PCR検査とは

こんにちは、僕、将来、医療系の大学に進みたいと思っている高校生です。最近テレビでよく聞く「PCR」について、ロシュの人が詳しいと聞いたので学びに来ました。
「PCR検査」って、新型コロナウイルス感染症を調べる検査ですよね？

ようこそロシュ・ダイアグノスティックスへ。
確かに、新型コロナウイルスの検査として、PCRが知られていますね。

でも、PCR＝新型コロナウイルス感染症の検査ではありません。そもそも、PCRというのは検査の方法のことで、他にもいろいろな用途で使われています。

では、さっそくカテゴリ毎に見ていきましょう。

DNAは多くの生物の遺伝情報を担っている、生物の設計図とも言われていますが、目に見えないぐらい小さなものです。それを複製して増幅すると言われても、ピンときませんよね。では、もう少し詳しく原理について見てみましょう

DNAは、正確にはデオキシリボ核酸（deoxyribonucleic acid)といい、デオキシリボースという糖と、リン酸、そして塩基という三つの成分で構成される非常に長い鎖のような高分子です。

さらにDNAに使われる塩基にはアデニン（A）チミン（T）シトシン（C）グアニン（G）という4種類があり、このA-T-C-Gの並び方で遺伝子が決定されます。DNAは通常二本鎖が一組となる、らせん階段のような構造をしています。

この2本の鎖は、熱を加えると離れて一本鎖になり、冷やすと二本鎖として元の配列同士が結合する特性があります。PCRはこのDNAの特性を利用しています。

デオキシリボース、塩基、、、。
アデニン、チミン、というのは聞いたことがあるような、、、いきなり難しくなった印象です。

PCRの原理を理解するためのポイントは、

• 熱を加えると2本の鎖は離れて、冷やすと元の配列同士くっつく特性がある。
• 全部を増やすのではなく、目的とする部分だけを増やす
• 指数関数的に増えていく

という3点です。

• DNA（増やしたいDNA配列を含む検体から核酸抽出・精製を行っておきます）
• 増やしたい配列のプライマー
• DNAポリメラーゼ

上記に加えて、dNTP（デオキシヌクレオシド三リン酸、ATGCの基質）などを含む反応液

プライマーとは、増やしたい配列の両端に結合するように作られた合成DNAです。ForwardプライマーとReverseプライマーといって、二本鎖DNAのそれぞれの鎖の片側にのみ設計します。

DNAには方向性があり、DNAポリメラーゼは5’→3’の方向にしかDNAを合成しません。二本のDNA鎖はそれぞれ逆向き且つ相補的に結合していますのでそれぞれのDNA鎖の上流にプライマーを設計することで合成したいDNAの範囲を決めることができるのです。DNAポリメラーゼとはDNAを複製させるための酵素です。PCRに用いられるDNAポリメラーゼは激しい温度の上下に耐えられる、耐熱性DNAポリメラーゼといわれるような特殊な酵素です。もともとはイエローストーン国立公園の熱泉に棲む好熱菌Thermus aquaticusが産生するDNAポリメラーゼが使われました。

原理が理解できたところで、DNAの増やし方を学びましょう。
PCRでDNAを増幅させる工程は大きく３つのステップから成ります。これを”サイクル”と呼び、PCRの基本的な単位になります。

DNAに熱を加える（通常95℃程度）と、2本の鎖が分離し、１本ずつの鎖になります。

次に徐々に温度を下げていきます（通常55℃～65℃、プライマーの長さや配列による）。これにより、ステップ１で一本鎖にしたDNA鎖のターゲット部分にあらかじめ反応液の中に入れておいたプライマーが結合します。一般的に、プライマーは15～30塩基の長さからなる一本鎖の短い合成DNA断片です。元の長い鎖同士も再結合しようと試みますが、プライマーの方が短く、圧倒的に量が多いので、元のDNA同士が結合するよりも早く反応が進みます。

再び、温度を上げます（72℃位）。DNAポリメラーゼが作用して新たなDNA分子が合成されます。プライマーを起点として、下流方向に向けてそれぞれの鎖を鋳型に、対となる鎖が作成されるのです。

今はこのPCRの原理を応用した、さまざまな方法が登場しています。いずれも、DNAを増やして調べるという目的は同じです。

おかげで、PCR技術を使って、どうやってDNAを増やしていくか理解できました。

「PCRについて（基本情報）」でお話ししたのは、PCRの概念です。実際にPCRを実施するためには、正確に温度を上下させたり、増えたDNAを測定するための装置が必要になります。

PCRという手法が開発された最初期のころは、研究者は、それぞれの温度に設定されたウォーターバス（恒温槽）を用意して、時間を計りながらチューブを移動させていたそうです。

はい、そこで開発されたのがサーマルサイクラーです。これは、あらかじめ設定されたプログラムの通りに反応液の温度を上下させることができる機械です。このサーマルサイクラーの登場によって、PCRに必要な温度の上下を自動で行うことができるようになりました。

いいところに気が付きましたね。DNAというのは反応液に溶けた状態では無色透明なので、いくら増やしても直接目で見ることができません。そこで増幅産物を可視化するためのいくつかの方法が開発されています。

電気泳動によるコンべンショナル(伝統的)なPCRは機器や試薬が比較的安価で、柔軟な対応が可能です。そのため研究の分野では数多く使用されています。

一方でリアルタイムPCRはサイクル数から元の鋳型DNAの量を見ることができるほか、増幅産物を取リ出さずに結果を見ることができるため、コンタミネーション(汚染)のリスクが少ないなどのメリットがあリ、精密な研究や臨床検査などで多く使われています。

そういえば、ウィルスなどでは DNA ではなく RNA を持ったものもあると学校で習ったのですが、RNA も PCR で見ることができるのですか？

PCRはニ本鎖DNAを増幅する技術なのて、通常RNAを増幅することはできません。そこで「逆転写反応」という反応によってRNAからDNAを合成して、そこからPCR反応を実施する方法があリます。

RNAからDNAを合成する方法です。 一部のウイルスは、DNAを持たず遺伝情報としてRNA※を持っています。こうしたウイルスをRNAウイルスといい、そのほとんどが1本の鎖のような構造をしたRNAを持っています。

RNAに対して、DNAを増幅するPCR法をそのまま適用することはできませんが、RNAからDNAを作り出すことができる酵素（逆転写酵素）を用いることで、通常のPCR法を適用できるようになります。このように、逆転写酵素を使用してRNAからDNAを作り出し、PCR法を実施する手法のことをRT-PCRといいます。

PCRはさまざまところで応用利用されています。大学や製薬会社の研究室、食品衛生検査や農作物の改良研究、動植物の疫学調査、法医学などでの鑑定、そして病院の検査室など、本当にいろいろあリます。

比較的小型のPCR用分析装置を用いて実験や検査が行われます。

事前準備として、検体から核酸（DNAなど）を抽出します。これも機器を使って行うことができます。抽出後、PCR機器でDNAを増幅させて分析します。分析時間は、約1時間で一回当たり最大96テスト分の検査ができます。

核酸抽出から増幅まで、全自動で行う大型の分析装置も登場しています。検査センターと言う、さまざまな検査を引き受けている施設や、大病院の検査室などで使われています。分析装置によっては、検体を導入してから約3.5時間で結果を出すことができ、8時間連続的に稼働した場合数百のテストを行うことができます。

非常にシンプルな操作で、核酸抽出から増幅まで全自動で30分以内に測定可能な超小型のPCR検査装置も登場しています。夜間救急外来など迅速な結果が求められる場所で活躍しています。

色々な用途に合わせた装置があるんですね。それに全自動でもできるって、思ったよリ進んでるんですね。

検査の種類も新型コロナウイルスだけでなく、実は既に色々な検査でPCRが使われています。詳しくは3回目の「PCRの活用例と歴史」のところでお話しますね。

2019年12月に中国武漢市で初の感染者が報告され、後に世界的なパンデミックを引き起こした新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）は、遺伝情報としてRNAを持っているウイルスです。そのため、新型コロナウイルスのPCR検査では、鼻咽頭ぬぐい液や唾液などの検体採取後に、主に逆転写リアルタイムPCR法を用いて新型コロナウイルスの遺伝子が含まれているかを調べます。

ウイルスや細菌などによる感染症の原因を特定する方法として、PCR法を用いた遺伝子検査のほか、抗原検査や抗体検査が行われる場合があります。新型コロナウイルス感染症の検査でも、PCRだけでなく、抗原検査や抗体検査も行われています。
よく耳にはするけれど、実はよく分かっていないという方も多いのではないでしょうか。 「今の自分に必要な検査」や 「検査ごとの違い」について、一目で分かる表をご用意しました。適切なタイミングに適切な検査を受けることは、自分の身を守るだけでなく、自分の大切な人を守ることにもつながります。ぜひご参照ください 。

今までPCRの基本から仕組み・方法などまで教えてもらい、だいぶ知識が増えました！

ところでPCRって、新型コロナウイルス感染症以外に、どんな用途で使われているのでしようか。

PCRについて少しでも理解を深められたようで、良かったです。

他にも、病気の検査や、法医学、環境汚染の検査まで、実に様々な目的で使われているのですよ。

B型肝炎やC型肝炎の原因ウイルスであるHBVやHCVの検査では、病態の判断や治療薬の効果をモニタリングするため、血中のウイルス量を知る目的で定量PCRが行われています。

一方で健康診断などで実施されるスクリーニング検査では、効果的な肝炎患者の発見のため、B型肝炎ウイルスの抗原検査やC型肝炎ウイルスの抗体検査などが行われています。そして、これらの検査で陽性となった人が、さらに精密な検査として定量PCR検査を受ける仕組みになっています。

子宮頸がんの原因の殆どにHPV(ヒトパピローマウイルス)というウイルスが関与していることが知られています。このウイルスを調べる検査でPCRが使われています。

子宮頸がんの検査では細胞診という検査が一般的に行われてきましたが、近年ではHPVをPCR検査でより高感度に調べる方法も普及してきています。

子宮頸がんは、「予防できるがん」とも言われています。定期的な検診が早めの予防につながります。

詳細はこちらから→ あかずきん.jp

がんの治療では、事前に患者さんのがんのタイプを調べて特定の薬が効くかどうか調べることがあります。この時に用いられる検査の中には、PCR法を用いた検査もあります。がん組織や血液中の遺伝子変異などを調べる際に役立っています。

「血液のがん」とも言われる白血病においても、染色体や遺伝子の異常を調べる目的でPCR法の検査が活用されています。

PCR法の検査は、病気に対する検査のみならず、幅広いシーンで使用されています。

カテゴリごとに主な活用例を挙げていますので、見てみてくださいね。聞いたことがあるものや知っているものはあるでしようか?

PCRという技術自体は1983年に考案された技術です。ただそこから医療に応用されるまでにもう少し時間がかかリました。

ではせっかくなので、次のテーマでPCRの歴史も学んでいってください。

PCRは1983年にキャリー・マリス博士によって考案されました。しかし、マリス博士の発明の前後には様々な研究者たちの発見があリました。

最後までPCRについて学んでくれて、ありがとうごさいました。

ちょっと細かな話もありましたが、今までの内容を知っていればPCRについてはだいぶ詳しくなっているはすです！

また、いつでもここに戻ってきて見てくださいね。