新冠疫情之下，“測核酸”已成為全民熱詞，PCR作為測核酸的官宣儀器也火爆熱賣，這里指的是熒光定量PCR（qPCR）。
大家知道，有時的“漏檢”是因為病毒的copy數(shù)太低；而若想減少甚至消除“漏檢”，可用另一種更靈敏更精準的數(shù)字PCR（digital PCR，dPCR）技術。
dPCR和qPCR到底有何區(qū)別？
為什么說dPCR的效果更好？
它能解決哪些問題？
國內外有哪些dPCR的玩家？
本文將揭秘dPCR的前世今生，并對市場上dPCR的代表性產品逐一展示，希望能為您下次入囊前做點兒準備。
PCR定量發(fā)展簡史
PCR即聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction），它以DNA雙鏈復制原理為基礎，對特定核酸樣本進行體外擴增，能夠將微量的核酸樣本迅速拷貝至幾百萬倍。
自1985年美國科學家Kary Mullis發(fā)明PCR以來的三十多年，PCR經歷了三代技術的發(fā)展。
第一代與第二代
第一代傳統(tǒng)PCR技術，采用瓊脂糖凝膠電泳的方法對PCR產物進行定性分析；第二代熒光定量PCR（qPCR）技術，通過在PCR反應體系中加入熒光基團，利用熒光信號的積累實時監(jiān)控PCR進程，最后用進入擴增指數(shù)期時的Cq值（羅氏）或Ct值（AB/賽默飛）對基因進行定量分析。
為何第一代PCR只能定性？
這是因為PCR反應事實上呈現(xiàn)S型，在反應終點區(qū)測定終點產物的數(shù)量誤差很大，因此只能定性。第二代qPCR利用拐點產物數(shù)量定量，重現(xiàn)性好，當結合標準曲線后，可以實現(xiàn)絕對定量。這同分析化學上講的定量方法并無區(qū)別，實現(xiàn)定量，需要找到標準樣品，需要做標準曲線。
第三代
下面我們重點說說神奇的第三代數(shù)字PCR（dPCR）技術。
這種定量技術，既不需要標準品，也不需要做標準曲線，即可實現(xiàn)對起始樣本的絕對定量，靈敏度和準確度還特別高。縱觀當今分析技術，唯有dPCR可以實現(xiàn)不需標準曲線的絕對定量，足可笑傲定量江湖，用降維打擊、一舉封神、YYDS等各種贊譽來形容它都挺合適。
dPCR的基本原理是：通過將PCR反應液進行有限稀釋，實現(xiàn)核酸分子的單分子擴增，最終采取終點法檢測陽性微滴的熒光信號，有熒光信號的微滴判讀為 1；沒有熒光信號的微滴判讀為 0，因此該技術被稱為數(shù)字PCR。
簡而言之，就是把復雜的定量工作簡化成“1”和“0”，沒有尋找標準品的困擾，沒有做標準曲線的煩惱，把所有人為誤差統(tǒng)統(tǒng)丟掉，這就是dPCR被譽為PCR技術之未來的底氣。
dPCR的誕生
1992年，Sykes等在檢測復雜背景下低豐度的IgH重鏈突變基因時，利用樣品的有限稀釋，讓每個微孔只獲得單個模板分子，通過計算PCR后的擴增信號，以期準確確定原始分子的數(shù)量。雖然沒有明確提出“數(shù)字PCR”的概念，但是已經建立了數(shù)字PCR基本的實驗流程，并且確定了數(shù)字PCR檢測中一個極其重要的原則——以“終點信號的有或無”作為定量方法，這是數(shù)字PCR的雛形。
1999年，霍普金斯大學的Bert Vogelstein和他的同事Kenneth Kinzler等在分析癌癥突變的罕見基因型過程時，因受到體細胞基因的干擾，而遇到檢測靈敏度和檢測分辨率的瓶頸，采用了在384孔板中對每個反應孔的樣品量進行極限稀釋并增加反應孔數(shù)進行檢測的方式，從而明確提出了數(shù)字式PCR（dPCR）的概念，同時也提出如果采用更多孔板其檢測靈敏度會更高，從而指出了dPCR系統(tǒng)的發(fā)展方向。
dPCR是PCR技術上里程碑式的飛躍，其概念被提出后，受限于當時的技術條件，如樣本稀釋及分配都是靠手工來完成的，干擾和限制因素較多；并且結果分析對于研究者來說也十分枯燥與繁瑣，因此在很長一段時間dPCR發(fā)展停滯不前。
后來由于微流控技術與微納集成制造工藝的發(fā)展解決了dPCR應用過程中的幾個關鍵技術問題，推動了dPCR的研究與商業(yè)化的發(fā)展。
細說dPCR原理
數(shù)字PCR的基本原理是：將稀釋的核酸樣品分配到大量獨立的微反應單元，進行大規(guī)模單拷貝PCR擴增反應和基于泊松分布（Poisson distribution）的絕對定量分析。
與RT-qPCR不同，dPCR不需要使用標準曲線，即可實現(xiàn)目的核酸拷貝數(shù)的絕對定量。dPCR平臺是基因和細胞治療的標配，在載體開發(fā)中可以用作質量控制檢測。
目前根據dPCR樣本稀釋分配的方式，基本可分為三大類：一種是基于大規(guī)模集成的微流控芯片；第二種是使用微反應室/孔板；第三種是基于液滴式。
其中后者是近年來dPCR分析儀的主流。液滴數(shù)字PCR（ddPCR）是一種基于水油乳液液滴技術的dPCR方法，其將樣品分餾成20,000個液滴，并在每個液滴中發(fā)生模板分子的PCR擴增。ddPCR 技術使用的試劑和工作流程與大多數(shù)基于TaqMan探針的標準檢測有著相似的試劑和工作流程。大規(guī)模樣本分區(qū)是dPCR 技術的一個關鍵方面，不論是芯片式還是液滴式，其基本原理都是將大量稀釋后的核酸溶液分散至芯片的微反應器或者液滴當中，每個反應器的核酸模板數(shù)少于1或者等于1。經過PCR擴增之后，有一個核酸分子模板的反應器就會給出熒光信號，沒有模板的反應器沒有熒光信號。根據相對比例和反應器的體積，可以推算出原始溶液的核酸濃度。
dPCR的主要技術特點
dPCR具有靈敏度高（可達0.001-0.0001%），特異性強，可檢測復雜背景下的靶標序列；可高度耐受PCR反應抑制劑，如SDS（十二烷基磺酸鈉）、EDTA（乙二胺四乙酸）、Heparin（肝素，血液抗凝劑）等；不必依賴對照品或標準品，可對目標拷貝數(shù)直接進行精確定量，分析微小的濃度差異；實驗數(shù)據分析便捷，每個微滴的檢測結果以陰性、陽性判讀，數(shù)據分析自動化；可統(tǒng)計突變率，通過統(tǒng)計分析可得出靶點的突變率。
作為近年來興起的分子診斷分析技術，dPCR在應用技術上還存在需要改進的地方，如通量較低，一般單個反應2重反應效果最佳；dPCR優(yōu)點是靈敏度高，但是對于DNA濃度大的樣本來說優(yōu)勢就不能體現(xiàn)，而且核酸濃度高時，每個微滴里面包含的拷貝數(shù)不符合泊松分布；dPCR雖然不依賴標準曲線，但是每次反應之間存在差異，短期內不能完全取代qPCR，也不能代替其他金標準方法。
dPCR儀在細分領域的應用前景
dPCR技術的出現(xiàn)不是為了完全取代原有分子診斷技術，而是更好的補充和完善現(xiàn)有技術平臺。dPCR為不同應用場景下的多樣化核酸檢測需求提供了新的思路，尤其是在醫(yī)學檢驗方面，在感染性疾病早期檢測、癌癥的液體活檢、無創(chuàng)產前檢查等領域展現(xiàn)出良好的應用前景。
dPCR的優(yōu)勢與臨床應用前景已在許多研究中得到確認，但最終實現(xiàn)在臨床上的廣泛應用，需要以下幾個方面進行升級：商用dPCR系統(tǒng)需要進一步提升樣本檢測通量以充分滿足病毒篩查的需求；需要制定國家或行業(yè)統(tǒng)一標準。目前新羿生物已經推動了dPCR的地方標準（DB 32/T3762.16-2001 新型冠狀病毒檢測技術規(guī)范第16法：核酸數(shù)字PCR），用于新冠病毒檢測；需要產業(yè)界進一步降低設備成本；基于dPCR的新冠檢測試劑盒需要經過嚴格評價，并獲得NMPA、FDA、CE等監(jiān)管機構的認證才可投放國內或海外市場。
實現(xiàn)感染性疾病早期高效檢測
——以新冠病毒為例
（1）病毒檢測。qPCR檢測技術是目前新冠病毒檢測的“金標準”，但由于病毒探針結合位點突變、樣本病毒載量不足等原因，在臨床檢測過程中經常出現(xiàn)假陰性結果，由于dPCR具有更高的靈敏度、精準度，以及其適合痕量樣本檢測的特性，能夠糾正RT-qPCR檢測出的“假陰性”結果，作為后者的補充方法。
（2）臨床樣本病毒載量評估。在人群篩查及臨床診療中，為科學選取采樣方式，需要評估不同臨床樣本病毒載量，如鼻咽拭子、血尿、糞便、肺泡灌洗液等，由于dPCR可提供絕對量化指標，為采樣方法的選取提供了參考，從而提高檢出率。
（3）監(jiān)測環(huán)境病毒載量。在外防輸入的戰(zhàn)略要求下，環(huán)境病毒檢測尤為重要。dPCR可對低核酸豐度樣本進行有效檢測，包括從不同環(huán)境中取樣的樣本，如病房、衛(wèi)生間、實驗室等等，在疫情防控中起到了不可忽視的作用。此外，dPCR的應用場景還有病程不同階段的病毒載量評估、核酸參考品制備、抗病毒藥物研發(fā)等環(huán)節(jié)。
助力癌癥液體活檢
——實現(xiàn)患者全病程監(jiān)控
液體活檢是普通癌癥檢測的延伸和補充方法，將目標采取樣本從組織延伸到血液、體液。dPCR可精確檢測轉移到血液循環(huán)中的腫瘤細胞和DNA片段，提供基因突變情況等信息，動態(tài)監(jiān)控病人病程的發(fā)展，從而為伴隨診斷和個性化治療提供可靠依據。
高效篩查胎兒疾病
——提高無創(chuàng)產檢普及性和依從性
通過無創(chuàng)產前檢查，針對胎兒染色體非整倍體異常、遺傳性基因疾病等進行風險評估。目前，大多數(shù)商品化的無創(chuàng)產前檢查產品都是基于二代測序的技術和平臺，該方法檢測周期長（1-2周出報告）、技術門檻高、檢測費用高，阻礙了該技術的廣泛應用。而基于dPCR的無創(chuàng)產前檢測技術有望實現(xiàn)準確、快速、簡便的產前篩查。
dPCR的市場分布及預測
全球市場分布和預測
目前數(shù)字PCR市場規(guī)模并不大，全球約1.5億至2.5億美元，占實時定量熒光PCR市場總規(guī)模(約20億美元)的10%，但增長趨勢顯著，有望在技術成熟后與目前的qPCR平分江山，甚至逐步替代qPCR技術。
研究報告預測，2019-2024年全球qPCR和dPCR市場將以8.8%的年復合增長率增長，從2014年的41.13億美元增長到2024年的62.7億美元。其中，dPCR的增速更快達11.9%，將從2014年的4.75億美元，增長到2024年8.34億美元；qPCR的年增速為8.37%，從2014年的36.28億美元，增長到2024年的54.37億美元。這個預測沒有料及2020年新冠疫情的爆發(fā)，為PCR檢測帶來極大的市場。
從市場的角度來看，北美依然是dPCR最大的主導市場，其次是亞洲和歐洲。北美市場增長是由于北美地區(qū)存在慢性病的高患病率和完善的醫(yī)療保健基礎設施等。此外，有利的政府舉措和研究伙伴關系數(shù)量的增加，是預計市場增長的驅動因素。
把企業(yè)類型分為三檔，其中第一檔為收入大于10億美元企業(yè)。第二檔為1億至10億美元，第三檔為小于1億美元，分別占有45%，34%，21%，這說明該行業(yè)存在巨頭，但是尚未形成壟斷，對于相對其他企業(yè)仍有機會。dPCR由幾個主要公司占據一半的全球市場，包括Bio-Rad Laboratories Inc.，Thermo Fisher Scientific，F(xiàn)luidigm Corporation，QIAGEN，Sysmex Corporation，JN Medsys，Merck KGaA，Stilla和Avance Biosciences等。
ddPCR是近年來PCR的主流技術，推動細分市場增長的因素是癌癥，傳染病的患病率增加以及檢測中心資金的增加。
中國市場分布和預測
在精準醫(yī)療、個性化用藥等需求推動下，分子診斷技術在全球得到飛速發(fā)展。我國dPCR行業(yè)一直保持著穩(wěn)定快速的增長。根據沙利文(Suvillian)數(shù)據顯示，中國dPCR行業(yè)市場規(guī)模從2013年的14.6億元增加至2017年的72億元，年復合增長率CAGR=29.2%，到2022年市場規(guī)模預計將達到266.6億元人民幣。
國內dPCR行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)快速增長，主要受到精準診斷需求增加、技術突破增加利潤、國家政策支持（國產替代）等因素影響，未來dPCR將會有更大的發(fā)展空間，這是因為
（1）人口增長與老齡化：我國人口老齡化趨勢導致腫瘤醫(yī)藥市場增長和體外檢測需求增長，而dPCR在腫瘤檢測、傳染病檢測、遺傳病等疾病檢測上優(yōu)勢明顯，醫(yī)療市場的擴容將進一步推動dPCR的增長；
（2）國內政策利好：根據國家科技部辦公廳發(fā)布的《“十三五”醫(yī)療器械科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》，要求重點開發(fā)POCT檢測、新型基因測序儀、隨檢全自動核酸檢測系統(tǒng)、定量dPCR等系統(tǒng)；
（3）精準醫(yī)療與腫瘤治療需求：精準醫(yī)療的基礎在于個體化醫(yī)療，對致病突變檢測和定量分析的精確性要求較高，亟需新一代PCR技術的應用，而數(shù)字PCR在這方面優(yōu)勢明顯。
dPCR的主要產品
自2006年，F(xiàn)luidigm公司推出第一個商業(yè)化的基于芯片的dPCR儀以來，數(shù)字PCR儀不斷實現(xiàn)創(chuàng)新和突破。在稀釋方式上，主要的是伯樂為代表的液滴式、以Fluidigm、賽默飛為代表的芯片式和羅氏、凱杰為代表的微板式。
國外dPCR主要是三個模塊組成的一體機，而國內大多還是幾臺儀器分別完成樣本分區(qū)、擴增和數(shù)據讀取。新冠疫情下，dPCR生產商無不在產品上實現(xiàn)突破，近年來新品頻出，直有問鼎分子診斷之勢。
Bio-Rad
伯樂
擁有二十多年PCR儀研發(fā)、生產經驗的伯樂公司是全球dPCR市場的領跑者。伯樂于2011年斥資1.62億美元，完成對QuantaLife公司的收購，正式進軍dPCR市場，隨即推出QX100、QX200微滴式數(shù)字PCR系統(tǒng)以及最新的QX One集成液滴數(shù)字系統(tǒng)。
2017年，伯樂又收購了ddPCR系統(tǒng)制造商RainDance Technologies，該公司擁有在短時間內生成數(shù)百萬個皮升級微液滴的核心技術，可將伯樂原液滴數(shù)提升250-500倍。兩者的融合進一步穩(wěn)固了伯樂在dPCR領域的領軍地位。
根據2019年財報，伯樂銷售額收入超23億美元，ddPCR增長強勁。2020年，Bio-Rad發(fā)布了全球首款數(shù)字PCR一體機：Bio-Rad的 QX ONE ddPCR系統(tǒng)，整合了微滴生成、熱循環(huán)反應及微滴讀取等步驟，最大程度減少人工操作，提高了檢測通量。配備四個獨立的熒光通道，結合ddPCR特有的高階多重PCR技術，可以在單反應孔中實現(xiàn)8重拷貝數(shù)變異（CNV）檢測、5重突變檢測或4重基因表達檢測。兼容目前QX200 系統(tǒng)中所使用的supermix、assay和kit。
美國FDA近來批準了Bio-Rad實驗室開發(fā)的基于ddPCR技術的SARS-CoV-2檢測的緊急使用授權。
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