CN113687060B - 基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测方法，所述方法包括用磁珠对待测生物靶标进行处理、富集和捕获，连接在所述磁珠上的待测生物靶标与中介配体结合，将连接所述中介配体的磁珠随机平铺并固定到平面基板上；在所述平面基板上进行所述液相‑固相原位发光反应；并且所述平面基板表面事先修饰与所述液相‑固相原位发光反应生成的发光分子结合的功能基团；和获得反应后所述平面基板的数字图片，然后采用虚拟分割方法，实现待测生物靶标的数字化定量检测。本发明整个方法所要求的检测系统大大简化，检测耗材和检测系统成本大大降低，大大拓宽了数字定量技术应用。基于本发明方法，可以实现可靠、灵敏、快速，并且价格低廉的数字化检测。

Description

基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测方法

技术领域

本发明涉及生物检测领域，具体涉及基于基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测方法。

背景技术

体外诊断技术(In Vitro Diagnosis，IVD)是在人体之外，通过对人体的样品(血液、体液、组织等)进行样品处理、生化反应以及结果检测，从而获得临床诊断信息的技术。体外诊断技术的检测对象是液体，常规检测体积1～100ml。液体中的生物、化学物质主要是核酸分子(DNA/RNA)，蛋白分子。体外诊断检测的主要人体样品是血液。由于正常人体生物、化学物质在血液中的浓度相对恒定，特定生物、化学物质的浓度变化，可以表征人体是否处于健康状态。体外诊断过程可以分为以下三个阶段。

(一)样品处理

人体样品，尤其是血液，含有多种生物、化学物质，例如DNA/蛋白靶分子。需要对样品进行处理，对待检测的靶分子进行富集、纯化，从而减少人体样品中其余物质对生化反应和结果检测的干扰。

(二)生化反应

体外诊断中，经过处理和捕获的靶分子一般浓度较低。需要经过配体放大反应，增大靶分子物质量或者表征靶分子的物质量。例如，常用的DNA靶分子配体放大反应是PCR反应，通过反应增大待测DNA分子的物质总量；常用的蛋白靶分子配体放大反应是ELISA(酶联促发反应)，通过反应生成大量化学发光分子用于表征蛋白靶分子，增大蛋白靶分子的检测信号。

(三)结果检测

常规生物、化学检测技术基于光学检测。经过配体放大反应后，较高浓度的核酸、蛋白光学标记物(例如荧光基团、化学发光物质)通过光学器件检测，例如光电倍增管(PMT)或者CCD/CMOS成像光学器件。

针对人体样品(尤其是血液)中痕量靶分子的可靠、灵敏、快速检测，是目前精准医学的重大需求。其中，数字化检测技术是目前的重点研发技术。数字化检测的核心过程是将待测样品均匀分配到大量的反应单元中，这些反应单元同时进行生化反应并进行结果检测。以针对核酸分子检测的数字PCR技术为例，策略是：将一个待测样品均匀分配到大量微小的反应单元中；然后，这些微小的反应单元同时进行PCR扩增反应，实现单拷贝或者多拷贝靶序列分子PCR扩增；扩增后，对每个反应单元检测到的荧光信号设定一个阈值，高于阈值时荧光信号的反应单元判读为1(“阳性”)，低于阈值时荧光信号的反应单元判读为0(“阴性”)。理论上讲，每个反应单元中靶序列分子(DNA模板)的分配存在三种可能性：零拷贝、一个拷贝或多个拷贝。当反应单元的数目足够大，大部分反应单元的内部只含有一个拷贝或者零拷贝靶序列分子(近似于泊松分布)，从而实现单拷贝靶序列分子PCR扩增。最后，通过统计阳性和阴性两种信号类型的反应单元比例和数目，并进行泊松统计学分析，最终计算出原始待测样本中的靶序列拷贝数。

以针对蛋白检测的数字ELISA技术为例，策略是：通过磁珠在样品中捕获待测蛋白靶分子。捕获到蛋白的磁珠被分配到与其尺寸接近的微坑阵列中，每个微坑只能容纳一个磁珠，每个微坑被氟化油单独隔离。然后，每个微坑进行ELISA反应。反应后，对每个反应单元检测到的发光信号设定一个阈值，高于阈值时发光信号的反应单元判读为1(“阳性”)，低于阈值时发光信号的反应单元判读为0(“阴性”)。理论上讲，每个磁珠捕获蛋白靶分子存在三种可能性：零分子、单分子或者多分子。当磁珠的数目足够大，大部分磁珠只捕获一个蛋白靶分子或者零蛋白靶分子；最终，大部分反应单元的内部只含有一个分子或者零分子，从而实现单分子光学信号放大。最后，通过统计阳性和阴性两种信号类型的反应单元比例和数目，并进行泊松统计学分析，最终计算出原始待测样本中的蛋白靶分子数目。

数字化检测的核心概念是：

(1)反应单元之间相互独立。每个反应单元内的生化反应不与其他反应单元的生化反应“串扰”。以针对核酸检测的数字PCR技术为例，两个反应单元内的PCR反应不能相互“串扰”；以针对蛋白检测的数字ELISA技术为例，两个反应单元内的ELISA反应不能相互“串扰”。

(2)反应单元空间尺寸均一，分布随机性。待测样品分布到每个反应单元的概率一样，为结果检测的精准分析奠定基础。

(3)反应单元数目远远高于待检测的DNA/蛋白靶分子。从而，低浓度靶分子进入反应单元符合泊松分布，为结果检测的数据分析奠定理论基础。

反应单元不相互独立、反应单元空间尺寸不均一以及反应单元数目过低，都会对下游的结果检测产生误差。

数字化检测技术的优点是：

(1)绝对定量。可以直接计算靶分子的绝对数目，无需依赖于对照标准样品和标准曲线就可以进行精确的绝对定量检测。

(2)灵敏度高。可在物理层面实现单分子级检测。对每个反应单元的反应结果判读仅判断有/无两种状态。高于阈值时荧光信号的反应单元判读为1(“阳性”)，低于阈值时荧光信号的反应单元判读为0(“阴性”)。

(3)准确度高。待测样品的反应体系分配过程可以极大降低与靶分子有竞争性作用的背景物质浓度，对生化反应抑制物的耐受能力也大大提高，因此数字化检测技术非常适合在复杂背景中检测痕量DNA/蛋白靶分子。

现有数字化检测技术的不足是：

(1)数字化检测技术相关的微流体芯片设计、加工要求高。现有数字化检测技术需要设计、加工微米量级高精密微流体芯片，对待测DNA/蛋白靶分子进行均匀物理分割。例如“油包水”数字PCR技术(伯乐、Raindance)，需要设计、加工几十～上百微米尺度的高精度微流道，并且利用油和水不相溶的特性，从而形成尺寸均一的独立反应单元(“微液滴”)。微坑式数字PCR芯片(赛默飞芯片)，需要在硅基上加工尺度是几十微米的均匀微坑阵列，微坑上层覆盖氟化油，对样品物理隔离，形成尺寸均一的独立反应单元(“微坑”)。微坑式数字ELISA芯片(Quanterix公司)，需要在聚合物表面加工几微米量级的高密度微坑阵列，单个磁珠被分配到微坑中，上层覆盖氟化油，实现样品物理隔离，形成尺寸均一的独立反应单元(“微坑”)。

(2)数字化检测技术对于检测器的要求高。物理分割后的单元经过生化反应(PCR、ELISA)，需要通过流式检测或者高清成像技术进行检测和分析。

目前体外诊断，急需可靠、灵敏、快速，并且价格低廉的数字化检测方法，实现数字化精准诊断，对疾病做到早诊、早治、早预防。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测方法，所述方法包括：步骤1：用磁珠对待测生物靶标进行处理、富集和捕获，所述磁珠表面修饰有与待测生物靶标特异连接的配体分子；步骤2：连接在所述磁珠上的待测生物靶标与中介配体结合，所述中介配体的作用是催化液相-固相原位发光反应；步骤3：将连接所述中介配体的磁珠随机平铺并固定到平面基板上；步骤4：在所述平面基板上进行所述液相-固相原位发光反应，该反应对待测生物靶标进行光学放大，在含有待测生物靶标的磁珠周边形成固相发光区域；并且所述平面基板表面事先修饰与所述液相-固相原位发光反应生成的发光分子结合的功能基团，使得反应生成的发光分子共价连接到所述平面基板表面上；和步骤5：获得反应后所述平面基板的数字图片，然后采用虚拟分割方法，实现所述待测生物靶标的数字化定量检测。

在一种实施方式中，所述生物靶标是DNA和/或蛋白质分子。

在一种实施方式中，所述磁珠是直径为微米级和纳米级别的磁珠，优选直径为10纳米-100微米的磁珠。

在一种实施方式中，所述步骤1包括：在所述磁珠表面修饰与待测生物靶标特异连接的配体分子；修饰后的磁珠捕获待测生物靶标；利用磁力对所述捕获待测生物靶标进行清洗和纯化；和将纯化后的待测生物靶标在液体中均匀分布。

在一种实施方式中，所述步骤2包括：将催化液相-固相原位发光反应的中介配体在液相中与待测生物靶标连接后，利用磁力对连接中介配体的磁珠进行清洗，清洗后的连接中介配体的磁珠浓缩富集在液相体系中。

在一种实施方式中，催化液相-固相原位发光反应的中介配体在液相中与待测生物靶标的数量之比为1:1-1:100000，优选地为1:10-1:10000；和更优选地为1:100-1:1000。

在一种实施方式中，在步骤3中随机平铺到所述基板上的磁珠通过磁力固定于所述基板上。

在一种实施方式中，所述中介配体是辣根过氧化物酶，和所述基板表面修饰能够与辣根过氧化物酶反应的基团，优选为芳香基团，更优选为甲苯基团；经过辣根过氧化物酶催化反应生成的发光分子与所述基板表面修饰的基团连接。

在一种实施方式中，步骤4反应期间，给所述基板施加磁力，保持磁珠固定；反应结束后，除去磁力，加入清洗液洗脱，所述基板上留下反应的发光分子。

在一种实施方式中，步骤5中所述虚拟分割方法包括：将所述数字图片均匀分割划分为多个均匀虚拟反应单元，每个虚拟反应单元包括每个磁珠周边形成的发光分子区域，划分后，单个磁珠周边形成的发光分子区域不能处于两个所述反应单元内；对“虚拟反应单元”检测到的发光信号设定一个阈值，高于阈值时发光信号的反应单元判读为阳性，低于阈值时发光信号的反应单元判读为阴性；和通过数字化分析确定待测生物靶标的绝对数量。

本发明的方法是生物数字检测领域的开拓性发明，本发明第一次提出了基于对于待测生物靶标的结果数字化图像进行虚拟分割，实现待测生物靶标的数字化定量检测。本发明的优点是：(1)对常规基片，通过“虚拟分割”技术对检测结果图像中待测靶分子进行均匀分割，实现高精密、高准确、低成本的数字化检测。避免采用现有数字化检测技术中复杂、高精度、高成本的微流控芯片设计。(2)采用常规显微图像检测技术，实现高通量、快速、低成本的数字化检测。避免使用现有数字化检测的专用检测器。

本发明整个方法所要求的检测系统大大简化，检测耗材和检测系统成本大大降低，大大拓宽了数字定量技术应用。基于本发明方法，可以实现可靠、灵敏、快速，并且价格低廉的数字化检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是基于虚拟分割方法的痕量DNA/蛋白数字化检测方法原理示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合下面结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例 基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测

基于虚拟分割方法的痕量DNA/蛋白数字化检测技术完整技术方案如图1所示，包括以下五个步骤：

(一)痕量样品处理与富集

在此步骤，利用微纳磁珠对人体的液体样品(血液、体液、组织等)进行处理、富集，捕获待测DNA/蛋白靶分子。首先，磁珠表面修饰有与待测DNA/蛋白靶分子相连接的特异配体(核酸、蛋白)。磁珠在样品管内(1～100ml)和待测生物、化学物质(核酸、蛋白)充分混合，捕获待测DNA/蛋白靶分子。然后，利用磁体，将捕获待测DNA/蛋白靶分子的磁珠吸附到管壁上，去除悬浮废液。接着，除去磁体，加入清洗液，洗脱磁珠表面非特性吸附的生物、化学物质(核酸、蛋白)；然后利用磁体，将捕获待测DNA/蛋白靶分子的磁珠吸附到管壁上，去除清洗废液。有必要的话，经过多次清洗，将捕获待测DNA/蛋白靶分子的磁珠浓缩富集、纯化在1～100μl液体体系中。

(二)中介配体连接

在此步骤，通过特异性配体反应，给捕获的待测DNA/蛋白靶分子连接中介配体。中介配体的作用是催化液相-固相原位发光反应，例如辣根过氧化物酶(Horseradishperoxidase，HRP)。利用磁体，将捕获待测DNA/蛋白靶分子的磁珠吸附到管壁上，去除悬浮废液。接着，除去磁体，加入中介配体反应液，将催化液相-固相原位发光反应的中介配体与待测DNA/蛋白靶分子连接。利用磁体，将连接中介配体的磁珠吸附到管壁上，去除悬浮废液。除去磁体，加入清洗液，洗脱磁珠表面非特性吸附的生物、化学物质(核酸、蛋白)。然后利用磁体，将连接中介配体的磁珠吸附到管壁上，去除清洗废液。有必要的话，经过多次清洗，将连接中介配体的磁珠浓缩富集在1～100μl液体体系中。

需要注意的是，磁珠的数量要远远高于待测的DNA/蛋白靶分子数量。例如，靶分子的数量范围为：1个分子～1万个分子，磁珠的数量大于5万。典型的最大靶分子和磁珠的比例为1：10。磁珠的数量越大，量化效果越好。其结果是：大部分磁珠表面捕捉到1个靶分子。

(三)随机分布：磁珠随机分布、固定到平面基板

在此步骤，将连接中介配体的磁珠随机平铺并固定到一个平面基板(例如载玻片)。然后滴加到一个平面基板(例如载玻片)。基板底部使用磁铁，将磁珠固定到平面基板，这时磁珠随机分布在基板表面。

(四)液相-固相原位发光反应

在此步骤，在平面基板上滴加液相-固相原位发光反应液。该反应生成的反光分子沉积到平面基板磁珠附近区域；平面基板表面事先修饰与发光反应分子结合的功能基团，使得反应生成的发光分子共价连接到平面基板表面。例如，平面基板表面事先修饰芳香基团(例如：甲苯基团)，经过HRP催化反应生成的发光分子与甲苯基团连接。反应期间，平面基板底板施加磁铁，保持磁珠固定。反应结束后，除去磁体，加入清洗液，洗脱磁珠，平面基板仅留下反应的发光分子。每个磁珠周边形成的固相发光分子区域在几个平方微米～几百平方微米。

(五)成像检测、虚拟分割、数字化分析

在此步骤，平面基板在常规荧光显微镜下成像，获得高清数字图片。之后，采用“虚拟分割”算法，实现数字化检测，检测灵敏度最高可以达到单分子级别。“虚拟分割”计算方法分为几个部分：

(1)设定单位“虚拟反应单元”的区域大小

高清数字图片由像素点构成，每个磁珠周边形成的固相发光分子区域在几个微米～几百微米，通过算法，将高清图片均匀分割为多个均匀“虚拟反应单元”，每个“虚拟反应单元”包括每个磁珠周边形成的发光分子区域。一旦固定，“虚拟反应单元”的数目确定。虚拟单元的像素面积，需要根据每个磁珠周边形成的发光分子区域。每个磁珠周边形成的发光分子区域面积小于虚拟单元的面积。例如，每个磁珠周边形成的发光分子区域面积100平方微米，虚拟单元的面积大于100平方微米。划分后，会出现两种情形：

a.如果两个磁珠周边形成的发光分子区域没有交集。“虚拟反应单元”划分时，每个磁珠周边形成的发光分子区域处于各自反应单元内。

b.如果两个磁珠周边形成的荧光发光区域有交集，就需要扩大反应单元分割面积，使得一个反应单元内可能容纳两个以上的发光分子区域。

这两种情形，都可以通过泊松分布进行数字化分析。

例如，一张图片的像素是1920x 1280。通过实验，每个磁珠周边形成的发光分子区域最大面积100平方微米。此时，对应的单个磁珠周边发光分子区域最大像素为4x 4，因此单个“虚拟反应单元”的像素数目是16。“虚拟反应单元”的总数N₀为15.36万。

(2)确定阳性信号阈值

对每个“虚拟反应单元”检测到的发光信号设定一个阈值，高于阈值时发光信号的反应单元判读为1(“阳性”)，低于阈值时发光信号的反应单元判读为0(“阴性”)。

(3)数字化分析–泊松分析

理论上讲，每个磁珠捕获DNA/蛋白靶分子存在三种可能性：零分子、单分子或者多分子。当磁珠的数目足够大，大部分磁珠只捕获一个分子或者零分子；最终，大部分“虚拟反应单元”的内部只含有一个分子或者零分子，最终只含有一个固相发光分子区域或者零个固相发光分子区域，从而实现单分子光学信号放大。即使单个“虚拟反应单元”含有两个以上固相发光分子区域，可以通过统计阳性和阴性两种信号类型的反应单元比例和数目，并进行泊松统计学分析，最终计算出原始待测样本中的DNA/蛋白靶分子数目。

例如：经过检测，阳性单元的数目M为5000，虚拟单元的总数N₀为15.36万，阳性分子的绝对数目由以下公式计算：

绝对分子数量为5083。

应该理解到披露的本发明不仅仅限于描述的特定的方法、方案和物质，因为这些均可变化。还应理解这里所用的术语仅仅是为了描述特定的实施方式方案的目的，而不是意欲限制本发明的范围，本发明的范围仅受限于所附的权利要求。

本领域的技术人员还将认识到，或者能够确认使用不超过常规实验，在本文中所述的本发明的具体的实施方案的许多等价物。这些等价物也包含在所附的权利要求中。

Claims (10)

1.基于虚拟分割方法的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：用磁珠对待测生物靶标进行处理、富集和捕获，所述磁珠表面修饰有与待测生物靶标特异连接的配体分子；

步骤2：连接在所述磁珠上的待测生物靶标与中介配体结合，所述中介配体的作用是催化液相-固相原位发光反应；所述步骤2包括：将催化液相-固相原位发光反应的中介配体在液相中与待测生物靶标连接后，利用磁力对连接中介配体的磁珠进行清洗，清洗后的连接中介配体的磁珠浓缩富集在液相体系中；

步骤3：将连接所述中介配体的磁珠随机平铺并固定到平面基板上；

步骤4：在所述平面基板上进行所述液相-固相原位发光反应，该反应对待测生物靶标进行光学放大，在含有待测生物靶标的磁珠周边形成固相发光区域；并且所述平面基板表面事先修饰与所述液相-固相原位发光反应生成的发光分子结合的功能基团，使得反应生成的发光分子共价连接到所述平面基板表面上，所述平面基板表面修饰甲苯基团；步骤4反应期间，给所述基板施加磁力，保持磁珠固定；反应结束后，除去磁力，加入清洗液洗脱，所述基板上留下反应的发光分子；和

步骤5：获得反应后所述平面基板的数字图片，然后采用虚拟分割方法，实现所述待测生物靶标的数字化定量检测；

步骤5中所述虚拟分割方法包括：将所述数字图片均匀分割划分为多个均匀虚拟反应单元，每个虚拟反应单元包括每个磁珠周边形成的发光分子区域，划分后，单个磁珠周边形成的发光分子区域不能处于两个所述反应单元内；对 “虚拟反应单元”检测到的发光信号设定一个阈值，高于阈值时发光信号的反应单元判读为阳性，低于阈值时发光信号的反应单元判读为阴性；和通过数字化分析确定待测生物靶标的绝对数量。

2.根据权利要求1所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，所述生物靶标是DNA和/或蛋白质分子。

3.根据权利要求1所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，所述磁珠是直径为微米级和纳米级别的磁珠。

4.根据权利要求3所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，所述磁珠是直径为为10纳米-100微米的磁珠。

5.根据权利要求1所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，所述步骤1包括：在所述磁珠表面修饰与待测生物靶标特异连接的配体分子；修饰后的磁珠捕获待测生物靶标；利用磁力对所述捕获待测生物靶标进行清洗和纯化；然后将纯化后的待测生物靶标在液体中均匀分布。

6.根据权利要求1所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，催化液相-固相原位发光反应的中介配体在液相中与待测生物靶标的数量之比为1:1-1:100000。

7.根据权利要求6所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，催化液相-固相原位发光反应的中介配体在液相中与待测生物靶标的数量之比为1:10-1:10000。

8.根据权利要求7所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，催化液相-固相原位发光反应的中介配体在液相中与待测生物靶标的数量之比为1:100-1:1000。

9.根据权利要求1所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，在步骤3中随机平铺到所述基板上的磁珠通过磁力固定于所述基板上。

10.根据权利要求1所述的生物靶标数字化定量检测方法，其特征在于，所述中介配体是辣根过氧化物酶，经过辣根过氧化物酶催化反应生成的发光分子与所述基板表面修饰的基团连接。

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