chuyên mục

2019-04-02

phương pháp sinh học phân tử trong chẩn đoán


phương pháp sinh học phân tử trong chẩn đoán
1. mục đích:
Nhằm phát hiện hoặc định lượng vi sinh vật thông qua lượng vật chất di truyền (acid nucleic, DNA/RNA) được tìm thấy trong huyết hanh bệnh nhân hay các loại bệnh phẩm khác...
Hiện nay chủ yếu được sử dụng để phát hiện HBV, HCV, HIV, HPV, EBV, HSV, CMV, Dengue...
2. ứng dụng
- định danh (định type), định lượng nồng độ virus, vi sinh vật
- tiên lượng, theo dõi kết quả điều trị một số bệnh lý (định lượng nồng độ HBV, HCV, HIV)
- xác định đột biến gen kháng thuốc (HBV, HIV)

3. ưu điểm
- phát hiện được hầu hết các loại vi sinh vật ở mức độ gen
- độ nhạy và độ đặc hiệu cao
- có thể phát hiện ngay khi cơ thể chưa sinh đáp ứng miễn dịch ở người bệnh
4. hạn chế
- kết quả dễ sai lệch nếu bị tạp nhiễm
- đòi hỏi trang thiết bị và thao tác kỹ thuật hết sức cẩn thận
- giá thành xét nghiệm cao

5. phương pháp
+ phương pháp khuếch đại tín hiệu:
Bộ gen của virus được lai với các đoạn probe gắn tín hiệu (oligonucleotid bắt giữ đặc hiệu), sau đó tín hiệu phát ra được khuếch đại và đo lường.
- lai thể lỏng/dịch thể (liquid hybridization)
- lai DNA-RNA (DNA-RNA hybridization)
- kỹ thuật DNA nhánh (Branched DNA technology/ bDNA)

+ phương pháp khuếch đại gen đích:
Đoạn gen đích đặc trưng của virus được khuếch đại sử dụng mồi đặc hiệu, sau đó sản phẩm khuếch đại được phát hiện nhờ tín hiệu huỳnh quang hoặc kết quả điện di
- PCR (polymerase chain reaction/ phản ứng trùng hợp chuỗi): real-time PCR, RT-PCR
- TMA (transcription - mediated amplification / khuếch đại trung gian phiên mã)
- NASBA (nucleic acid sequencing based amplification / khuếch đại dựa tên trình tự acid nucleic)
- LCR (ligase chain reaction / phản ứng chuỗi lai)

* PCR (Polymerase chain reaction)

Phản ứng trùng hợp chuỗi gene
Được phát minh năm 1983 bởi Dr Karry Mullis và ông giành giải Nobel hóa học với công trình này vào năm 1993
PCR là quá trình tổng hợp DNA gene đích trong ống nghiệm. Số lượng DNA tăng lên sau mỗi chu kỳ theo hàm số mũ
Polymerase là tên enzyme được sử dụng trong phản ứng này.

Gọi là chuỗi vì sản phẩm DNA được tạo ra ban đầu sẽ đóng vai trò khuôn mẫu cho phản ứng tiếp theo.

Các thành phần phản ứng PCR
1) DNA đích - Mẫu chứa đoạn DNA cần nhân lên
2) Cặp mồi đặc hiệu: là 2 trình tự nucleotide ngắn đặc trưng cho gen cần nhân lên F- mồi xuôi, R- mồi ngược
4) dNTPs là các nucleotide tự do dùng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp
3) DNA Polymerase bền nhiệt
5) Mg++ ions – đóng vai trò xúc tác hoạt hóa enzyme
6) Dung dịch đệm – duy trì pH và nồng độ điện giải phù hợp cho phản ứng

Các chu kỳ nhiệt cơ bản của PCR
30 - 35 chu kỳ nhiệt, mỗi chu kỳ bao gồm:
– Biến tính DNA (94°C - 96°C), 30 giây.
– Gắn mồi (55–60°C), 30 giây.
– Kéo dài (72°C), thời gian phụ thuộc vào kích thước sản phẩm DNA.

Máy luân nhiệt PCR

Taq polymerase

Thermus aquaticus, Vi khuẩn sống ở suối nước nóng được phát hiện năm 1969 ở vườn quốc gia Yellowstone, US. Vi khuẩn này chịu được nhiệt độ cao nên DNA polymerase (Taq) của vi khuẩn này được phân lập.

Một số loại Polymerases bền nhiệt

Số DNA coppy = 2^n
Số coppy đoạn DNA mong muốn < 2^n

Điện di DNA trên thạch agarose:

Đọc sản phẩm sau PCR trên bản gel thạch

* kỹ thuật real-time PCR:
nguyên lý:
Kỹ thuật real-time PCR là kỹ thuật PCR mà kết quả khuếch đại DNA đích hiển thị được ngay sai mỗi chu kỳ nhiệt của phản ứng.
Các sản phẩm của quá trình chạy PCR được gắn với huỳnh quang và dựa vào ngưỡng phát hiện huỳnh quang (sớm hay muộn) mà người làm thí nghiệm sẽ biết được số lượng DNA đích ban đầu có trong ống phản ứng.

- trục tung: biểu diễn cường độ huỳnh quang phát ra từ ống phản ứng khi nhận ánh sáng kích thích
- trục hoành: biểu diễn số chu kỳ nhiệt
- đường nền (baseline): là số chu kỳ PCR trong đó tín hiệu huỳnh quang đặc hiệu tích lũy dần nhưng chưa đạt ngưỡng nhận biết của thiết bị. Theo mặc định, đường nền được xác lập trong khoảng chu kỳ 3 đến 15 và có thể được thay đổi.
- cường độ huỳnh quang nền: trung bình cộng của cường độ huỳnh quang xuất hiện trong ống phản ứng trong 1 số chu kỳ đầu
- chu kỳ ngưỡng (Ct): là chu kỳ nhiệt mà ở tại thời điểm đó, thiết bị realtime ghi nhận được tín hiệu huỳnh quang phát ra từ ống phản ứng bắt đầu vượt quá cường độ huỳnh quang nền
- Ct của một ống phản ứng (sớm hay muộn) phụ thuộc vào số lượng DNA đích ban đầu có trong ống phản ứng.
Để real-time PCR xác định được chính xác số lượng bản đích ban đầu có trong mẫu thử, phải thực hiện real-time PCR các mẫu thử chứa các số lượng bản DNA đích ban đầu cần xác định số lượng cùng lúc với các mẫu chuẩn chứa số lượng DNA đích ban đầu đã biết rõ số lượng.

Thành phần của phản ứng real-time PCR:
- DNA (mẫu bệnh nhân, chứng âm, chứng dương, standard)
- DNA polymerase
- mồi đặc hiệu
- dNTPs
- dung dịch đệm
- chất phát huỳnh quang:
. chất màu huỳnh quang chèn vào sợi đôi DNA: SYBR Green
Đặc điểm là có ái lực rất cao với sợi đôi DNA và chúng có khả năng làm cho sợi đôi DNA phát huỳnh quang khi nhận được nguồn sáng kích thước.
Trong quá trình khuếch đại thì chất màu huỳnh quang sẽ chèn vào sợi đôi DNA giai đoạn kéo dài và hệ thống nhận biết của máy sẽ ghi nhận tín hiệu huỳnh quang ở thời điểm kết thúc của mỗi chu kỳ nhiệt.
. probe (các đoạn trình tự dò): Taqman probe, Beacon probe...
Probe là những đoạn trình tự oligonucleotid sợi đơn có khả năng bắt cặp đặc hiệu với DNA đích và hiện tượng bắt cặp này sẽ dẫn đến sự phát huỳnh quang.
Cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào số lượng probe bắt cặp, hay chính xác hơn là phụ thuộc vào số lượng bản sao DNA đặc hiệu hiện diện trong ống phản ứng.

1. SYBR Green
Cơ chế hoạt động của SYBR I
(1) Khi chưa có sản phẩm khuếch đại thì ống thứ nghiệm không phát được hùynh quang khi nhận được ánh sáng kích thích
(2) Nhưng khi có hiện diện của sản phẩm khuếch đại thì SYBR I chèn vào và tập trung trên phân tử DNA , làm cho ống phản ứng bị phát huỳnh quang khi nhân được ánh sáng kích thích

2. Taqman Probe
[1] Khi chưa có mặt sản phẩm khuếch đại đặc hiệu, Taqman probe không phát được huỳnh quang khi nhận được nguồn sáng kích thích vì huỳnh quang phát ra bị quencher hấp phụ hết
[2a] Khi có mặt sản phẩm khuếch đại đặc hiệu, Taqman probe sẽ bắt cặp trên trình tự đặc hiệu của sản phẩm khuếch đại ở giai đoạn nhiệt độ bắt cặp sau giai đoạn biến tính
[2b] Taqman probe sẽ trở thành trình tự cản đầu 3’ khi Taq polymerase kéo dài mồi để bắt đầu tổng hợp sợi bổ sung
[2c] Nhờ có hoạt tính 5’-3’ exonuclease nên Taq polymerase sẽ cắt bỏ Taqman probe làm reporter bị cắt rời xa quencher và nhờ vậy mà huỳnh quang phát ra từ reporter sẽ không còn bị quencer hấp phụ nữa
[2d] Giai đoạn phát huỳnh quang của reporter xảy ra trong suốt quá trình Taq polymerase kéo dài mồi để tổng hợp sợi bổ sung

3. Beacon Probe
Khi không có mặt sản phẩm khuếch đại đặc hiệu, ở giai đọan nhiệt độ bắt cặp, Beacon probe sẽ không phát được huỳnh quang khi nhận được nguồn sáng kích thích vì cấu trúc chân tóc của hai đầu đã làm cho repoter gần với quencher khiến tất cả huỳnh quang phát từ reporter đều bị quencher hấp phụ
Khi có mặt sản phẩm khuếch đại đặc hiệu, ở giai đoạn nhiệt độ bắt cặp, Beacon probe bắt cặp vào trình tự đặc hiệu trên sợi đích của sản phẩm khuếch đại, nhờ vậy reporter cách xa quencher nên reporter phát được huỳnh quang khi nhận nguồn sáng kích thích
Trong giai đọan nhiệt độ kéo dài, Taq polymerase được sử dụng không thủy giải Beacon probe mà chỉ làm tách Beacon probe khỏi sợi đích khi sợi bổ sung được tổng hợp kéo dài đến trình tự mà probe bắt cặp vào.
Cuối giai đọan kéo dài, Beacon probe tách khỏi sợi đích và trở lại cấu trúch chân tóc nên không cho reporter không được hùynh quang nếu nhận được nguồn sáng kích thích


Trả kết quả real-time PCR:

 
Ưu - nhược điểm của PCR điện di:
Ưu điểm:
- hóa chất rẻ tiền
- thiết bị đơn giản - rẻ tiền
- phân tích kết quả rõ ràng
- khả năng multiplex
Nhược điểm:
- nguy cơ ngoại nhiễm cao => tổ chức lab hợp lý, sử dụng uracil-N-Glycosylase, thực hành tốt PCR
- độ nhạy thấp hơn real-time PCR
- độ đặc hiệu thấp hơn real-time PCR
- không định lượng được số bản mẫu ban đầu
- không cho phép tự động hóa
- độc hại
- mất nhiều thời gian
- nhiều biến động

Nested PCR


thể xảy ra lỗi khi nhân đoạn DNA bằng PCR do:
- một số nhất định phân tử DNA có đột biến điểm nucleotide
=> Sử dụng enzyme có khả năng đọc kiểm tra trình tự sau khi tổng hợp xong

PCR không thể sử dụng trực tiếp RNA vì DNA polymerase cần khuôn mẫu là DNA. Do đó mRNA cần phải chuyển sang dạng cDNA bằng cách dùng enzyme sao chép ngược. Lúc này cDNA đóng vai trò khuôn mẫu cho phản ứng PCR, không cần sợi đôi.
=> kỹ thuật RT-PCR

RT-PCR (reverse transcriptase polymerase chain reaction) là phương pháp dùng để khuếch đại cDNA được tạo ra từ RNA dựa vào đặc tính phiên mã ngược.
Trong kỹ thuật RT-PCR có sự tham gia của 2 loại enzyme:
- Reverse transcriptase
- DNA polymerase
Kỹ thuật RT-PCR gồm 2 bước:
Bước 1. tổng hợp cDNA:
. ủ mẫu với enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase) để tổng hợp sợi đơn DNA
. phá hủy liên kết hydro giữa DNA - RNA bằng dung dịch kiềm. cấu trúc dạng kẹp tóc được hình thành.
. ủ với DNA polymerase để tổng hợp mạch còn lại
. sử dụng S1 nuclease để cắt cấu trúc kẹp tóc
Bước 2. khuếch đại gen (PCR/real-time PCR)

Các loại PCR
- PCR thường: nhân bản DNA và phát hiện số bản sao DNA được thực hiện riêng rẽ
- Real-time PCR: bước nhân bản và phát hiện PCR được xảy ra đồng thời
- PCR định lượng: xác định số lượng DNA hoặc RNA có trong bệnh phẩm
- Multiplex PCR: phát hiện đồng thời nhiều gene của các virus khác nhau trong một hỗn hợp phản ứng

Ứng dụng của PCR

Molecular Identification

. DNA fingerprinting
. Classification of organisms
. Genotyping
. Pre-natal diagnosis
. Mutation screening
. Drug discovery
. Genetic matching
. Detection of pathogens

Sequencing Genetic

. Bioinformatics
. Genomic cloning
. Human Genome Project

Engineering

. Site-directed mutagenesis
. Gene expression studies


Giải trình tự gene
- Phương pháp giải trình tự gen truyền thống
- Phương pháp giải trình tự gen Sanger

Ưu nhược điểm của kỹ thuật SHPT
. Ưu điểm: độ nhạy độ đặc hiệu cao, thời gian trả kết quả nhanh
. Nhược điểm: giá thành cao, đòi hỏi những yêu cầu phức tạp khi bố trí phòng thí nghiệm và quản lý chất lượng xét nghiệm