荧光PCR定量质量控制及防污染措施

解放军第三0二医院王海滨写在课前的话近几年在临床检测病毒核酸和细菌核酸上，荧光定量PCR技术越来越广泛。但是如何进行治疗控制以及出现污染后怎样进行清除污染？本文主要讲述怎样来防止污染的产生。一、荧光PCR定量的概述（一）荧光PCR定量的原理实时荧光定量PCR技术，是指在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。常规的PCR也就是电泳PCR，它是合成一个正向引物和反向引物为目的模板，即DNA或RNA作为一个模板扩增，扩增后通过跑电泳的方式来检测它存在与否，是相对量的变化。由于跑电泳经常导致产物外泄，因此污染的几率比较高。近几年PCR扩增时在参入一对引物的同时参入单个特异性的荧光探针，该探针为一寡核苷酸，两端分别标记单个报告荧光基团和单个淬灭荧光基团。探针完整时，报告基团发射的荧光信号被淬灭基团吸收；PCR扩增时，Taq酶的5'端～3'端外切酶活性将探针酶切降解，使报告荧光基团和淬灭荧光基团分离，从而荧光监测系统可接收到荧光信号，即每扩增一条DNA链，就有单个荧光分子构成，实现了荧光信号的累积与PCR产物构成完全同步。通过荧光物质参入和TapMan探针技术来做实时荧光PCR,避免了电泳检测结果的过程,使整个PCR过程从扩增到检测都在一个封闭的状态。荧光集团目前临床常用的有两个，一个是SYBRgreen，一个是TapMan探针。SYBRgreen是一类荧光染料，能与所有的DNA双链相结合，对DNA模板没有选择性，所以特异性不如TaqMan探针。变性后双螺旋变成单链，然后作为扩增的模板。在扩增的过程中由变性到负性扩出了另一条链和模板DNA进行退火变成双链。这时SYBRgreen染料与DNA双链结合,发出荧光信号。用SYBRgreen荧光染料来作为指示剂时，中间要加一个溶解曲线来证实它的特异性的问题。另一个是TapMan探针，在两个引物中间设置一条特异性的探针，它标记有荧光染料通过激发和检测的过程来检测特异性扩增模板的存在。（二）PCR原理图（三）定量原理定量原理：初始模板量的对数与C(T)循环数之间的线性关系。初始DNA量越多,荧光达到某一值（域值）时所需要的循环数越少。域值～Ct值，荧光曲线由潜伏期进入对数期的拐点。Log浓度与循环数呈线性关系（如图二），根据样品扩增达到域值的循环数就可计算出样品中所含的模板量图一为PCR扩增曲线图二为：标准曲线（四）TaqMan探针法TaqMan探针法是高度特异的定量PCR技术，其核心是利用Taq酶的3p→5p外切核酸酶活性，切断探针产生荧光信号。由于探针与模板是特异性结合,所以荧光信号的强弱就代表了模板的数量。在TaqMan探针法的定量PCR反应体系中，包括一对PCR引物和一条探针。探针只与模板特异性地结合，其结合位点在两条引物之间.探针的5p端标记有报告基团(Reporter，R)，如FAM、VIC等，3p端标记有荧光淬灭基团(Quencher，Q)，如TAMRA等。当探针完整的时候，报告基团所发射的荧光能量被淬灭基团吸收，仪器检测不到信号。随着PCR的进行，Taq酶在链延伸过程中遇到与模板结合的探针，其3p→5p外切核酸酶活性就会将探针切断，报告基团远离淬灭基团,其能量不能被吸收，即产生荧光信号。所以,每经过一个PCR循环，荧光信号也和目的片段一样，有一个同步指数增长的过程。信号的强度代表了模板DNA的拷贝数。二、质量指标荧光PCR质量控制。一个好的结果必须有一个好的试剂，有合格的操作人员，有合格的环境等因素。（一）特异性首先一个好的试剂要有特异性。现在临床检验用的试剂，都是要求国家药监局所批的试剂，因此它序列的特异性都是通过专家所认证的。但是用SYBRgreen染料进行定量时，要注意在放射学应用之前或在确定放射学是不是可用时，要通过溶解曲线来对这个方法做一个特异性的评价。另外要注意交叉性的问题，特别是做细菌16sRNA的检测，试剂制备是在国家严格要求的GMP厂房里生产。试剂出厂后运输到检测单位，他们使用的环境基本上不具备GMP厂房的条件。因此如果检测的试剂要求比较高，在GMP厂房或在一个标准的PCR实验室里面才能做的比较合格，而在一个现有的实验室，虽然通过验收但是环境要比GMP厂房要求的环境差，所以两个应该有同步性。就是说在GMP厂房好的条件下生产的试剂，放到现有的实验室里面也应该得到同样一个实验结果。如果我们现在的实验条件出现了交叉性的污染问题，即我们环境里面就存在一个16sRNA这样的菌株，那我们现有的检测结果就没有可靠性。（二）敏感性一个好的试剂要有好的敏感性。有的专家想通过增加模块扩增的量来提高敏感性，我们认为是不科学的，从低碳的境地来讲也是不科学的。目前我们所做的实验，加入模板的量是微量的，有的是3ul，有的是5ul，最多的是10ul。常规的应用PCR反应体系一般是30～50ul。一些进口的试剂用了100ul，这样成本实际价格也非常高。我们现在30～50ul的反应体系下，一般模板的量在5～10ul就足够。如果从5～10ul变成了10～20ul，虽然可以提高1倍的敏感性。但是里面的干扰物质会相应的增加，影响结果的准确性。（1）扩增效率试剂本身的扩增效率应该是最佳的扩增效率，对检测模板所设定的引物和探针的位置不唯一，它有好多位置，好多序列都可以设计。但是在不同的区域设计的不同引物和探针，它扩增的效率可能有很大的差别。对于一个势力雄厚或有经验的实体公司常常是设计很多条引物和探针，并且精确到个别碱基，然后通过理论、软件，更重要要通过实践的筛选，筛选出活性效率比较最高的一套引物和探针来制作试剂。在整个PCR扩增反应的效率和敏感性上，我们把它比喻成是跑步和跳高的关系。如图三所示。这是典型的一个PCR扩增实时荧光曲线，扩了45个循环。我们可以看到从扩增的初期在没有荧光信号的情况下逐渐扩增，扩增到12个循环后检测到了阳性的扩增信号，这个信号越来越放大，然后在10个信号左右达到平台期。这条蓝线是基线即为CT值，从第一个循环到第十二循环没有跑步，十二个循环之后开始跑，跑到最近也是最快的量是最大的。再上后整个模板里，含量最低的在最后，也达到了极限，这就是跑步。跳高就是达到平台，量最大的标本，这个反应孔达到一个高平台，量最少的反应孔也应该达到与量最大的同样一个平台度，这就是跳高。不管原始模板量高中或低，一个好的试剂应该以同样的比例和速率往前移，移到最快，即跑的最快同时跳的最高。最后含量最低的这个反应孔也要跳到同样的高度，这是一个好试剂的标准。曾经对国内的试剂进行一个考核比较，发现同样一个高中低的模板，按照理论扩增时，有的试剂扩增效率开始跳的还很高，后来越跳越矮，这个实体生产厂家在探针设计合成或它的质量、比例、数量等有问题，Taq酶的活性也非常重要。图三：AmplificationPlots（2）添加剂添加剂，目前为了防止扩增污染的，好多试剂公司，包括卫生临检中心也要求，在实验的反应体系要加入一些UNG酶，UNG酶可以有效的防污染，但是UNG酶在防污染的同时在95℃3～5分钟要对它进行灭活，否则它会影响以后的扩增。95℃3～5分钟能不能把UNG酶灭活？后来我们做了一些实验发现95℃5分钟很难彻底的把UNG酶灭活，因此它的存在对试剂的敏感性产生了影响，特别是对低拷贝反应孔的扩增产生抑制的作用。另外关于内标的问题，一个好的实验结果，最重要的体现在重复性上，虽然敏感性越高越好，但是更重要的还是重复性，临床医生更注重同一个标本在不同次检测应该获得同样一个值，虽然在基因检测里不可能达到完全相同，但至少要在一个范围之内。（三）重复性影响重复性的因素有很多。第一，仪器间的差异，能够拿到临床应用的这些仪器间的差异不是特别大，但是在仪器使用过程中会有好多影响因素。仪器使用不当、电压不稳或维护不当常常导致不同台仪器的差异比较大。仪器的厂家要及时对仪器进行维护、保养。第二，辅助仪器，离心机、移液器等，对于微量的实验比较重要。对于需要离心、沉淀或提纯的实验，离心机的转速和定位时间要准，离心机的校准也非常重要。第三，实验室的环境，包括空间环境和结构环境，为了防止污染尽可能要做一个物理的分割，也就是核酸的提取、扩增和试剂配制要通过物理分割的方式分开。第四，实验室的温度，用Trizol试剂来沉淀或提取RNA，如果冬天外界温度比较低，Trizol就会结晶、沉淀，它裂解病毒的效率就要明显的低下，这时经常出现假阴性。第五，操作人员是非常重要的一个因素，不同单位很难进行规范统一的一个方面，就是操作人员的专业素质问题。如图四所示跳的高度都不一样，如果把基线放到不同的位置，结果就不一样，因为有些地方出现交叉。这虽然是不同的反应孔，单孔来看还是一个典型的S型曲线。但是荧光PCR定量时4个标准品或者3个标准品，它是同时形成一个标准曲线，生成一个定量的尺度范围，然后来定量，因此我们更强调不同的反应孔放在一块儿进行分析，要求不同的反应孔之间都是平行的，也就是说最后应该是同样的一个效率。图四为：PCR扩增曲线三、质量环节（一）核酸提取方法（核酸丢失）的影响不同单位用购买的试剂盒进行操作的过程中，即核酸提取的过程，是影响质量的一个重要的原因。对荧光定量来说，标本里的核酸量的变化应该是唯一量的变化，相应的其他过程不应该有量的变化，这才是一个标准。PEG6000、蔗糖～T等浓缩法：变量多如离心速度及时间、去上清、裂解液加入量、混匀程度差异等均导致核酸丢失。如果除了需要检测的模板量变，在我们使用过程中又导致了检测的物质里的量发生变化，定量的结果会受到很大的影响。核酸提取的方法有好多，目前最常用的是热裂解的方法。丙肝病毒或甲流H1N1的检测常用层析柱，还有目前越来越流行用磁珠的方法被动吸附。TRIZOL的方法逐渐被淘汰，因为一是它有毒，二是它丢失的核酸比较多。近几年又出现血清直接加入法（核酸释放剂），目前主要是有四种：第一是聚乙二醇，即热裂解法；第二是层析柱的方法；第三是磁珠提纯法；第四是TRIZOL沉淀提纯法；第五是血清直接加入法（核酸释放剂），这些方法除了第五种没有丢失，但第五种存在把血清加进去是不是有干扰物质的问题，前四种都有核酸的丢失。（二）PEG提取法核酸丢失情况我们对PEG提取法核酸丢失情况做了一些实验，它的做法是先用100ul裂解液A和100ul的血清混匀，然后高速离心，把上清液去掉，去掉的上清液是不是还有病毒？然后把去掉的上清液再做同样的过程，发现上清液不但有丢失，而且丢失的很多。如图五所示，2×108，4×106、1×105、1×103，四个不同浓度的血清通过PEG提取法的方法,把离心之后去掉的上清液再做一个提取，结果发现红色是上清液检测的量，蓝色是原液，相应的丢失率分别为5.8%、24.8%、16.0%、16.7%。图五为PEG提取法核酸丢失情况上清去掉后对沉淀的物质加入碱性裂解液进行吹打混匀然后煮沸再离心。试剂盒的要求是振荡混匀，但是把吹打混匀和振荡混匀的结果进行对比，如图六左所示：蓝柱是吹打混匀，红柱是振荡混匀。吹打混匀得到的量相对要高一些，可见先吹打再煮沸比简单的震荡混匀要充分的多。因为振荡不能将沉淀的颗粒完全振开，自然裂解就不充分。因此，上清液的丢失，和沉淀颗粒的混匀方式对结果影响还是比较大的，从图上可以看到对于第次方的丢失率甚至可达百分之百。图六为吹打混匀和震荡混匀的比较（三）层析柱核酸丢失情况下面对HCVRNA核酸提取常用的层析柱方法，进行研究发现有两个丢失的步骤。一，标本通过胍盐裂解后要过层析柱，过层析柱后滤下来的部分液体，里面是否有核酸？我们做了连续4次的过滤，滤下来第一滤拿出来，再滤第二滤，共做四次，然后再分别定量，结果如图七所示。滤液一为1.32×106，滤液二为3.95×105，滤液三1×105，滤液四为1×64。因此可以看出过滤过程核酸的丢失程度还是非常严重的。滤完后层析柱通过洗涤液A、洗涤液B进行离心、洗涤，洗涤过程的丢失这里先不考虑。单看最后一步洗脱过程，此处要加50ul洗脱液对层析膜上的核酸进行洗脱。第一次加50ul离心洗脱的