scientist working on a computer
Digitale PCR

dPCR vs. qPCR

Die Entscheidung zwischen dPCR und qPCR – Erkunden Sie die Vorteile und finden Sie heraus, was zu Ihren Forschungszielen passt

Beim Vergleich zwischen dPCR- und qPCR-Technologien macht die Präzisionsleistung den entscheidenden Unterschied. Während beide eine hochsensitive und zuverlässige Nukleinsäuredetektion und -quantifizierung bieten, lässt sich der Hauptunterschied zwischen den beiden Technologien am besten anhand des Vergleichs von Analogradio und Digitalradio beschreiben, so Dr. Jim Hugget, Principal Scientist, National Measurement Laboratory. „Ein analoges Radio muss zunächst fein eingestellt werden, um den gewünschten Sender mit den geringsten Störungen zu empfangen. Trotzdem hängt die Qualität vom Empfang ab und das Signal unterliegt Störungen durch Rauschen. Das entspricht der qPCR. Sie ist zuverlässig, erfordert aber eine Optimierung, um gute Ergebnisse zu erhalten. Selbst dann ist Hintergrundrauschen unvermeidlich. Beim Digitalradio wird einfach die Station aufgerufen und sie ist entweder mit einem klaren Signal verfügbar oder eben nicht. Genauso ist es bei der dPCR, die präzise, binäre Ergebnisse liefert. Sie zählt wortwörtlich die An- oder Abwesenheit von DNA-Molekülen. Die Klarheit der Ergebnisse, kombiniert mit einer geringeren Fehlerrate, sorgt für eine unglaublich hohe Präzision. Die digitale PCR ist sehr gut zur Messung kleinerer quantitativer Unterschiede geeignet.“

Vergleich und Gegenüberstellung: qPCR vs. dPCR

Forscher schätzen die qPCR wegen ihrer Geschwindigkeit, Sensitivität, Spezifität und Benutzerfreundlichkeit. Die Technik ist am nützlichsten zur Durchführung von Genexpressionsanalysen, für den Pathogennachweis und für Mikrobiom-Analysen sowie zur Validierung von Mikroarray-Daten. Bei Anwendungen, die eine herausragende Genauigkeit und Sensitivität erfordern, wie der Analyse von Kopienzahlvariationen oder dem Nachweis von Mutationen und SNPs und der Allelunterscheidung, gerät die qPCR jedoch an ihre Grenzen. Bei derartigen Anwendungen ist die dPCR der qPCR überlegen, da sie nicht nur die absolute Kopienzahl bestimmt, sondern auch die Einschränkungen der Nachweisgrenzen überwindet, d. h. sie ist in der Lage, geringfügige Unterschiede in Form von 10 % Präzision und Mutationsraten < 1 % nachzuweisen.

Die digitale PCR erweist sich aufgrund der Probenpartitionierung und dem Endpunkt-Cycling auch bei der Quantifizierung als robust, d. h. mit hoher Toleranz gegenüber PCR-Inhibitoren und weniger Beeinflussung durch Änderungen der PCR-Effizienz.

Real-time PCR/ qPCR Digitale PCR
Quantitativ, relativ oder absolut, aber Standardkurven
oder Referenzproben sind erforderlich
Quantitativ, absolut und keine Standards
oder Referenzen erforderlich

Massen-PCR

  • flexible Reaktionsvolumen
  • beeinflusst durch Änderungen der PCR-Effizienz,
    da die Daten in der exponentiellen Phase erfasst werden
  • anfällig für Inhibitoren

Probenpartitionierung

  • höhere Toleranz gegenüber
    Inhibitoren/gesteigerte Robustheit
  • nicht beeinflusst durch Änderungen
    der Amplifikationseffizienz
  • höhere statistische Aussagekraft
    dank Poisson-Statistik
Misst PCR-Amplifikation in jedem Zyklus Misst nach Abschluss der PCR-Zyklen
Detektiert Mutationsraten > 1 % Detektiert Mutationsraten von ≥ 0,1 % (hohes
Signal-zu-Rauschen-Verhältnis)
Gut etablierte Protokolle Höhere Präzision für höhere Reproduzierbarkeit
von Labor zu Labor

dPCR-Reaktionen bleiben auch in Gegenwart von Inhibitoren wie Huminsäure und Heparin robust. qPCR- (auf Rotor-Gene Q) und dPCR-Reaktionen (auf QIAcuity) wurden in Gegenwart angegebener Mengen an Inhibitoren mit dem entsprechenden QIAcuity PCR-Master-Mix (EvaGreen) und mit identischen Reaktionsvolumen durchgeführt. Die Quantifizierung wird anhand von Cq (qPCR) oder Kopien/µl (dPCR) als relativer Leistungsunterschied zwischen den Proben angezeigt, wobei die nicht-inhibierte Probe auf 100 % gesetzt wird.
dPCR-Reaktionen bleiben auch in Gegenwart von Inhibitoren wie Huminsäure und Heparin robust. qPCR- (auf Rotor-Gene Q) und dPCR-Reaktionen (auf QIAcuity) wurden in Gegenwart angegebener Mengen an Inhibitoren mit dem entsprechenden QIAcuity PCR-Master-Mix (EvaGreen) und mit identischen Reaktionsvolumen durchgeführt. Die Quantifizierung wird anhand von Cq (qPCR) oder Kopien/µl (dPCR) als relativer Leistungsunterschied zwischen den Proben angezeigt, wobei die nicht-inhibierte Probe auf 100 % gesetzt wird.
1 Cq in der qPCR, was für 50 % Präzision steht, ist gleichbedeutend mit 10 % Präzision in dPCR und entspricht einer 2-fachen Konzentrationssteigerung.

Wann ist dPCR und wann qPCR einzusetzen?

Wenn es bei der molekularbiologischen und Genomik-Forschung um die Quantifizierung von Nukleinsäuren geht, stehen Wissenschaftler häufig am Scheideweg. Welche Quantifizierungstechnik eignet sich besser, um die eigenen Forschungsziele möglichst effizient zu erreichen – die präzisere und robuste digitale PCR (digital PCR, dPCR) oder die standardisiertere und vertraute quantitative Real-time PCR (quantitative PCR, qPCR)? Beide Technologien haben Gemeinsamkeiten, aber auch jeweils eigene Vorzüge und Einschränkungen, die die Entscheidung anwendungsabhängig machen.

Das Anwendungsraster gibt an, wie geeignet die einzelnen Technologien für einige der häufigsten Anwendungen sind.

Rare mutation detection Copy number variation analysis Gene expression analysis miRNA expression analysis Microbial pathogen detection Viral load quantification Liquid biopsy GMO detection Genome edit detection NGS library quantification and validation Residual host cell quantification qPCR dPCR Applications Suitability level

Die digitale Tröpfchen-PCR (ddPCR), eine der frühesten Formen der digitalen PCR, wies für die meisten der oben aufgeführten Applikationen bereits Vorzüge gegenüber der qPCR auf. Beim Vergleich ddPCR vs. qPCR eignet sich die qPCR für Applikationen, die einen breiten dynamischen Bereich erfordern, wohingegen die ddPCR für Applikationen zu bevorzugen ist, die eine höhere Präzision oder die Analyse der fraktionierten Abundanz erfordern.

Die Entwicklung von der ddPCR zur Nanoplatten-dPCR hat den Anwendungsbereich dieser Technologie erweitert. Der Workflow der Nanoplatten-dPCR ist dank gleichzeitiger Auslesung aller Probenpartitionen, Front-End-Automation und der einfachen Platteneinrichtung ähnlich wie bei der qPCR deutlich schneller. Durch diese zusätzliche Geschwindigkeit eignet sich die Technologie für Screening- und Hochdurchsatz-Applikationen, ohne dass Abstriche bei Präzision, Genauigkeit und Sensitivität erforderlich sind.

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Die digitale PCR und insbesondere die Nanoplatten-basierte Technologie von QIAGEN machen es möglich, völlig neue Fragestellungen zu beantworten, wodurch sie für eine breite Palette an Anwendungen geeignet ist.
Genau wie bei qPCR-Experimenten umfasst die Probenvorbereitung die Überführung von Master-Mix, Sonden und Primern in eine 96- oder 24-Well-Nanoplatte, gefolgt von der Zugabe der Proben. Das System integriert Partitionierung, Thermocycling und Bildgebung in einem einzigen, vollständig automatisierten Gerät, das den Anwender in weniger als 2 Stunden von der Probe zum Ergebnis führt. Die Remote-Analyse kann in der Software-Suite ausgeführt werden, welche für Ihre Target-Sequenz sowie für Qualitätskontrollen wie Positivproben oder NTC die Konzentration in Kopien pro Mikroliter ausgibt.
Der Wechsel von qPCR zu dPCR ist so einfach, dass Sie ihn vermutlich nicht einmal bemerken werden.
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