Суть метода ПЦР

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

ПЦР-тесты используются для:
  • 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-анализ широко используется для определения возбудителей респираторных инфекций, в том числе для диагностики коронавирусной инфекции SARS-CoV-2.

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

Исследование на ПЦР не требует сложной и специальной подготовки.
  • 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

Метод полимеразно-цепной реакции постоянно развивается.
  1. Самым распространенным на сегодня является тест в реальном времени, с помощью которого можно определить исходное количество копий ДНК (РНК).
  2. ПЦР с обратной транскрипцией используется для “перевода” РНК в ДНК.
  3. ПЦР с вложенной парой праймеров (гнездовая) проводится в две стадии для снижения вероятности амплификации неспецифичных участков ДНК.
  4. Инвертированная ПЦР используется в случае, когда нужно выяснить природу неизвестных участков ДНК, окружающих известный.
Это только часть методов ПЦР, количество которых постоянно пополняется новыми технологичными вариантами.

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.

Список источников

  1. Mousa G. Ghannam; Matthew Varacallo. Biochemistry, Polymerase Chain Reaction. StatPearls Publishing, 2021.
  2. Sarah Maddocks, Rowena Jenkins. Understanding PCR. A Practical Bench-Top Guide, 1st edition, 2016.
  3. https://medlineplus.gov/
  4. https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/covid-19-diagnostic-test/about/pac-20488900
  5. https://www.emedicinehealth.com/pcr_polymerase_chain_reaction_test/article_em.htm
  6. Ребриков Д., Саматов Г., Трофимов Д. ПЦР в реальном времени. — М.: Лаборатория знаний, 2021.
  7. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. — М.: Мир, 2002.