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
У каждого живого существа, по крайней мере, на нашей планете, есть уникальный «отпечаток» — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которая отвечает за передачу наследственных факторов от предков к потомкам. Структурно эта молекула представляет собой две нити из молекул-азотитых оснований, удерживаемые рядом друг с другом химическими связями и скрученные в спираль (считается, что для компактности). Из курса биологии вы можете помнить такие названия, как аденин (А), гуанин (Г), тимидин (Т) и цитозин (ц). Это 4 нуклеотида, которые и создают последовательность ДНК. Вирусы хранят свою генетическую информацию в другой нуклеиновой кислоте – РНК. Информация об уже изученных ДНК и РНК хранится в научных базах лабораторий. После того, как был изобретен метод ПЦР
, для многих возбудителей различных заболеваний (бактерии, грибки и вирусы) были созданы свои специфические генетические детекторы (праймеры) — уникальные последовательности нуклеотидов, характерных только для конкретного возбудителя. И если поместить их в пробирку с исследуемым материалом, при наличии в нем ДНК или РНК «живых» возбудителей, праймеры запускают реакцию репликации – создания огромного числа копий, которое можно идентифицировать визуально. Т.е. они начинают копировать свою ДНК/РНК десятки раз. И при подсчете результатов сотрудники лаборатории могут понять, есть ли искомые бактерии и вирусы в исследуемом образце, или нет, именно поэтому результаты ПЦР чаще всего качественные, т.е. «обнаружено» или «не обнаружено».
Особенности теста ПЦР на новый коронавирус
Вирус SARS-CoV-2, как все респираторные агенты, проникает внутрь через слизистые оболочки носа, глаз или рта. В клетках он закрепляется, цепляясь специфическими шипами к рецепторам на их мембранах. Наиболее уязвимы для поражения ткани системы дыхания, мочевыделения, пищеварения, ЦНС, сердца. Их поверхность содержит рецепторы АПФ2 и ACE2, к которым тропны белки коронавируса.
В первые дни после заражения SARS-CoV-2 активно размножается в эпителии носоглотки. Инфекция содержится в отделяемом слизистом секрете и слюне. Носители, не подозревая об этом, распространяют ее при чихании, кашле, глубоком дыхании. Даже не имея симптомов такие люди опасны для окружающих. Выраженный COVID в большинстве случаев не отличается от обычных ОРВИ, специфических проявлений у него нет. Определить, заражен ли человек новым патогеном, способна только ПЦР.
В крови и лимфе коронавирусы не циркулируют. Пробы на анализ берут со слизистых оболочек носоглотки. Опыт медиков показал, что у людей с бессимптомным и манифестным течением болезни точностью исследования — около 80%, довольно велика вероятность ложноотрицательных результатов. На эпителии возбудитель долго не задерживается, подвергаясь иммунным атакам. По этой причине рационально повторять обследование несколько раз. А при длительном невыявлении вируса у людей с подозрением на COVID следует сдавать кровь на антитела к инфекции методом ИФА.
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.
Керри допустил возможность того, чтобы взять молекулу ДНК какого-либо организма, с помощью высокой температуры «распустить» ее спираль на две нити, специфическими маркерами-праймеры пометить уникальные для этого микроорганизма участки ДНК и затем, применив фермент ДНК-полимеразу, создать из двух нитей две новые молекулы ДНК. Но уже содержащие в себе меченные праймеры. И потом останется просто искать эти участки в диагностическом материале.
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.
Кому нужна диагностика
Поскольку ПЦР позволяет выявить даже мигрирующие из поколения в поколение наследственные заболевания в их скрытой фазе, провести такое исследование наверно будет полезно каждому. Конечно, не всем такие знания кажутся насущными и необходимыми здесь и сейчас, Но, думается, что по мере развития цивилизации будут расти и успехи медицины и генетики. А новые открытия позволят далеко продвинуться в достижении долголетия и здоровья. К тому момент, тест на наследственность вполне может стать обыденным и обязательным для всех анализом.
Пока же этого не случилось, чаще всего тест необходим в таких случаях:
- При возникновении подозрений о получение заболевания половым путем, или через укол, попадание зараженной крови на слизистые или открытые раны (достаточно небольшого пореза), нападение диких и одичавших животных, случайная травма об окружающие предметы, например, наступить в поле на старый гвоздь.
- Для уточнения диагноза, сделанного иными средствами, особенно в случаях, когда лечение даёт не специфическую реакцию организма.
- Для установления родственных связей для заявления прав на наследство, или в алиментной тяжбе.
- Для идентификации личности человека.
Остальные тестирование больше относятся к сферам индивидуальных интересов. Кому интересно узнать, что показывает расшифровка всех народностей в его роду. Кто-то пытается планировать будущего ребенка и тестируется на совместимость. Кто-то решил заменить ДНК-тестом диетолога, и получить индивидуальные инструкции, советы по правильному питанию.
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
Или синтез. После завершения процесса отжига, в реакционной смеси создают условия для активности полимеразы. Фермент, ориентируясь на молекулы праймеров (а не исходных нуклеиновых кислот), начинает синтез новых ниток ДНК/РНК. Которые становятся копиями исходных, искомых молекул нуклеиновых кислот. Такой температурный цикл проводится 30 и более раз. В результате, даже при изначально небольшом количестве искомого генетического материала, в реакционной смеси накапливается значительное число «помеченных» праймерами нуклеиновых кислот (растет экспоненциально, с удвоением при каждом цикле).Обнаружить большие количества ДНК/РНК намного проще, за счет чего реализуется еще одно преимущество ПЦР – высочайшая чувствительность.
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.
Электрофорез и гибридизация подходят только для качественной оценки, то есть дают ответ на вопрос, есть ли в образце искомый материал. ПЦР в реальном времени – единственный доступный метод количественной оценки. Если мишеней для праймеров в образце не окажется, то температурные циклы пройдут в холостую и при детекции будет получен отрицательный результат.
Тест на антитела к COVID-19
При вторжении в организм патогенного агента иммунная система начинает вырабатывать специфические белки-иммуноглобулины (Ig), способные запомнить и нейтрализовать этот микроорганизм. Таким образом, повторная встреча с данным возбудителем будет неопасна. Организм быстро его инактивирует.
При проведении диагностики COVID-19 важными являются два типа антител IgM и IgG. IgM обнаруживаются в анализе на 7-10 день после инфицирования (с 5-го дня появления клинических признаков заболевания) и остаются в организме до двух месяцев. Поскольку иммуноглобулины начинают вырабатываться не с первого дня инфицирования, то и тест на антитела сначала может быть отрицательным, ведь исследование может проводиться в период, когда организм еще не успел сформировать иммунный ответ. Логично обнаружить IgM в разгар заболевания и сразу после регресса симптоматики.
IgG вырабатываются позже, примерно с 21-28 дня от момента заражения, и сохраняются в организме более продолжительное время, в течение нескольких месяцев или лет. Следовательно, обнаружить их удастся только на стадии выздоровления или в более поздние сроки. По наличию и уровню IgG в крови можно судить, как о факте перенесенной инфекции в прошлом, так и определить наличие специфического иммунитета к данному возбудителю.
Какой способ диагностики лучше?
Учитывая, чем отличается ПЦР от антител на КОВИД, разницу в данных исследованиях, нельзя однозначно определить, какой способ диагностики является предпочтительным. При наличии контакта с заболевшим человеком или инфицированным, а также в случае наличия симптомов, укладывающихся в картину коронавируса, рекомендуется ПЦР-диагностика. Она занимает больше времени, но позволит получить достаточно достоверные данные о наличии инфекционного возбудителя в организме.
Если же требуется уточнить, переболели ли Вы уже COVID-19, рекомендована ИФА-диагностика для определения уровня антител. Анализ окажется информативным, если заболевание проходило даже в бессимптомной форме.
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.).
Ход реакции
Один цикл реакции протекает в три стадии:
- Стадия нагревания. Спираль ДНК в пробе нагревается на период от половины до двух минут на 94-96 градусов. Под воздействием высоких температур цепи ДНК распадаются на отдельные фрагменты
- На второй стадии, как бы вылавливаются необходимые фрагменты с помощью праймеров и сплавляются. Эта стадия проходит при температуре немного ниже, на 4-5 градусов и называется «отжигом». Продолжительность стадии так же варьируется от половины до двух минут.
- Добавляется специальный фермент для запуска самовоспроизводства (синтеза) «пойманного» участка генов – ДНК-полимераза. И этот фермент запускает реакцию удваивания фрагмента, используя стартовый фрагмент, как матрицу для синтезирования копии. Протекает реакция при 72 градусов от 10 до 12 минут.
Обычно одно исследование составляет от 20 до 35 подобных циклов.
