13.04.2024

Пцр проводится. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и ее применение. Когда применяют ПЦР-диагностику

Операции

1 0 0

ГОУ ВПО «Красноярская государственная медицинская академия

имени -Ясенецкого Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию »

Кафедра медицинской генетики и клинической нейрофизиологии ИПО

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДА

ПОЛИМЕРАЗНОЙ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

Методическое пособие для студентов 3-4 курсов

по специальностям лечебное дело (060101) и

Красноярск - 2007

Шнайдер, Н. А., Бутьянов, Р. А. Основные принципы метода полимеразной цепной реакции. Методическое пособие для внеаудиторной работы студентов 3-4 курсов по специальностям лечебное дело (060101) и педиатрия (060103). – Красноярск: Изд-во ГОУ ВПО КрасГМА, 2007. – 42с.

Методическое пособие полностью соответствует требованиям Государственного стандарта (2000) и отражает основные аспекты современного метода диагностики наследственных заболеваний человека – метода полимеразной цепной реакции, учебный материал адаптирован к образовательным технологиям с учетом специфики обучения на 3-4 курсах лечебного и педиатрического факультетов.

Рецензенты: заведующая кафедрой медицинской генетики ГОУ ВПО

«Новосибирский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию», д. м.н., профессор;

Репликация ДНК

Объектом исследования данного метода является Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК является универсальным носителем генетической информации у всех существующих на Земле организмов (исключение - РНК-содержащие микроорганизмы). ДНК представляет собой двойную нить, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из соединенных последовательно нуклеотидов. Нити ДНК имеют противоположную направленность: 5"-концу одной нити соответствует 3"-конец второй нити. Уникальным свойством ДНК является ее способность удваиваться. Данный процесс называется репликацией . Репликация молекулы ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей «материнской» молекулы служит матрицей для «дочерней». После репликации вновь синтезированная молекула ДНК содержит одну «материнскую» цепочку, а вторую - «дочернюю», вновь синтезированную (полуконсервативный способ). Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном .

Начало репликации активируется праймерами (затравками), состоящими из 100-200 пар нуклеотидов. Фермент ДНК-хеликаза раскручивает и разделяет материнскую спираль ДНК на две нити, на которых по принципу комплементарности при участии фермента ДНК-полимеразы собираются «дочерние» цепи ДНК. Для того чтобы фермент начал свою работу, требуется наличие стартового блока - небольшого начального двухцепочечного фрагмента. Стартовый блок образуется при взаимодействии праймера, с комплиментарным участком соответствующей цепи родительской ДНК. В каждом репликоне ДНК-полимераза может двигаться вдоль «материнской» нити только в одном направлении (5`=>3`).

На лидирующей нити по мере раскручивания репликона постепенно непрерывно наращивается «дочерняя» цепь. На отстающей нити дочерняя цепь синтезирует также в направлении (5`=>3`), но отдельными фрагментами по мере раскручивания репликона.

Таким образом, присоединение комплементарных нуклеотидов «дочерних» нитей идет в противоположных направлениях (антипараллельно). Репликация во всех репликонах идет одновременно. Фрагменты и части «дочерних» нитей, синтезированные в разных репликонах, сшиваются в единую нить ферментом лигазой. Репликация характеризуется полуконсервативностью, антипараллельностью и прерывистостью. Весь генном клетки реплицируется один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу. В результате процесса репликации из одной молекулы ДНК образуется две молекулы ДНК, в которых одна нить от материнской молекулы ДНК, а вторая, дочерняя, вновь синтезированная (рис. 1).

Рис. 1. Схема репликации молекулы ДНК.

Таким образом, цикл репликации ДНК включает в себя три основные стадии:

1. расплетение спирали ДНК и расхождение нитей (денатурация);

2. присоединение праймеров;

3. достраивание цепи дочерней нити.

Принцип метода ПЦР

Именно репликация ДНК легла в основе ПЦР. В ПЦР перечисленные выше процессы осуществляются в пробирке в циклическом режиме. Переход от одной стадии реакции к другой достигается изменением температуры инкубационной смеси. При нагревании раствора до 93-95°С происходит денатурация ДНК. Для перехода к следующему этапу - присоединению или "отжигу" праймеров - инкубационную смесь охлаждают до 50-65°С. Далее смесь нагревают до 70-72°С - оптимум работы taq-ДНК-полимеразы - на этой стадии происходит достраивание новой нити ДНК. Далее цикл повторяется снова. Другими словами метод ПЦР представляет собой многократное увеличение числа копий (амплификация ) специфического участка ДНК катализируемое ферментом ДНК - полимеразой.

Наращивание дочерних нитей ДНК должно идти одновременно на обеих цепях материнской ДНК, поэтому для репликации второй цепи также требуется свой праймер. Таким образом, в реакционную смесь вносятся два праймера: один для "+"-цепи, второй для "-"-цепи. Присоединившись к противоположным цепям молекулы ДНК, праймеры ограничивают собой тот ее участок, который будет в дальнейшем многократно удвоен или амплифицирован. Длина такого фрагмента, который называется ампликоном, обычно составляет несколько сот нуклеотидов.

Этапы ПЦР

Каждый цикл амплификации включает 3 этапа, протекающие при различных температурных режимах (рис. 2).

· 1 этап: денатурация ДНК. Протекает при 93-95° в течение 30-40 сек.

· 2 этап: отжиг праймеров. Присоединение праймеров происходит комплиментарно к соответствующим последовательностям на противоположных цепях ДНК на границах специфического участка. Для каждой пары праймеров существует своя температура отжига, значения которой располагаются в интервале 50-65°С. Время отжига 20-60 сек.

· 3 этап: достраивание цепей ДНК.Комплиментарное достраивание цепей ДНК происходит от 5"-конца к 3"-концу цепи в противоположных направлениях, начиная с участков присоединения праймеров. Материалом для синтеза новых цепей ДНК служат добавляемые в раствор дезоксирибонуклеозидтрифосфаты. Процесс синтеза катализируется ферментом taq-полимеразой и проходит при температуре 70-72°С. Время протекания синтеза - 20-40 сек.

Образовавшиеся в первом цикле амплификации новые цепи ДНК служат матрицами для второго цикла амплификации, в котором происходит образование специфического фрагмента ДНК–ампликона (рис. 3). В последующих циклах амплификации ампликоны служат матрицей для синтеза новых цепей.

Таким образом, происходит накопление ампликонов в растворе по формуле 2", где п - число циклов амплификации. Поэтому, даже если в исходном растворе первоначально находилась только одна двухцепочечная молекула ДНК, то за 30-40 циклов в растворе накапливается около 108 молекул ампликона. Этого количества достаточно для достоверной визуальной детекции этого фрагмента методом электрофореза в агарозном геле.

Процесс амплификации проводится в специальном программируемом термостате (амплификаторе ), который по заданной программе автоматчески осуществляет смену температур согласно числу циклов амплификации.

Для проведения амплификации необходимы следующие компоненты:

· ДНК-матрица (ДНК или ее часть, содержащая искомый специфический фрагмент);

· Праймеры (синтетические олигонуклеотиды (20-30 нуклеотидных пар), комплементарные последовательностям ДНК на границах определяемого специфического фрагмента). Выбор специфического фрагмента и подбор праймеров играет важнейшую роль в специфичности проведения амплификации, что сказывается на качестве проведения анализа.

· Смесь дезоксинуклеотидтрифосфатов (дНТФ) (смесь четырех дНТФ, являющихся материалом для синтеза новых комплементарных цепей ДНК в эквивалентных концентрациях 200-500 мкм)

· Фермент Taq -полимераза (термостабильная ДНК-полимераза, катализирующая удлинение цепей праймеров путем последовательного присоединения нуклеотидных оснований к растущей цепи синтезируемой ДНК, 2-3 мМ).

· Буферный раствор (реакционная среда, содержащая ионы Mg2+, необходимые для поддержания активности фермента, PH 6,8-7,8).

Для определения специфических участков генома РНК-содержащих вирусов , сначало получают ДНК-копию с РНК-матрицы, используя реакцию обратной транскрипции (RT), катализируемую ферментом ревертазой (обратной транскриптазой).

Рис. 2. Амплификация (1-ый цикл).

Рис. 3. Амплификация (2-ой цикл).

Основные области применения ПЦР

· клиническая медицина:

o диагностика инфекций,

o выявление мутаций, в том числе диагностика наследственных заболеваний,

o генотипирование, в том числе HLA-генотипирование,

o клеточные технологии

· экология (как способ мониторинга состояния и качества объектов окружающей среды и продуктов питания)

· определение трансгенных организмов (ГМО)

· идентификация личности, установление отцовства, криминалистика

· общая и частная биология,

Основные принципы

организации диагностических лабораторий

Работы в ПЦР-лаборатории проводятся согласно "Правилам устройства, техники безопасности , производственной санитарии, противоэпидемического режима и личной гигиены при работе в лабораториях (отделениях, отделах) санитарно-эпидемиологических учреждениях системы здравоохранения.

Контаминация образцов ДНК

Проведение ПЦР-диагностики связано с проблемой, обусловленной высокой чувствительностью метода, - возможностью контаминации. Попадание в реакционную пробирку следовых количеств положительной ДНК (специфических продуктов амплификации ДНК - ампликонов; ДНК-стандарта, используемого в качестве положительного контроля; положительной ДНК клинического образца) приводит к амплификации в процессе ПЦР специфического фрагмента ДНК и, как следствие, к появлению ложноположительных результатов.

В процессе работы могут встретиться два вида контаминации :

1. перекрестная контаминация от пробы к пробе (в процессе обработки клинических образцов или при раскапывании реакционной смеси), приводящая к появлению спорадических ложноположительных результатов;

2. контаминация продуктами амплификации (ампликонами), имеющая наибольшее значение, т. к. в процессе ПЦР ампликоны накапливаются в огромных количествах и являются идеальными продуктами для реамплификации.

Контаминация следовыми количествами ампликонов посуды, автоматических пипеток и лабораторного оборудования, поверхности лабораторных столов или даже поверхности кожи сотрудников лаборатории приводит к появлению систематических ложноположительных результатов. Определить источник контаминации бывает очень трудно и требует значительных затрат времени и средств. Накопленный к настоящему времени опыт работы лабораторий, использующих метод ПЦР для диагностики позволяет сформулировать основные требования к организации таких лабораторий и проведению самих анализов. Соблюдение данных требований позволяет исключить возможность контаминации и получения ложноположительных результатов.

Стадии проведения ПЦР анализа

Территориально разделяют, размещая их в отдельных помещениях (рис.4,5):

· Пре-ПЦР-помещение, где производится обработка клинических образцов, выделение ДНК, приготовление реакционной смеси для ПЦР и постановка ПЦР (при наличии условий два последних этапа рекомендуется также проводить в дополнительном отдельном помещении). В этих помещениях запрещается проводить все другие виды работ с исследуемыми агентами, ПЦР-диагностика которых проводится в данной лаборатории.

· Пост-ПЦР-помещение, где проводится детекция продуктов амплификации. В этом помещении допускается использовать другие методы детекции. Желательно комнату детекции продуктов амплификации расположить как можно дальше от пре-ПЦР-помещений.

Рабочие помещения оснащены ультрафиолетовыми лампами с максимумом излучения в области 260 нм (типа ДБ-60) из расчета 2,5 Вт на 1 м3. Лампы расположены так, чтобы прямому облучению подвергались поверхности рабочих столов, оборудование и материалы, с которыми имеет контакт оператор во время проведения ПЦР-анализа. Облучение проводится в течение 1 часа до начала работы и в течение 1 часа после окончания работы.

Врачи-лаборанты работают в специальной лабораторной одежде, сменяемой при переходе из одного помещения в другое, и в одноразовых перчатках. Обработка одежды из разных помещений производится отдельно. На разных этапах проведения ПЦР-анализа работают различные сотрудники.

Для работы используют отдельные наборы дозаторов, пластиковой и стеклянной посуды, лабораторного оборудования , халатов и перчаток предназначенные для различных стадий анализа и не переносимые из одного помещения в другое. Оборудование, материалы и инвентарь в каждой комнате имеют соответствующую маркировку.

Все этапы работы проводят только с использованием одноразовых расходуемых материалов: наконечников для автоматических пипеток, пробирок, перчаток и т. д. Обязательно меняют наконечники при переходе от пробы к пробе. Необходимо использовать наконечники с фильтром - аэрозольным барьером для предотвращения попадания микрокапель раствора в пипетку. Использованные пробирки и наконечники сбрасываются в специальные контейнеры или емкости, содержащие дезинфицирующий раствор. Клинические образцы хранят отдельно от реагентов.

Для обработки и уборки рабочего места в каждом помещении имеется ватно-марлевые тампоны (салфетки), пинцет, дезинфицирующий и инактивирующий растворы.

В ПЦР-диагностической лаборатории исключается проведение работ, связанных с получением (клонированием) и выделением рекомбинантных плазмид, содержащих последовательности ДНК или фрагментов генов возбудителей, которые диагностируются в данной лаборатории.

Забор клинического материала

Исследуемым материалом для ПЦР могут служить соскобы эпителиальных клеток, кровь, плазма, сыворотка, плевральная и спинномозговая жидкости, моча, мокрота, слизь и другие биологические выделения, биоптаты.

Забор материала производится в условиях процедурного кабинета соответствующего профиля. После забора пробы как можно скорее должны быть доставлены в ПЦР-диагностическую лабораторию.

Забор образцов необходимо производить при помощи стерильного, желательно одноразового, инструментария только в одноразовые стерильные пластиковые пробирки или в стеклянные пробирки, предварительно обработанные в течение часа хромовой смесью, тщательно промытые дистиллированной водой и прокаленные в сушильном шкафу при температуре 150°С в течение 1 часа.

Зона детекции (другой этаж или другое здание).

Рис. 4. Устройство ПЦР-лаборатории с детекцией электрофорезом.

Зона детекции (другой этаж или другое здание)

Рис. 5. Устройство ПЦР-лаборатории с флуоресцентной детекцией (количественный анализ).

Рис. 6. Комната выделения ДНК. Показан настольный бокс с бактерицидной лампой.

Рис. 7. Комната амплификации.

Рис. 8. Комната детекции.

Рис. 9. Образцы крови для ДНК-диагностик наследственных заболеваний .

Хранение и транспортировка образцов

Для диагностики наследственных заболеваний образцы крови хранятся на специальных бумажных бланках или в эпиндорфах (пластиковых пробирках) в замороженном состоянии в течение длительного времени (рис. 9).

Для диагностики инфекционных заболеваний образцы находятся при комнатной температуре не более 2-х часов. При необходимости более длительного хранения пробы могут быть помещены в холодильник с температурой 2-8°С на срок не более суток. Более продолжительное хранение (до 2-х недель) допустимо в замороженном виде в морозильной камере при температуре минус 20°С. Не допускается повторное замораживание-оттаивание проб.

Если ПЦР-диагностическая лаборатория и процедурный кабинет для забора проб территориально разобщены, то транспортировка проб должна осуществляться в термосах или термоконтейнерах с соблюдением правил хранения образцов и правил транспортировки инфекционных материалов.

Выделение ДНК из образцов

Широкую распространенность получил метод твердофазной сорбции, заключающийся в добавлении лизирующего агента, содержащего раствор гуанидина, сорбции ДНК на сорбенте, многократной отмывки и ресорбции ДНК буферным раствором. В случае обработки сыворотки, плазмы или цельной крови обычно используется метод фенольной экстракции. Метод включает депротеинизацию фенолом/хлороформом с последующим осаждением ДНК (или РНК) этанолом или изопропанолом. Обработка производится в микроцентрифужных пробирках типа «Eppendor P» объемом 1,5 мл. Время обработки составляет 1,5-2 часа (рис.10).

Рис. 10. Выделение ДНК.

Проведение ПЦР

Определенное количество образца из обработанной клинической пробы переносится в специальную микроцентрифужную пробирку типа «Eppendorf"» объемом 0,2 или 0,5 мл. В эту же пробирку добавляется амплификационная смесь, состоящая из воды, ПЦР-буфера, раствора дНТФ, раствора праймеров и раствора Taq-полимеразы (добавляется в смесь в последнюю очередь). Как правило, объем реакционной смеси составляет 25 мкл. Затем в каждую пробирку добавляется одна капля минерального масла для предотвращения испарения реакционной смеси в процессе амплификации. Пробирки переносятся в программируемый термостат (амплификатор), где проводится амплификация в автоматическом режиме по заданной программе (рис. 11).

Рис. 11. Амплификатор « Thermocycler ».

Время проведения реакции в зависимости от заданной программы составляет 2-3 часа. Параллельно с опытными пробами ставятся контрольные: положительный контроль включает в себя все компоненты реакции, но вместо материала клинического образца вносится контрольный препарат ДНК исследуемого гена. Отрицательный контроль включает в себя все компоненты реакции, но вместо клинического материала или препарата ДНК вносится соответствующее количество деионизованной воды или экстракта, не содержащего исследуемой ДНК. Отрицательный контроль необходим для проверки компонентов реакции на отсутствие в них ДНК вследствие контаминации и исключить учет ложноположительных результатов.

Регистрация результатов

Амплифицированный специфический фрагмент ДНК выявляют методом электрофореза в агарозном геле в присутствии бромистого этидия. Бромистый этидий образует с фрагментами ДНК устойчивое соединение внедрения, проявляющееся в виде светящихся полос при облучении геля УФ-излучением с длиной волны 290-330 нм. В зависимости от размера образующихся в результате ПЦР ампликонов используют гель с содержанием агарозы от 1,5% до 2,5%. Для приготовления агарозного геля расплавляют в СВЧ-печи или на водяной бане смесь агарозы, буфера и воды, добавляют раствор бромистого этидия. Охлажденную до 50-60°С смесь заливают в форму слоем толщиной 4-6 мм и с помощью специальных гребенок делают в геле карманы для нанесения образца. Гребенки устанавливают таким образом, чтобы между дном лунок и основанием геля оставался слой агарозы 0,5-1 мм. После застывания геля в карманы наносится амплификат в количестве 5-15 мкл. Рекомендуется параллельно с контрольными и опытными пробами проводить электрофорез смеси маркеров длин фрагментов ДНК. Обычно такая смесь содержит десять фрагментов ДНК длинной 100, 200, 300 и т. д. пар оснований.

Постановка такой пробы позволяет верифицировать длину ампликонов в контрольных и опытных пробах. Гель с нанесенным образцом переносят в камеру для электрофореза, заполненную буфером, камеру подключают к источнику питания и проводят электрофоретическое разделение продуктов амплификации в течение 30-45 мин при напряженности электрического поля 10-15 В/см. При этом фронт красителя, входящего в состав реакционной смеси должен пройти не менее 3 см.

После окончания электрофореза гель переносят на стекло трансиллюминатора и просматривают в ультрафиолетовом свете. Для документирования гель фотографируют на пленку типа "Микрат 300" или регистрируют с помощью видеосистемы, соединенной с компьютером.

В первую очередь оценивают контрольные пробы. В электрофоретической дорожке, соответствующей положительному контролю, должна присутствовать оранжевая светящаяся полоса. Ее электрофоретическая подвижность должна соответствовать указанной в инструкции длине ампликона.

В электрофоретической дорожке, соответствующей отрицательному контролю, такая полоса должна отсутствовать. Наличие такой полосы в отрицательном контроле свидетельствует о контаминации - загрязнении используемых реагентов исследуемой ДНК или ампликоном. Опытные пробы оценивают по наличию в соответствующей дорожке полосы, которая располагается на том же уровне, что и полоса в положительной контрольной пробе. Интенсивность свечения полосы соответствует количеству исследуемой ДНК в пробе, что позволяет проводить полуколичественную оценку ПЦР. Обычно положительные результаты оценивают по четырехбальной шкале. Если же свечение полосы в опытной пробе очень слабое, то такую пробу следует переставить (рис. 12).

Рис. 12. Электрофорез в агарозном геле.

Применения ПЦР для диагностики точковых мутаций и полиморфизмов генов

Одним из ведущих направлений применения ПЦР в практическом здравоохранении является диагностика точковых мутаций и полиморфизмов генов. Выделяют прямые и косвенные методы ДНК-диагностики. В тех ситуациях, когда известен ген, повреждение которого приводит к развитию наследственного заболевания, можно это повреждение обнаружить молекулярно – генетическими методами. Такие методы называются прямыми. С помощью прямых методов выявляются нарушения в первичной нуклеотидной последовательности ДНК (мутации и их типы). Прямые методы отличаются точностью, достигающей почти 100%.

Однако на практике указанные методы могут применяться при определенных условиях :

· при известной цитогенетической локализации гена, ответственного за развитие наследственного заболевания;

· должен быть клонирован ген заболевания и известна его нуклеотидная последовательность.

Целью прямой ДНК-диагностики является идентификация мутантных аллелей.

Таким образом, в тех ситуациях, когда известно, какое именно повреждение ДНК приводит к наследственному заболеванию, исследуется непосредственно фрагмент ДНК, содержащий повреждение, т. е. используется прямой метод ДНК-диагностики.

Однако к настоящему времени гены многих заболеваний не картированы, неизвестна их экзонно-интронная организация и многие наследственные болезни отличаются выраженной генетической гетерогенностью, что не позволяет в полной мере использовать прямые методы ДНК-диагностики. Поэтому в тех случаях, когда локализация повреждения не известна, используется другой подход, связанный с изучением окрестности гена, ответственного за генное заболевание, в сочетании с семейным анализом, то есть используются косвенные методы молекулярно-генетической диагностики наследственных болезней.

Для выявления точковых мутаций и небольших делеций могут использоваться различные способы, однако все они основаны на использовании метода ПЦР. Данная реакция позволяет многократно умножить нуклеотидную последовательность ДНК, а затем осуществить поиск мутаций. Методы поиска фрагментов ДНК, несущих мутации, основаны на сравнительном анализе мутантных и нормальных нуклеотидных последовательностей ДНК.

Анализ продуктов ПЦР

в процессе прямой ДНК-диагностики

Предполагает исследование конкретных особенностей амплифицорованного участка гена. Так, при заболеваниях, обусловленных экспансией тринуклеотидных повторов, продукты амплификации различаются по своей длине (отражающей различное число триплетов в изучаемом участке гена) и, как следствие – по их скорости движения в геле. Благодаря этому достигается четкое электрофоретическое разделение нормальных и мутантных аллелей и точное определение патологически удлиненного фрагмента, т. е. ДНК-диагностика болезни (рис. 13).

https://pandia.ru/text/78/085/images/image018_18.jpg" width="417" height="110 src=">

Рис. 14. Диагностика делеции GAG в гене DYT 1 у больных дофа-независимой дистонией (электрофорез в полиакриламидном геле). Дорожки 2,3,6 – больные; дорожки 1,4,5 – контроль. Тонкой стрелкой обозначен нормальный аллель, жирной стрелкой – мутантный более короткий аллель (делеция трех нуклеотидов).

Если исследуемый участок ДНК целиком входит в состав протяженной делеции, то ПЦР-амплификация ДНК с данного делетированного аллеля осуществляеться не будет в связи с отсутствием мест для гибридизации праймеров. При этом гомозиготная делеция будет диагностирована на основании полного отсутствия ПЦР-продукта реакции (синтез ДНК невозможен с обеих копий гена). При гетерозиготной делеции возможно выявление ПЦР-продукта, синтезированного с нормального (сохранного) аллеля, однако для достоверной диагностики такой мутации необходимо использование более сложных методов визуализации ДНК, позволяющих оценить дозу конечного ПЦР-продукта.

Для выявления точковых мутаций (чаще всего нуклеотидных замен) в определенных сайтах метод ПЦР используется в комбинации с другими методами молекулярно-генетического анализа. Если место локализации и характер предполагаемой точковой мутации точно известны, то для целенаправленного выявления такой мутации могут использоваться рестрикционные эндонуклеазы (рестриктазы ) – особые клеточные ферменты, выделяемые из различных штаммов бактерий.

Данные ферменты распознают специфические нуклеотидные последовательности длиной от четырех до десяти нуклеотидов. После чего осуществляют рестрикцию (лат. (разрезание) этих последовательностей в составе двунитевой молекулы ДНК. Каждая рестриктаза распознает и разрезает в фиксированном месте строго определенную, специфичную для себя нуклеотидную последовательность – сайт рестрикции (сайт узнавания).

В тех случаях, когда точковая мутация изменяет естественный сайт узнавания для определенной рестриктазы, данный фермент не сможет расщепить мутантный амплифицированный в ПЦР фрагмент. В некоторых случаях, мутация приводит к появлению нового сайта узнавания для той или иной рестриктазы, отсутствующего в норме.

В обеих ситуациях мутантный и нормальный ПЦР-продукты, обработанные выбранной рестриктазой, дадут различные по длине фрагменты рестрикции, что можно будет легко обнаружить при электрофорезе (рис. 15).

Таким образом, при необходимости быстрой детекции какой – либо конкретной точковой мутации задача сводится к поиску соответствующей рестриктазы, сайт узнавания которой локализован в месте нарушенной нуклеотидной последовательности. Обработка ПЦР-продуктов такой рестриктазой позволит легко дифференцировать нормальные и мутантные аллели. Рестрикционный анализ значительно упрощает обнаружение известных точковых мутаций и в настоящее время широко используется для прямой ДНК-диагностики наследственных заболеваний.

Заключительным этапом молекулярно-генетического анализа мутаций является определение нуклеотидной последовательности исследуемого фрагмента ДНК (секвенирование), которая сравнивается с нормой и формулируется окончательный генетический диагноз. Благодаря успехам молекулярной генетики в настоящее время разработаны методы ДНК-диагностики более 400 наследственных болезней.

Рис. 15. Выявление точковой мутации с помощью рестрикционного анализа: А – амплифицируемый участок гена, содержащий сайт рестрикции AGCT для рестрикционной эндонуклеазы Alu I . Мутация G → A изменяет данную нуклеотидную последовательность, в результате чего рестрикция ферментом AluI блокируется; Б – электрофореграмма продуктов рестрикции: дорожка 1 – гомозиготность по нормальному аллелю; дорожка 2 – гомозиготность по мутации; дорожка 3 – гетерозиготное состояние (нормальный аллель + мутация).

Диагностика наследственных болезней, основанная на прямом исследовании мутантных аллелей у больных, членов их семей или предполагаемых гетерозиготных носителей патологических мутаций, пригодна для досимптоматической и пренатальной диагностики, которая может быть применена на самых ранних стадиях развития плода, до появления каких-либо клинических или биохимических симптомов болезни.

Независимо от метода детекции мутаций точные молекулярные характеристики каждой мутации могут быть получены только путем прямого секвенирования. Для автоматизации этого процесса в последние годы широко используется специальные аппараты – секвенаторы, которые дают возможность значительно ускорить процесс считывания ДНК-информации.

Путь для более широкого применения молекулярно-биологических исследований в клинико-диагностических лабораториях открывают ускорение аналитического процесса за счет выполнения всех процедур в одном континууме, без переноса пробы, создание условий для предотвращения контаминации при параллельном исследовании ряда аналитов и при объективной регистрации результатов в каждом цикле.

Основные модификации метода ПЦР

Используются для быстрого сканирования и поиска известных генных мутаций.

Мультиплексная (мультипраймерная) ПЦР

Данный метод основан на одновременной амплификации в одной реакции нескольких экзонов исследуемого гена. Это позволяет проводить экономный экспресс-скрининг наиболее частых мутаций. К примеру, для быстрой диагностики носительства делеций в гене дистрофина у больных прогрессирующей мышечной дистрофией Дюшена/Беккера проводится одновременная амплификация набора наиболее часто мутирующих экзонов данного гена. Поскольку эти заболевания наследуются по Х-сцепленному рецессивному типу и связаны с повреждением у мальчиков единственной Х-хромросомы, в случае протяженной делеции при электрофорезе продуктов реакции будет выявлено отсутствие одного или нескольких фрагментов ДНК (экзонов), что может служить молекулярным подтверждением диагноза. Кроме этого, путем подбора для ПЦР-амплификации конкретных участков гена возможна достаточно точная оценка общей протяженности делеции и точек разрыва гена (в плоть до экзона).

Комбинированное использование нескольких мультиплексных реакций позволяет диагностировать до 98% всех делеций, имеющих место у больных прогрессрующей мышечной дистрофией Дюшенна/Беккера. Это составляет приблизительно 60% от общего числа известных мутаций в гене дистрофина и свидетельствует о весьма высокой эффективности данного скринингового метода ДНК-диагностики дистрофинопатий (рис. 16).

Рис. 16. Прямая ДНК-диагностика мышечной дистрофии Дюшенна с помощью мультиплексной ПЦР (электрофорез в агарозном геле). У каждого из обследуемых лиц одновременно амплифицированы четыре экзона гена дистрофина (экзоны 17, 19, 44 и 45; стрелки указывают на соответствующие продукты амплификации). Дорожка 1 – контроль, дорожки 2-5 – больные мышечной дистрофией Дюшенна с различными делециями гена дистрофина (дорожки 2 и 5 – делеция экзона 45, дорожка 3 – делеция экзона 44, дорожка 4 – делеция экзона 17 и 19).

Аллель-специфическая амплификация

Метод основан на использовании двух самостоятельных пар праймеров к конкретному участку гена: один праймер в обеих парах является общим, а второй праймер в каждой паре имеет различную структуру и является комплементарным либо нормальной, либо мутантной последовательности ДНК. В результате такой реакции в растворе одновременно могут синтезироваться две разновидности ПЦР-продуктов – нормальные и мутантные. Причем дизайн используемых праймеров дает возможность четко дифференцировать нормальные и мутантные продукты амплификации по их молекулярному размеру. Данный метод является очень наглядным и позволяет верифицировать как гомо-, так и гетерозиготное носительство мутантного аллеля.

Метод сайт-направленной модификации амплифицированной ДНК

Метод основан на использовании в ПЦР так называемого mismatch-праймера (не полностью комплементарного матрице), который отличается от матричной ДНК-последовательности на один нуклеотид. В результате включения указанного праймера в состав мутантного ПЦР-продукта в нем образуется искусственно созданный сайт рестрикции для одной из рестрикционных эндонуклеаз, что позволяет провести прямую ДНК-диагностику определенной известной мутации с помощью рестрикционного анализа. Создание такого искусственного сайта рестрикции бывает необходимо в том случае, если проведенный поиск не выявил существование известного и доступного фермента, «естественный» сайт рестрикции которого затрагивается в результате появления в молекуле ДНК исследуемой мутации.

Метод обратно-транскриптазной ПЦР (RT - PCR )

Данный метод используется в тех случаях, когда в качестве объекта исследования удобнее использовать не генномную ДНК, а более компактную и информационно «насыщенную» кДНК, получаемую после соответствующей обработки образцов тканей, например биопсийного материала или клеточных линий лимфоцитов, фибробластов и т. д. Важным условие здесь является экспрессия (хотя бы минимальная) нужного гена в исследуемой ткани.

На первом этапе проводится обратная транскрипция мРНК, и получаемые молекулы кДНК служат матрицей для ПЦР. В последующем амплифицированный в достаточном количестве критический участок кДНК подвергается секвенированию и другим методам мутационного скрининга, прямому электорофоретическому исследованию (выявление делеций, вставок и т. д.) либо встраиванию в экспрессионную систему с целью получения белкового продукта и его непосредственного анализа.

Данный метод особенно эффективен для детекции мутаций, ведущих к синтезу «усеченного» белка (нонсенс-мутации, мутации сплайсинга, крупные делеции) – так называемый РТТ-анализ (Protein Truncation Test). РТТ-анализ обычно используется при исследовании протяженных мультиэкзонных генов, таких как ген мышечной дистрофии Дюшенна/Беккера, атаксии-телеангиоэктазии или нейрофиброматоза 1 типа.

ПЦР в реальном времени (Real-Time PCR, англ.)

С каждым годом в практическом здравоохранении ПЦР в реальном времени становится все более востребованным методом диагностики. Его принципиальной особенностью является мониторинг и количественный анализ накопления продуктов полимеразной цепной реакции и автоматическая регистрация, и интерпретация полученных результатов. Этот метод не требует стадии электрофореза, что позволяет снизить требования, предъявляемые к ПЦР лаборатории. Благодаря экономии производственных площадей, уменьшению количества персонала и востребованности количественного определения ДНК/РНК этот метод в последние годы успешно применяется в крупнейших санитарно-эпидемических, диагностических и научно-исследовательских центрах развитых стран мира, замещая ПЦР в ее сегодняшнем ("классическом") формате.

ПЦР в реальном времени использует флуоресцентно меченые олигонуклеотидные зонды для детекции ДНК в процессе ее амплификации. ПЦР в реальном времени позволяет провести полный анализ пробы в течение 20-60 мин и теоретически способен детектировать даже одну молекулу ДНК или РНК в пробе.

Рис. 17. ПЦР в реальном времени.

ПЦР в реальном времени использует TaqMan систему, контролирующую кинетику ПЦР непосредственно в ходе амплификации с использованием резонансного тушения флуоресценции. Для детекции используется зонд, несущий флуорофор и тушитель, комплементарный средней части амплифицируемого фрагмента. Когда флуорофор и тушитель связаны с олигонуклеотидным зондом, наблюдается лишь незначительная флуоресцентная эмиссия. Во время процесса амплификации за счет 5"-экзонуклеазной активности Taq-полимеразы флуоресцентная метка переходит в раствор, освобождаясь от соседства с тушителем, и генерирует флуоресцентный сигнал, усиливающийся в реальном времени пропорционально накоплению амплификата (рис. 17).

Основные преимущества ПЦР-Real-Time перед ПЦР с гель электрофорезом :

· Весь метод проходит в одной пробирке;

· Проведение метода занимает 1 час;

· Достаточно 1-2 рабочих комнат;

· Наряду с качественной оценкой результата появляется возможность количественной оценки (например, при назначении противовирусной терапии при СПИДе или вирусных гепатитах необходимо знать вирусную нагрузку, т. е. количество вируса на 1ед., что обеспечивает ПЦР real time);

· Резко снижается риск контаминации.

Заключение

Метод ПЦР является одним из наиболее распространенных методов молекулярно-биологических исследований. Данный метод должен применяться клиницистами осмысленно, и врач, решивший использовать ПЦР в своей, работе должен обладать определенными знаниями об особенностях и возможностях данного метода. Во-вторых, между клиницистом и ПЦР-лабораторией должна существовать тесная обратная связь, необходимая для анализа сложных случаев и выработки правильной диагностической стратегии. В-третьих, ПЦР-анализ не является панацеей в диагностике (прежде всего инфекционных заболеваний) и не заменяет существующие методы исследований, а лишь дополняет их. И главное - ПЦР не может заменить интуицию и аналитическое мышление, которыми должен обладать врач, рассчитывающий на успех.

P . S . Молекулярно-биологические исследования - смена ориентиров диагностики и лечения. С применением молекулярно-биологических методов связывают перспективу радикальной смены акцентов в лабораторной диагностике. Речь может идти не просто о своевременной информации, а об ее заблаговременном получении. Если сейчас лабораторные исследования в большинстве случаев проводятся уже при развившейся болезни и начатом лечении, то молекулярно-биологическая лабораторная информация, как ожидают, даст возможность выявить наклонность человека к некоторым видам патологии и степень чувствительности к некоторым лекарствам, что позволит обосновать предсказательный, профилактический и персонализированный характер медицины будущего.

СМЕНА ОРИЕНТИРОВ ДИАГНОСТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ

НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Сегодня В будущем

Диагноз Генетический паспорт

8. Сколько рабочих комнат необходимо для работы ПЦР-лаборатории с флуоресцентной детекцией (количественный анализ, Real-Time PCR)?

9. Что такое детекция?

10. Какие методы ДНК-диагностики выделяют?

11. Работа какого фермента лежит в основе ПЦР?

12. Почему зону детекции необходимо удалять от других рабочих зон?

13. Что такое сайт рестрикции?

14. В чем отличия прямого метода ДНК-диагностики от косвенного?

15. Что такое секвенирование?

16. Что такое мультиплексная ПЦР?

17. Какие типы мутаций определяют при помощи ПЦР?

18. Что такое контаминация?

19. В чем заключается сущность метода аллель-специфической амплификации?

20. Условия хранения материала для ПЦР?

21. В каком приборе проходит амплификация?

22. В чем заключается метод обратно-транскриптазной ПЦР (RT-PCR)?

23. Что служит материалом для ПЦР-диагностики?

24. Перечислите виды контаминации?

Тесты для самоподготовки

1. Эндонуклеазные рестриктазы:

а) ферменты, «разрывающие» ДНК в строго специфических местах;

б) ферменты, сшивающие разрывы молекулы ДНК;

в) ферменты, обеспечивающие соединения, осуществляющие репарацию ДНК.

2. Амплификация генов:

3. Какой из методов молекулярной генетики применяется для диагностики болезней, обусловленных мутантным геном известной последовательности?

а) использование специфичной рестриктазы;

б) прямая детекция с использованием специфичных молекулярных зондов;

в) семейный анализ распределения нормального полиморфизма длины рестрикционных фрагментов.

4. Секвенирование ДНК:

а) идентификация последовательности оснований ДНК;

б) многократное повторение какого-либо участка ДНК;

в) выделение фрагмента ДНК, содержащего изучаемый ген.

5. Для получения образцов ДНК можно использовать :

б) ворсины хориона;

в) амниотическую жидкость;

г) клетки амниотической жидкости;

д) биоптаты кожи, мышц, печени,

е) все верно, кроме пункта «в»,

ж) все верно, кроме пункта «г»,

з) все вышеперечисленное верно.

6. Для диагностики каких мутаций применяется метод ПЦР:

а) геномные;

б) хромосомные;

в) генные (точечные).

7. Праймер это:

а) комплементарный участок ДНК;

б) синтетическая олигонуклеотидная меченая (радиоактивно или флюоресцентно) последовательность, комплементарная мутантному или нормальному гену;

в) олигонуклеотид, выполняющий роль «затравки» и инициирующий синтез полинуклеотидной цепи на ДНК- или РНК - матрице.

8. Кем был разработан принцип метода ПЦР?

б) К. Мюллис

9. Применяется ли метод ПЦР для диагностики экспансии тринуклеотидных повторов (динамического типа мутаций)?

10. В каких областях применяется ПЦР?

а) клиническая медицина;

б) определение трансгенных организмов (ГМО)

в) идентификация личности, установление отцовства, криминалистика

г) все вышеперечисленное,

д) ничего из вышеперечисленного..

Эталоны ответов: 1 – а; 2 – б; 3 – б; 4 – а; 5 – е; 6 – в; 7 – в; 8 – б; 9 – а, 10 – г.

Основная

1.Бочков генетика. Москва. ГЭОТАР, 2002.

Дополнительная

1. , Бахарев и лечение врожденных и наследственных заболеваний у детей. – Москва, 2004.

2. ДНК-диагностика и медико-генетическое консультирование. – Москва, 2004.

3. Гинтер генетика. – Москва, 2003.

4. Горбунов основы медицинской генетики. – СПб.: Интермедика, 1999.

5. Херрингтон С., Дж. Макги. Молекулярная клиническая диагностика. – Мир, 1999.

6. Меньшиков -биологические исследования в клинической лабораторной диагностике: возможности проблемы (лекции). Клиническая лабораторная диагностика, № 3, 2006.

7. Корниенко работы ПЦР-лаборатории при поточном анализе биологического материала. Клиническая лабораторная диагностика, № 10, 2006.

8. Организация работы ПЦР-лаборатории. Методические указания. МУ 1.3.1794-03. Главный санитарный врач РФ, 2003.

9. Erlich H. A. PCR technology. – Percin-Elmer Cetus, 1993.

10. Heid C. A., Stevens J. Real time quantitative PCR. Genome Res. – № 6, 1996.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДА

ПОЛИМЕРАЗНОЙ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

Методическое пособие для внеаудиторной работы студентов 3-4 курсов по специальностям лечебное дело (060101) и педиатрия (060103).

ГОУ ВПО «Красноярская государственная медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»

Россия, Красноярск,

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – высокоточный метод молекулярно-генетической диагностики, который позволяет выявить у человека различные инфекционные и наследственные заболевания, как в острой и хронической стадии, так и задолго до того, как заболевание может себя проявить.

Полимеразную цепную реакцию (ПЦР) в 1983 году разработал Кэри Мюллис (США), за что в 1993 году он удостоен Нобелевской премии в области химии.

ПЦР анализ стал для большинства инфекций своеобразным «золотым стандартом». Большинство специалистов сталкиваются с ним практически ежедневно и не представляют без него постановку окончательного диагноза. ПЦР нередко становится единственной реакцией для выявления активных стадий заболевания в те моменты, когда не срабатывают другие бактериологические, вирусологические, иммунологические методы диагностики.

Преимущества ПЦР-диагностики в современной медицине:

Непосредственное выявление присутствия возбудителя (а именно, специфического участка ДНК или РНК возбудителя) в исследуемом образце.
Высокая специфичность позволяет определять уникальный участок ДНК или РНК, характерный для конкретного возбудителя, что исключает возможность ложных реакций.
Высокая чувствительность метода ПЦР позволяет обнаружить даже единичные клетки возбудителей (вирусов, бактерий). Чувствительность ПЦР-анализа составляет 10-1000 клеток в исследуемом образце (к примеру, чувствительность иммунологических и микроскопических тестов - всего 103-105 клеток).
Разработка универсальной методики ПЦР для обнаружения различных возбудителей. Объектом для исследования методом ПЦР служит генетический материал (ДНК, РНК) возбудителя. Методика позволяет выявлять несколько возбудителей из одной биологической пробы.
Достаточно быстрое получение результата анализа. Полное исследование проводится за 4-4,5 часа, реже – несколько дольше.
Возможность обнаружения патогенов до возникновения симптомов заболевания (доклиническая диагностика) и после прошедшей болезни (ретроспективная диагностика). Примером доклинической диагностики будет обследование в инкубационный период (с момента заражения до возникновения жалоб больного), а также латентная инфекция (когда симптомов нет совсем, а есть только лабораторные данные – ПЦР, к примеру). Одним из важных моментов ПЦР-диагностики является проведение ПЦР в архивном материале или биологических остатках, что важно для идентификации личности или отцовства.

В настоящее время ПЦР-диагностика подвергается существенному развитию. Происходит совершенствование самого метода, вновь и вновь появляются новые разновидности ПЦР, на медицинский рынок поступают новые тест-системы для данной реакции. Благодаря этому стоимость ПЦР-исследований с каждым годом становится доступнее для широкого круга пациентов.

На чем основан метод ПЦР

Основой полимеразно-цепной реакции является многократное удвоение (амплификация) определённого участка ДНК или РНК при помощи ферментов в лабораторных условиях. В результате образуется то количество ДНК или РНК, достаточное для визуального анализа. В ходе исследования копируется только тот участок, который подходит под заданные условия, и только в ситуации присутствия его в исследуемой пробе.

Например, материал для исследования, в котором предполагается наличие фрагментов ДНК или РНК возбудителя (слюна, кровь, моча, выделения из половых органов), помещается в специальный реактор (амплификатор). Далее к нему добавляются специфические ферменты, которые связываются с ДНК или РНК патогена, и происходит синтез ее копии. Это копирование идет в несколько этапов по типу «цепной реакции», и в конечном итоге из одной копии генетического материала могут образоваться сотни и тысячи копий. Затем идет анализ и сравнение результата с имеющейся базой данных о строении различных возбудителей. Посредством ПЦР можно не только выявить тип возбудителя, но и выдать количественный результат анализа, то есть как много возбудителей в организме человека.

Метод ПЦР в настоящее время расширяет круг возможностей проводимых исследований: введение мутаций, сращивание фрагментов ДНК, и получил широкое распространение в медицине, к примеру, для установления отцовства, появление новых генов и прочее.

Какие инфекции можно выявить с помощью ПЦР-диагностики

1) ВИЧ-инфекция (можно выявить вирус иммунодефицита человека ВИЧ-1)
2) Вирусные гепатиты А, В, С, G (РНК-HAV, ДНК-HBV, РНК-HCV, РНК-HGV)
3) Инфекционный мононуклеоз (ДНК вируса Эпштейн-Барр -ВЭБ)
4) Цитомегаловирусная инфекция (ДНК-CMV)
5) Герпетическая инфекция (ДНК- вируса простого герпеса ВПГ 1 и 2 типа)
6) ИППП (инфекции, передающиеся половым путем) – уреаплазмоз, гарднереллез, хламидиоз, микоплазмоз, трихомониаз,
7) Туберкулез (микобактерия туберкулеза)
8) Онкогенные вирусы – папилломавирусная инфекция (вирус папилломы человека (в том числе его онкогенные виды 16, 18, 31, 33, 45, 51, 52, 56, 58, и 59)
9) Боррелиоз, клещевой энцефалит
10) Листериоз
11) Кандидоз (грибы рода Candida)
12) Хеликобактерная инфекция (Helicobacter pylori)
и другие

Учитывая спектр возбудителей, ПЦР-диагностика активно используется в гинекологической, урологической практике, практике инфекциониста, в пульмонологии, фтизиатрии, гастроэнтерологии, гематологии, онкологии и других.

Материал для исследования и правила его забора

Материалом для ПЦР-исследования, в котором можно выявить чужеродную ДНК бактерии или ДНК или РНК вируса могут служить различные биологические среды и жидкости человека: слизи, моче, крови, мокроте, соскобе эпителиальных клеток, тканях плаценты, крови, соке простаты, околоплодные воды, плевральная жидкость.

При обследовании на инфекции, передающиеся половым путем (ИППП), у мужчин и женщин забираются выделения из половых органов, мазок или соскоб из шейки матки, мазок или соскоб из уретры (мочеиспускательного канала), моча.

При обследовании на инфекции (герпетические инфекции, ЦМВИ, мононуклеоз, токсоплазмоз, гепатиты В, С, ВИЧ-инфекция) на ПЦР забирают кровь.

Для диагностики инфекционного мононуклеоза, ЦМВИ, герпетической инфекции забирается мазок из зева, для обследования на ЦМВИ – моча. Нередко для обследования на поражение нервной системы при ряде исследований забирается спинномозговая жидкость.

В пульмонологии материалом служит мокрота, плевральная жидкость.

При обследовании на внутриутробные инфекции – околоплодные воды, ткани плаценты.

Подготовка к сдаче материала и проведению ПЦР-диагностики

Практически все пациенты, которым проводится ПЦР-диагностика, вправе рассчитывать на достоверный, точный и быстрый результат, зависящий в большой степени от возможности лаборатории, профессионализма врача-лаборанта. Вместе с тем, многие не задумываются, что эта самая достоверность во многом зависит и от нас самих, а именно от рекомендаций лечащего доктора, образа жизни и правильности забора материала. При заборе материала требуются условия, исключающие контаминацию (загрязнение) материала и, соответственно, ставящие под сомнение объективность анализа.

Правильная подготовка к сдаче материала не представляет особых сложностей. Существуют следующие рекомендации врачей для пациентов:

1) не жить половой жизнью за сутки до сдачи материала;
2) кровь для исследования сдается утром натощак (не есть, не пить);
3) при сдаче мочи собирается первая утренняя порция в чистый стерильный контейнер.

Сроки готовности ПЦР-анализа

Окончательный результат готов через 1,5-2х суток после сдачи материала. В некоторых случаях результат готов в первый же день.

Расшифровка результатов ПЦР

Отрицательный результат ПЦР указывает на то, что в исследуемом материале на момент его сдачи не обнаружено никаких следов инфекционных агентов. Большинство случаев показывает отсутствие инфекции, которую пытались найти в исследуемой пробе.

Положительный результат ПЦР указывает на выявление следов инфекции в исследуемой биологической пробе. С большой точностью положительный результат указывает на наличие инфекции в данный момент времени.

Существуют ситуации, когда ПЦР оказывается положительной, а об активной инфекции говорить нельзя – это так называемое «здоровое носительство» без клинических симптомов болезни, которое не требует лечения, но требует динамического наблюдения у врача. Наблюдается чаще при ряде вирусных инфекций (ВПЧ, ЦМВИ, ВЭБ-инфекция, герпетическая инфекция и другие) в таких материалах как слюна, соскоб цервикального канала, уретры, то есть из местного очага. Однако нельзя забывать, что передача инфекции от носителей здоровым людям возможна, как и возможен переход в хроническую форму болезни с активацией процесса. Если же ПЦР положительна в крови, то это уже не носительство и требует специфического лечения.

Количественный результат ПЦР оценивается только врачом индивидуально для той или иной инфекции отдельно и не имеет общих градаций. На основании количественного результата ПЦР врач может установить степень активности инфекции и выставить стадию болезни, что безусловно отразится на курсе и дозах назначенных лекарственных средств.

Один из последних волнующих вопросов: насколько точна ПЦР-диагностика?

Для ПЦР анализа существует 3 определения:

1. Точность (с высокой долей вероятности возможно выявление или отсутствие инфекции).
2. Специфичность (точность выявления конкретной инфекции).
3. Чувствительность (даже при низком содержании генетического материала возбудителей в исследуемом образце инфекция будет обнаружена).

Полимеразно-цепная реакция практически не выдает ложноположительных результатов (то есть не бывает положительных проб там, где инфекция отсутствует). Ложноотрицательные результаты наблюдаются редко (чаще это связано с отсутствием активной инфекции у человека в данный момент). Например, латентная инфекция, хроническая инфекция вне активности.

Врач инфекционист Быкова Н.И.

Видео о том, зачем и как сдавать анализ ПЦР на инфекции

ПЦР (полимеразная цепная реакция) – это высокочувствительный специфический метод диагностики вирусных заболеваний, который проводится с помощью молекулярно-генетического исследования крови пациента. Такой метод диагностики способен обнаружить также и наследственные болезни. С помощью ПЦР определяют не только диагноз, а еще и стадию, на которой находится заболевание. Поговорим что такое диагностика инфекций методом ПЦР, узнаем о значениях результатов и многое другое.

Разработчиком метода полимеразной цепной реакции стал американец Кэри Мюллис, создав его в 1983 году. В 1993 году Кэри получил Нобелевскую премию в области химии.

Анализ ПЦР является золотым стандартом в диагностике заболеваний. Без этого метода невозможно было бы постановить окончательный диагноз и, следовательно, применить адекватное лечение. Очень часто анализ стает единственным методом для выявления активных инфекций в организме в то время, как другие методы оказались не эффективными.

Метод полимеразной цепной реакции

Подробнее о методе полимеразной цепной реакции.

В основу теста входит многократное удвоение ДНК или РНК, которое осуществляется с помощью ферментов и проводится в лаборатории. Таким образом образовывается нужное для визуального анализа количество материала. При выполнении ПЦР проводится копирование только нужного участка, который соответствует заданным параметрам.

К примеру, происходит помещение биологического материала человека, в котором вероятно присутствует возбудитель, в амплификатор. Затем, ферменты, добавленные в реактор, связываются с патогеном, и получается синтез копии ДНК и РНК. Копирование ведется несколько этапов, что образует цепную реакцию, образовывая сотни копий из одного генетического материала. После этого лаборанты проводят анализ и сравнивают результаты с информацией в базе данных. ПЦР выдает как качественный, так и количественный результат исследования.

Данный метод широко распространен в медицине, он используется для проведения опытов с мутацией и сращиванием ДНК, а также для других экспериментов.

Преимущества диагностики вирусных инфекций методом ПЦР

Чувствительность теста очень высока, и может обнаружить даже единичные агенты возбудителя. Чувствительность составляет 10-1000 клеток одного образа материала. Для сравнения можно сказать, что чувствительность микроскопических тестов не превышает 105 клеток;
Специфичность ПЦР находится на высоком уровне, что дает возможность определить участок РНК и ДНК возбудителя. Таким образом, тест не выдает ложных показателей;
ПЦР непосредственно обнаруживает агент вируса, возбудителя инфекции в исследуемом образце;
Тест проводится очень быстро. Уже через 4 часа можно оценить результаты исследования;
Универсальная методика исследования позволяет обнаружить разные виды возбудителя. Можно использовать одну пробу для выявления нескольких видов агентов возбудителя.
С помощью ПЦР можно провести доклиническую и ретроспективную диагностику. Доклиническая диагностика выявляет патогены еще до наступления болезни, а ретроспективная делается после перенесенной болезни. Это позволяет проводить исследование в инкубационный период болезни, когда жалоб на здоровье еще нет, но при этом пациент уже заражен вирусом. Также, возможно выявить латентную инфекцию, которая протекает бессимптомно.
ПЦР можно проводить на основе образцов архивного материала или на основе биологических остатков. Это помогает идентифицировать личность или установить отцовство.

Кроме того, диагностика методом ПЦР в последнее время активно развивается. Так, появляются все более новые тесты для исследования. Таким образом, цена на проведение таких тестов с каждым годом падает, что дает возможность доступа к методу многим лицам.

Инфекции которые можно обнаружить

Инфекции, которые можно обнаружить в организме человека с помощью полимеразной цепной реакции:

гепатиты А, В, С, G;
мононуклеоз;
цитомегаловирусная инфекция;
инфекция герпеса, 1 и 2 типов;
инфекции, передающиеся половым путем (хламидиоз, трихомониаз, микоплазмоз, уреаплазмоз и другие);
туберкулез;
онкогенные вирусы (папиллома);
листериоз;
боррелиоз;
клещевой энцефалит;
хеликобактерная инфекция, а также другие инфекции.

Диагностика методом ПЦР широко распространенна во многих отраслях медицины, например в урологии, гинекологии, фтизиатрии, онкологии и других.

Анализ

Результаты и сроки анализа ПЦР, проведенных методом полимеразной цепной реакции, выдаются уже через двое суток после сдачи образцов для исследования. Иногда, результаты изготовляются в течение 1 дня.

Правила забора материала для исследования методом ПЦР

Практически все пациенты, которые сдают материал для проведения ПЦР диагностики, могут рассчитывать на достоверные и быстрые результаты. Однако, чистота анализа также зависит и от пациента, собирающего материал. Материал для анализа должен собираться в условиях, исключающих его загрязнение, что может существенно повлиять на объективность результата.

за сутки до сдачи анализа избегать половых контактов;
забор крови происходит только утром, натощак, это значит, что нельзя употреблять пищу и напитки перед взятием крови;
моча для анализа сдается в стерильном контейнере, при этом собирается только утренняя моча.

Для исследования методом ПЦР собирается тот биологический материал, в котором предположительно могут быть патогенные бактерии. Это может быть:

кровь,
слюна,
образцы слизи из слизистых оболочек,
плацента,
моча,
мокрота,
соскоб,
околоплодные воды и плевральная жидкость.

Для проведения анализов на половые инфекции, берется образцы выделений из половых органов.

Для берутся образцы крови. Чтобы провести анализ на мононуклеоз берется мазок из зева, для диагностики ЦМВИ – образцы мочи. Спинномозговая жидкость берется для диагностики поражений нервной системы человека.

При внутриутробных инфекциях производят забор тканей плаценты и околоплодных вод.

Результаты анализа

Результаты анализа ПЦР могут быть положительными и отрицательными. При отрицательном результате анализа ПЦР, организм пациента не подвергался заражения и, следовательно, является здоровым. При положительном результате можно утверждать факт наличия инфекционных возбудителей в организме пациента.

Существует также здоровое носительство бактерий, при котором симптомов заболевания у пациента нет. В таком случае результат ПЦР окажется положительным. Но говорить здесь об активной инфекции нельзя. При этом лечение проводить не нужно, но наблюдаться регулярно у врача необходимо. Такое явление распространено при таких заболеваниях, как ВПЧ, герпес, ЦМВИ и других.
Очень важно помнить, что носитель инфекции может передать ее здоровому человеку. Также, сам носитель может перейти в стадию хронического протекания болезни.

ПЦР диагностика - видео пояснение

Диагностика инфекционных заболеваний – бактериальных и вирусных – направлена на раннее выявление возбудителей, что позволяет назначать раннюю и максимально эффективную терапию. Самым современным способом диагностики инфекций является ПЦР или полимеразная цепная реакция. Так что же это за метод, и для чего он нужен?

Суть полимеразной реакции

Любой микроорганизм и вирус содержат в своей структуре молекулы ДНК или РНК. У каждого из них эти соединения уникальны, поэтому, если выделить в анализе крови у детей или взрослых нуклеиновые кислоты, можно с абсолютной точностью поставить диагноз.

К сожалению, концентрация ДНК в образцах крови или других биологических материалах достаточно низка и с помощью обычных методов диагностики определить ее не получается. Чтобы справиться с этой проблемой, была изобретена полимеразная цепная реакция.

Сущность ПЦР заключается в специальной обработке образца крови, в результате чего в ней увеличивается концентрация ДНК молекул, определение типа которых в дальнейшем позволяет установить вид возбудителя и поставить диагноз.

Как сдать кровь на ПЦР

При подготовке к анализу следует придерживаться общих рекомендаций: не пить и не есть непосредственно перед анализом крови. Хотя для сдачи крови на ПЦР можно так строго не придерживаться этих требований, так как точность исследования не зависит от того, на сытый или голодный желудок был взят анализ.

Какие заболевания можно выявить с помощью ПЦР

С помощью ПЦР можно выявить практически любые вирусные и бактериальные заболевания. Для анализа используется не только кровь, но и другие биологические материалы: сперма, слюна, мазки из уретры и с шейки матки. Анализ крови будет информативен в том случае, если возбудитель конкретного заболевания проникает в кровь человека. Поэтому ПЦР крови назначают при следующих заболеваниях:

вирусные гепатиты А, В, С, D и TT;
цитомегаловирус;
герпетическая инфекция (вирусы герпеса 1, 2 и 4-го типов);
ВИЧ-инфекция
энтеровирусная инфекция;
опоясывающий лишай;
краснуха;
токсоплазмоз;
инфекционный мононуклеоз;
листериоз.

Если же взять во внимание возможность проведения ПЦР других биоматериалов, то в список заболеваний, выявляемых с помощью ПЦР, следует добавить:

гарднереллез;
сальмонеллез;
(порядка 100 различных штаммов вируса папилломы человека);
трихомониаз;

Особо актуально в настоящее время ПЦР анализа крови беременной на так называемые : цитомегаловирус, токсоплазмоз, краснуху и . Связано это с тем, что упомянутые заболевания могут привести к аномалиям развития плода.

Преимущества ПЦР

Недостатки анализа

ПЦР является высокотехнологичным методом исследованием и предъявляет высокие требования к оснащению лаборатории. Помещение, где делают анализ, обязательно должно быть оснащено фильтром биологической очистки, так как в воздухе постоянно присутствуют частицы кожи, слюны, содержащие в своем составе молекулы ДНК. Несоблюдение техники работы с биоматериалами может стать причиной неверного результата.

Анализ крови – расшифровка у взрослых (ПЦР)

Трактовка результатов этого исследования не представляет сложностей, потому что отсутствует таблица норм анализа крови на ПЦР. В бланке результатов могут фигурировать лишь две фразы:

отрицательный результат – возбудитель, на который проводился анализ, не выявлен;
положительный результат – в организме имеется возбудитель указанного заболевания.

Следует знать, что ПЦР может быть положительной даже при отсутствии клинических симптомов заболевания! Расшифровка анализа крови на ПЦР у детей не отличается от таковой у взрослых.

Кому нужно сдать анализ на ПЦР

Любой человек может сдать кровь для исследования. Прямым показанием для исследования является подозрение на инфекции передающиеся половым путем ( , гарднереллез, ВИЧ-инфекция). При случайном незащищенный половом контакте только ПЦР поможет поставить диагноз на ранней стадии, если человек заразился каким-либо заболеванием. В обязательном порядке кровь на TORCH-комплекс сдают беременные женщины. А также женщины, только .

Полимеразная цепная реакция известна уже 30 лет. Ее широко используют во многих областях, начиная с археологии и заканчивая генетикой.

Именно метод пцр помогает установить отцовство, но наиболее часто его используют для выявления различных инфекционных болезней в организме человека.

Как проводят анализ методом пцр, и что это такое? На эти вопросы мы постараемся детально ответить.

Анализ ПЦР - что это такое?

Метод ПЦР - абсолютно специфичен и выполненный правильно не может дать ложноположительный результат. То есть, если инфекции нет, то анализ никогда не покажет, что она есть. Поэтому сейчас очень часто для утверждения диагноза дополнительно сдают анализ ПЦР, чтобы определить возбудителя и его природу.

В чем преимущество данного метода?

Диагностика этим методом позволяет найти возбудителя непосредственно в гене, который содержится в исследуемых материалах. Это самый точный анализ на половые инфекции, скрытые инфекции, различные венерические заболевания.

Отличия ПЦР-диагностики от других методов лабораторного исследования заключаются в следующем:

метод нацелен на выявление самого возбудителя;
диагностика методом ПЦР отличается универсальностью: для обнаружения возбудителей нескольких;
заболеваний достаточно только одного биологического образца больного;
метод обладает высокой чувствительностью и не сопровождается другими перекрестными реакциями.

Кроме этого, преимуществом ПЦР-диагностики является то, что для анализа пригоден любой биологический материал пациента: кровь, выделения из половых органов, моча, сперма.

Какие инфекции позволяет выявить мазок на ПЦР?

В организме может присутствовать большое количество возбудителей инфекций, сюда относятся и «скрытые», которые длительное время никак себя не проявляют.

Анализ мазка на ПЦР позволяет выявить такие инфекции :

уреплазмоз половых органов;
кандидоз ();
герпес;
наличие раковых клеток;
оценить гормональное состояние;

Исследуемым материалом для ПЦР обычно являются мокрота, слюна, моча, кровь. Перед проведением анализа необходимо тщательно подготовиться к нему, получив предварительную консультацию у врача.

Кровь для ПЦР обычно сдается натощак. Хорошие результаты показывает проведение анализа, когда материал для исследования взят из цервикального канала или уретры. В этом случае лучше всего провести ПЦР-диагностику не позже, чем через сутки после полового акта.

Разновидности ПЦР

ПЦР используется во многих областях для проведения анализов и в научных экспериментах. Существуют разные методики проведения анализа:

ПЦР с обратной транскрипцией (Reverse Transcription PCR, RT-PCR (англ.)) - используется для амплификации, выделения или идентификации известной последовательности из библиотеки РНК.
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.
Вложенная ПЦР (Nested PCR (англ.)) - применяется для уменьшения числа побочных продуктов реакции. Используют две пары праймеров и проводят две последовательные реакции.
Асимметричная ПЦР (англ. Asymmetric PCR) - проводится тогда, когда нужно амплифицировать преимущественно одну из цепей исходной ДНК. Используется в некоторых методиках секвенирования и гибридизационного анализа.
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.
Ступенчатая ПЦР (Touchdown PCR (англ.)) - с помощью этого подхода уменьшают влияние неспецифического связывания праймеров.
Групп-специфическая ПЦР (англ. group-specific PCR) - ПЦР для родственных последовательностях внутри одного или между разными видами, используя консервативные праймеры к этим последовательностям.

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.

Какие биологические материалы исследуются?

Материалом для ПЦР-исследования, в котором можно выявить чужеродную ДНК бактерии или ДНК или РНК вируса могут служить различные биологические среды и жидкости человека:

Моча . Может использоваться при инфекционном поражении мочеполового тракта у мужчин и мочевыделительных органов у женщин (у мужчин использование в качестве материала мочи заменяет эпителиальный соскоб).
Мокрота . Применяется для диагностики туберкулеза и реже для диагностики респираторных форм хламидиоза и микоплазмоза. Мокроту в количестве 15-20 мл собирают в стерильный (одноразовый) флакон.
Биологические жидкости . Сок простаты, плевральная, спинномозговая, околоплодная, суставная жидкость, бронхоальвеолярный лаваж, слюна забираются по показаниям.
Эпителиальные соскобы со слизистых оболочек . Обычно используются для диагностики заболеваний, передающихся половым путем (ЗППП), таких как гонорея, хламидиоз, микоплазмоз, уреаплазмоз, трихомониаз, гарднереллез, герпетическая и другие инфекции, поражающие слизистые оболочки.
Биоптаты . Чаще всего используют биоптаты желудка и двенадцатиперстной кишки для выявления хеликобактерной инфекции.
Кровь, плазма, сыворотка . Используются для ПЦР анализа вирусов гепатитов B, C, D, G, герпеса, ЦМВ, ВИЧ, исследования генов человека.

Как подготовиться к сдаче анализа?

Достоверность результата ПЦР напрямую зависит от правильности сдачи материала на обследование. Материал не должен быть загрязнен, иначе результат исследования не будет объективен. К наиболее важным рекомендациям перед сдачей анализа ПЦР относятся следующие требования:

Моча сдается утром в стерильный контейнер.
Анализ крови на инфекции необходимо сдавать на голодный желудок в утреннее время.
Не стоит проявлять половую активность за сутки до проведения анализа.

Результат анализа будет готов через 1,5-2 суток после проведения рассматриваемой процедуры. Встречаются такие ситуации, когда результат может быть подготовлен в тот же день.

Расшифровка анализа ПРЦ

Процесс интерпретации представленного исследования отличается своей простотой. Результаты пцр анализа можно получить через 1,5-2х суток после сдачи материала. В некоторых случаях результат готов в первый же день, и вот что они могут означать:

Отрицательный результат показывает, что в диагностируемом материале отсутствует искомый инфекционный возбудитель.
Пцр положительный обозначает, что в организме человека присутствует ДНК или РНК возбудителя.

В некоторых случаях производят количественное определение микроорганизмов. Это особенно актуально при заболеваниях, вызванных условно-патогенными микроорганизмами. Так как данные бактерии проявляют свое негативное воздействие лишь при избыточном количестве.

Также количественный анализ ПЦР важен для выбора терапевтической тактики и с целью контроля над лечением таких вирусных инфекций, как ВИЧ и вирусы гепатита.

Насколько точна ПЦР диагностика инфекций?

Метод ПЦР отличается высокой точностью, специфичностью и чувствительностью. Это означает, что данный анализ способен:

точно определить наличие или отсутствие инфекции;
точно указать, что именно это за инфекция (специфичность);
обнаружить инфекцию даже при очень низком содержании ДНК микробов в биологическом материале,
который был подвергнут исследованию (чувствительность).

ПЦР анализ: цена и сроки

Цена конкретного анализа будет зависеть от того, на какую инфекцию вы будете проверяться. Примерные цены и сроки:

ИППП: 300-500 руб, сроки – 1 день;
Вирус Эпштейна-Барра, вирус папилломы человека, герпеса, цитомегаловирус: 300-500 руб, сроки – 1 день;
Гепатит A, B, C, D, G: качественный анализ 650 руб, количественный анализ 2000 руб. Сроки – до 5 дней;
Антитела к вирусу гепатита С, суммарные (Anti-HCV) – 420 руб;
Антитела к вирусу гепатита C, IgM (Anti-HCV IgM) – 420 руб;
Хеликобактер пилори (Helicobacter pylori): 300-400 руб, сроки – 1 день;
ВИЧ (антитела и антигены) – 380 руб;
РНК ВИЧ, качественно – 3 500 руб;
РНК ВИЧ, количественно – 11 000 руб.

Чтобы сэкономить средства, можно выбирать фиксированный пакет анализов. Такую услугу предоставляет большинство клиник где можно сдать анализ методом ПРЦ (инвитро, онклиник и т.д).