Пцр суть метода кратко

Обновлено: 07.07.2024

Полимеразно-цепная реакция (ПЦР) – это одно из самых ярких достижений в сфере молекулярной биологии. Метод получил широчайшее распространение в разных областях науки. Благодаря очень высокой специфичности и чувствительности, метод ПЦР применяется в медицине, биологии, ветеринарии, криминалистике, санитарной службе и других отраслях деятельности человека.
Для анализа методом ПЦР можно использовать любые биологические материалы, которые содержат нуклеиновые кислоты (молекулу ДНК или РНК).

Принцип ПЦР- исследования

Кому мы обязаны появлением метода ПЦР?

Со слов американского биохимика Керри Мюллиса (Kary Mullis), идея идентифицировать живые организмы по короткому участку их генетического кода (ДНК) пришла ему в голову в 1983 году, по пути с работы домой. А в основе этой идеи, лежала работа другого американского биохимика, Артура Корнберга (Arthur Kornberg), которая в свое время не нашла отклика у научного сообщества.

В итоге, корпорация CETUS, в которой работал Мюлис, выделила ему команду ученых. И в 1985 году, в издании Американского общества генетики человека, появилась публикация с теоретическим обоснованием ПЦР, как метода идентификации генетического материала живых организмов.

Как это все происходит в лаборатории

Выделение ДНК

Сначала пробу биологического материала подготавливают: центрифугируют, осаждают и т.д. Затем лаборантам необходимо выделить ДНК из полученного биологического концентрата.
Амплификация (увеличение числа копий ДНК)
Важнейший этап исследования. Проводится в термоциклере и именно здесь проходят все процессы, подпадающие под определение полимеразно-цепная реакция: денатурация, отжиг, элонгация.
Денатурация
Самый первый этап – развернуть (денатурировать) нуклеиновые кислоты, чтоб сделать их доступными для дальнейшей работы. Осуществляется путем нагрева реакционной смеси до 80-90 °C.
Отжиг
Денатурированные (распущенные) ДНК/РНК обрабатывают праймерами - изготовленными в лабораторных условиях коротенькими цепочками нуклеиновых кислот. Благодаря запрограммированному участку, праймеры прикрепляются только к тем нуклеиновым кислотам, для которых были созданы. Например, праймер для вируса простого герпеса 1 типа, никогда не свяжется с ДНК другого вируса, микроорганизма или клетки.
Именно праймеры обусловливают крайне высокую специфичность ПЦР – способность реагировать только на нуклеиновые молекулы конкретных типов, видов классов и даже штаммов микроорганизмов. Или отдельные виды клеток живых организмов.

Элонгация

Детекция

Оценка результатов ПЦР проводится несколькими путями:

Электрофорез в вязкой среде. Суть в том, что ДНК/РНК заряжены электрически и движутся к одному из электродов. В среду (агар или полиакридный гель) добавляют краситель ДНК (например – бромистый этидий). В процессе сеанса электрофореза, молекулы нуклеиновых кислот движутся и формируют скопления, подкрашенные этидием. Под ультрафиолетом, это выглядит в виде полосок разной толщины и яркости.
Метод гибридизации. Используются праймеры, заранее помеченные люминофором (флуорофором). После нужного числа температурных циклов, применяют специальный прибор – детектор флюоресценции. За счет того, что в образец можно добавлять флуорофоры для разных мишеней (они будут и светиться под ультрафиолетом разным цветом), метод гибридизации подходит для диагностики сразу нескольких мишеней в одном образце.
ПЦР диагностика в реальном времени (real-time PCR). Отличается тем, что детекция проводится прямо в процессе амплификации. Для этого нужны зонды-люминофоры (из предыдущего пункта) и специальные приборы ДНК-амплификаторы. Эти устройства оценивают нарастание яркости люминофора после каждого температурного цикла и впоследствии, вычисляют исходное число искомых нуклеиновых кислот в образце.

Преимущества методики ПЦР

Всего разработано более 10 разных методик амплификации, применяемых лабораториями в зависимости от исходных условий и поставленных целей.
Общим для них есть высокая чувствительность (для положительного результата достаточно 40 (!) или менее искомых копий ДНК в 1 мл образца, то есть вероятность ложноотрицательного ответа ничтожно мала. И очень высокая специфичность: вероятность ложноположительного ответа составляет менее 1%.
Но точность результатов сильно зависит от качества сбора диагностического материала, тщательного соблюдения всех технических требований к каждому этапу и качеству оборудования, расходных материалов (буфера, праймеров, раствора для отмывки и т.д.).

Области применения в медицине

В дерматовенерологии ПЦР используют для выявления венерических заболеваний: микоплазменной, хламидийной инфекций, сифилиса, генитального герпеса и др.
Инфекционисты активно используют ПЦР для диагностики туберкулеза, ВИЧ, вирусных гепатитов, герпеса, мононуклеоза, вируса Эпштейн-Барр и др.). А с помощью ПЦР в реальном времени, оценивая вирусную нагрузку, врачи могут составить мнение о динамике заболевания, отклике на лечение, что особенно актуально для пациентов с ВИЧ, принимающих терапию.
Также благодаря ПЦР врачи могут в течение нескольких дней с уверенностью идентифицировать коклюш и паракоклюш, выявить возбудителей эпидемии ОРВИ. Уточняются типы вируса гриппа, циркулирующие на определенной территории, на основании чего появляется возможность разработать эффективную вакцину для каждого сезона гриппа.
В течение суток или быстрее можно установить вид возбудителя кишечной инфекции, а значит – назначить адекватное лечение и обнаружить вероятный источник заражения.
Летом, ПЦР актуальна для диагностики заболеваний, передаваемых иксодовыми клещами: боррелиоза (болезни Лайма), клещевых энцефалитов.
Метод позволяет работать с любым биологическим материалом. Гемотрансмиссивные инфекции (сифилис, ВИЧ, гепатиты, боррелиоз) исследуются по пробе венозной крови или спинномозговой жидкости. Кожные болезни (герпес, грибки) – по соскобу с пораженного участка. Венерические и урологические – по образцу мочи, спермы, влагалищного отделяемого.
Так что в медицине, ПЦР применяется везде, где нужна высокая точность и быстрота получения результатов.

ПЦР (полимеразная цепная реакция) — это молекулярно-биологический метод, в основе которого лежит амплификация (то есть многократное увеличение) фрагментов ДНК в биоматериале.

Метод ПЦР применяется во многих сферах деятельности, в том числе в качестве быстрого и высокоточного способа диагностики определенных инфекционных и генетических заболеваний человека, а также для выявления спонтанных или унаследованных изменений в ДНК, исследованиях генома сельскохозяйственных растений и животных для селекционных и других задач, в криминалистике, археологии, установлении отцовства, клонировании и секвенировании геномов и прочих сферах деятельности человека.

Вирусы, бактерии и грибы - основные человеческие патогены - содержат ДНК или РНК, причем для каждого вида последовательность нуклеотидов уникальна. Короткие фрагменты, комплементарные целевым участкам нуклеотидов каждого возбудителя, называются праймерами.

В основе анализа на ПЦР лежит создание большего числа копий генетического материала (ДНК или РНК) с помощью этих самых праймеров и специальных ферментов посредством серии циклов нагрева и охлаждения. Полученные амплифицированные сегменты далее методом гель-электрофореза (или с помощью другой технологии) сравниваются с другими нуклеотидными сегментами из известного источника (например, патогенного микроорганизма) для определения их идентичности.

ПЦР в реальном времени — это разновидность ПЦР, которая позволяет отслеживать процесс амплификации в режиме реального времени и может использоваться для количественной оценки присутствующей ДНК / РНК. Это один из основных методов обнаружения бактерий или вирусов на молекулярном уровне, с более высокой степенью точности, чем микроскопические или бактериологические исследования, и значительно более быстрый, чем метод культивирования.

Это также единственный способ определить наличие генетических вариаций, указывающих на предрасположенность к онкологическим и другим заболеваниям. Чувствительность диагностических инструментов для выявления мутаций онкогенов и генов подавления опухоли была улучшена по крайней мере в десять тысяч раз благодаря ПЦР, что позволяет раньше диагностировать, например, такие виды рака, как лейкемия. Метод ПЦР также позволил разработать индивидуальную терапию для больных раком.

Кроме того, ПЦР может использоваться для типирования тканей, которое имеет жизненно важное значение для имплантации органов.

ПЦР также имеет клиническое применение в области пренатального тестирования различных генетических заболеваний и / или клинических патологий. Образцы берут либо с помощью амниоцентеза либо с помощью биопсии ворсин хориона.
В отличие от многих других тестов, ПЦР тест способен обнаружить признаки заболевания на самых ранних стадиях инфицирования, так как для выделения искомого ДНК или РНК достаточно минимального количества генетического материала патогена в образце биоматериала. Другие виды исследования могут оказаться ложноотрицательными из-за того, что в образце недостаточно много вирусов или бактерий или организм не успел выработать достаточное количество антител.

ПЦР-анализ проводится на образце одного из следующих видов биоматериала: кровь, слюна, слизь, ткань, гной, мокрота, моча. Некоторые вирусы, включая новый коронавирус, состоят из РНК, а не ДНК. Их РНК перед амплификацией должна быть преобразована в ДНК. Этот процесс называется ПЦР с обратной транскрипцией.

На сегодняшний день ПЦР тест является стандартом для выявления наличия коронавируса SARS-CoV-2, вызывающего Covid-19. Тесты ПЦР определяют, инфицирован ли пациент в настоящее время вирусом SARS-CoV-2 и, следовательно, заразен ли он. ПЦР может обнаружить РНК COVID-19 только в том случае, если человек был недавно инфицирован или уже длительное время болеет. Обнаружение вирусной РНК с помощью ПЦР позволяет обеспечить диагностику COVID-19 на ранней стадии - до того, как организм выработает ответ в виде антител или даже до того, как у человека появятся симптомы заболевания.

Преимущества метода ПЦР

ПЦР тесты применяются в медицинской диагностике уже более 40 лет и считаются наиболее эффективным методом выявления многих инфекционных заболеваний, включая COVID-19, ВИЧ, Эбола, многих урогенитальных инфекций, герпесвирусов и других. Это “золотой стандарт” в медицинской инфекционной диагностике. Тесты ПЦР играют решающую роль в предотвращении распространения заболеваний, так как часто позволяют выявить инфекции на ранней стадии, еще до появления симптомов.

Анализ ПЦР обладает высокой чувствительностью (для обнаружения инфекционного агента достаточно всего нескольких молекул ДНК патогена) и специфичностью (для большинства инфекций она достигает 100%). Количественный ПЦР-анализ позволяет оценить инфекционную нагрузку на организм, а также используется для анализа изменений экспрессии генов в опухолях.

Важна также и высокая скорость проведения исследования. В отличие от традиционного посева при выявлении бактериальных инфекций, который занимает несколько дней, ПЦР тест обычно выполняется в течение суток. Это значительно увеличивает вероятность назначения своевременного лечения. Кроме того, с помощью ПЦР можно определить латентных носителей инфекции.

Недостатки метода ПЦР

На чувствительность и специфичность ПЦР теста серьезно влияют правила и условия его проведения. Необходимо строго соблюдать правила сбора биоматериала и его хранения.

Важно выбрать правильное время взятия биоматериала и выполнить правила подготовки к тесту. В частности, это касается и нового коронавируса, который присутствует в выделениях носоглотки и ротоглотки только в течение определенного времени, по истечении которого анализ окажется отрицательным.

Кроме того, высокая чувствительность ПЦР может иногда превращаться из преимущества в недостаток. Следы примесей РНК или ДНК в образце могут привести к результатам, вводящим в заблуждение.

Показания к проведению ПЦР-анализа

диагностики инфекционных заболеваний, вызванных вирусами, бактериями и грибами, в том числе для определения возбудителей ряда урогенитальных инфекций;
определения патологических генетических нарушений;
определения роста и развития раковых клеток.

ПЦР тест также можно использовать для прямой диагностики наличия заболевания и мутаций в развивающемся эмбрионе. Например, впервые ПЦР была использована таким образом для диагностики серповидно-клеточной анемии путем обнаружения мутации одного гена.

Подготовка к проведению ПЦР-теста

при взятии крови достаточно не принимать пищу утром в день исследования;
при взятии мазка из ротоглотки/носоглотки важно за 4 часа не принимать пищу и жидкости, не полоскать горло;
исследование урогенитального отделяемого требует воздержания от половой активности в течение одного дня.

Как проводится ПЦР-анализ

Самым распространенным на сегодня является тест в реальном времени, с помощью которого можно определить исходное количество копий ДНК (РНК).
ПЦР с обратной транскрипцией используется для “перевода” РНК в ДНК.
ПЦР с вложенной парой праймеров (гнездовая) проводится в две стадии для снижения вероятности амплификации неспецифичных участков ДНК.
Инвертированная ПЦР используется в случае, когда нужно выяснить природу неизвестных участков ДНК, окружающих известный.

Для проведения анализа биоматериала с помощью ПЦР необходимо обеспечить его правильное взятие. При взятии мазка из носоглотки или ротоглотки образец биоматериала собирают путем введения длинного зонда-тампона в ноздрю или в заднюю часть горла.

Во время анализа крови медицинский работник возьмет образец из вены на руке с помощью небольшой иглы.

Результаты ПЦР-теста

Положительный результат ПЦР теста означает, что пациент в настоящее время инфицирован определенным патогеном. Количественный ПЦР (в реальном времени) позволяет также оценить инфекционную нагрузку, а также определить момент, когда условно-патогенные микроорганизмы стали патогенными в результате неконтролируемого роста.

Отрицательный результат ПЦР теста может означать, что пациент в настоящее время не инфицирован, либо что ДНК/РНК патогена отсутствует во взятом образце биоматериала, либо что образец был взят спустя слишком долгое время после заражения, чтобы вирус был обнаружен.

Что такое полимеразная цепная реакция (ПЦР)? Практически каждый человек в жизни сталкивается с этим методом, даже если не знает об этом. ПЦР исследует генетический материал – ДНК или РНК. Благодаря открытию ПЦР медицина и наука вышли на новый уровень и стала возможной точная диагностика различных инфекций, наследственных и онкологических заболеваний, установление отцовства и даже клонирование генов. ПЦР широко используется в криминалистике, раскопках и других областях, поскольку источником ДНК может быть капля крови, оставленная на месте преступления или человеческий волос, и даже останки мумии или мамонта, пролежавших тысячи, миллионы лет…

Как работает ПЦР?

Всем известно из курса биологии, что генетический материал всего живого на Земле представлен двухцепочечной молекулой ДНК (кроме некоторых вирусов, содержащих РНК). Каждая цепочка ДНК состоит из комбинации четырех нуклеотидов. Да-да, нуклеотидов всего 4, но из них составлен генетический материал всех живых существ. Разница лишь в определенной последовательности нуклеотидов в цепочках ДНК. Зная уникальный порядок нуклеотидов в участке ДНК искомого микроорганизма, возможно его выявить в любом биологическом материале.

Принцип ПЦР заключается в многократном удвоении (амплификации) участка ДНК при помощи специальных ферментов.

Почему реакция называется полимеразная цепная?

В чём преимущества ПЦР?

Высокая специфичность. Происходит копирование конкретного заданного участка, принадлежащего тому микроорганизму, который мы хотели бы обнаружить. При отсутствии молекул нужной ДНК реакция не пойдёт, даже если в растворе окажутся тысячи других ДНК.
Высокая чувствительность. ДНК возбудителя будет выявлено даже при наличии минимального количества микроорганизма. Поэтому ПЦР выявляет скрыто протекающие инфекции
Возможно исследование любого биологического материала
Проведение ПЦР возможно в случаях, когда объем материала минимален. Это актуально в педиатрии, офтальмологии, неврологии, судебно-медицинской экспертизе.
ПЦР выявляет микроорганизмы, не вырастающие в бакпосевах. Их называют труднокультивируемые и к ним относят все вирусы, хламидии, микоплазмы и т.д.
ПЦР называют прямым методом, поскольку он выявляет возбудителя, а не иммунную реакцию организма, и является подтверждающим методом в диагностике инфекционных заболеваний

Для грамотного применения метода следут запомнить следующие моменты:

ПЦР выявляет ДНК возбудителя независимо от того, живой он или мёртвый, поэтому:

Для правильной расшифровки результата необходимо сопоставлять клинические данные и результаты ПЦР, с чем лучше всего справится врач.
Для оценки эффективности лечения ПЦР проводится не ранее чем через месяц после окончания антибактериальной терапии (чтобы возбудитель полностью вывелся из организма)

Для выявления ДНК внутриклеточных инфекционных агентов ( например, вирусов) нужны клетки, поэтому:

При исследовании материала урогенитального тракта важно соблюдать интервал 5-7дней между повторными мазками, чтобы клетки успели восстановиться

Слизь, кровь и гной могут заблоктровать реакцию ПЦР, поэтому:

Нельзя проводить исследование материала урогенитального тракта во время менструации
Перед исследованием важно очистить нос, зев и другие локусы от слизи и гноя

Проведение ПЦР требует строго соблюдения условий технологии, поэтому в лаборатории KDL:

ПЦР – высокоточный метод диагностики и одно из самых главных открытий в области биологии за последние десятилетия. ПЦР-анализ применяется уже почти 40 лет и считается наиболее точным и чувствительным способом диагностики инфекционных заболеваний.

ПЦР – уникальный и универсальный метод, тест используется не только в клинической лабораторной диагностике, но также в биологии, криминалистике, археологии и многих других научных областях. Все, что нужно для проведения анализа – небольшое количество любого биоматериала пациента.

Суть метода ПЦР

ПЦР – полимеразная цепная реакция. Метод основан на обнаружении даже небольших концентраций искомого элемента диагностики. Для определения изначально крайне малых концентраций РНК или ДНК, которые необходимо определить в процессе проведения основного этапа исследования, используется метод искусственного увеличения количества РНК или ДНК. А поскольку они специфичны и строго индивидуальны для каждого микроорганизма или живого существа за счет уникальности последовательности нуклеотидов во фрагментах, ошибка в определении целевого ДНК или РНК исключена.

Генетическая информация любого живого организма записывается в ДНК. Эта молекула состоит из двух цепочек, сплетающихся в единую спираль. Некоторые вирусы (например, COVID-19) хранят свой код в РНК – одной нити нуклеотидов.

Преимущества метода ПЦР

Высокая специфичность. Метод ПЦР определяет заданную последовательность нуклеотидов, присущую конкретному патогену. Таким образом, специфичность теста стремится к 100%. Исключен риск ложноположительных результатов.
Чувствительность. Для ПЦР достаточно всего несколько молекул ДНК патогена (или даже уже неактивных – разрушенных вирусных частиц, сохранивших специфические участки ДНК в достаточном количестве), чтобы он был обнаружен в ходе исследования.
Скорость проведения. Лаборатория получает результат ПЦР-теста через несколько часов, клиент – уже на следующий день. Скорость диагностики имеет принципиально важное значение для своевременного лечения. Например, при диагностике бактериальных инфекций классический посев занимает от нескольких дней, а с ПЦР-анализом пациент сможет принять меры и начать лечение уже через сутки.
Универсальность. Для исследования подходит любой биоматериал: кровь, моча, сперма, мокрота, гной, жидкости из абсцессов и пр. Кроме этого, ПЦР применяется в самых разных областях науки и медицины, работая даже там, где другие методы бессильны.
Диагностика латентных инфекций. ПЦР-диагностика определяет возбудителя инфекции даже в инкубационном периоде и при скрытом течении заболевания.

Какие есть недостатки

Единственный серьезный недостаток, связанный с методом полимеразной цепной реакции, - его высокая технологичность. Исследования ПЦР требуют строжайших соблюдений правил и серьезной оснащенности лабораторного комплекса. Не каждая лаборатория может позволить себе все необходимое оборудование.

Показания к проведению ПЦР-анализа

Подготовка к проведению ПЦР-теста

Анализ сдается утром натощак. При этом ряд генетических исследований проводится в произвольное время, удобное пациенту.
При сдаче анализа по мазку из ротоглотки необходимо выдержать интервал с приемом пищи и воды в 3-4 часа перед тестом.
Перед анализом на венерические инфекции необходимо воздержаться от половой активности в течение суток.
Перед анализом нельзя использовать никакие противовирусные препараты.

Как проводится ПЦР-анализ

Результаты ПЦР-теста

Результаты анализов, проведенных методом ПЦР, известны уже через один день. Иногда возможно проведение экстренного теста – его часто используют при оказании срочной медицинской помощи при госпитализации. Тогда срок готовности результата сокращается до считанных часов.

Результаты ПЦР-теста дадут точную информацию о том, какая инфекция была обнаружена. При количественном тестировании анализ определит также вирусную или бактериальную нагрузку на организм. В этом случае в результатах будет значиться титр обнаруженного патогена (его количество в одном миллилитре пробы). Количественный анализ особенно важен при диагностике заболеваний, спровоцированных условно-патогенными микроорганизмами, которые присутствуют в норме практически у каждого человека. Такие микроорганизмы представляют угрозу только при большой численности, а в остальных случаях мирно сосуществуют с носителем.

Читайте также: