pcr技术的原理及其操作步骤 一文了解第三代PCR

文章来源：思宇医械观察

作者：Jennifer

正文字数：5318字

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一、技术篇

在全球医疗器械行业中，体外诊断是占比最高的细分领域之一，根据诊断原理的不同，体外诊断产品分为分子诊断、免疫诊断、生化诊断等多种类型。其中，分子诊断的灵敏度、特异性、准确性等均较为突出，尤其是在新冠肺炎疫情全球蔓延的大背景下，以PCR为代表的分子诊断技术得到了加速发展。

（一）什么是PCR？

PCR，即聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction）的英文缩写，是一种以DNA双链复制原理为基础，对特定核酸样本进行体外扩增的生物技术，能够将微量的核酸样本迅速拷贝至几百万倍，便于后续的分析研究。该技术源起于20世纪70、80年代，经过几十年的发展，经历了初代传统PCR、第二代荧光定量PCR和第三代数字PCR的演变，在医疗筛查诊断、生命科学基础研究、法医分析鉴定及食品卫生和环境检测等方面得到广泛应用。

（二）数字PCR技术详解

作为时下的热点技术，数字PCR是将核酸样品分配到大量独立、平行的微反应单元（nL，纳升级别）中，使得每个反应单元中尽可能含有1个模板分子，并在此基础上进行扩增、检测和分布统计，从而实现靶标分子的绝对计数。

（图：数字PCR技术原理）

根据微反应单元的不同形式，数字PCR产品可分为微板式、微滴式和芯片式等。目前，市场上主要的数字PCR产品主要是基于微滴式和芯片式，如Bio-Rad公司的QX200微滴式系统和Thermo Fisher公司的Quant Studio系统等。

与第一、二代PCR技术相比，数字PCR具有很多优势：一是特异性、灵敏性均有显著提高；二是在不依赖内参和标准曲线的前提下，可直接得到绝对量化指标；三是微反应单元相互独立、封闭，避免了PCR抑制剂及不同核酸分子扩增产物间的相互干扰，准确度和可重复性较高。

表1 三代核酸检测技术对比

技术方法	概念	技术优势	技术劣势
传统PCR	采用普通PCR扩增仪扩增靶基因，通过琼脂糖凝胶电泳对产物进行定性分析	★可实现特定核酸片段的体外复制	★ 相关核酸染料对操作人员和环境具有危害 ★易出现假阳性结果 ★耗时时间长、操作复杂 ★无法准确定量
荧光定量PCR	是一种在DNA扩增反应中，以荧光化学物质测每次聚合酶链式反应（PCR）循环后产物总量的方法。通过内参或者外参法对待测样品中的特定DNA序列进行定量分析。	★污染风险低 ★操作流程更简单、经济高效 ★样品加样量少	★不同厂家生产的试剂和设备之间的差异对检测结果影响较大，不具备可比性 ★存在背景值的影响，结果易产生偏差 ★低拷贝的DNA难以检测 ★受PCR抑制物的影响较大
数字PCR	将核酸样品分配到大量独立、平行的微反应单元（纳升级）中，部分反应单元包含靶标分子（阳性），而其他不包含（阴性），接着进行扩增，并利用TaqMan化学试剂或染料标记探针检测靶标序列，能够实现靶标分子的绝对计数。	★特异性强、灵敏度高 ★ 绝对定量，准确性好 ★抗干扰能力强	★ 因需要对反应体系进行拆分和分配，因而对模板量要求高，过多会导致无法定量，过少会导致信号过低。 ★对引物的特异性要求高

（数据来源：华安证券研究所研报、公开信息整理）

二、 应用篇

数字PCR产品的发展，为不同场景下的多样化核酸检测需求提供了新的思路，尤其是在医学检验方面，在感染性疾病早期检测、癌症的液体活检、无创产前检查等领域展现出良好的应用前景。

（一）实现感染性疾病早期高效检测——以新冠病毒为例

一是病毒检测；第二代荧光定量PCR检测技术是目前新冠病毒检测的“金标准”，但由于病毒探针结合位点突变、样本病毒载量不足等原因，在临床检测过程中经常出现假阴性结果，由于数字PCR具有更高的灵敏度、精准度，以及其适合痕量样本检测的特性，能够检测出荧光定量PCR检测过程中错过的感染，可作为后者的补充。

二是临床样本病毒载量评估；在人群筛查及临床诊疗中，为科学选取采样方式，需要评估不同临床样本病毒载量，如鼻咽拭子、血尿、粪便、肺泡灌洗液等，由于数字PCR可提供绝对量化指标，为采样方法的选取提供了参考，从而提高检出率。

三是监测环境病毒载量；在外防输入的战略要求下，环境病毒检测工作尤为重要，此前的散发疫情，很多因都是国外进口物品附有新冠病毒引起的。数字PCR可对低核酸丰度样本进行有效检测，包括从不同环境中取样的样本，如病房、医院卫生间、实验室等等，在疫情防控中起到了不可忽视的作用。此外，数字PCR的应用场景还有病程不同阶段的病毒载量评估、核酸参考品制备、抗病毒药物研发等环节。

（二）助力癌症液体活检——实现患者全病程监控

液体活检是普通癌症检测的延伸和补充方法，将目标采取样本从组织延伸到血液、体液。数字PCR可精确检测转移到血液循环中的肿瘤细胞和DNA片段，提供基因突变情况等信息，动态监控病人病程的发展，从而为伴随诊断和个性化治疗提供可靠依据

（三）高效筛查胎儿疾病——提高无创产检普及性和依从性

通过无创产前检查，针对胎儿染色体非整倍体异常、遗传性基因疾病等进行风险评估对于家庭幸福保障、减轻社会负担具有重要意义。目前，大多数商品化的无创产前检查产品都是基于二代测序的技术和平台，该方法检测周期长（1-2周出报告）、技术门槛高、检测费用高，阻碍了进一步广泛应用。数字PCR技术为该领域提供了一种新的解决方案，根据相关研究，基于数字PCR的无创产前检测技术有望实现准确、快速、简便的产前筛查。

除上述场景外，数字PCR技术还有望在二代测序文库质控和结果验证、环境及食品检测等领域，成为第一、二代PCR技术的重要补充手段，本文不再赘述。

三、市场篇

在高频次、多样化核酸检测需求的助推下，数字PCR市场想象空间大，国内外入局者众多。

国际方面，近年来，Bio-Rad、凯杰、赛默飞等巨头公司纷纷通过收购、投资等方式布局数字PCR业务，制药公司巨头罗氏等也有数字PCR产品在研。

（一）国际典型企业：

1. Bio-Rad（伯乐）

简介：成立于1952年，总部位于美国加利福尼亚州，主要从事开发、制造以及销售关于生命科学研究、临床诊断、数字生物学的创新产品。2011年，斥资1.62亿美元收购Quantal Life公司，引进数字PCR技术，开创肿瘤检测和液态活检领域；2017年，收购了以数字PCR作为核心技术的公司——Rain Dance Technologies，将数字PCR的应用扩大到更多的领域，包括低频率的肿瘤等位基因检测、基因表达、拷贝数变异和SNP测定。

产品：X100、QX200微滴式数字PCR系统；Raindrop数字PCR；QX One集成液滴数字系统等。

2. Thermo Fisher(赛默飞世尔)

简介：成立于1956年，总部位于美国特拉华州，借助于Thermo Scientific、Fisher Scientific和Unity Lab Services等三个首要品牌，公司将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。2013年先后收购了Applied Biosystems 、Life Tech等公司，融合数字PCR业务，随即推出Quant Studio 3D数字PCR系统。

产品：Quant Studio 3D数字PCR系统。

3. QIAGEN（凯杰）

简介：成立于1984年，总部位于德国，是一家致力于生物分子样品制备解决方案的跨国经营企业。2019年收购美国波士顿专注开发数字PCR技术的公司Formulatrix，发展起数字PCR业务；2020年宣布推出数字PCR一体机产品。

产品：QIAcuity数字PCR系统

4. Stilla Technologies

简介：成立于2013年，总部位于法国法兰西岛，是一家高精度遗传分析数字PCR解决方案的供应商，主要服务于专门从事分子生物学和遗传分析的研究机构。2018年完成A轮1300万美元融资，由Illumina Ventures领投。

产品：Naica crystal微滴数字PCR系统；Naica HT高通量数字PCR系统；六通道数字PCR系统等。

国内方面，尽管我国数字PCR行业起步较晚，大多公司尚处于早期融资阶段，但在国家鼓励医疗器械创新的大背景下，数字PCR成为了近年广受关注的热点领域之一。

早在2016年，《“十三五”医疗器械科技创新专项规划》即明确，将定量数字PCR等创新产品作为重点研发项目。2017年以来，多家国内企业相继推出了多款自主知识产权的国产数字PCR产品并实现放量应用。

2020-2021年，在新冠疫情的背景下，包括卡尤迪、新羿生物、锐讯生物在内的多家创新公司完成了大额融资交易，资本市场对这一赛道的投资热度依然较高。

据智研咨询发布的《2021-2027年中国数字PCR（DPCR）行业发展现状与及发展趋势预测报告》，2015-2019年，我国数字PCR行业市场规模从5.47亿元增长至15.84亿元，其中，2019年同比增长27.85%，表现出高度的行业活力。

总体而言，随着精准诊疗需求的增加，在技术创新推动、国家政策支持及多方资本助推等多因素影响下，我国数字PCR市场的整体规模、公司影响力、行业话语权等将进一步提升，带动行业高质量创新发展，实现数字PCR产品的国产替代。

（二）国内典型企业

1.领航基因

简介：成立于2014年，公司位于浙江省杭州市，致力于全球前沿技术的分子诊断产品研发。截至2021年3月，数字PCR产品线获得5张二类医疗器械注册证和5张一类备案凭证，是国内数字PCR产品获证最多、产品线最全的厂家。

产品：C2400，三色荧光通道芯片数字PCR系统；D3200，五色荧光通道液滴数字PCR系统；系列生物芯片阅读仪，包括升级版七色荧光生物芯片阅读仪CS7等；AP10全自动数字PCR体系构建系统、AD16全自动液滴数字PCR系统等。

2. 永诺医疗科技公司

简介：成立于2017年，公司位于广东省，原名广东顺德永诺生物科技有限公司，致力于神经退行性疾病治疗新靶标及候选化合物研究，打造已有蛋白质组学、病毒构建与包装、流式服务等具有优势的技术平台和技术服务产品等。

产品：MiniDrop，国内首款自主知识产权的微滴式数字PCR仪，包括Creator微滴生成仪、Detector微滴检测仪、MD Microchip微流控芯片及MD Plotter数据分析软件。

3. 臻准生物

简介：成立于2016年，公司位于上海市，是一家集研发、生产、销售体外诊断仪器耗材的生物高科技企业。

产品：AccuONE 数字PCR系统，包括全自动分液仪、扩增仪和分析仪。公司宣称结合其自主研发的分子诊断试剂，在液滴数、荧光通道、精确度、准确度和灵敏度等指标均已达到或超越国外主流产品。

4.小海龟科技

简介：成立于2015年，公司位于上海市，致力于整合生物、电子、生物信息算法、微流体技术、芯片技术等多个领域人才，开发从精准医疗到精准健康的系列产品，是一家并行推出数字PCR和高通量测序的公司。

产品：BioDigital•华、BioDigital•青、BioDigital•炎等三代产品。包括微滴制备仪（Loader）、芯片式扩增仪（Cycler）、生物芯片阅读仪（Imager）和试剂。

5.新羿生物

简介：成立于2015年，公司位于北京市，专注于分子诊断技术的自主创新及重大疾病应用转化，拥有在仪器、芯片、材料、试剂、软件等领域的高水平研发团队。

产品：TD-1数字PCR平台，包括Drop Maker样本制备仪、Cchip Reader生物芯片分析仪、配套通用试剂和耗材。

6. 锐讯生物

简介：成立于2017年，公司位于江苏省，是一家基因检测设备研发商。锐讯微流控目前已服务于国内与欧美众多客户。目前已成为欧美地区前三位的微流控科研设备供应商。

产品：DropX-2000，包括一体式芯片扩增仪和生物芯片阅读仪，自动化程度很高。2020年，该公司开发的新冠病毒检测试剂盒FastPlex Triplex SARS-CoV-2 detection kit，配合数字PCR系统DropX-2000，获得美国食药监局应急使用授权。

7.卡尤迪

简介：成立于2009年，总部及研发中心位于北京，在江苏宜兴有面积8000平米的GMP生产基地，是一家分子诊断领域国产原研高科技创新企业，尤其擅长病原微生物的核酸快速检测技术。

产品：DX-100微滴式数字PCR解决方案，包括微滴生成仪、实时荧光定量PCR仪以及生物芯片分析仪，可实现绝对定量、高灵敏度、高精确度和高耐受性，可解决对痕量靶标、低频突变的检测及深度测序验证。

8. 达普生物

简介：成立于2018年，公司位于浙江省，是一家数字PCR诊断系统研发商，专注于微流控技术体外诊断平台的自主开发。

产品：Nebula全自动液滴制备系统，搭载液滴生成核心专利技术，通量高、数据稳、可实现一键化操作。

9.诺禾致源

简介：成立于2011年，公司位于北京市，是基因组学解决方案提供商，专注于开拓前沿分子生物学技术和高性能计算技术在生命科学研究和人类健康领域的应用。2021年，公司在科创板上市。

产品：Digital PCR NG，适用来源于人体的血浆游离DNA样本中的T790M突变检测。

10. 泛生子生物

简介：成立于2015年，公司位于北京，聚焦癌症精准医疗，产品和服务覆盖癌症全周期（风险评估、早期筛查、分子病理诊断、用药指导和预后监测）。

产品：GENETRON 3D，与赛默飞世尔合作开发，适用范围广泛，无配套试剂盒限定。

11. 科维思生物

简介：成立于2011年，公司位于江苏省，从事高通量测序技术为基础的试剂产品和分子诊断业务。2020年，在纳斯达克上市。

产品：IA-1，系统优化了QuantStudio 3D(赛默飞世尔的产品)数字PCR系统。

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