TWI704230B - 數字定量pcr的核酸樣品測量方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種數字定量PCR（digital and quantitative PCR，dqPCR）的核酸樣品測量方法，包括以下步驟。提供具有多個反應孔的測試載具，以對核酸樣品進行數字定量PCR。特別是針對具有多個濃度範圍差異較廣的核酸標靶之待測核酸樣品，可以同時以數字PCR及定量PCR量測，以定量核酸標靶的拷貝數。

Description

數字定量PCR的核酸樣品測量方法
本發明是有關於一種數字定量PCR的核酸樣品測量方法，且特別是有關於一種適於具有多個濃度範圍差異較廣的核酸標靶之待測核酸樣品的測量方法。
現有數字PCR（digital PCR）的優點是實驗檢測時不需要做檢量線，即可直接測得樣品濃度，但在實際應用上存在使用不便的缺點，原因在於，數字PCR主要利用卜瓦松分布（Poisson Distribution）來估算樣品濃度，樣品不可過濃而使全部的檢測反應孔（well）都有陽性反應。亦即，若欲順利透過數字PCR量測樣品濃度，則必須使樣品濃度低至某一程度，不可讓全部的檢測反應孔都分配到樣品。如此一來，當面對未知濃度的樣品時，需要先利用其他方式初步定量及稀釋，使樣品濃度落入數字PCR適用的濃度區間，才能夠順利的藉由數字PCR量測樣品濃度，因此，偵測動態範圍（dynamic range）以及操作方便性皆會受限。
一般而言，待測的核酸樣品中，核酸標靶可能具有相距甚廣的濃度範圍，此現象在臨床樣品中尤其常見，其中若同時存在濃度較高及濃度較低的核酸標靶且以數字PCR量測時，則需針對核酸樣品進行稀釋，使濃度較高的核酸標靶落入數字PCR適用的濃度區間，方可透過數字PCR量測濃度較高的核酸標靶。然而，在稀釋核酸樣品的同時，雖使濃度較高的核酸標靶落入數字PCR適用的濃度區間，但也使濃度較低的核酸標靶過度稀釋，而無法被偵測到，導致敏感度降低的問題。此情況在液態切片(liquid biopsy)樣品之基因突變(gene mutation)檢測常會出現，例如濃度較高的原生型（wild-type）基因及濃度較低的突變型（mutation）基因同時存在待測核酸樣品中，即會影響檢測的敏感度。
市面上目前多以增加檢測反應孔數或droplet的方式，讓高濃度核酸標靶分配後還可以有足夠的陰性反應孔數目，以滿足數字PCR的適用條件，測得待測樣品的拷貝數。但增加檢測反應孔會增加平台技術的困難度並增高檢測成本及時間。
基於上述，能使數字PCR在檢測濃度較高的核酸標靶時，可不需要增加反應孔數目及稀釋樣品的情況下也能順利地偵測樣品濃度，以改善動態範圍以及操作方便性，為目前所需研究的重要課題。
本發明提供一種核酸樣品測量方法，同時進行即時定量聚合酶鏈式反應（qPCR）以及數字PCR的特性，可一次性偵測同時存在的高濃度及低濃度核酸標靶，以拓展檢測的動態範圍，此方法稱為數字定量PCR，具有數字PCR與定量PCR雙功能。
本發明的核酸樣品測量方法，包括以下步驟。提供具有多個反應孔的測試載具，以對核酸樣品進行數字定量PCR。其中低濃度核酸標靶以數字PCR的功能直接定量拷貝數，另外的高濃度核酸標靶以qPCR的功能檢測其Cq值後，進行調整步驟，以得到高濃度核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數。
在本發明的一實施例中，藉由qPCR反應曲線得到PCR效率，之後進行調整步驟包括：將PCR效率加上1，作為底數。將低濃度核酸標靶的qPCR Cq值減去高濃度核酸標靶之Cq值，得到ΔCq作為指數。之後，將底數與指數進行乘方運算，即得到每個反應孔之核酸標靶的拷貝數。再乘以數字PCR中的反應孔總數，以取得高濃度核酸標靶的總拷貝數。
在本發明的一實施例中，核酸樣品含有多於一種的所述核酸標靶，且多種所述核酸標靶具有不同的濃度範圍。
在本發明的一實施例中，使用64個以上的反應孔數目進行數字定量PCR反應。
在本發明的一實施例中，使用64個至20000個反應孔數目進行數字定量PCR反應。
在本發明的一實施例中，經調整步驟後，動態範圍提高至9 logs。
在本發明的一實施例中，採用具2500個實驗反應孔的檢測載具，當核酸標靶為高濃度時(指全部的2500個實驗反應孔針對核酸標靶都有陽性反應)，也就是核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數為大於10000。
在本發明的一實施例中，當核酸標靶為低濃度時(指非全部的實驗反應孔針對所述核酸標靶都有陽性反應時)，可直接測得所述核酸標靶在所述核酸樣品中的拷貝數。
在本發明的一實施例中，採用具2500個實驗反應孔的檢測載具，並非全部的2500個所述實驗反應孔針對所述核酸標靶都有陽性反應時，所述核酸標靶在所述核酸樣品中的拷貝數為10000以下。
基於上述，本發明提供一種核酸樣品測量方法(稱為數字定量PCR)，其中低濃度核酸標靶以數字PCR的功能直接定量拷貝數，另外的高濃度核酸標靶以qPCR的功能檢測其Cq值後，進行調整步驟，以得到高濃度核酸標靶的拷貝數。如此一來，能夠使高濃度核酸標靶檢測時，在不需要稀釋樣品的情況下也能順利地偵測樣品濃度，可有效地改善檢測動態範圍以及操作方便性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明提供一種核酸樣品測量方法。下文中，先針對說明書內文所使用的名詞加以定義說明。
｢qPCR」或｢即時定量聚合酶鏈鎖反應」（real-time quantitative PCR）是指使用PCR以擴增並同時定量目標DNA的實驗方法。利用多種測定化學物質來進行定量(包括諸如SYBR® green的螢光染料或Taqman探針的螢光報告寡核苷酸探針等)，隨著每次擴增循環之後反應中積累的擴增DNA來對其進行即時定量。
｢數字PCR（digital PCR）」是一種核酸分子絕對定量技術。相較於qPCR，數字PCR能夠直接測量出核酸分子的拷貝數目。通過將一個樣品分成幾十到幾萬份，分配到不同的反應孔中，在每個反應孔中分別對核酸標靶進行PCR擴增，擴增結束後，對各個反應孔的螢光信號進行分析。
｢Cq值」為qPCR操作流程中，開始顯著地增加螢光強度時的擴增循環數目。
｢PCR效率」指的是每經過一次PCR循環後核酸的增加量，通常好的設計會讓效率在90%~110%之間，也就是每增加一個PCR循環後，核酸可增量90%~110%，本方法引用文獻中利用螢光亮度增加量的方式來測量PCR效率(Biochem Biophys Res Commun. 2002 Jun 7;294(2):347-53)，PCR效率等於(RCq -RCq-1 )/ RCq-1 ，其中RCq 是在Cq這個循環的螢光亮度，RCq-1 是在Cq-1這個循環的螢光亮度，並且RCq 與RCq-1 都要先扣除螢光背景值。
「樣品」是指被測試的核酸樣品。例如，樣品可以是從血液、組織、唾液等來源中提取的核酸片段（包括DNA或RNA等）。模板(template)是指有具體序列的DNA或RNA或微RNA鏈，也被稱為生物標記並且可以經由qPCR反應來檢測。
｢具有多個反應孔的測試載具」是指具有多個反應孔的載片板，其中每個反應孔用來進行dqPCR反應。
｢動態範圍」通常指的是線性動態範圍，指的是一個區間的濃度範圍，在這個區間的範圍內，對已知的樣品濃度(例如已知的序列稀釋倍率)與其量測到的樣品濃度呈現可接受的線性 (Huggett, Jim F., et al. "Guidelines for minimum information for publication of quantitative digital PCR experiments.")。動態範圍的單位通常以logs來表示。
本發明提供一種用於核酸樣品的測量方法，先提供具有多個反應孔的測試載具，以對核酸樣品進行數字定量PCR，核酸樣品可含有一種以上的核酸標靶。當核酸樣品含有多於一種的核酸標靶時，各核酸標靶的濃度範圍可能不同，甚至差異甚大。將測試載具中的反應孔個別地分配，以一次性地測量具有多樣濃度範圍的不同類型的核酸模板。在本實施例中，例如是使用64個以上的反應孔數目進行數字定量PCR反應，較佳例如是使用64個至20000個反應孔數目進行數字定量PCR反應。
當全部的反應孔針對核酸標靶都有陽性反應時，代表此核酸標靶的濃度較高，核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數例如是大於10000。在現有數字PCR中，針對濃度較高的核酸標靶，需要先進行稀釋，使樣品濃度落入數字PCR適用的濃度區間，才能夠順利的藉由數字PCR量測樣品濃度。然而，本發明則是在全部的反應孔針對核酸標靶都有陽性反應時，進行調整步驟，以得到濃度較高的核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數。如此一來，在不需要稀釋樣品的情況下也能順利地偵測樣品濃度。
本發明藉由qPCR反應曲線得到PCR效率，之後進行調整步驟包括：將PCR效率加上1，作為底數。將低濃度核酸標靶的qPCR Cq值減去高濃度核酸標靶之Cq值，得到ΔCq作為指數。之後，將底數與指數進行乘方運算，即得到每個反應孔之核酸標靶的拷貝數。再乘以數字PCR中的反應孔總數，以取得經調整的高濃度核酸標靶總拷貝數。
並非全部的實驗反應孔針對所述核酸標靶都有陽性反應時，代表此核酸標靶的濃度較低，核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數例如是10000以下，拷貝數的具體範圍例如是1至10000。透過本發明的核酸樣品測量方法，可直接以定量PCR測得核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數。
本發明的核酸樣品測量方法，可結合即時定量聚合酶鏈式反應（qPCR）以及數字PCR的特性，數字PCR的動態範圍為3 logs，qPCR的動態範圍為6 logs，本發明的核酸樣品測量方法透過dqPCR技術可將動態範圍提高至9 logs。
為了量度一個檢測的動態範圍，文獻中(Huggett, Jim F., et al. "Guidelines for minimum information for publication of quantitative digital PCR experiments.")常使用的方式是準備一待測樣品，然後將此樣品多次的連續序列稀釋，例如連續5次10倍的序列稀釋，可得到總共6個序列稀釋的樣品(100000X, 10000X, 1000X, 100X, 10X, 1X)，然後檢測這6個序列稀釋的樣品可得到其檢測濃度，之後再計算這6個己知稀釋倍率的樣品與其各自的檢測濃度之間的線性程度，若該線性程度達到相關係數R2 大於0.98，則代表此檢測可達到6 logs動態範圍。
圖1、圖2以及表1是依照本發明的實施例的一種核酸樣品測量方法所得的檢測結果，以示意本發明如何同時進行數字PCR與定量PCR雙功能，達到9 logs的動態範圍 (己知序列稀釋濃度與dqPCR測得的檢測濃度(拷貝數)之相關係數R2 為0.99以上)，並以調整步驟將高濃度核酸標靶的qPCR Cq值調整為高濃度核酸標靶的拷貝數。
在表1中由上而下所列為源自於同一樣品的連續10倍稀釋樣品，其中最上方的5個稀釋倍率為100,000,000X~10,000X，PCR反應後所有反應孔皆呈現陽性，無法透過數字PCR直接量測；後4個稀釋倍率反應後皆有部份陰性孔，可以數字PCR測得樣品的拷貝數/well，再乘上反應孔數目即可得到總拷貝數，例如樣品稀釋倍率為100X時，數字PCR測得拷貝數/well是0.23，再乘上2500個反應孔數目即可得到總拷貝數為576。當樣品稀釋倍率在10,000X以上時，定量PCR可測得樣品的Cq值，再藉由本方法的轉換，即可得到拷貝總數，例如樣品稀釋倍率為10,000X時，定量PCR測得的Cq值是20.72，而此樣品單一拷貝數時的Cq值為25.66，PCR效率為92%，將25.66減去20.72得到4.94，而1加上效率0.92得到1.92，而1.92的4.94次方為24.97即為轉換後的拷貝數/well，再乘上2500個反應孔數目即可得到轉換後的總拷貝數為62416。此九種樣品經由本方法轉換後得到的總拷貝數與樣品稀釋倍率做線性迴歸，相關係數R平方為0.9988(圖1)與0.9996(圖2)，表示本方法之可行性與線性度極佳。
圖1與圖2的數據來源為表1，圖1的X座標軸是表1的樣品稀釋倍率，圖1的Y軸是表1的待測樣品總拷貝數，在圖1中，因為Y軸最大值較高，故較低的座標點在圖上無法區分，為了讓各座標點能清楚在圖上顯示，再將圖1中的座標軸改為以10為底數取對數(log10 )的形式繪成圖2。表 1
Figure 108112038-A0304-0001
表2是依照本發明的實施例的一種核酸樣品測量方法的檢測結果，在本實施例中，待測核酸樣品中同時含有濃度較高的原生型（wild-type）基因及濃度較低的突變型（mutation）基因。此實施例的目的是呈現本發明在同時存在濃度較高及濃度較低的核酸標靶時能達成良好的線性動態範圍。
在表2之中，有5個待測樣品，每個待測樣品中同時包含EGFR原生型與EGFR T790M突變型基因，其中突變型所佔的突變比例(VAF, variant allelic frequency)從0.2%到3.2%。本實施例中同時使用兩種螢光訊號來偵測，分別是FAM螢光訊號用來偵測突變型的EGFR基因，CY5螢光訊號用來偵測原生型的EGFR基因。在第一筆量測中，數字PCR在FAM這個螢光訊號測得拷貝數/well為0.006，再乘上2500個反應孔數目即可得到突變型EGFR總拷貝數為15；定量PCR在CY5螢光訊號測得Cq值為28.5，此時單一拷貝數的Cq值為30.22，PCR效率為0.90，轉換後的拷貝數/well為1.9的1.72次方(30.22減去28.5)，即3.01，再乘上2500個反應孔數目即可得到原生型EGFR總拷貝數為7516，將突變型EGFR總拷貝數除以原生型EGFR總拷貝數可得到本方法測得之VAF為0.20% (15/7516)，與待測樣品VAF十分接近。按照此方法可得到其他四筆量測的VAF，總共五筆量測的VAF與待測樣品稀釋倍率VAF為做線性迴歸R平方為0.9996，表示本方法之可行性與在較低濃度的VAF區間(0.2%~3.2%)仍然線性度極佳。表 2
Figure 108112038-A0304-0002
綜上所述，本發明提供一種核酸樣品測量方法，除了能夠使具高濃度核酸標靶之核酸樣品以數字PCR檢測時，在不需要稀釋樣品（反應孔全滿）的情況下也能順利地偵測樣品濃度，當核酸樣品中的核酸標靶具有相距甚廣的濃度範圍時（尤其是臨床樣品），由於不需要對核酸樣品進行稀釋，因此，可同時順利地量測濃度較高及濃度較低的核酸標靶，且不會造成濃度較低的核酸標靶被過度稀釋的敏感度降低問題，可有效地改善檢測動態範圍以及操作方便性。更詳細而言，針對濃度較高的核酸標靶以數字PCR檢測，可透過本發明的調整步驟將Cq值轉換成拷貝數；針對濃度較低的核酸標靶，可直接以定量PCR測得核酸標靶在核酸樣品中的拷貝數。
另一方面，當核酸樣品中的核酸標靶具有相距甚廣的濃度範圍時（尤其是臨床樣品），由於不需要對核酸樣品進行稀釋，因此，可同時順利地量測濃度較高及濃度較低的核酸標靶，且不會造成濃度較低的核酸標靶被過度稀釋的敏感度降低問題。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
無。
圖1及圖2是依照本發明的實施例的一種核酸樣品測量方法的檢測結果，以示意本發明如何同時進行數字PCR與定量PCR雙功能，達成9 logs的動態範圍，並以調整步驟將高濃度核酸標靶的qPCR Cq值調整為高濃度核酸標靶的拷貝數。

Claims (8)

  1. 一種核酸樣品測量方法，同時進行數字PCR及即時定量PCR，以一次性偵測具高濃度核酸標靶及低濃度核酸標靶的核酸樣品，所述高濃度核酸標靶在所述核酸樣品中的拷貝數為大於10000，所述低濃度核酸標靶在所述核酸樣品中的拷貝數為10000以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的核酸樣品測量方法，包括：提供具有多個反應孔的測試載具，以對所述核酸樣品進行數字定量PCR；以及所述低濃度核酸標靶以數字PCR直接定量拷貝數，所述高濃度核酸標靶以qPCR檢測其Cq值後，進行調整步驟，以得到所述高濃度核酸標靶在所述核酸樣品中的拷貝數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的核酸樣品測量方法，其中藉由qPCR反應曲線得到PCR效率，再進行所述調整步驟，所述調整步驟包括：將PCR效率加上1，作為底數；將所述低濃度核酸標靶的Cq值減去所述高濃度核酸標靶的Cq值，得到△Cq作為指數；將所述底數與所述指數進行乘方運算，即得到每個所述反應孔的核酸標靶的拷貝數；以及將每個所述反應孔的核酸標靶的拷貝數乘以數字PCR中的所述反應孔之數目，以取得所述高濃度核酸標靶的總拷貝數。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的核酸樣品測量方法，其中使用64個以上的反應孔數目進行數字定量PCR。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的核酸樣品測量方法，其中使用64個至20000個反應孔數目進行數字定量PCR。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的核酸樣品測量方法，其中經所述調整步驟後，動態範圍提高至9 logs。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的核酸樣品測量方法，其中當全部的所述反應孔針對核酸標靶都有陽性反應時，核酸標靶為所述高濃度核酸標靶。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的核酸樣品測量方法，其中並非全部的所述反應孔針對核酸標靶都有陽性反應時，核酸標靶為所述低濃度核酸標靶，直接測得所述低濃度核酸標靶在所述核酸樣品中的拷貝數。
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