Реакция на днк полимеразу положительная. Анализ ПЦР: что это такое? Как правильно сдавать анализ ПЦР. ПЦР – главный метод обнаружения скрытых инфекций

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) - это метод биохимической технологии в молекулярной биологии, проводящийся с целью увеличения одной или нескольких копий фрагментов ДНК на несколько степеней, что позволяет создать от нескольких тысяч до миллионов копий определенной последовательности ДНК.

Разработанный в 1983 году Кэри Муллисом, метод ПЦР в настоящее время является распространенным и зачастую незаменимым методом, использующимся в медицинских и биологических исследовательских лабораториях для множества различных приложений. Они включают клонирование ДНК для секвенирования, филогению на основе ДНК, или функциональный анализ генов; диагностику наследственных заболеваний; выявление генетических отпечатков пальцев (используется в отраслях судебной медицины и в проведении теста на отцовство), а также выявление и диагностику инфекционных заболеваний. В 1993 году, Муллис был удостоен Нобелевской премии по химии вместе с Майклом Смитом по их работе над ПЦР .

Метод основан на термоциклировании, состоящем из повторяющихся циклов нагрева и охлаждения реакции для денатурации и репликации ДНК ферментами. Праймеры, (короткие фрагменты ДНК), содержащие последовательности, комплементарные с целевым участком наряду с ДНК-полимеразой (на основе чего метод получил название), являются ключевыми компонентами для запуска избирательной и повторной амплификации. В процессе ПЦР, сама синтезированная ДНК используется в качестве матрицы для репликации, приводя в движение цепную реакцию, в которой ДНК-матрица амплифицируется в геометрической прогрессии. ПЦР может значительно модифицироваться для выполнения широкого спектра генетических манипуляций.

Почти все ПЦР-приложения используют термостабильную ДНК-полимеразу, такую как Taq-полимераза, фермент , первоначально выделенный из бактерии Thermus aquaticus . Эта ДНК-полимераза ферментативно собирает новую цепь ДНК из блоков, составляющих ДНК - нуклеотидов, используя одноцепочечную ДНК в качестве матрицы и олигонуклеотиды ДНК (также называемые праймерами ДНК), которые необходимы для инициации синтеза ДНК. Подавляющее большинство методов ПЦР применяют термоциклирование, т. е. попеременное нагревание и охлаждение образца ПЦР по определенному ряду температурных этапов. Эти этапы термоциклирования необходимы сначала для физического разделения двух цепей двойной спирали ДНК при высокой температуре в процессе, называемом денатурацией ДНК. При более низкой температуре, каждая цепь будет использоваться в качестве матрицы в синтезе ДНК ДНК-полимеразой для того, чтобы избирательно амплифицировать целевой участок ДНК. Избирательность результатов ПЦР с использованием праймеров, которые являются комплементарными с участком ДНК - мишенью для амплификации при определенных условиях термоциклирования.

Принципы ПЦР диагностики

ПЦР используется для амплификации определенного участка цепи ДНК (ДНК-мишень). Большинство методов ПЦР обычно амлифицируют фрагменты ДНК до ~ 10000 пар оснований (кб), хотя некоторые методы позволяют увеличивать фрагменты до 40 кб в размере. Реакция производит ограниченное количество конечного амплифицированного продукта, который регулируется имеющимися реактивами в реакции и обратной связью-ингибированием продуктов реакции.

Основной набор ПЦР требует нескольких компонентов и реактивов. Они включают:

• ДНК-матрицу , содержащую целевой участок ДНК, который требуется амплифицировать.
• Два праймера, комплементарные 3"-концам каждой из смысловой и антисмысловой цепей ДНК-мишени.
• Taq-полимераза или иная ДНК-полимераза, действующая при оптимальной температуре около 70 ° C.
• Дезоксинуклеозидтрифосфаты (дНТФ; трифосфатные группы, содержащие нуклеотиды), строительные блоки, из которых ДНК-полимераза синтезирует новую цепь ДНК.
• Буферный раствор , обеспечивающий подходящие химические условия для оптимальной активности и стабильности ДНК-полимеразы.
• Двухвалентные катионы, ионы магния или марганца; обычно используется Mg2 +, но также может использоваться и Mn2 + для ПЦР-опосредованного мутагенеза ДНК, так как более высокие концентрации Mn2 + увеличивают частоту ошибок в процессе синтеза ДНК.
• Одновалентные катионы ионов калия.

ПЦР обычно проводится в реакционном объеме 10-200 мкл в небольших реакционных пробирках (объемом 0.2-0.5 мл) в термоциклере-амплификаторе. Амплификатор нагревает и охлаждает реакционные пробирки для достижения температур, необходимых на каждом этапе реакции. Многие современные амплификаторы используют эффект Пельтье, который позволяет нагревать и охлаждать блок с ПЦР-пробирками просто путем изменения направления электрического тока. Тонкостенные реакционные пробирки способствуют благоприятной теплопроводности для обеспечения быстрого теплового равновесия. Старые амплификаторы, у которых отсутствует нагреваемая крышка, требуют слоя масла на поверхности реакционной смеси или шарика воска в пробирке.

Порядок процедуры

Как правило, ПЦР состоит из серий 20-40 повторяющихся изменений температуры, называемых циклами, причем каждый цикл обычно состоит 2-3 дискретных температурных этапов, обычно трех. Циклирование зачастую начинается и завершается одним температурным этапом (так называемым ожиданием ) при высокой температуре (> 90 ° C) для окончательного расширения продукта или краткого хранения. Использующиеся температуры и длительность времени их применения в каждом цикле зависит от множества параметров. Они включают в себя фермент, используемый для синтеза ДНК, концентрацию двухвалентных ионов и дНТФ в реакции, и температуру плавления (Tm) праймеров.

• Этап инициализации: Этот этап состоит из нагрева реакции до температуры 94-96 ° C (или 98 ° C, если используются высоко термостабильные полимеразы), который проводится на 1-9 минут. Этап требуется только для ДНК-полимераз, которым необходима активация теплом, так называемым горячим стартом ПЦР.
• Этап денатурации: Является первым регулярным событием термоциклирования и состоит из нагревания реакции до 94-98°C в течение 20-30 секунд. Это вызывает расщепление ДНК-матрицы с разрушением водородных связей между комплементарными основаниями и образованием одноцепочечных молекул ДНК.
• Этап отжига: Температура реакции снижается до 50-65°С в течение 20-40 секунд, что позволяет праймерам связаться с одноцепочечной матрицей ДНК. Обычно температура отжига составляет около 3-5 градусов по Цельсию ниже Tm используемых праймеров. Стабильные водородные связи ДНК-ДНК формируются только, когда последовательность праймера точнее соответствует матрице последовательности. Полимераза связывается с гибридом «праймер-матрица» и начинает синтез ДНК.
• Этап расширения / элонгации: Температура на этом этапе зависит от используемой ДНК-полимеразы; Taq-полимераза имеет свою оптимальную температуру активности при 75-80°C; обычно используется температура 72°C для этого фермента. На этом этапе ДНК-полимераза синтезирует новую цепь ДНК, комплементарную цепи ДНК-матрицы, добавляя дНТФ, которые являются комплементарными матрице в направлении 5 "к 3", связывая 5"-фосфатную группу дНТФ с 3"-гидроксильной группой в конце образующейся (расширяющейся) ДНК. Время расширения зависит как от используемой ДНК-полимеразы, так и длины фрагмента ДНК, который необходимо амплифицировать. Как правило, при своей оптимальной температуре, ДНК-полимераза полимеризует тысячу оснований в минуту. При оптимальных условиях, т.е. при отсутствии ограничений вследствие ограничивающих субстратов или реактивов, на каждом этапе расширения, количество ДНК-мишени удваивается, что приводит к экспоненциальной (в геометрической прогрессии) амплификации фрагмента ДНК.
• Финальное удлинение: Это единственный этап, выполняющийся иногда при температуре 70-74°С в течение 5-15 минут после последнего цикла ПЦР для того, чтобы убедиться, что любые оставшиеся одноцепочечные ДНК удлинились полностью.
• Финальное ожидание: Этот этап при температуре 4-15 ° C в течение неопределенного времени может быть использован для кратковременного сохранения реакции. Чтобы проверить, синтезировала ли ПЦР ожидаемый фрагмент ДНК (также иногда называют «амплимер» или «ампликон»), применяется электрофорез в агарозном геле для разделения продуктов ПЦР по размеру. Размер ПЦР-продуктов определяется путем сравнения с лестницей ДНК (маркером молекулярного веса), которая содержит фрагменты ДНК известного размера, выполняется на геле наряду с ПЦР-продуктами.

Стадии полимеразной цепной реакции

Процесс ПЦР можно разделить на три этапа:

1. Экспоненциальная амплификация : В течение каждого цикла, количество продукта удваивается (при условии 100% эффективности реакции). Реакция очень чувствительна: необходимо присутствие только незначительного количества ДНК.
2. Стадия выравнивания : реакция замедляется, так как ДНК-полимераза теряет активность и потребление реактивов, таких как дНТФ и праймеры, заставляет их стать ограничивающими.
3. Плато : Продукт больше не накапливается из-за истощения реактивов и ферментов.

Оптимизация ПЦР

На практике, ПЦР может пройти не успешно по различным причинам, в частности из-за ее чувствительности к загрязнению, что вызывает амплификацию побочных продуктов ДНК. В связи с этим, был разработан ряд методик и процедур для оптимизации условий ПЦР. Загрязнением посторонней ДНК занимаются лабораторные протоколы и процедуры, которые очищают предварительно ПЦР-смеси от потенциальных ДНК-загрязнителей. Это обычно включает пространственное разделение ПЦР-комплектов от областей для анализа или очистки продуктов ПЦР, использование одноразовой пластиковой посуды и тщательную очистку рабочей поверхности между этапами проведения реакции. Методы конструирования праймеров играют важную роль в улучшении выделения продуктов ПЦР и в избегании образования побочных продуктов, а также использование альтернативных компонентов буфера или полимеразных ферментов может помочь в амплификации длинных или иначе проблемных участков ДНК. Добавление реактивов, таких как формамид, в буферные системы может увеличить специфичность и выделение ПЦР. Симуляция на компьютере теоретических результатов ПЦР (электронная ПЦР) может быть выполнена для оказания помощи в конструировании праймеров.

Применение ПЦР

Селективное выделение ДНК

ПЦР позволяет выделять фрагменты ДНК из геномной ДНК с помощью селективной амплификации конкретного участка ДНК. Это применение ПЦР дополняет многие методы, такие как создание зондов гибридизации для методов «саузерн» или «норзерн-блоттинга» и клонирования ДНК, которые требуют больших количеств ДНК, представляющих собой специфический участок ДНК. ПЦР снабжает эти методы высоким содержанием чистой ДНК, что позволяет выполнить анализ образцов ДНК, даже с небольшим количеством исходного материала.

Другие применения ПЦР включают секвенирование ДНК с целью определения неизвестных ПЦР-амплифицированных последовательностей, в которой один из апмлификационных праймеров может быть использован в секвенировании по Сэнгеру, выделении последовательности ДНК для ускорения технологий рекомбинантной ДНК, включающих вставку последовательности ДНК в плазмиду или генетический материал другого организма. Можно быстро провести скрининг колоний бактерий (кишечной палочки) посредством ПЦР для коррекции конструкции векторной ДНК. ПЦР также можно применять для генетической дактилоскопии; методика, используемая в судебной медицине для идентификации личности или организма путем сравнения экспериментальных ДНК с помощью различных ПЦР - методов.

Некоторые методы ПЦР «отпечатков пальцев» имеют высокую дискриминационную силу и могут использоваться для определения генетических связей между людьми, такими как родитель -ребенок или между братьями и сестрами, и используются в выявлении отцовства. Эта методика также может применяться для определения эволюционных взаимоотношений между организмами.

Амплификация и количественная оценка ДНК

Так как ПЦР увеличивает число копий участков ДНК, которые являются мишенями, ПЦР может применяться для анализа очень малых количеств образца. Зачастую это имеет решающее значение для судебно-медицинской экспертизы, когда доступны только следовые количества ДНК в качестве доказательств. ПЦР также может применяться при анализе древних ДНК, которым десятки тысяч лет. Эти ПЦР-методы были успешно использованы на животных, таких как сорокатысячелетний мамонт, а также на ДНК человека, в приложениях, начиная от анализа египетских мумий до идентификации русского царя.

Количественные методы ПЦР позволяют оценить количество заданной последовательности, присутствующей в образце - метод часто применяется для количественного определения уровня экспрессии гена. ПЦР в реальном времени является признанным инструментом для количественного анализа ДНК, который измеряет накопление ДНК продукта после каждого цикла ПЦР-амплификации.

ПЦР в диагностике заболеваний

ПЦР позволяет провести раннюю диагностику злокачественных заболеваний, таких как лейкемия и лимфома, которая в настоящее время является высоко развитой в исследованиях рака и уже используется в плановом порядке. ПЦР может проводиться непосредственно на геномных образцах ДНК для выявления транслокационно-специфичных злокачественных клеток с чувствительностью, которая, по крайней мере, в 10 000 раз выше, чем у других методов.

ПЦР позволяет также выявлять некультивируемые или медленно растущие микроорганизмы, таких как микобактерии, анаэробные бактерии, и вирусы из культуры ткани и моделей животных. Основанием для ПЦР диагностических приложений в области микробиологии является выявление инфекционных агентов и дифференцировка непатогенных штаммов от патогенных в силу специфических генов.

Вирусная ДНК может также выявляться с помощью ПЦР. Праймеры должны быть специфичными к целевым последовательностям ДНК вируса, и ПЦР может применяться для диагностических анализов ДНК или секвенирования генома вируса. Высокая чувствительность ПЦР позволяет обнаружить вирусы вскоре после инфицирования и даже до начала заболевания. Такое раннее выявление вируса может дать врачам значительные возможности в лечении. Количество вируса («вирусная нагрузка») у пациента также может быть определено количественными методом анализа ДНК на основе ПЦР.

Вариации основных методов полимеразной цепной реакции

• Аллель-специфичная ПЦР : метод диагностики или клонирования, основанный на однонуклеотидных полиморфизмах (SNP) (отличиях одного основания в ДНК). Требует предварительных знаний о последовательности ДНК, включая различия между аллелями, и использует праймеры, чьи 3"-концы охватывают SNP. ПЦР-амплификация в жестких условиях гораздо менее эффективна в присутствии несоответствия между матрицей и праймером, поэтому успешная амплификация с SNP-специфическим праймером сигнализирует о наличии специфических SNP в последовательности.
• ПЦР-сборка или сборка циклирования полимеразы (СЦП): искусственный синтез длинных последовательностей ДНК путем проведения ПЦР на резерве длинных олигонуклеотидов с короткими перекрывающимися сегментами. Олигонуклеотиды чередуются между направлениями смысловой и антисмысловой цепей, и перекрывающиеся сегменты определяют порядок ПЦР-фрагментов, тем самым селективно вырабатывая окончательный длинный продукт ДНК.
• Асимметричная ПЦР : преимущественно амплифицирует одну цепь ДНК в матрице двухцепочечной ДНК. Используется в секвенировании и гибридизационного зондирования, где требуется амплификация только одной из двух комплементарных цепей. ПЦР проводится как обычно, но с большим избытком праймеров для цепи, предназначенной для амплификации. Из-за медленной (в арифметической прогрессии) амплификации в конце реакции после использования ограничивающего праймера, требуются дополнительные циклы ПЦР. Последняя модификация этого процесса, известная как «LATE-PCR» (линейность после экспоненциальной фазы - ПЦР) использует ограничивающий праймер с более высокой температурой плавления (Tm), чем избыток праймера для поддержания эффективности реакции, так как концентрация ограничивающего праймера снижается в середине реакции.
• Dial-out ПЦР : высоко параллельный метод с целью получения точных молекул ДНК для синтеза генов. Комплексный резерв молекул ДНК модифицируется уникальными фланговыми метками до массивного параллельного секвенирования. Tag-направленные праймеры затем обеспечивают получение молекул с заданной последовательностью с помощью ПЦР.
• Геликаза-зависимая амплификация: аналогична традиционной ПЦР, но требует постоянную температуру, чем циклирование через циклы денатурации и отжига / расширения. Геликаза ДНК, фермент, который раскручивает ДНК, используется вместо тепловой денатурации.
• Горячий старт ПЦР : методика, которая снижает неспецифическую амплификацию во время начальной настройки этапов ПЦР. Может выполняться вручную путем нагревания компонентов реакции до температуры денатурации (например, 95 ° C) перед добавлением полимеразы. Были разработаны системы специализированных ферментов, которые ингибируют активность полимеразы при комнатной температуре, либо путем связывания антител, либо в присутствии ковалентно связанных ингибиторов, которые диссоциируются только после высокотемпературной стадии активации. «Горячий старт/холодный финиш» ПЦР достигается с помощью новых гибридных полимераз, которые являются неактивными при температуре окружающей среды и мгновенно активируются при температуре элонгации.
• ПЦР, специфичная к межмикросателлитным последовательностям (ISSR): ПЦР-метод ДНК-дактилоскопии, который увеличивает число копий участков между простыми повторяющимися последовательностями для получения уникального отпечатка из амплифицированной длины фрагмента.
• Инвертированная ПЦР широко используется для определения участков последовательности вокруг геномных вставок. Она включает ряд расщеплений ДНК и самостоятельного лигирования, в результате чего образуются известные последовательности на любом конце неизвестной последовательности.
• ПЦР, опосредованная лигированием: Использует небольшие линкеры ДНК, соединенные с интересующей ДНК и несколькими праймерами, связанные с линкерами ДНК; используется для секвенирования ДНК, метода прогулки по геному, и футпринтинга ДНК.
• Метилирование-специфическая ПЦР (MSP): разработана Стивеном Бэйлином и Джимом Германом в Школе Медицины Джона Хопкинса, используется для обнаружения метилирования островков CpG в геномной ДНК. ДНК сначала обрабатывается бисульфитом натрия, который преобразует неметилированные основания цитозина в урацил, распознающийся ПЦР-праймерами как тимин. Затем проводятся две ПЦР на модифицированной ДНК с использованием наборов идентичных праймеров, за исключением в любом островке CpG в пределах последовательности праймеров. В этих точках, один набор праймеров распознает ДНК с цитозинами для увеличения числа копий метилированной ДНК, и один набор распознает ДНК с урацилом или тимином для амплификации неметилированной ДНК. MSP с использованием qPCR также может выполняться с целью получения количественной, нежели качественной информации о метилировании.
• Минипраймер - ПЦР: используются термостабильные полимеразы (S-Tbr), которые могут расширять от коротких праймеров («smalligos»), с числом от 9 или 10 нуклеотидов. Этот метод позволяет ПЦР нацеливаться на регионы, связанные с меньшими праймерами, и используется для амплификации консервативных последовательностей ДНК, таких как ген рРНК 16S (или эукариотическая 18S).
• Амплификация зонда, зависящего от мультиплексного лигирования (MLPA ): позволяет амплифицировать множество мишеней только с одной парой праймеров, таким образом, избегая ограничений разрешения мультиплексной ПЦР.
• Мультиплексная ПЦР состоит из нескольких наборов праймеров в одной смеси ПЦР с целью получения ампликонов разных размеров, которые специфичны к различным последовательностям ДНК. По ориентации на несколько генов одновременно, возможно получить дополнительную информацию при проведении одного теста, что в противном случае потребовало бы больше в несколько раз реагентов и больше времени для выполнения. Температуры отжига для каждого набора праймеров должны быть оптимизированы, чтобы работать правильно в пределах одной реакции, и с размерами ампликона. То есть, длина их пары оснований должна быть достаточно разной с целью образования отдельных полос при визуализации путем электрофореза в геле.
• Вложенная ПЦР : увеличивает специфичность амплификации ДНК, за счет уменьшения фона в связи с неспецифической амплификацией ДНК. Используются два набора праймеров в двух последовательных ПЦР. В первой реакции одна пара праймеров используется для синтеза ДНК-продуктов, которые помимо намеченной цели, могут по-прежнему состоять из неспецифически амплифицированных фрагментов ДНК. Продукты используются затем во второй ПЦР с набором праймеров, чьи сайты связывания полностью или частично отличаются от 3"-концов каждого из праймеров, использованных в первой реакции. Вложенная ПЦР часто наиболее успешна в специфической амплификации длинных фрагментов ДНК, чем традиционная ПЦР, но она требует более подробных знаний о последовательностях-мишенях.
• ПЦР с перекрывающимися расширениями или сращивание перекрывающимися расширениями (SOE): методика генной инженерии, которая применяется для соединения двух или более фрагментов ДНК, которые содержат комплементарные последовательности. Используется для соединения частей ДНК, содержащие гены, регулирующие последовательности, или мутации; техника позволяет создавать специфические и длинные конструкции ДНК.
• Количественная ПЦР (КПЦР): используется для измерения количества продукта ПЦР (обычно в режиме реального времени). Количественно измеряет начальные количества ДНК, кДНК или РНК. КПЦР широко применяется для определения наличия последовательности ДНК в образце, и числа ее копий в пробе. Количественная ПЦР в реальном времени имеет очень высокую степень точности. Методы QRT-PCR (или QF-PCR) используют флуоресцентные красители, такие как «Sybr Green», «EvaGreen» или флюорофор-содержащие ДНК-зонды, такие как «TaqMan», чтобы измерить количество амплифицированного продукта в реальном времени. Иногда упоминается под сокращением RT-PCR (ПЦР в реальном времени) или RQ-PCR. QRT-PCR или RTQ-PCR являются более подходящими сокращениями, так как RT-PCR обычно относится к ПЦР с обратной транскрипцией, часто используемой в сочетании с КПЦР.
• ПЦР с обратной транскрипцией (RT-PCR): для увеличения числа копий ДНК из РНК. Обратная транскриптаза транскрибирует РНК в кДНК, которая затем амплифицируется с помощью ПЦР. RT-PCR широко используется в профилировании экспрессии для выявления экспрессии гена или для определения последовательности РНК-транскрипта, включая сайты старта транскрипции и прекращения. Если известна геномная последовательность ДНК гена, RT-PCR может использоваться для отображения расположения экзонов и интронов в гене. 5"-конец гена (соответствующий сайту старта транскрипции), как правило, определяется RACE-PCR (быстрой амплификацией концов кДНК).
• ПЦР твердой фазы : охватывает несколько значений, в том числе «Амплификация Полонии» (где ПЦР колонии производятся на матрице геля, например), «Bridge ПЦР» (праймеры ковалентно связаны с твердой опорной поверхностью), традиционная ПЦР твердой фазы (где применяется «асимметричная ПЦР» в присутствии праймеров, несущих твердую опору с последовательностью, соответствующей одному из водных праймеров), и ПЦР усиленной твердой фазы (где традиционная ПЦР твердой фазы может быть улучшена за счет применения высоких Tm и вложенных праймеров с твердой опорой с вариантом приложения термического «этапа», чтобы способствовать образованию праймеров с твердой опорой).
• Термическая асимметричная чередующаяся ПЦР (TAIL-PCR): применяется с целью выделения неизвестной последовательности, следующей за известной последовательностью. В известной последовательности, TAIL-PCR использует вложенную пару праймеров с различными температурами отжига; дегенерат праймера используется для амплификации в другом направлении от неизвестной последовательности.
• Touchdown PCR (ступенчатая ПЦР): вариант ПЦР, направленный на уменьшение неспецифического фона путем постепенного снижения температуры отжига по мере прогрессирования циклов ПЦР. Температура отжига на начальных циклах, как правило, на несколько градусов (3-5 ° C) выше Tm используемых праймеров, в то время как на более поздних циклах, температура на несколько градусов (3-5 ° C) ниже Tm праймеров. Более высокие температуры дают большую специфичность для связывания праймера, и более низкие температуры способствуют более эффективной амплификации из специфических продуктов, образующихся во время начальных циклов.
• PAN-AC : использует изотермические условия для амплификации и может применяться на живых клетках.
• Универсальная быстрая прогулка по геному : для прогулки по геному и генетической дактилоскопии с использованием более специфических «двусторонних» ПЦР, чем традиционные "односторонние" подходы (с использованием только один ген-специфического праймера и одного общего праймера - что может привести к артефактному «шуму») в силу механизма, включающего образование структуры лассо. Упрощенными производными UFW являются «Lane RAGE» (лассо-зависимая вложенная ПЦР для быстрой амплификации концов геномной ДНК), «5"RACE Lane» и «3"RACE Lane».
• In silico PCR (цифровая ПЦР, виртуальная ПЦР, электронная ПЦР, е-ПЦР) относится к вычислительным средствам, применяющимся для вычисления результатов теоретической полимеразной цепной реакции с помощью данного набора праймеров (зондов) для амплификации последовательностей ДНК из секвенированного генома или транскриптома.

История ПЦР

В статье в «Journal of Molecular Biology» в 1971 г. Клеппе и его соавторов впервые описан метод с использованием ферментативного анализа с целью репликации короткой матрицы ДНК с праймерами в условиях пробирки. Тем не менее, это раннее проявление основного принципа ПЦР не получило много внимания, и изобретение полимеразной цепной реакции в 1983 году, как правило, приписывается Кэри Муллису.

Когда Муллис разработал ПЦР в 1983 году, он работал в Эмеривилле, Калифорнии на «Cetus Corporation», одной из первых компаний биотехнологии. Там он отвечал за синтез коротких цепочек ДНК. Муллис писал, что он задумал ПЦР во время езды вдоль шоссе Пасифик Кост однажды ночью в своем автомобиле. Он проигрывал в своем сознании новый способ анализа изменений (мутаций) в ДНК, когда он осознал, что он вместо этого изобрел метод увеличения числа копий любого участка ДНК посредством повторяющихся циклов дупликации, обусловленной ДНК-полимеразой. В «Scientific American», Муллис резюмировал процедуру: «Начиная с одной молекулы генетического материала ДНК, ПЦР может генерировать 100 млрд. подобных молекул за один день. Эту реакцию легко выполнить. Она требует не больше, чем пробирку, несколько простых реагентов и источник тепла». Он был награжден Нобелевской премией по химии в 1993 году за свое изобретение, семь лет спустя как он и его коллеги в «Cetus» впервые осуществили его предложение на практике. Тем не менее, остались некоторые противоречия об интеллектуальном и практическом вкладе других ученых в работе Муллиса, и был ли он единственным изобретателем принципа ПЦР.

В основе метода ПЦР лежит использование подходящей ДНК-полимеразы, способной выдерживать высокие температуры> 90°C (194°F), необходимых для расщепления двух цепей ДНК в двойной спирали ДНК после каждого цикла репликации. ДНК-полимеразы, первоначально использовавшиеся для экспериментов в пробирке, предвещая ПЦР, были не в состоянии выдержать такие высокие температуры. Поэтому, ранние процедуры репликации ДНК были очень неэффективны и занимали много времени, а также требовали большого количества ДНК-полимеразы и непрерывной обработки в течение всего процесса.

Открытие в 1976 г. Taq-полимеразы - полимеразы ДНК, выделенной из термофильной бактерии, Thermus aquaticus , которая, естественно, живет в горячих (от 50 до 80°C (122 до 176°F)) средах, таких как горячие источники - проложило путь к кардинальному улучшению метода ПЦР. ДНК-полимераза, выделенная из Т. Aquaticus , стабильна при высоких температурах и остается активной даже после денатурации ДНК, тем самым устраняя необходимость добавления новых ДНК-полимераз после каждого цикла. Это позволило автоматизировать процесс амплификации ДНК на основе амплификатора-термоциклера.

Патентные войны

Предложенный метод ПЦР был запатентован Кэри Муллисом и приписан «Cetus Corporation», где работал Муллис, когда он изобрел методику в 1983 году. Фермент Taq-полимераза был также защищен патентами. Было подано несколько громких исков, связанных с методикой, в том числе безуспешный иск, поданный «DuPont». Фармацевтическая компания «Hoffmann-La Roche» приобрела права на патенты в 1992 году и в настоящее время держит те, которые по-прежнему защищены.

Подобное патентное сражение за фермент Taq-полимеразу все еще продолжается в некоторых юрисдикциях по всему миру между «Roche» и «Promega». Правовые аргументы вышли за рамки сроков действия исходных патентов на ПЦР и Taq-полимеразу, срок действия которых истек 28 марта 2005 года.

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – метод высокой точности в области диагностирования наследственных патологий, инфекций, вирусных болезней в любой стадии (острой или хронической), а также - на раннем этапе - до очевидных проявлений болезни путем идентификации возбудителей, на основе их ДНК, РНК, являющихся генетическим материалом, в пробах, которые получают от пациента. И сегодня мы поговорим про суть, этапы диагностики и принципы методов полимеразной цепной реакции (ПЦР), а также о ее стоимости.

Что такое полимеразная цепная реакция

Основа анализа - амплификация (удвоение) – создание множества копий из короткого участка ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), представляющей генетический комплекс человека. Для исследования нужно очень малое количество физиологического вещества (мокрота, каловые массы, соскоб эпителия, сок простаты, кровь, сперма, околоплодные воды, слизь, ткань плаценты, моча, слюна, жидкость плевральная, цереброспинальная). При этом, например, в мочеполовом тракте больного возможно обнаружение даже единичного вредоносного микроба.

Методику ПЦР (полимеразной цепной реакции) разработал американский ученый К. Мюллисом, в 1993 получивший Нобелевскую премию.

Активно используется:

• в раннем диагностировании инфекций, генетических, ;
• в судебно-медицинской экспертизе при наличии для исследования крайне малого количества ДНК;
• в ветеринарной медицине, фармацевтике, биологии, молекулярной генетике;
• для идентификации личности по ДНК, подтверждения отцовства;
• в палеонтологии, антропологии, экологии (при отслеживании качества продуктов, факторов внешней среды).

О том, что такое полимеразная цепная реакция, расскажет в подробностях данное видео:

Кому ее назначают

Полимеразная цепная реакция в диагностике инфекционных заболеваний - одна из наиболее надежных методик особой точности и достоверности. К примеру, достоверность проведенного анализа ПЦР на хламидии и на многие другие патогены приближается к 100% (абсолютная). Чаще всего процедуру полимеразной цепной реакции назначают пациентам, у которых при диагностировании возникают сложности с идентификацией конкретного возбудителя.

Лабораторный тест ПЦР применяют:

• для обнаружения болезнетворных организмов, вызывающих инфицирование мочевыводящих и половых органов, трудно идентифицируемых при использовании посевов или методов иммунологии;
• для повторного диагностирования ВИЧ на начальной стадии в случае положительного, но вызывающего сомнения результата первичного анализа (например, у новорожденных от инфицированных СПИДом родителей);
• для установления онкологического заболевания на раннем этапе (изучение мутаций онкогенов) и индивидуальной коррекции схемы лечения у конкретного пациента;
• с целью раннего выявления и потенциального лечения наследственных патологий.

Так, будущие родители сдают анализ, чтобы узнать, являются ли они носителями генетической патологии, у детей ПЦР определяет вероятность подверженности болезни, передающейся по наследству.

• для обнаружения патологий плода на раннем сроке вынашивания (отдельные клетки растущего эмбриона исследуют на наличие возможных мутаций);
• у пациентов перед трансплантацией органов – для «тканевого типирования» (определения совместимости тканей);
• для выявления опасных патогенных организмов в донорской крови;
• у новорожденных малышей – для выявления скрытых инфекций;
• для оценки результатов антивирусного и антимикробного лечения.

Зачем проходить такую процедуру

Поскольку ПЦР - высокоэффективный способ диагностики, дающий почти 100% результат, процедуру используют:

• для подтверждения или исключения окончательного диагноза;
• быстрой оценки эффективности проводимой терапии.

Во многих случаях ПЦР - единственно возможный тест для обнаружения развивающегося заболевания, если прочие бактериологические, иммунологические и вирусологические методики диагностирования оказываются бесполезными.

• Вирусы обнаруживаются с помощью процедуры ПЦР сразу после инфицирования и до появления признаков болезни. Раннее выявление вируса позволяет оперативно назначить лечение.
• Так называемая «вирусная нагрузка» (или - количество вирусов в организме) также определяется при анализе ДНК количественным методом.
• Конкретные болезнетворные организмы (например, туберкулезную палочку Коха) сложно и слишком долго культивировать. Анализ ПЦР позволяет быстро выявить минимальное количество патогенов (живых и мертвых) в образцах, удобных для исследования.

Подробный анализ ДНК патогена используется:

• чтобы определить его чувствительность к конкретным видам антибиотиков, что позволяет немедленно приступить к лечению;
• чтобы контролировать распространение эпидемий среди домашних, диких животных;
• чтобы выявить и отслеживать новые заразные виды микробов и подтипы патогенов, которые спровоцировали предыдущие эпидемии.

Виды диагностики

Стандартный метод

Анализ полимеразно-цепной реакции проводится на основе многократной амплификации (удвоения) конкретного фрагмента ДНК и РНК при использовании особых ферментов-праймеров. В результате цепочки копирования получается количество материала, достаточное для исследования.

В ходе процедуры копируется только искомый фрагмент (соответствующий заданным конкретным условиям) и в случае, если он действительно присутствует в пробе.

О том, как проходит ПЦР, рассказывает это подробное видео с полезными схемами:

Другие методы

• ПЦР, проводимая в режиме реального времени . В этом виде исследования процесс выявления заданного фрагмента ДНК запускается после прохождения каждого цикла, а не после осуществления всей цепочки 30 – 40 циклов. Этот вид исследования позволяет получить информацию о количестве патогена (вируса или микроба) в организме, то есть осуществлять количественный анализ.
• ОТ-ПЦР (режим обратной транскрипции) . Этот анализ используют, чтобы найти РНК с одной цепочкой для обнаружения вирусов, генетической базой которых является именно РНК (например, вирус гепатита С, иммунодефицита). При таком исследовании используется особый фермент - обратная транскриптаза и определенный праймер и на базе РНК строится одноцепочная ДНК. Затем из этой цепочки восстанавливают вторую цепь ДНК и выполняется стандартная процедура.

Показания для проведения

Процедура ПЦР применяется в клинике инфекционных болезней, неонатологии, акушерстве, педиатрии, урологии, гинекологии, венерологии, неврологии, нефрологии, офтальмологии.

Показания для назначения анализа:

• выяснение риска развития генетических отклонений у ребенка при вероятности наследственных патологий;
• диагностирование обоих родителей при планировании беременности или тяжелом состоянии матери при протекающей беременности;
• трудности с зачатием, выявление причин бесплодия;
• подозрение на половые инфекции в острой стадии и при симптоматике перехода их в хроническую;
• обнаружение причин воспалительных процессов неясного происхождения;
• незащищенные случайные и постоянные половые контакты;
• определение чувствительности патогенного микроорганизма к конкретным антибиотикам;
• пациентам с подозрением на скрытую инфекцию для обнаружения патогенов до развития явной симптоматики (доклиническое диагностирование);
• больным для подтверждения выздоровления после болезни (ретроспективная диагностика);:

Также используется диагностика при необходимости точного выявления следующих возбудителей::

• вирусы гепатита (A B C G), иммунодефицита человека, цитомегаловирус;
• вибрион холерный;
• вирус простого герпеса, герпетиформные виды;
• ретро – адено – и риновирусы;
• вирусы краснухи, Эпштейна-Барр, варицелла (Зостер – вирус);
• парво – и пикорновирусы;
• бактерия Helicobacter pylori;
• легионеллы, патогенные типы палочки кишечной;
• стафилококк золотистый;
• возбудитель ;
• клостридии, дифтерийная и гемофильная палочка;

Используется и для определения инфекций:

• инфекционный мононуклеоз;
• боррелиоз, листериоз, клещевой энцефалит;
• кандидоз, вызываемый грибками Candida;
• половые инфекции – трихомониаз, уреаплазмоз, бледная трепонема, гарднереллез, гонорея, микоплазмоз, хламидиоз;
• туберкулез.

Противопоказания для проведения

Поскольку процедура проводится не с пациентом, без какого-либо воздействия на организм, а с биологическим материалом, взятым для исследования, то никаких противопоказаний для ПЦР не имеется по причине отсутствия потенциальной опасности.

Однако забор биоматериала из шеечного канала матки не проводят после процедуры кольпоскопии. Сдача мазков, соскобов на анализ разрешена только через 4 – 6 дней после окончания менструации и полного прекращения выделений.

Безопасен ли метод

Никакое негативное влияние на пациента при изолированном исследовании его биоматериала в лабораторных условиях невозможно.

Подготовка к процедуре (сдача биологических веществ на анализ)

В качестве образца для анализа ПЦР, при котором выявляют ДНК чужеродного патогена, служит любая биологическая жидкость, ткань, выделения организма. Забор исследуемого вещества проводят в виде взятия крови из вены, соскоба из гортани, полости носа, мочеиспускательного канала, плевральной полости, шейки матки.

Перед диагностической процедурой врач объясняет пациенту, забор какого материала будет взят:

1. При обследовании на половые инфекции, производится забор выделений из половых органов, моча, мазок из уретры.
2. При анализе на герпетические инфекции, цитомегаловирус, мононуклеоз – берут на анализ мочу, мазок из зева, на гепатит, токсоплазмоз - кровь из вены.
3. С целью диагностирования различных видов проводится забор спинномозговой жидкости.
4. В пульмонологии образцы для анализа - мокрота и жидкость плевральная.
5. Когда проводят исследование возможных внутриутробных инфекций при вынашивании плода для анализа используют околоплодные воды и клетки плаценты.

Достоверность и точность анализа зависит от стерильности условий при взятии материала. Поскольку исследование ПЦР обладает высокой чувствительностью, любое загрязнение исследуемого вещества способно искажать результат.

Грамотная подготовка к сдаче биоматериала не представляет для пациентов никаких трудностей. Имеются определенные рекомендации:

• при анализе на половые инфекции:
  • исключить интимные контакты за 72 часа до сдачи материала;
  • прекратить использование любых вагинальных средств за 3 суток;
  • с вечера предыдущего дня не проводить гигиену исследуемой области;
  • исключить мочеиспускание за 3 – 4 часа при взятии пробы из уретры;
• прекратить прием антибиотиков за месяц до сдачи анализов на инфекции;
• кровь сдают утром до принятия еды и питья;
• сбор первой утренней порции мочи проводится в стерильный контейнер после тщательного интимного туалета.

О том, как проводится диагностика по методике полимеразной цепной реакции, читайте ниже.

Как проходит процедура

При выполнении исследования ПЦР раз за разом в реакторе (амплификаторе или термоциклере) повторяются определенные циклы:

1. Первый шаг – денатурация . Слюну, кровь, биоптат, гинекологические пробы, мокроту, в которых подозревается присутствие ДНК (или РНК) патогена, помещают в амплификатор, где происходит нагревание материала и расщепление ДНК на две отдельные цепочки.
2. Второй шаг – отжиг или небольшое охлаждение материала и добавление к нему праймеров, способных распознавать нужные участки в молекуле ДНК и связываться с ними.
3. Третий шаг – элонгация – происходит после присоединения 2 праймеров к каждой из цепочек ДНК. В ходе процесса фрагмент ДНК патогена достраивается, и формируется его копия.

Эти циклы повторяются по типу «цепной реакции», каждый раз приводя к удвоению копий специфичного фрагмента ДНК (например, отрезка, где запрограммирован определенный вирус). За несколько часов образуется множество копий фрагмента ДНК, и выявляется их присутствие в образце. После этого проводят анализ и сравнение результатов с данными базы различных видов патогенов, чтобы определить вид инфекции.

Про расшифровку результатов и вывод исходя из ПЦР-реакции читайте ниже.

Расшифровка результатов

Окончательный результат исследования выдается через 1 – 2 суток после сдачи биологического материала. Нередко – уже в первые сутки после анализа.

Качественный анализ

• Отрицательный результат означает, что в веществе, сданном на исследование, следов возбудителей инфекции не обнаружено.
• Положительный результат означает выявление патогенных вирусов или бактерий в биологическом образце с очень высокой степенью точности на момент сдачи материала.

Если результат положительный, но признаков активизации инфекции не выявлено – такое состояние организма называют бессимптомным «здоровым носительством». Чаще всего наблюдается при взятии биоматериала из определенного места (цервикальный канал, уретра, полость рта) при вирусных заболеваниях. Лечения в этом случае не требуется, но обязательно постоянное врачебное наблюдение, поскольку существует вероятность:

• распространения вируса от носителей и заражение здоровых людей;
• активизации процесса и переход заболевания в хроническую форму.

Однако - если положительным является анализ крови, это указывает на то, что инфекция поразила организм, и это уже не состояние носительства, а патология, требующая незамедлительной специфической терапии.

Количественный анализ

Количественный результат определяет специалист конкретно для определенного вида инфекции. На его основании можно оценить степень развития, стадию болезни, что дает возможность оперативно назначить правильное лечение.

Средняя стоимость

Цены на проведение полимеразной цепной реакции определяют: вид исследования, сложность идентификации возбудителя, трудность забора биологического материала, вид анализа (качественный или количественный), уровень цен в лаборатории.

С другой стороны, при исследовании ПЦР можно определить сразу несколько патогенов при заборе одного вида материала для анализа. Это позволяет сэкономить на других лабораторных анализах.

Ориентировочно, стоимость анализа ПЦР в рублях:

• гонококк, гарднерелла, трихомонада вагиналис – от 180
• хламидия трахоматис – от 190
• папилломавирус – от 380 до 500
• биоценоз урогенитального тракта у женщин (количественная и качественная оценка микрофлоры) – от 800.

Еще больше полезной информации в отношении исследования ПЦР содержится в видеосюжете ниже:

Получил Нобелевскую премию .

В начале использования метода после каждого цикла нагревания-охлаждения приходилось добавлять в реакционную смесь ДНК-полимеразу , так как она инактивировалась при высокой температуре, необходимой для разделения цепей спирали ДНК. Процедура проведения реакции была сравнительно неэффективной, требовала много времени и фермента. В 1986 году метод полимеразной цепной реакции был существенно улучшен. 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 бактерий Thermus aquaticus и названа Taq -полимеразой. Недостаток этой полимеразы заключается в том, что вероятность внесения ошибочного нуклеотида у неё достаточно высока, так как у этого фермента отсутствуют механизмы исправления ошибок (3"→5" экзонуклеазная активность). Полимеразы Pfu и Pwo , выделенные из архей , обладают таким механизмом, их использование значительно уменьшает число мутаций в ДНК, но скорость их работы (процессивность) ниже, чем у Taq . Сейчас применяют смеси Taq и Pfu , чтобы добиться одновременно высокой скорости полимеризации и высокой точности копирования.

В момент изобретения метода Кэри Муллис работал химиком-синтетиком (он синтезировал олигонуклеотиды, которые применялись тогда для выявления точечных мутаций методом гибридизации с геномной ДНК) в компании Цетус (Cetus Corporation), которая и запатентовала метод ПЦР. В 1992 году Цетус продала права на метод и патент на использование Taq -полимеразы компании Хофман-Ла Рош за 300 млн долларов. Однако оказалось, что Taq -полимераза была охарактеризована советскими биохимиками А. Калединым, А. Слюсаренко и С.Городецким в 1980 году , а также за 4 года до этой советской публикации, то есть в 1976 году, американскими биохимиками Alice Chien, David B.Edgar и John M. Trela. В связи с этим компания Промега (Promega) пыталась в судебном порядке заставить Рош отказаться от исключительных прав на этот фермент . Американский патент на метод ПЦР истёк в марте 2005 г.

Проведение ПЦР

Метод основан на многократном избирательном копировании определённого участка ДНК при помощи ферментов в искусственных условиях (in vitro ). При этом происходит копирование только того участка, который удовлетворяет заданным условиям, и только в том случае, если он присутствует в исследуемом образце. В отличие от амплификации ДНК в живых организмах, (репликации), с помощью ПЦР амплифицируются относительно короткие участки ДНК . В обычном ПЦР-процессе длина копируемых ДНК-участков составляет не более 3000 пар оснований (3 kbp ). С помощью смеси различных полимераз, с использованием добавок и при определённых условиях длина ПЦР-фрагмента может достигать 20-40 тысяч пар нуклеотидов. Это всё равно значительно меньше длины хромосомной ДНК эукариотической клетки. Например, геном человека состоит примерно из 3 млрд пар оснований .

Компоненты реакции

Для проведения ПЦР в простейшем случае требуются следующие компоненты:

• ДНК-матрица , содержащая тот участок ДНК, который требуется амплифицировать .
• Два праймера , комплементарные противоположным концам разных цепей требуемого фрагмента ДНК.
• Термостабильная ДНК-полимераза - фермент , который катализирует реакцию полимеризации ДНК. Полимераза для использования в ПЦР должна сохранять активность при высокой температуре длительное время, поэтому используют ферменты, выделенные из термофилов - Thermus aquaticus (Taq-полимераза), Pyrococcus furiosus (Pfu-полимераза), Pyrococcus woesei (Pwo-полимераза) и другие.
• Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (dATP, dGTP, dCTP, dTTP).
• Ионы Mg 2+ , необходимые для работы полимеразы.
• Буферный раствор , обеспечивающий необходимые условия реакции - рН , ионную силу раствора . Содержит соли, бычий сывороточный альбумин .

Чтобы избежать испарения реакционной смеси, в пробирку добавляют высококипящее масло, например, вазелиновое. Если используется амплификатор с подогревающейся крышкой, этого делать не требуется.

Добавление пирофосфатазы может увеличить выход ПЦР-реакции. Этот фермент катализирует гидролиз пирофосфата , побочного продукта присоединения нуклеотидтрифосфатов к растущей цепи ДНК, до ортофосфата . Пирофосфат может ингибировать ПЦР-реакцию .

Праймеры

Специфичность ПЦР основана на образовании комплементарных комплексов между матрицей и праймерами , короткими синтетическими олигонуклеотидами длиной 18-30 оснований. Каждый из праймеров комплементарен одной из цепей двуцепочечной матрицы и ограничивает начало и конец амплифицируемого участка.

После гибридизации матрицы с праймером (отжиг ), последний служит затравкой для ДНК-полимеразы при синтезе комплементарной цепи матрицы (см. ).

Важнейшая характеристика праймеров - температура плавления (T m) комплекса праймер-матрица.

T m - температура, при которой половина ДНК-матриц образует комплекс с олигонуклеотидным праймером. Усредненная формула подсчета T m для короткого олигонуклеотида (и для длинных ДНК фрагментов), с учетом концентрации ионов K + и DMSO :

где L - количество нуклеотидов в праймере, K + - молярная концентрация ионов калия, G+C - сумма всех гуанинов и цитозинов .

В случае неверного выбора длины и нуклеотидного состава праймера или температуры отжига возможно образование частично комплементарных комплексов с другими участками матричной ДНК, что может привести к появлению неспецифических продуктов. Верхний предел температуры плавления ограничен оптимумом температуры действия полимеразы, активность которой падает при температурах выше 80 °C.

При выборе праймеров желательно придерживаться следующих критериев:

Амплификатор

Рис. 1 : Амплификатор для проведения ПЦР

ПЦР проводят в амплификаторе - приборе, обеспечивающем периодическое охлаждение и нагревание пробирок, обычно с точностью не менее 0,1 °C. Современные амплификаторы позволяют задавать сложные программы, в том числе с возможностью «горячего старта», Touchdown ПЦР (см. ниже) и последующего хранения амплифицированных молекул при 4 °C. Для ПЦР в реальном времени выпускают приборы, оборудованные флуоресцентным детектором. Существуют также приборы с автоматической крышкой и отделением для микропланшет, что позволяет встраивать их в автоматизированные системы.

Ход реакции

Фотография геля, содержащего маркерную ДНК (первый и последний слоты) и продукты ПЦР

Обычно при проведении ПЦР выполняется 20-35 циклов, каждый из которых состоит из трёх стадий (рис. 2).

Денатурация

Двухцепочечную ДНК-матрицу нагревают до 94-96 °C (или до 98 °C, если используется особенно термостабильная полимераза) на 0,5-2 мин, чтобы цепи ДНК разошлись. Эта стадия называется денатурацией , так как разрушаются водородные связи между двумя цепями ДНК. Иногда перед первым циклом (до добавления полимеразы) проводят предварительный прогрев реакционной смеси в течение 2-3 мин для полной денатурации матрицы и праймеров. Такой приём называется горячим стартом , он позволяет снизить количество неспецифичных продуктов реакции.

Отжиг

Когда цепи разошлись, температуру понижают, чтобы праймеры могли связаться с одноцепочечной матрицей. Эта стадия называется отжигом . Температура отжига зависит от состава праймеров и обычно выбирается равной температуре плавления праймеров. Неправильный выбор температуры отжига приводит либо к плохому связыванию праймеров с матрицей (при завышенной температуре), либо к связыванию в неверном месте и появлению неспецифических продуктов (при заниженной температуре). Время стадии отжига - 30 cек, одновременно, за это время полимераза уже успевает синтезировать несколько сотен нуклеотидов. Поэтому рекомендуется подбирать праймеры с температурой плавления выше 60 °C и проводить отжиг и элонгацию одновременно, при 60-72 °C.

Элонгация

ДНК-полимераза реплицирует матричную цепь, используя праймер в качестве затравки. Это - стадия элонгации . Полимераза начинает синтез второй цепи от 3"-конца праймера, который связался с матрицей, и движется вдоль матрицы, синтезируя новую цепь в направлении от 5" к 3" концу. Температура элонгации зависит от полимеразы. Часто используемые полимеразы Taq и Pfu наиболее активны при 72 °C. Время элонгации зависит как от типа ДНК-полимеразы, так и от длины амплифицируемого фрагмента. Обычно время элонгации принимают равным одной минуте на каждую тысячу пар оснований. После окончания всех циклов часто проводят дополнительную стадию финальной элонгации , чтобы достроить все одноцепочечные фрагменты. Эта стадия длится 7-10 мин.

Рис. 2 : Схематическое изображение первого цикла ПЦР. (1) Денатурация при 94-96 °C. (2) Отжиг при 68 °C (например). (3) Элонгация при 72 °C (P=полимераза). (4) Закончен первый цикл. Две получившиеся ДНК-цепи служат матрицей для следующего цикла, поэтому количество матричной ДНК в ходе каждого цикла удваивается

Количество специфического продукта реакции (ограниченного праймерами) теоретически возрастает пропорционально 2 n - 2n, где n - число циклов реакции . На самом деле эффективность каждого цикла может быть меньше 100 %, поэтому в действительности P ~ (1+E) n , где P - количество продукта, Е - средняя эффективность цикла.

Число «длинных» копий ДНК тоже растет, но линейно, поэтому в продуктах реакции доминирует специфический фрагмент.

Рост требуемого продукта в геометрической прогрессии ограничен количеством реагентов, присутствием ингибиторов , образованием побочных продуктов. На последних циклах реакции рост замедляется, это называют «эффектом плато».

Разновидности ПЦР

• Вложенная ПЦР (Nested PCR (англ.) ) - применяется для уменьшения числа побочных продуктов реакции. Используют две пары праймеров и проводят две последовательные реакции. Вторая пара праймеров амплифицирует участок ДНК внутри продукта первой реакции.
• Инвертированная ПЦР (Inverse PCR (англ.) ) - используется в том случае, если известен лишь небольшой участок внутри нужной последовательности. Этот метод особенно полезен, когда нужно определить соседние последовательности после вставки ДНК в геном. Для осуществления инвертированной ПЦР проводят ряд разрезаний ДНК рестриктазами с последующим соединением фрагментов (лигирование). В результате известные фрагменты оказываются на обоих концах неизвестного участка, после чего можно проводить ПЦР как обычно.
• ПЦР с обратной транскрипцией (Reverse Transcription PCR, RT-PCR (англ.) ) - используется для амплификации, выделения или идентификации известной последовательности из библиотеки РНК. Перед обычной ПЦР проводят на матрице мРНК синтез одноцепочечной молекулы ДНК с помощью ревертазы и получают одноцепочечную кДНК , которая используется в качестве матрицы для ПЦР. Этим методом часто определяют, где и когда экспрессируются данные гены.
• Асимметричная ПЦР (англ. Asymmetric PCR ) - проводится тогда, когда нужно амплифицировать преимущественно одну из цепей исходной ДНК. Используется в некоторых методиках секвенирования и гибридизационного анализа. ПЦР проводится как обычно, за исключением того, что один из праймеров берется в большом избытке. Модификаций этого метода является англ. Linear- After- The- Exponential-PCR (LATE-PCR), в котором используются праймеры с разной концентрацией, и праймер с низкой концентрацией подбирается с высокой (температурой плавления), чем праймер с высокой концентрацией. ПЦР проводят при высокой температуре отжига, тем самым удаётся поддержать эффективности реакции на протяжении всех циклов .
• Количественная ПЦР (Quantitative PCR, Q-PCR (англ.) ) или ПЦР в реальном времени - используется для непосредственного наблюдения за измерением количества конкретного ПЦР продукта в каждом цикле реакции. В этом методе используют флуоресцентно-меченые праймеры или ДНК-зонды для точного измерения количества продукта реакции по мере его накопления; или используется флуоресцентный интеркалирующий краситель Sybr Green I , который связывается с двухцепочечной ДНК. Sybr Green I обеспечивает простой и экономичный вариант для детекции и количественного определения ПЦР-продуктов в ходе ПЦР в режиме реального времени без необходимости использования специфичных флуоресцентных зондов или праймеров. В ходе амплификации краситель SYBR Green I встраивается в малую бороздку ДНК ПЦР продуктов и испускает более сильный по сравнению с несвязанным красителем флуоресцентный сигнал при облучении синим лазером. SYBR Green I совместим со всеми известными на сегодняшний день приборами для проведения ПЦР в режиме реального времени. Максимум поглощения для SYBR Green I находится при длине волны 494 нм. Кроме главного, в спектре красителя имеются два небольших дополнительных максимума поглощения - при 290 нм и 380 нм. Максимум испускания для SYBR Green I находится при длине волны 521 нм (зелёный) .
• Ступенчатая ПЦР (Touchdown PCR (англ.) ) - с помощью этого подхода уменьшают влияние неспецифического связывания праймеров. Первые циклы проводят при температуре выше оптимальной температуры отжига, затем каждые несколько циклов температуру отжига постепенно снижают до оптимальной. Это делается для того, чтобы праймер гибридизовался с комплементарной цепью всей своей длиной; тогда как при оптимальной температуре отжига, праймер частично гибридизуется с комплементарной цепью. Частичная гибридизация праймера на геномной ДНК приводит к неспецифической амплификации, если участков связывания для праймера достаточно много. В большинстве случаев, первые десять ПЦР циклов, можно проводить при температуре отжига в 72-75°С, а затем сразу снизить до оптимальной, например до 60-65°С.
• Метод молекулярных колоний (ПЦР в геле, англ. Colony - PCR Colony ) - акриламидный гель полимеризуют со всеми компонентами ПЦР на поверхности и проводят ПЦР. В точках, содержащих анализируемую ДНК, происходит амплификация с образованием молекулярных колоний.
• ПЦР с быстрой амплификацией концов кДНК (англ. Rapid amplification of cDNA ends, RACE-PCR ).
• ПЦР длинных фрагментов (англ. Long-range PCR ) - модификация ПЦР для амплификации протяженных участков ДНК (10 тысяч и более оснований). Используют смесь двух полимераз, одна из которых - Taq-полимераза с высокой процессивностью (то есть, способная за один проход синтезировать длинную цепь ДНК), а вторая - ДНК полимераза с 3"-5" экзонуклеазной активностью, обычно это Pfu полимераза. Вторая полимераза необходима для того, чтобы корректировать ошибки, внесённые первой, так как Taq-полимераза останавливает синтез ДНК если был добавлен не комплементарный нуклеотид. Этот не комплементарный нуклеотид удаляет Pfu полимераза. Смесь полимераз берется в отношении 50:1 или даже меньше 100:1, где Taq-полимераза берётся в 25-100 раз больше по отношению к Pfu полимеразе.
• RAPD (англ. Random Amplification of Polymorphic DNA ), ПЦР со случайной амплификацией полиморфной ДНК - используется тогда, когда нужно различить близкие по генетической последовательности организмы, например, разные сорта культурных растений, породы собак или близкородственные микроорганизмы. В этом методе обычно используют один праймер небольшого размера (около 10 п.н.). Этот праймер будет частично комплементарен случайным участкам ДНК исследуемых организмов. Подбирая условия (длину праймера, его состав, температуру и пр.), удаётся добиться удовлетворительного отличия картины ПЦР для двух организмов.
• Групп-специфическая ПЦР (англ. group-specific PCR ) - ПЦР для родственных последовательностях внутри одного или между разными видами , используя консервативные праймеры к этим последовательностям. Например, подбор универсальных праймеров к рибосомальным 18S и 26S генам для амплификации видоспецифического межгенного спейсера: последовательность генов 18S и 26S консервативна между видами, поэтому ПЦР между этими генами будет проходить для всех исследуемых видов. Противоположный этому методу является - уникальная ПЦР (англ. unique PCR ), в котором задача состоит в подборе праймеров для амплификации только конкретной последовательности среди родственных последовательностей.
• ПЦР с использованием горячего старта (англ. Hot-start PCR ) - модификация ПЦР с использованием ДНК-полимеразы, в которой полимеразная активность блокируется при комнатной температуре антителами или имитирующие антитела небольшими молекулами типа Affibody , то есть в момент постановки реакции до первой денатурации в ПЦР. Обычно первая денатурация проводится при 95 °C в течение 10 минут.
• Виртуальная ПЦР (англ. in silico PCR , цифровая ПЦР, электронная ПЦР, е-ПЦР) - математический метод компьютерного анализа теоретической полимеразной цепной реакции c использованием списка последовательностей праймеров (или ДНК-зондов) для предсказания потенциальной амплификации ДНК исследуемого генома , хромосомы , кольцевой ДНК или любого другого участка ДНК.

Если нуклеотидная последовательность матрицы известна частично или неизвестна вовсе, можно использовать вырожденные праймеры , последовательность которых содержит вырожденные позиции, в которых могут располагаться любые основания. Например, последовательность праймера может быть такой: …ATH… , где Н - А, Т или С.

Применение ПЦР

ПЦР используется во многих областях для проведения анализов и в научных экспериментах.

Криминалистика

ПЦР используют для сравнения так называемых «генетических отпечатков пальцев». Необходим образец генетического материала с места преступления - кровь, слюна, сперма, волосы и т. п. Его сравнивают с генетическим материалом подозреваемого. Достаточно совсем малого количества ДНК, теоретически - одной копии. ДНК расщепляют на фрагменты, затем амплифицируют с помощью ПЦР. Фрагменты разделяют с помощью электрофореза ДНК. Полученную картину расположения полос ДНК и называют генетическим отпечатком пальцев (англ. genetic fingerprint ).

Установление отцовства

Рис. 3 : Результаты электрофореза ДНК-фрагментов, амплифицированных с помощью ПЦР. (1) Отец. (2) Ребёнок. (3) Мать. Ребёнок унаследовал некоторые особенности генетического отпечатка обоих родителей, что дало новый, уникальный отпечаток.

Хотя «генетические отпечатки пальцев» уникальны (за исключением случая однояйцевых близнецов), родственные связи все же можно установить, сделав несколько таких отпечатков (рис. 3). Тот же метод можно применить, слегка модифицировав его, для установления эволюционного родства среди организмов.

Медицинская диагностика

ПЦР дает возможность существенно ускорить и облегчить диагностику наследственных и вирусных заболеваний. Нужный ген амплифицируют с помощью ПЦР с использованием соответствующих праймеров, а затем секвенируют для определения мутаций . Вирусные инфекции можно обнаруживать сразу после заражения, за недели или месяцы до того, как проявятся симптомы заболевания.

Персонализированная медицина

Иногда лекарства оказываются токсичными или аллергенными для некоторых пациентов. Причины этого - отчасти в индивидуальных различиях в восприимчивости и метаболизме лекарств и их производных. Эти различия детерминируются на генетическом уровне. Например, у одного пациента определенный цитохром (белок печени, отвечающий за метаболизм чужеродных веществ) может быть более активен, у другого - менее. Для того, чтобы определить, какой разновидностью цитохрома обладает данный пациент, предложено проводить ПЦР-анализ перед применением лекарства. Такой анализ называют предварительным генотипированием (англ. prospective genotyping ).

Клонирование генов

Клонирование генов (не путать с клонированием организмов) - это процесс выделения генов и, в результате генноинженерных манипуляций , получения большого количества продукта данного гена. ПЦР используется для того, чтобы амплифицировать ген, который затем вставляется в вектор - фрагмент ДНК, переносящий чужеродный ген в тот же самый или другой, удобный для выращивания, организм. В качестве векторов используют, например, плазмиды или вирусную ДНК. Вставку генов в чужеродный организм обычно используют для получения продукта этого гена - РНК или, чаще всего, белка. Таким образом в промышленных количествах получают многие белки для использования в сельском хозяйстве, медицине и др.

Рис. 4 : Клонирование гена с использованием плазмиды.
(1) Хромосомная ДНК организма A. (2) ПЦР. (3) Множество копий гена организма А. (4) Вставка гена в плазмиду. (5) Плазмида с геном организма А. (6) Введение плазмиды в организм В. (7) Умножение количества копий гена организма А в организме В.

Секвенирование ДНК

В методе секвенирования с использованием меченных флуоресцентной меткой или радиоактивным изотопом дидезоксинуклеотидов ПЦР является неотъемлемой частью, так как именно в ходе полимеризации в цепь ДНК встраиваются производные нуклеотидов, меченные флуоресцентной или радиоактивной меткой. Присоединение дидезоксинуклеотида к синтезируемой цепи приводит к обрыву синтеза, позволяя определить положение специфических нуклеотидов после разделения в геле.

Мутагенез

В настоящее время ПЦР стала основным методом проведения мутагенеза (внесения изменений в нуклеотидную последовательность ДНК). Использование ПЦР позволило упростить и ускорить процедуру проведения мутагенеза, а также сделать её более надёжной и воспроизводимой.

С.В. Поспелова, М.В. Кузнецова

Полимеразная цепная реакция

С.В. Поспелова – канд. мед. наук, доцент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии, М.В. Кузнецова – канд. биол. наук, сотрудник ИЭГМ УрО РАН

Поспелова, С.В.

Предназначены для самостоятельной работы студентов всех факультетов: лечебного, педиатрического, медико-профилактического, стоматологического и факультета высшего сестринского образования (ФВСО) медицинской академии.

Рецензент:

зав. кафедрой биологии, экологии и медицинской генетики ПГМА, профессор А.Б. Виноградов

Печатается по решению центрального координационного
методического совета ГОУ ВПО ПГМА
им. ак. Е.А. Вагнера Росздрава

УДК 616-078.33

© Поспелова С.В., Кузнецова М.В., 2007

© ГОУ ВПО ПГМА им. ак. Е.А. Ваг­нера Росздрава, 2007

Полимеразная цепная реакция в клинической
микробиологической диагностике

Современная медицина успешно использует достижения естественных наук, интенсивно применяет новые технологии для диагностики и лечения заболеваний. В последнее время к традиционным микробиологическим и иммунологическим методам лабораторной диагностики инфекционных заболеваний добавились новые, основанные на использовании молекулярно-генетических технологий. Применение этих методов не только в научных целях, но и в практической лабораторной диагностике стало возможным в немалой степени благодаря созданию в середине 80-х годов процесса искусственного многократного копирования ДНК и дальнейшему стремительному развитию этой технологии, в настоящее время известной как полимеразная цепная реакция (ПЦР). Менее чем за 15 лет своего существования ПЦР сделала рутинным анализ специфических ДНК-последовательностей многих пато­генных микроорганизмов. Универсальность, высокая чувствительность и относительная простота исполнения сделали метод ПЦР незаменимым для решения различных задач клинической диагностики, таких как прямое обнаружение и идентификация возбудителей заболеваний, молекулярное типирование и исследование свойств патогенных микроорганизмов, анализ мутаций, связанных с генетическими заболеваниями у человека, идентификация личности человека.

Что такое ПЦР?

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) - искусственный процесс многократного копирования (амплификации) специфической последовательности ДНК, осуществляемый in vitro (рис. 1). Копирование ДНК при ПЦР осуществляется специальным ферментом - ДНК-полимеразой, как и в клетках живых организмов. ДНК-полимераза, двигаясь по одиночной цепи ДНК (матрице), синтезирует комплементарную ей последовательность ДНК. Важно, что ДНК-полимераза не может начать синтез цепи ДНК «с нуля», ей необходима короткая «затравочная» цепь РНК или ДНК, к которой она может начать присоединять нуклеотиды. Основной принцип ПЦР состоит в том, что реакция полимеризации (синтеза полимерной цепи ДНК из мономерных нуклеотидных звеньев) инициируется специфическими праймерами (короткими фрагментами «затравочной» ДНК) в каждом из множества повторяющихся циклов. Специфичность ПЦР определяется способностью праймеров «узнавать» строго определенный участок ДНК и связываться с ним согласно принципу молекулярной комплементарности.

В обычной реакции ПЦР используется пара праймеров, которые «ограничивают» амплифицируемый участок с двух сторон, связываясь с противоположными цепями ДНК-матрицы. Для многократного увеличения количества копий исходной ДНК нужна цикличность реакции. Как правило, каждый из последовательно повторяющихся циклов ПЦР состоит из трех этапов:

1) денатурации, или «плавления» двуцепочечной ДНК: перед началом реакции ДНК-мишень является двуцепочечной, при температуре 94-95 0 С комплиментарные цепи ДНК расходятся - переходят в одноцепочечное состояние;

2) связывания (отжига) праймеров: при температуре, оптимальной для выбранных праймеров, происходит их связывание с комплиментарным участком матричной ДНК;

3) элонгации, или удлинения цепи: ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды к праймерам, синтезируя новые цепи ДНК, которые становятся мишенью для праймеров в последующих циклах ПЦР.

Смена этапов каждого цикла осуществляется путем изменения температуры реакционной смеси (см. рис. 1).

Рис. 1. Основные этапы цикла ПЦР

Сначала праймеры могут связаться только с определенной последовательностью исходной ДНК, но в последующих циклах они связываются с копиями этой последовательности, синтезированными в предыдущих циклах. При этом количество основного продукта ПЦР (копии последовательности ДНК, ограниченной праймерами) теоретически удваивается в каждом цикле. Если на начальном цикле в исследуемом материале была только одна ДНК-мишень, после первого цикла будет уже две копии, после двух циклов – 4 копии, результатом третьего цикла будет 8 копий, а тридцать пятого – уже 68 биллионов копий (рис. 2).

Рис. 2. Процесс многократного копирования
ДНК-мишени в ходе последовательно
сменяющихся циклов

Основным методом анализа продуктов реакции, который традиционно применяется во многих лабораториях для обнаружения амплифицированной ДНК и определения ее размера, является метод гель-электрофореза с последующим окрашиванием красителем, специфичным к ДНК, например бромистым этидием (рис. 3).

Контроль – различные фрагменты ДНК с известным количеством составляющих их нуклеотидов. Известно, что дистанция между различными фрагментами имеет логарифмическую зависимость от их размера, массы. Линия 1 – обнаружены ПЦР-фрагменты длиной приблизительно 1850 оснований. Линия 2 и 4 – фрагменты длиной около 800 оснований.

Рис. 3. Анализ продуктов реакции методом
гель-электрофореза

Линия 3 – не выявлены искомые фрагменты, отрицательный результат реакции. Линия 5 – множественные линии сформировались потому, что праймеры оказались комплиментарны к нескольким фрагментам ДНК различной длины: около 550, 800 и 1500 оснований.

Усовершенствование технологии ПЦР

Первоначально для осуществления ПЦР использовали обычные ДНК-полимеразы, которые подвергались температурной инактивации в каждом цикле на этапе денатурации ДНК. Полимеразу приходилось многократно добавлять в реакционную смесь, что было довольно трудоемко и не позволяло автоматизировать процесс.

В реакции используются термостабильные ДНК-полимеразы, выдерживающие высокую температуру на всех этапах цикла ПЦР в течение нескольких десятков циклов. Количество коммерчески доступных термостабильных ДНК-полимераз, отличающихся некоторыми своими свойствами, достаточно велико. Наиболее часто используется Taq-полимераза, первоначально выделенная из термофильного микроорганизма Thermus aquaticus. Другие полимеразы чаще применяются для особых приложений ПЦР. Современные коммерческие препараты термостабильных полимераз обеспечивают, как правило, стабильную воспроизводимую активность, что позволяет использовать технологию ПЦР в стандартной лабораторной практике.

Техническое оформление смены температуры реакционной смеси также стремительно развивалось в последнее время. Сначала ПЦР осуществлялась при помощи трех водяных бань, настроенных на разную температуру: для денатурации ДНК, отжига праймеров и полимеризации. Пробирки переносились из одной водяной бани в другую «по кругу», благодаря чему происходила смена температуры на разных этапах цикла. Существовали и варианты приборов, где в водяную баню, в которой находились пробирки с реакционной смесью, поочередно подавалась вода разной температуры. Смена циклов в этих случаях занимала много времени, и процесс плохо поддавался автоматизации. Для осуществления ПЦР в основном используются приборы (термоциклеры), которые изменяют температуру автоматически на основе заданной программы. В термоциклерах пробирки с реакционной смесью помещаются в металлический блок, температура которого изменяется с большой скоростью, что сокращает продолжительность каждого цикла ПЦР.

Современные термоциклеры приспособлены для использования специальных тонкостенных пластиковых пробирок для реакционной смеси, что позволяет ускорить теплообмен между блоком прибора и реакционной смесью и в конечном итоге дополнительно сократить время проведения реакции.

Таким образом, стандартная ПЦР может быть осуществлена за 1-3 ч. Многие приборы позволяют программировать специальные усложненные температурные профили, необходимые для специфических модификаций процесса ПЦР.

Параллельно с усовершенствованием технологии ПЦР развивались и методы анализа продуктов реакции. Метод гель-электрофореза с последующим окрашиванием красителем, специфичным к ДНК, например бромистым этидием, традиционно применяется во многих лабораториях для обнаружения амплифицированной ДНК и определения ее размера. Использование гибридизации с внутренними ДНК-зондами позволяет в ряде случаев значительно повысить чувствительность и специфичность детектирования ПЦР-продуктов. Благодаря отсутствию необходимости в подготовке и проведении электрофоретического разделения, возможности автоматизации для анализа большого количества образцов и использования нерадиоактивного формата детектирования, этот метод становится все более распространенным. В некоторых случаях применение специальных флюоресцентных «маркеров» позволяет контролировать проведение амплификации или детектирование конечных продуктов ПЦР непосредственно в реакционной пробирке.

Использование ПЦР
в медицинской микробиологии

Среди множества различных направлений клинической диагностики медицинская микробиология занимает, пожалуй, лидирующее место по количеству и разнообразию приложений, использующих технологию ПЦР. Внедрение в практику этого метода наряду с серологической диагностикой существенно расширило возможности современной клинической микробиологии, основу которой до сих пор составляют методы выделения и культивирования микроорганизмов на искусственных питательных средах или в культуре клеток.

Возможности и ограничения традиционных
методов культивирования

Традиционный для микробиологических лабораторий культуральный метод диагностики, как правило, хорошо оправдывает себя для выявления и исследования таких свойств, как чувствительность к антибиотикам, вирулентность легкокультивируемых микроорганизмов. Однако некоторые микроорганизмы (пневмококки, гемофилы, нейссерии, мико­плазмы, облигатные анаэробы и др.) могут быть чрезвычайно чувствительными к условиям забора клинического материала, транспортировки и культивирования, наличию специальных факторов роста или способны к размножению in vitro только в культуре клеток (вирусы, хламидии, риккетсии).

Медленный рост на искусственных средах таких микроорганизмов, как микобактерии и грибы, является еще одним естественным ограничением, связанным с использованием культурального метода для диагностики этих микроорганизмов. Кроме того, работа с живыми культурами выделенных возбудителей, причем не только особо опасных, но иногда и условно-патогенных, может представлять угрозу для здоровья персонала лаборатории.

Среди возбудителей болезней человека известны также и некультивируемые виды бактерий, например Mycobacterium leprae, Treponema pallidum, и многие виды вирусов, включая вирусы папилломы человека и гепатита С, попытки выращивания которых в клеточной культуре пока остаются безуспешными. Наконец, даже при успешном культивировании существует необходимость последующей идентификации выделенных микроорганизмов.

Традиционные микробиологические методы идентификации основаны на использовании различных фенотипических тестов, таких как выявление специфической ферментативной активности, способности метаболизировать сахара или поддерживать рост на средах с селективными добавками. Сложность стандартизации условий подобных тестов, а также естественная фенотипическая вариабельность, присущая многим микроорганизмам, могут быть причиной неправильной идентификации.

Использование ПЦР для прямой диагностики
и идентификации возбудителей
инфекционных заболеваний

В тех случаях, когда использование культуральных методов является проблематичным или связано с недостаточной диагностической эффективностью, возможность замены биологической амплификации (то есть роста на искусственных средах) на ферментативное удвоение нуклеиновых кислот in vitro с помощью ПЦР представляется особенно привлекательной. Существуют различные подходы к использованию ПЦР для диагностики возбудителей инфекций. Наиболее распространенный вариант ПЦР (specific PCR) предусматривает использование праймеров, комплементарных специфической последовательности ДНК, характерной для строго определенного вида микроорганизма. Например, ПЦР-амплификация специфического участка гена, кодирующего главный белок наружной мембраны (МОМР) Chlamydia trachomatis, в сочетании с нерадиоактивной гибридизацией для детектирования продуктов реакции позволяет обнаружить единичные копии хламидийной ДНК в исследуемых образцах. При этом ПЦР значительно превосходит по диагностической эффективности культивирование и методы прямого обнаружения хламидийного антигена (микроиммунофлюоресценцию и иммуноферментный анализ), традиционно используемые для выявления С. trachomatis.

Имеется также возможность использования сразу нескольких пар видоспецифических праймеров в одной реакционной пробирке для одновременной амплификации ДНК различных возбудителей. Такая модификация получила название множественной ПЦР (multiplex PCR). Множественная ПЦР может быть использована для выявления этиологической роли различных микроорганизмов, вызывающих заболевания определенного типа. Так, например, описаны варианты применения множественной ПЦР для одновременного обнаружения двух (С. trachomatis и N. gonorrhoeae при заболеваниях урогенитального тракта) или даже четырех возбудителей (И. influenzae, S. pneumoniae, M. catarrhalis и A. otitidis при хроническом гнойном отите).

Альтернативный подход в ПЦР-диагностике связан с использованием универсальных праймеров, которые позволяют амплифицировать фрагменты генов, присутствующих у всех микроорганизмов определенной таксономической группы. Количество видов, которые могут быть выявлены с помощью этого метода, может ограничиваться как рамками небольших систематических групп (рода, семейства), так и крупных таксонов на уровне порядка, класса, типа. В последнем случае мишенью для ПЦР чаще всего являются рибосомные гены (16S и 23S рРНК), которые имеют сходную структуру у различных прокариотических микроорганизмов.

Использование праймеров, комплементарных консервативным участкам этих генов, позволяет амплифицировать ДНК большинства видов бактерий. Полученные в результате ПЦР фрагменты рибосомных генов могут быть затем проанализированы с помощью различных лабораторных методов с целью идентификации бактерий, которым они принадлежат. Наиболее точным методом «молекулярной» идентификации является определение полной нуклеотидной последовательности (секвенирование) амплифицированной ДНК и сравнение ее с соответствующими последовательностями известных видов.

Несмотря на наличие автоматизированных систем, использующих описанный принцип идентификации, на практике обычно используются менее трудоемкие и дорогостоящие методы, которые тем не менее позволяют достоверно выявлять определенные различия в последовательности ДНК-фрагментов. Наиболее распространенными являются методы, основанные на анализе расположения в ДНК участков расщепления ферментами-рестриктазами (метод ПДРФ (RFLP) – полиморфизм длины рестрикционных фрагментов ), или на определении электрофоретической подвижности ДНК в одноцепочечной форме (метод SSCP-одноцепочечный конформационный полиморфизм ).

ПЦР с использованием универсальных праймеров может применяться как для идентификации выделенных в чистой культуре микроорганизмов, так и для прямой диагностики широкого спектра возбудителей непосредственно в клинических образцах. Следует однако отметить, что чувствительность ПЦР «широкого спектра», как правило, ниже по сравнению с «видоспецифическими» тест-системами. Кроме того, ПЦР с универсальными праймерами обычно не используется для исследования образцов, в которых может находиться большое количество различных микроорганизмов, из-за трудности анализа продуктов реакции, полученных в результате амплификации ДНК разных видов.

Методы молекулярного типирования
микроорганизмов на основе ПЦР

ПЦР широко используется не только для диагностики и идентификации, но и для субвидового типирования и анализа генетического родства (клональности) выделенных штаммов микроорганизмов, особенно при проведении эпидемиологических исследований. По сравнению с традиционными фенотипическими методами (био-, фаго- и серотипированием) генотипирование на основе ПЦР отличается универсальностью, более глубоким уровнем дифференциации, возможностью использования количественных методов для оценки идентичности штаммов и высокой воспроизводимостью. Описано много методов генотипирования, которые можно рассматривать как производные технологии ПЦР.

Несмотря на разнообразие методов ПЦР-типирования, общим для большинства из них является использование гель-электрофореза для разделения фрагментов ДНК разной длины, полученных от каждого отдельного штамма. При этом сравнительный анализ индивидуальных электрофоретических профилей, проводимый визуально или с помощью компьютера, позволяет оценить степень генетического родства исследуемых штаммов.

Использование ПЦР для выявления лекарственной
устойчивости у микроорганизмов

В последнее время ПЦР все чаще используется для исследования различных свойств патогенных микроорганизмов, в частности для выявления устойчивости отдельных видов возбудителей к определенным лекарственным препаратам. Как правило, использование ПЦР для определения чувствительности микроорганизмов является целесообразным лишь в тех случаях, когда традиционные фенотипические методы неприменимы или недостаточно эффективны. Например, опре­деление чувствительности Mycobacterium tuberculosis к проти­вотуберкулезным препаратам с помощью культуральных методов занимает обычно от 4 до 8 нед. Кроме того, результаты фенотипических тестов в подобных случаях могут быть искажены в связи со снижением активности антимикробных препаратов в процессе длительного культивирования микроорганизмов. Исследование молекулярных механизмов лекарственной устойчивости М. tuberculosis и некоторых других возбудителей позволило разработать методы на основе ПЦР для быстрого выявления генетических маркеров резистентности.

Для подобного анализа обычно используется ДНК или РНК возбудителя, выделенного в чистой культуре. Однако в некоторых случаях имеется возможность прямого ПЦР-анапиза на антибиотикорезистентность без предварительного культивирования возбудителя. Исследуемый образец клинического материала при этом используется как источник ДНК-мишени для ПЦР, а откопированный ПЦР-продукт подвергается анализу с целью выявления мутаций, связанных с антибиотикорезистентностью. Разработан, например, метод, позволяющий с помощью ПЦР обнаружить у пациентов, страдающих туберкулезным менингитом, устойчивость возбудителя к рифампицину.

Существуют, однако, естественные ограничения для использования генетических методов оценки лекарственной устойчивости микроорганизмов:

Данные о конкретных генетических механизмах резистентности могут отсутствовать;

Резистентность к определенным препаратам часто бывает связана с различными механизмами и мутациями в различных генах, которые независимо влияют на фенотип.

Например, резистентность грамотрицательных бактерий к аминогликозидным антибиотикам может быть вызвана продукцией различных аминогликозидмодифицирующих ферментов или изменением проницаемости клеточной стенки. В этом случае результаты ПЦР-анализа, который всегда характеризует строго определенный специфический участок ДНК, не могут служить основанием для оценки чувствительности микроорганизма в целом.

Кроме того, отсутствие международных стандартов и рекомендаций по использованию ПЦР для определения чувствительности к антимикробным препаратам является дополнительным фактором, ограничивающим возможность широкого применения этого подхода в практической диагностике.

Не так давно был разработан надежный, высокочувствительный и быстрый метод диагностики различных инфекционных заболеваний человека. Такой способ имеет название «анализ ПЦР». Что это такое, в чем его сущность, какие он может выявить микроорганизмы и как правильно его сдавать, мы расскажем в нашей статье.

История открытия

Также методы ПЦР используются в диагностике онкозаболеваний.

Преимущества метода

Диагностика ПЦР обладает рядом преимуществ:

1. Высокая чувствительность. Даже при наличии всего нескольких молекул ДНК микроорганизма анализ ПЦР определяет наличие инфекции. Поможет метод при хронических и латентно протекающих заболеваниях. Часто в таких случаях микроорганизм является некультивируемым иными способами.
2. Для исследования подходит любой материал, например слюна, кровь, половые выделения, волосы, клетки эпителия. Наиболее распространенным является анализ крови и урогенитального мазка на ПЦР.

   

3. Не требуется длительного выращивания культур. Автоматизированный процесс проведения диагностики позволяет получить результаты исследования спустя 4-5 часов.
4. Метод является практически стопроцентно достоверным. Зафиксированы лишь единичные случаи ложноотрицательного результата.
5. Возможность определить несколько видов возбудителей из одной пробы материала. Это не только ускоряет процесс диагностики заболевания, но и существенно снижает материальные затраты. Часто врач назначает комплексный анализ ПЦР. Цена обследования, состоящего из определения шести возбудителей, составляет около 1500 рублей.

Чтобы результаты были достоверными при проведении исследования ПЦР, сдать анализ нужно, соблюдая рекомендации по предварительной подготовке к диагностике:

1. Перед сдачей слюны следует воздержаться от приема пищи и лекарств за 4 часа до забора материала. Непосредственно перед процедурой прополощите рот кипяченой водой.
2. Вышеуказанными правилами нужно руководствоваться и при взятии образца с внутренней поверхности щеки. После полоскания рекомендуют провести легкий массаж кожи для выделения секрета железы.
3. Мочу обычно собирают в домашних условиях. Для этого нужно провести тщательный туалет половых органов. В стерильный пластиковый контейнер необходимо собрать 50-60 мл мочи. Для обеспечения чистоты материала рекомендуется женщинам вставить тампон во влагалище, а мужчинам максимально оттянуть кожную складку. Нельзя сдавать материал в период менструальных выделений.
4. Для сдачи спермы нужно воздержаться от полового акта в течение 3 дней до забора материала. Также врачи советуют отказаться от посещения сауны и принятия горячей ванны, употребления алкоголя и острой пищи. За 3 часа до анализа нужно воздержаться от мочеиспускания.
5. Для сдачи например если проводится анализ на хламидии ПЦР, как женщинам, так и мужчинам рекомендуется половой покой в течение 3 дней. За 2 недели до анализа нельзя принимать антибактериальные препараты. За неделю нужно прекратить использование интимных гелей, мазей, влагалищных свечей, спринцевание. За 3 часа до исследования нужно воздержаться от мочеиспускания. Во время менструаций забор материала не проводится, лишь спустя 3 дня после прекращения кровяных выделений можно взять урогенитальный мазок.

ПЦР во время беременности

В период ожидания малыша многие инфекционные заболевания, передающиеся половым путем, являются крайне опасными для нормального развития плода. ЗППП могут спровоцировать внутриутробную задержку развития, выкидыш или преждевременные роды, врожденные пороки ребенка. Поэтому крайне важно пройти на ранних сроках беременности обследование методом ПЦР. Сдать анализ необходимо при постановке на учет - до 12 недель.



Забор материала происходит из канала шейки матки с помощью специальной щеточки. Процедура безболезненная и не представляет опасности для малыша. Обычно во время беременности проводят анализ на хламидии ПЦР-методом, а также на уреаплазмоз, микоплазмоз, цитомегаловирус, герпес, папилломавирус. Такой комплекс обследования называют ПЦР-6.

ПЦР для диагностики ВИЧ

В связи с тем, что метод очень чувствителен к изменениям в организме и условиям проведения диагностики, многие факторы могут повлиять на результат. Поэтому анализ ПЦР на ВИЧ-инфекцию не является достоверным методом, его эффективность - 96-98 %. В остальных 2-4 % случаев тест дает ложноположительные результаты.

Но в некоторых ситуациях без ПЦР-диагностики ВИЧ не обойтись. Обычно ее проводят людям с ложноотрицательным результатом ИФА. Такие показатели говорят о том, что у человека еще не выработались антитела к вирусу и их невозможно выявить без многократного увеличения количества. Именно этого можно достичь, проведя анализ крови ПЦР-методом.

Также необходима такая диагностика детям первого года жизни, рожденным от ВИЧ-позитивной матери. Метод является единственным способом достоверного определения статуса ребенка.

ПЦР для диагностики гепатитов

Метод полимеразной цепной реакции позволяет обнаружить ДНК вируса гепатитов А, В, С задолго до образования антител к инфекции или появления симптомов болезни. Особенно эффективным является анализ ПЦР на гепатит С, так как в 85 % случаев такое заболевание протекает бессимптомно и без своевременного лечения переходит в хроническую стадию.



Своевременное обнаружение возбудителя поможет избежать осложнений и длительного лечения.

Комплексное обследование ПЦР

Комплексный анализ ПЦР: обследование методом полимезарной цепной реакции, которое включает в себя определение одновременно нескольких видов инфекций: микоплазмы гениталиум, микоплазмы хоминис, гарднереллы вагиналис, кандиды, трихомонады, цитомегаловируса, герпеса 1-го и 2-го типов, гонореи, папилломавируса. Цена такой диагностики колеблется от 2000 до 3500 руб. в зависимости от клиники, используемых материалов и оборудования, а также от вида анализа: качественного или количественного. Какой необходим в вашем случае - решит врач. В одних случаях достаточно лишь просто определить наличие возбудителя, в других, например при ВИЧ-инфекции, важную роль играет количественный титр. При диагностике всех вышеперечисленных возбудителей обследование называют «анализ ПЦР-12».

Расшифровка результатов анализа

Расшифровка анализа ПЦР не представляет сложности. Есть лишь 2 шкалы показателя - «положительный результат» и «отрицательный результат». При обнаружении возбудителя врачи могут с 99%-й уверенностью подтвердить наличие заболевания и приступить к лечению пациента. При количественном методе определения инфекции в соответствующей графе будет указан числовой показатель обнаруженных бактерий. Только врач может определить степень заболевания и назначить необходимое лечение.



В некоторых случаях, например при определении ВИЧ-инфекции методом ПЦР, при отрицательном результате возникает необходимость проведения дополнительных обследований для подтверждения полученных показателей.

Где сдать анализ?

Где сдать ПЦР-анализ: в государственной поликлинике или в частной лаборатории? К сожалению, в муниципальных медицинских учреждениях аппаратура и методы нередко устаревшие. Поэтому лучше отдать предпочтение частным лабораториям с современным оборудованием и высококвалифицированными кадрами. Кроме того, в частной клинике вы получите результаты значительно быстрее.

В Москве многие частные лаборатории предлагают проведение анализа ПЦР на различные инфекции. Например, в таких клиниках, как «Вита», «Комплексная клиника», «Счастливая семья», «Уро-Про», проводят анализ ПЦР. Цена обследования составляет от 200 руб. за определение одного возбудителя.

Можно сделать вывод, что диагностика инфекционных заболеваний методом ПЦР в большинстве случаев является быстрым и достоверным способом обнаружения возбудителя в организме на ранних сроках инфицирования. Но все же в определенных случаях стоит выбрать другие способы диагностики. Определить необходимость проведения такого исследования может только специалист. Расшифровка анализа ПЦР также требует профессионального подхода. Следуйте рекомендациям врача и не сдавайте самостоятельно анализы, в которых нет необходимости.