления денатурации праймеров. Температура соответствует оптимальной температуре работы используемой ДНК-полимеразы. Также образуется малое количество более длинных молекул ДНК, которым можно пренебречь см. Рис 2. Затем реакция выходит на плато. Это происходит из-за накопления продукта реакции, снижения концентрации праймеров и дезоксинуклеотидтрифосфатов, а также за счет повышения концентрации пирофосфата см. Рис 3. Данный вариант постановки ПЦР при использовании в качестве способа диагностики является качественным методом. Положительная реакция свидетельствует о наличии хотя бы следовых количеств искомых молекул ДНК в образце.
Зачем определяют мутации в генах BRCA1 и BRCA2? Какой метод диагностики лучше?
На каждом бланке результата ПЦР-теста на COVID-19 размещен QR-код. Количественная полимеразная цепная реакция (ПЦР). ПЦР также можно выполнять как количественный анализ для измерения объема конкретной последовательности ДНК в образце. Полимеразная цепная реакция (ПЦР, PCR) — это точный метод лабораторной диагностики, который используют для выявления возбудителей инфекционных заболеваний. Метод ПЦР в реальном времени может быть использован для быстрого и эффективного анализа однонуклеотидных полиморфизмов, связанных с развитием миомы матки. ПЦР (полимеразная цепная реакция) — это метод тестирования, который способен находить генетический материал вируса непосредственно в крови пациента, слюне или любой другой жидкости, изобретенный в 1983 году американским биохимиком Кэрри Муллисом.