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分子诊断工具介绍

2016-01-19365必发娱乐:检验视界网 阅读: 【字号:
导读: 分子诊断被广泛用于血液和感染性疾病中,并在少数情况下被用于基因筛查。目前分子诊断的应用包括利用病毒量监测来评价抗病毒药物治疗的效果、性传播疾病的诊断以及基因分型。
因分子技术具有内在准确性、敏感性、特异性和周转迅速的特点,带来了分子诊断行业的快速发展。此外,因为分子诊断技术具有准确性、敏感性和特异性,实验室人员能够从很小量的样本中就可获得有效的结果。这对法医检测领域来说是非常有用的,但同时该技术也可以检测到目标物质的极低浓度,从而使临床医生在极早期阶段就能检测到疾病。

产生的结果是,越来越多的公司致力于为特异性基因序列开发分子检测,并希望将他们出售给诊断实验室,但这些开发者可能不了解支持实验室从样本到结果所需要的完整工作流程的附加工具的需要。本文展示了完成分子诊断检测和像PCR那样即将对分子诊断产生变革性影响潜能的一些工具所必须的技术类型。这么多年来,多数分子诊断实验室的核心技术都集中在检测DNA或RNA特异性、相对较短部分的方法上,其中这些检测方法能够对感染性疾病做出诊断,鉴定出对药物机制产生影响的特异性基因变体或检测出与癌症等疾病有关的基因。

该类似检测的核心部分是扩增技术,如实时定量多聚酶链反应(PCR)、转录调节扩增、靶向扩增和信号扩增。Sanger测序和DNA片段分析或采用毛细管电泳法的定量扩增等也是分子诊断实验室的核心技术,而且这些方法的程序中也包括一个扩增步骤。为了能利用DNA和RNA来诊断疾病的检测,分子诊断实验室必须运行可得出稳定、有效结果定义明确的工作流程,并拥有一些可使工作流程步骤合理化的特异性工具。基本的工作流程如下:

1 . 样本采集和制备:从样本中提取出用于检测的基因材料;

2.扩增:基因材料被分离出来后,立即将其扩增到一个能被检测到的大小,从而进行诊断;

3.检测:一旦产生足够的靶向材料,光型传感器就能读取与检测的靶向材料有关的信号。信号必须是单一的或是多样的,以便在一次反应中检测出多种靶向物质(如多样检测);

4.数据分析:对检测阶段产生的信号示值读数进行分析。将这些数值转换为实验室人员随时可解释的信息,从而最终为临床人员提供诊断结果。

样本制备

包括样本提取在内的样本制备是所有分子检测中的第一个步骤。样本制备要分离出关心的核酸(DNA或RNA),并排除患者样本中所有干扰随后过程的潜在抑制因素。该过程还包括对核酸的浓缩,并提高检测到极低浓度目标的能力。

患者样本的类型很大程度上影响样本的制备方法。常见的分子实验室检测样本类型包括全血、血清、血浆、尿液、粪便、痰、棉签、新鲜冷冻组织和福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织。根据检测的患者样本类型不同,需要采用不同的样本制备方法在不破坏基因物质的情况下成功提取核酸。

对患者样本类型和核酸来源采用不同的提取试剂盒。例如,如果核酸来自于细菌而不是病毒,那应该采用不同的提取方法,原因是提取细菌DNA和提取病毒DNA的化学过程是不同的,而且可能获取最佳样本的步骤可能存在不同之处。样本提取试剂盒甚至可以是DNA和RNA特异性的试剂盒,从而提高某一特殊核酸类型的提取效率。虽然还有一些分子诊断实验室仍然再使用人工样本制备方法,但大部分实验室采用的都是半自动化或全自动样本制备仪器。自动化通过消除与人工方法相关的操作者特异可变性帮助实验室获得更加一致的检测结果,而且还降低了人工操作的时间。这些特点可以获得更大的生产力并增加实验室输出量。

分子诊断实验室关注的一个重要领域是程序的流程化和高级质量控制(QC)的保证。正确的QC方法对保证准确的检测结果和传递有质量的患者护理是很重要的。仪器的质量控制是从有技术性的样本提取步骤开始的,确保提取过程正确运转。已存在的商业可得产品的作用是帮助实验室保证结果的可靠性。能说明这一点的例子有,模拟必须的患者样本所需步骤并遵循相同工作流程获得最准确检测结果的提取控制。

在定量检测中,当某一重要的结果是基因序列复制数量累加得到的时,用于校准检测的标准同样要因以下原因而通过提取是很关键的:提取通常会导至一些DNA或RNA的丢失。虽然这种丢失可能是很小的,但PCR的指数式扩增会使得提取中的少量丢失造成复制数量结果的明显改变。采用通过提取步骤的标准将会保证将因丢失而导至的

样本丢失计算到结果中,那样患者的样本检测结果将会更加准确。

扩增和检测平台、检测

样本提取之后,伴随检测后的目标扩增是分子诊断工作流程中的下一个步骤。类似TMA的扩增方法是等温的且不需要温度周期变化。PCR需要多种加热和冷却循环来为分子复制提供核酸模板。这一步骤中需要的工具包括检测试剂和进行基因材料酶型扩增的仪器。

检测试剂可能含有包括核苷酸在内的一系列材料,酶扩增DNA所必须的引物,检测特异核酸序列的探针,为反应、缓冲液和更多物质提供能量的酶。

热循环周期扩增发生在热循环器中,而且根据技术的不同,可能会在扩增后进行检测(如使用单核苷酸扩展的检测)。在实时PCR、短串联重复序列(STR)或微卫星标记检测情况中,检测能够跟扩增同时进行。例如,在疾病控制中心的rRT-PCR流感控制板中应用的生物系统7500快速实时PCR仪器上,扩增步骤中,随着反应的进行,会产生一个靶向特异性探针的信号检测监测器。采用类似STR分析的片段扩增检测中,扩增步骤采用了荧光染色标记的引物,使得扩增后毛细电泳法能够很容易地进行检测和片段计算。

大多数扩增和检测仪器都能够在不同波长下对多种信号进行检测。例如,上述提到的实时PCR仪器能够一次性检测到的颜色刺激物多达5种。有了这些性能,很多分子诊断实验室都在进行多样检测。这些多样工具能够对一个试管中同一样本的多种目标物质进行扩增和检测。他们还能在同一时间内检测出不同试管中的几种不同目标物质。多样检测中每个反应的费用能显著低于仅仅检测单一一种目标物质的多样检测,因此能够获得分子诊断实验室的青睐。

对富有经验的分子诊断实验室来说,自制(实验室开发)检测可能看起来是开发诊断检测的一个比较便宜的选择。但是,这样做会需要额外的时间、金钱和人力来建立验证所需要的检测参数,如敏感性、特异性、线性、精确性和准确性。这项工作花费的时间能达数月,而实验室工作人员通常通过从厂家购买一个FDA认证或批准的诊断检测并在之后让该检测上线的方式来节省金钱和时间。无论实验室选择一个自产检测还是FDA认证或批准的检测,独立的质量控制材料在这一过程中是极其重要的。之前已经检测过的患者样本可被用于进行一些特征性实验,但一般来说,患者样本的可获得性是非常有限的。通过采用厂家(能按照ISO17511规定生产一致性和可溯源的质控材料)的标准品和质控品,不仅能帮助实验室建立自己的检测还能保证检测按照预期时间进行,并根据不同的分子诊断实验室标准化报告结果。这些标准品和质控品是510(k)认证的,且能为实验室主任提供额外的置信和质量水平。

软件工具

跟随扩增和检测,在丢弃扩增产品后,技师就只剩下数据需要处理了。扩增和检测仪器有特异性到的软件程序来连接仪器中的检测器,并收集实时仪器情况下热循环过程中的数据或终端PCR和序列或采用毛细电泳法的DNA片段分析应用完成后的数据。技师报告结果之前必须审查被分析过的数据,可完成的数据操作数量取决于仪器、分析软件和应用程序。有些仪器只简单地报告数值,而其他的会有一些类似基线标示扩增曲线的调整。对于实验室开发的检测来说,大多数数据可输出到电子制表程序进行分析。分析过程可能包括核查检测过程符合有效准则、排除异常值并决定用来解释结果的数值,如平均值和对数值。

最后,分子诊断实验室将根据检测类型,向患者报告一个定性或定量结果。

其他像EDCnet之类的软件工具能让实验室分享上传数据并分享相同检测已知参考材料的分子诊断结果,然后将他们的检测结果与其他实验室从相同材料中观察到的检测结果进行比较(称为同龄群体比较)。该特征将质量检测结果传递给临床工作人员中增加了实验室质量控制的另一个层次。

总的解决方案

分子实验室中的扩增型诊断将会继续是疾病诊断和药物遗传学研究的一个主要依靠,但更多的实验室正寄希望于采用单一仪器完成从样本输入到结果输出整个过程的总的解决方案。将样本制备、检测设置、扩增和检测、数据分析和结果报告集合于一个全自动仪器中是诊断供应商长时间一直要面临的一个挑战。有些生产厂家已经成功实现了这些。例如,Cepheid的GeneXpert系统和Gen-Probe的Tigris系统已经将提取、扩增和检测集成到一个单一平台上。其他厂家虽然也已联合了类似样本制备和检测设置等的一些步骤,但扩增和检测步骤仍需要用单独的仪器进行。生产厂家越接近总的解决方案,系统为分子诊断实验室提供的价值定位也就越高。

未来的分子工具

分子诊断被广泛用于血液和感染性疾病中,并在少数情况下被用于基因筛查。目前分子诊断的应用包括利用病毒量监测来评价抗病毒药物治疗的效果、性传播疾病的诊断以及基因分型。

虽然基因筛查只是分子诊断中一个比较小的领域,但其在肿瘤、基因表达分析、个性化诊断和药物基因检测学领域中的应用迅速增长。这些趋势是个性化患者护理医疗方法的一部分,该领域的技术工具正集合于诊断范围内。

利用基因变异的预后评估来测定患者对疾病情况的敏感性仍是诊断专家感兴趣的问题。处于某种遗传性疾病风险或从癌症治疗中恢复但无症状的患者可能需要经过基因筛查来主动控制情况发展。随着临床应用基因标志物来预测哪些患者可能会对药物(分别是Herceptin, Erbitux,和Vectibix)治疗出现反应,FDA已经要求在药物标签、指导临床医生让患者接受分子检测来指导治疗决策方面做出改变。其中临床应用的基因标志物有人表皮生长因子受体2(Her2)、上皮生长因子受体(EGFR)和V-Ki-ras2 Kirsten ras肉瘤病毒致癌基因同系物(KRAS)。来自生命科学领域的技术现在已为临床工作者提供了大量丰富的数据和信息,将很快成为诊断方法中的主要部分。例如,转移基因组学研究所和美国肿瘤学协会进行临床研究的目标是找到一个利用DNA序列数据在三倍体阴性乳腺癌患者中指导癌症治疗决策。当这些技术被证明安全后,将对医疗保健和实验室给临床医生提供的检测结果产生深刻的影响。

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