用于进行实时数字PCR的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可以进行多个独立的数字PCR并具有实时监测能力的装置。所述装置包括多个与其自身的温度控制元件热耦合的PCR微型反应器、检测单元、以及用于容纳和移动所述PCR微型反应器的电动平台。所述实时数字PCR装置可以同时进行多个数字PCR，生成数以千万计的单独PCR过程的扩增曲线，基于所述扩增曲线评估二进制读数，并且基于所述扩增曲线识别不同的靶序列。本发明专利技术还公开了使用所述实时数字PCR装置以检测靶核酸和对循环肿瘤细胞进行计数的方法。

Methods and devices for real time digital PCR

The invention discloses a device capable of performing a plurality of independent digital PCR and having real-time monitoring capability. The device includes a plurality of PCR micro reactors, detection units, and an electric platform for holding and moving the PCR micro reactor, which are thermally coupled with their own temperature control elements. The real time digital PCR device can simultaneously carry out a plurality of digital PCR, generate an amplification curve of a number of tens of millions of individual PCR processes, evaluate binary readings based on the amplified curve, and identify different target sequences based on the amplified curve. The invention also discloses a method for detecting target nucleic acid and counting circulating tumor cells using the real-time digital PCR device.

【技术实现步骤摘要】
用于进行实时数字PCR的方法和装置相关申请的交叉引用本申请要求于2017年3月5日提交的美国临时专利申请第62/470,211号以及于2018年2月22日提交的美国专利申请第15/901,900号的权益，所述临时专利申请的内容以参考的方式并入本文中。
本专利技术涉及用于检测靶核酸或靶细胞的方法和装置，具体涉及采用实时数字PCR以检测靶核酸和靶细胞的方法和装置。
技术介绍
聚合酶链式反应(PCR)是一种使用DNA聚合酶和DNA聚合反应以使特定核苷酸产生数以千万计的拷贝数的方法。通常它经历不同温度下的热循环使之可重复地进行双链DNA变性、靶DNA序列引物退火、以及延伸引物以生成靶序列的拷贝。PCR是分子生物学中不可或缺的技术，其广泛应用于检测、鉴定、获得和定量目的DNA/RNA序列。定量PCR，也称之为实时qPCR，是一种在PCR扩增循环中通过监测靶序列的生成来量化靶序列的量的技术。通过非特异性荧光染料或者通过序列特异性DNA探针实时地监测靶序列的生产量，其中该非特异性荧光染料因嵌入双链DNAs上而产生荧光，而该序列特异性DNA探针一旦杂化至互补序列上就会发出可检测的荧光信号。在qPCR过程中，该基于DNA的荧光值可以在PCR循环中的任意时间测量。靶序列的量通过计算Ct值来确定，Ct是当被检测到的荧光水平超过阈值(显著高于背景噪音水平)时的循环数阈值。通过比较来自于靶序列的RNA/DNA的Ct与来自相同样品的管家参考基因的RNA/DNA的Ct，可以确定基因表达的相对量。绝对量是很难获得的，通常是与已知的DNA稀释法构建的标准曲线相比对而得到。诸如PCR扩增效率的变化和非指数扩增这些因素可以影响定量结果的准确性，并且限制了其辨别基因数量小倍数差异的能力。数字PCR(dPCR)是PCR技术的改进，实现了对核酸链的绝对定量。该dPCR通过将一种PCR反应分成许多更小的PCR反应(每个小的反应平均包括不超过一个靶核酸分子)来改进传统的PCR。每个小的反应都大约包括1或0个靶核酸分子，并且在PCR扩增结束时给出阳性或阴性二进制读数。确定阳性读数的比例后，可以根据泊松统计模型计算靶基因的绝对比例。dPCR通过计算实际的靶分子数确定靶基因的绝对量，而不是用指数扩增循环数和通过与参考基因的比较来确定相对初始量。通过使用大数量划分的方法，dPCR可以用于检测比qPCR更精细的倍数差异。由于dPCR仅涉及每个反应的阳性或阴性读数，所以，经常通过检测终点反应产物来进行该dPCR。但是，监测dPCR实时扩增可以提供有价值的信息以评估真的和假阳性，并且使用同样的荧光探针能够检测多个靶序列。本专利技术提供了一种具有多个独立控制的微型PCR反应器的实时数字PCR装置，其可以进行多个独立的并实时监测的dPCR扩增。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可以进行多个独立的数字PCR并具有实时监测能力的装置。所述装置包括多个与其自身的温度控制元件热耦合的PCR微型反应器、检测单元、以及用于容纳和移动所述PCR微型反应器的电动平台。所述实时数字PCR装置可以同时进行多个dPCR，生成单个PCR进程的扩增曲线，基于所述扩增曲线评估二进制读数，并且基于所述扩增曲线识别不同的靶序列。本专利技术提供了一种用于进行实时数字PCR的装置，所述装置包括：a)至少一个PCR微型反应器，其中所述PCR微型反应器包括热耦合至温度控制元件的PCR微芯片，其中每个PCR微型反应器的热循环都通过其各自的温度控制元件独立地控制；b)检测单元，其中所述检测单元可以被编程以规定的时间间隔拍摄图像；c)电动平台，其用于容纳多于一个的PCR微型反应器，所述电动平台可以被编程以将所述PCR微型反应器中的一个移动到合适的位置，从而供所述检测单元拍摄图像；以及d)计算单元，其被连接到所述检测单元、电动平台和PCR微反应器中的温度控制元件。在一个实施例中，所述PCR微芯片是一种具有多于100、1000、10000、100000个腔室的微流板。在一个实施例中，所述PCR微芯片包括可以使微滴形成单层结构的微流通道。所述PCR微芯片进一步地连接至微滴生成器，所述微滴生成器可以将微滴注射入所述PCR微芯片的微滴通道。在一个实施例中，所述温度控制元件包括加热元件、温度传感器和温度控制电路。所述温度控制元件连接到计算机上。在一个实施例中，所述检测单元包括光源、滤光器、荧光显微镜和相机。所述荧光显微镜是高分辨率宽域显微镜。在一个实施例中，本专利技术提供了一种使用本文描述的实时数字PCR装置检测样品中的多个靶序列的方法，所述方法包括：a)在实时数字PCR装置的PCR微芯片内，将样品和PCR试剂的混合物划分成许多个更小的独立反应空间，使多于50％的所述反应空间包含不超过一个靶序列，其中所述混合物包括引物对和序列特异性报告探针，所述引物对用于靶序列的扩增，所述序列特异性报告探针用于检测靶序列；b)进行多路复用实时定量PCR，以在每个反应空间中扩增多个靶序列；c)使用所述装置的所述检测单元在PCR扩增期间为每个反应空间记录扩增曲线；以及d)基于所述反应空间的所述扩增曲线确定每个反应空间中的个别靶序列的存在。在一个实施例中，所述序列特异性报告探针偶联的荧光基团是相同的，对于每个靶序列来说，所述引物和所述序列特异性报告探针的浓度是不同的，这导致每个靶序列具有不同的平台荧光强度，并且具体的靶序列的检测是基于所述平台荧光强度。在一个实施例中，所述不同靶序列的PCR扩增具有不同的阈值循环数(Ct)，并且对具体的靶序列的检测是基于所述Ct。在某一个实施例中，对靶序列的检测是基于所述平台荧光强度和所述靶序列的扩增曲线的Ct。在某一个实施例中，所述样品和PCR试剂的混合物被划分成许多个更小的反应空间，从而使多于50％的反应空间包括不超过一个核苷酸序列。在一个实施例中，本专利技术提供了一种使用本文描述的装置在细胞样品中为循环肿瘤细胞进行计数的方法，其中该循环肿瘤细胞表达肿瘤特异性基因或具有肿瘤特异性基因组序列，所述方法包括：a)将RT-PCR试剂和富含循环肿瘤细胞的细胞样品的混合物在所述PCR微芯片中划分成许多个更小的独立反应空间，从而使多于50％的反应空间包括不超过一个循环肿瘤细胞，其中所述混合物包括用于多个肿瘤特异性序列扩增的引物和用于多个肿瘤特异性序列检测的多个序列特异性报告探针；b)进行多路复用实时定量的RT-PCR以在每个反应空间中都扩增所述多个肿瘤特异性序列；c)在PCR扩增期间为每个反应空间记录扩增曲线；d)基于所述反应空间的扩增曲线用阳性荧光信号为反应空间的数量进行计数；以及e)基于具有阳性荧光信号的反应空间分数，确定细胞样品中循环肿瘤细胞的分数。具有阳性荧光信号的反应空间被识别为具有循环肿瘤细胞的反应空间。在某一个实施例中，对于每个肿瘤特异性序列，所述引物和序列特异性报告探针的浓度是不同的，这导致每个肿瘤特异性序列都有不同的平台荧光强度，并且对具有具体的肿瘤特异性序列的循环肿瘤细胞的检测是基于所述平台荧光强度。在某一个实施例中，每个肿瘤特异性序列的所述PCR扩增具有不同的Ct，并且对具有具体的肿瘤特异性序列的循环肿瘤细胞的检测是基于所述Ct。在某一个实施例中，对具有具体的肿瘤特异性序列的循环肿瘤细胞的检测是基于所述平台荧光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于进行实时数字PCR的装置，其特征在于，所述装置包括：a）至少一个PCR微型反应器，其中所述PCR微型反应器包括热耦合至温度控制元件的PCR微芯片，其中每个PCR微型反应器的热循环都通过其各自的温度控制元件独立地控制；b）检测单元，其中所述检测单元可以被编程以预先确定的时间间隔拍摄所述PCR微芯片的图像；c）电动平台，其用于容纳多于一个的PCR微型反应器，所述电动平台可以被编程以将所述PCR微型反应器中的一个移动到合适的位置，从而供所述检测单元拍摄图像；以及d）计算单元，其被连接到所述检测单元、电动平台和PCR微反应器中的温度控制元件。

【技术特征摘要】
2017.03.11 US 62/470211;2018.02.22 US 15/9019001.一种用于进行实时数字PCR的装置，其特征在于，所述装置包括：a）至少一个PCR微型反应器，其中所述PCR微型反应器包括热耦合至温度控制元件的PCR微芯片，其中每个PCR微型反应器的热循环都通过其各自的温度控制元件独立地控制；b）检测单元，其中所述检测单元可以被编程以预先确定的时间间隔拍摄所述PCR微芯片的图像；c）电动平台，其用于容纳多于一个的PCR微型反应器，所述电动平台可以被编程以将所述PCR微型反应器中的一个移动到合适的位置，从而供所述检测单元拍摄图像；以及d）计算单元，其被连接到所述检测单元、电动平台和PCR微反应器中的温度控制元件。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PCR微芯片是具有多于100、1000、10000和100000个腔室的微流板。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PCR微芯片包括可以使微滴形成单层结构的微流通道。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述PCR微芯片进一步连接至微滴生成器。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度控制元件包括加热元件、温度传感器和温度控制电路。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度控制元件连接至所述计算单元上。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测单元包括光源、滤光器、荧光显微镜和相机。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述荧光显微镜是高分辨率宽域显微镜。9.一种使用权利要求1所述的装置检测样品中的多个靶序列的方法，其特征在于，所述方法包括：a）在所述装置的PCR微芯片内，将样品和PCR试剂的混合物划分成许多个更小的独立反应空间，使多于50%的所述反应空间包含不超过一个靶序列，其中所述混合物包括用于靶序列扩增的引物对和用于靶序列检测的序列特异性报告探针；b）进行多路复用实时定量PCR，以在每个反应空间中扩增多个靶序列；c）在PCR扩增期间为每个反应空间记录扩增曲线；以及d）基于所述反应空间的所述扩增曲线确定每个反应空间中的个别靶序列的存在。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所有的所述序列特异性报告探针都与相同的荧光基团相连接。11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，不同的序列特异性报告探针与不同的荧光基团相连接。12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对于不同的靶序列来说，所述引物和所述序列特异性报告探针的浓度是不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焱，
申请(专利权)人：南京科维思生物科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32