PCR DIGITALE

PCR digitale multiplex

Qu’est-ce que la PCR digitale multiplex ?

Le multiplexage en PCR permet la détection de plusieurs molécules cibles ou séquences dans une même réaction. Le multiplexage en PCR digitale (dPCR) peut être obtenu en variant les types de fluorophores utilisés. Dans le multiplexage multicolore classique, les cibles sont différenciées à l’aide d’une sonde par cible, la sonde étant conjuguée à des colorants de spectres d’émission différents. La plupart des instruments de dPCR proposent la détection de différents fluorophores sur au moins deux canaux de détection dédiés. Certains systèmes de dPCR permettent un multiplexage à 5 couleurs pour une distinction nette de plusieurs cibles dans une même réaction.

Le multiplexage en dPCR est très intéressant compte tenu des nombreux avantages du multiplexage avec un système de dPCR. Cette approche peut être utilisée pour :

  • Analyser plusieurs cibles dans une même réaction
  • Réduire les erreurs techniques, comme les imprécisions de pipetage
  • Accroître les chances de détection des cibles
  • Réduire la quantité d’échantillon nécessaire à l’analyse
  • Permettre le contrôle interne direct d’une réaction individuelle
  • Gagner du temps et économiser les réactifs pour réduire le coût global

Le multiplexage avec la PCR digitale permet diverses applications qu’il est difficile voire impossible de réaliser avec des dosages à une seule couleur. Certaines de ces analyses incluent :

  • Variation du nombre de copies : appariement des gènes cibles et de référence pour déterminer leur rapport, avec une approche duplex
  • Variation bi-allélique de variants mononucléotidiques ou de petites insertions/délétions : approche duplex avec deux sondes d’hydrolyse, visualisées grâce à deux tracés en couleur (1)
  • Génotypage : décompte du nombre de fractions à partir de groupes positifs simples et doubles (1)
Pour bénéficier de tous les avantages du multiplexage en PCR digitale, choisissez un système de PCR digitale doté de capacités de multiplexage avancées.

Un instrument de PCR digitale doté de capacités élevées de multiplexage vous permet d’analyser plusieurs cibles dans un échantillon avec une sensibilité et une reproductibilité importantes. Le QIAcuity Digital PCR System, par exemple, existe en diverses configurations afin de répondre à tous vos besoins en matière d’analyse d’échantillon et de cible.

L’avantage de la PCR digitale sur nanoplaques pour les réactions multiplex

La PCR digitale multiplex est une approche prisée, il s’agit d’une méthode plus flexible, sensible et spécifique que la qPCR multiplex. Le multiplexage en qPCR peut également nécessiter des méthodes plus compliquées de calcul des valeurs absolues et cette méthode est davantage sensible aux interférences de plusieurs PCR dans une même réaction. 

La PCR digitale sur nanoplaques présente des avantages non négligeables par rapport à d’autres types de PCR digitale, notamment des temps d’exécution plus courts, une précision et une sensibilité élevées et des capacités de multiplexage. Dans la mesure où les nanoplaques s’appuient sur des réactions de PCR individuelles et pas sur une analyse de gouttelettes en vrac, il est possible de détecter des cibles rares (< 10 à 20 copies/réaction).

La PCR digitale sur nanoplaques peut s’adapter à de nombreuses matrices d’échantillon, ce qui permet le titrage à davantage de stades de la production de VAA. Le QIAcuity Digital PCR System permet en outre à des utilisateurs distincts d’effectuer plusieurs dosages en parallèle pour une meilleure productivité (29).

Haut débit et multiplexage du système de PCR digitale QIAcuity

  QIAcuity One  QIAcuity Four  QIAcuity Eight 

Canaux de détection (multiplexage)

2 ou 5 

Nombre d’échantillons analysés en une journée 

Jusqu’à 384 

Jusqu’à 672 

Jusqu’à 1 248 

Colorants recommandés 

FAM ; VIC, HEX ; TAMRA ; ROX ; Cy5 


À quoi ressemblent les données de dPCR 5-plex ?

Sur l’illustration de gauche, on a utilisé 10 ng (A, en haut et en bas) et 1 ng (B, en haut et en bas) d’ADNc comme matrice initiale pour la réaction de dPCR. Cinq cibles de dosage (ERBB2, EGFR, CDKN2A, KDR et CDK1) ont été mesurées dans une réaction 5-plex sur une QIAcuity Nanoplate 8.5K à 96 puits à l’aide du QIAcuity One, 5plex System. Les sondes ont été marquées respectivement par FAM, HEX, TAMRA, ROX et Cy5. Les diagrammes de dispersion en 2D montrent une séparation nette des dosages individuels dans une configuration en multiplex.

Vous avez d’autres questions sur le multiplexage en dPCR ? Voyons si notre QIAgenius peut y répondre :
Les dosages de dPCR multiplex peuvent être adaptés à de nombreuses applications de PCR digitale. Cela peut aller de la thérapie cellulaire et génique à la recherche de fraude alimentaire, en passant par la caractérisation des VAA, la détection microbienne et le dosage pour la variation du nombre de copies.
Les dosages de dPCR multiplex pour l’alimentation

Les dosages de PCR digitale multiplex trouvent de nombreux usages dans l’industrie alimentaire. En matière de contrôle réglementaire et d’assurance qualité, les dosages de dPCR multiplex peuvent permettre d’identifier une espèce animale et de détecter l’origine de la viande et des produits carnés, des espèces de poissons et d’autres espèces (2, 3). Avec le multiplexage en PCR digitale, vous pouvez par exemple distinguer sans difficulté diverses origines dans une même réaction : cochon, chameau, mouton, âne, chèvre, vache et poulet (2).

Le multiplexage en dPCR peut aussi être utilisé pour les tests d’OGM et la quantification de transgènes à l’aide de réactions de PCR multiplex permettant de déterminer le rapport transgène/endogène (4, 27). Dans une étude, des dosages par dPCR duplex ont été utilisés pour comparer les taux de transgènes MON810 à ceux d’un gène de référence HMG dans des échantillons de maïs. Le dosage par dPCR multiplex a atteint une sensibilité de cinq copies d’ADN cibles avec une meilleure répétabilité et une meilleure tolérance aux inhibiteurs présents dans les graines en poudre que la qPCR (5).

La fraude alimentaire constitue une autre application majeure du multiplexage en PCR digitale, par exemple pour détecter des ingrédients d’origine animale dans des produits végétariens ou végans transformés. Un dosage par dPCR multiplex basé sur l’amplification du gène mitochondrial cytochrome b, propre à bon nombre d’animaux, et de l’ADN chloroplastique, propre aux espèces de plantes, peut permettre de détecter des ingrédients d’origine animale dans des aliments végétariens (6). 

Enfin, la dPCR peut être utilisée pour détecter des maladies graves d’origine alimentaire. Grâce au multiplexage en PCR digitale, vous pouvez détecter simultanément des agents pathogènes microbiens tels que E. coliL. monocytogenesS. aureus et S. enterica (7).

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La dPCR multiplex dans un dosage de la variation du nombre de copies

Dans un dosage de la variation du nombre de copies, le multiplexage en dPCR peut permettre d’apparier les gènes cibles et de référence afin de déterminer leur rapport à l’aide d’une approche duplex.

Dans une étude, le multiplexage en PCR digitale a permis de détecter simultanément des mutations génétiques, des fusions de gènes et des duplications de gènes (8). Il a également été possible d’évaluer simultanément le nombre de copies de deux oncogènes majeurs du neuroblastome avec deux gènes de référence diploïdes normaux, ce qui a permis d’économiser un échantillon précieux. Les dosages par dPCR multiplex ont affiché une spécificité et une sensibilité de 100 % dans la détection simultanée des mutations génétiques, des fusions de gènes et des duplications de gènes (9).

Autre exemple de dosage de la variation du nombre de copies avec multiplexage en dPCR, le génotypage d’échantillons d’amyotrophie spinale. Les auteurs de l’étude ont utilisé le multiplexage en PCR digitale pour quantifier les nombres de copies de SMN1 et SMN2 avec RPPH1 en guise de contrôle interne du gène de référence (10). Des études ont également démontré que le multiplexage en PCR digitale pouvait être utilisé pour détecter de façon précise et économique des délétions et des duplications importantes dans le gène BRCA1 (11), ainsi que l’amplification des gènes MET et HER2 dans le cancer du poumon non à petites cellules (CPNPC) (28).

Une autre étude a développé et optimisé les dosages par dPCR multiplex pour la quantification des altérations du nombre de copies (CNA) dans 15 biomarqueurs d’ADN génomique à partir d’échantillons congelés sains et de carcinome épidermoïde (CE) (12).

3D Illustration of Chromosomal Translocation, Fusion Gene Explanation, 05/2017, (Illustration, 3D Illustration, Life science)
Vous voulez en savoir plus sur l’analyse de la CNV avec la dPCR ?
Regardez notre webinaire « Analyse multiplex de la variation du nombre de copies dans une biopsie liquide par dPCR : données préliminaires de patients présentant des tumeurs solides ».
La quantification des mutations avec les dosages par dPCR multiplex

Le multiplexage des cibles d’ADN par dPCR est utile pour la quantification des mutations somatiques, la quantification absolue d’allèles et la détection des mutations rares. Des études ont démontré que les panels de dPCR multiplex pouvaient être utilisés pour l’analyse quantitative des mutations d’oncogènes dans l’ADN libre circulant (ADNlc) (13) et le plasma (14, 15).

Des données probantes soulignent la pertinence de trouver des concentrations optimales d’amorces et de sondes ainsi que des températures optimales d’élongation dans des réactions simplex. Vous devez également vérifier la compatibilité des amorces et la présence de « pluie » dans les réactions duplex. Vous pouvez ensuite passer à des combinaisons de réactions de dPCR multiplex plus complexes.

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Le multiplexage en dPCR pour la détection microbienne

Le multiplexage en dPCR est fréquemment utilisé pour détecter des espèces microbiennes. Par exemple, les dosages par dPCR multiplex peuvent permettre de tester rapidement des agents pathogènes bactériens, fongiques, viraux ainsi que les gènes de résistance correspondants (16, 17, 18, 19, 20). Les sensibilités de détection rapportées sont de l’ordre de 50 unités de copie par ml, une étude a même rapporté une sensibilité de la dPCR 104 fois supérieure à la qPCR pour la détection d’ADN bactérien dans le sang (21).

Une autre publication a développé des dosages par dPCR duplex et qPCR duplex afin d’évaluer les espèces de cyanobactéries dans le milieu naturel. Les auteurs ont trouvé que la qPCR était rapide et économique, mais que la dPCR offrait une exactitude, une précision et une résistance aux inhibiteurs de PCR bien supérieures (22).

L’inhibition et la concurrence entre les cibles constituent un vrai problème pour la qPCR multiplex, notamment pour les échantillons environnementaux, dans lesquels les cibles sont présentes en faibles quantités avec une grande quantité d’ADN de fond non cible. Le multiplexage en PCR digitale est capable de quantifier avec précision au moins deux cibles avec une concentration 1 000 fois supérieure, il constitue ainsi une solution viable face aux limites de la qPCR (22).

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La dPCR multiplex pour la détection microbienne vous intéresse ?
Alors consultez notre poster scientifique sur la détection précise et sensible des cibles d’ADN et ARN microbien par dPCR sur nanoplaques.
Les dosages par dPCR multiplex en biopharmaceutique

Dans l’industrie biopharmaceutique, le multiplexage en dPCR favorise les processus de fabrication et de contrôle qualité pour les anticorps monoclonaux (AcM), les vaccins, la thérapie cellulaire et génique et les biosimilaires (23, 24, 25, 26). Les dosages par dPCR multiplex peuvent contribuer à bien des aspects du contrôle qualité, de la détection des contaminants à la quantification de la teneur. Cette méthode permet un contrôle qualité efficace, car il est possible de tester plusieurs contaminants simultanément. 

Le multiplexage en dPCR est adapté aux applications nécessitant une quantification relative de précision d’une cible comparée à un gène domestique, ou si le vecteur développé apporte plusieurs gènes thérapeutiques et une fonction de silençage génique ou d’édition génique. Les chercheurs qui travaillent avec un matériel issu de patients peuvent aussi obtenir davantage d’informations à partir d’un seul échantillon, plus besoin de rééchantillonner, cela limite l’erreur humaine et réduit le coût des réactifs par réaction.

group of dividing cells

Conditions d’une quantification de précision avec la PCR digitale multiplex

  • Optimiser les dosages individuels : validez chaque réaction avant le multiplexage en dPCR (vérifiez par exemple la présence de dimères)
  • Évaluer les amorces et les sondes : vérifiez l’éventuelle interaction entre vos amorces et vos sondes
  • Choisir les colorants avec soin : choisissez soigneusement les colorants pour chaque dosage, sélectionnez ceux qui contiennent un fluorophore brillant pour les cibles avec peu de copies
  • Vérifier les cibles liées : recherchez d’éventuelles cibles liées ou corrélations de cibles d’un ordre supérieur ; utilisez par exemple des dosages basés sur la liaison pour mesurer la configuration cis versus trans des cibles et les éventuels réarrangements structurels
  • Éviter l’hybridation croisée : concevez si possible des variations sonde/cible impliquant deux ou plusieurs délétions ou insertions de nucléotides afin d’éviter les mésappariements de sondes
  • Limiter l’infiltration optique : survient si la fluorescence d’un colorant est détectée par plusieurs canaux ; veillez si possible à ce que vos colorants conjugués correspondent aux systèmes de détection optique ou ajustez les paramètres de traitement du signal dans le logiciel d’analyse
  • Réduire la présence de « pluie » : la « pluie » fait référence au sous-ensemble de fractions qui sont supérieures aux fractions négatives, mais inférieures aux fractions positives. Vous pouvez réduire cette « pluie » en réévaluant le type de matrice, la confirmation, l’intégrité, la spécificité du dosage et la présence d’inhibiteurs dans la réaction ; définissez différemment la position de seuil afin que la « pluie » n’ait pas d’incidence sur la quantification
Quelques astuces en plus pour optimiser votre dosage par dPCR
Découvrez comment concevoir, dépanner et optimiser les expériences de dPCR en parcourant notre page sur le développement de dosages par dPCR.

Si vous souhaitez passer à la PCR digitale multiplex, il vous faudra investir dans un instrument de dPCR doté de capacités de multiplexage avancées. Il existe en outre de nombreux kits de dPCR et dosages de dPCR conçus pour les dosages par PCR digitale multiplex qui peuvent être intéressants à plus d’un titre pour les débutants comme pour les experts du multiplexage.

  • Votre instrument de PCR digitale – Il existe divers types de systèmes de PCR digitale, mais certains proposent plus d’options de multiplexage que d’autres. Le système de dPCR QIAcuity, par exemple, permet de multiplexer jusqu’à 5 canaux (plus un canal de référence), c’est le moyen le plus simple de multiplexer, de gagner du temps et d’économiser les réactifs :
Canal  Excitation (nm)  Émission (nm)  Exemples de fluorophores

Vert

463 – 503 

518 – 548 

FAM 

Jaune 

514 – 535 

550 – 564 

HEX, VIC 

Orange 

543 – 565 

580 – 606 

TAMRA, ATTO 550 

Rouge 

570 – 596 

611 – 653 

ROX, Texas Red 

Pourpre 

590 – 640 

654 – 692 

Cy5 


  • Vos kits de dPCR multifonction – Utilisez des kits de dPCR conçus pour les réactions multiplex. Les QIAcuity Probe PCR Kits comprennent des Master Mix spécifiques pour quantifier jusqu’à cinq cibles avec une abondance très variée sur une QIAcuity Nanoplate. Le multiplexage en dPCR vous fait gagner du temps, faire des économies et préserver le matériel d’échantillon sans conséquence sur la qualité ou la validité des données.
  • Des kits de dPCR pour une analyse sans contamination – Il existe des kits spécifiques pour les applications nécessitant des Master Mix ultrapropres qui limitent l’ADN de fond contaminant. Le QIAcuity UCP Probe PCR Kit est parfait pour l’analyse microbienne ou pour les applications de contrôle qualité, telles que les tests d’ADN résiduel. Ces kits présentent une spécificité et une précision élevées dans la quantification de l’ADNg ou de l’ADNc dans des dosages par dPCR simplex ou 5-plex. 
  • Des dosages par dPCR multiplex propres à une application – Pour accroître le rendement et réduire les coûts selon les applications, nous avons conçu des dosages par dPCR avec différents colorants (FAM, HEX, ROX, Atto 500 et Cy5). Ces dosages par dPCR multiplex permettent une conception flexible des expériences et l’analyse multiplex de cinq cibles maximum dans une réaction. Il existe des dosages par dPCR spécifiques pour l’analyse de la CNV, la détection microbienne, la thérapie cellulaire et génique et les dosages de mutation des LNA pour les mutations liées au cancer.

Produits proposés pour la PCR digitale multiplex

Publications relatives au multiplexage en dPCR

La communauté scientifique a adopté très largement les dosages par dPCR multiplex et leurs avantages. Voici une liste de chercheurs publiés qui utilisent le multiplexage en PCR digitale :
Application  Utilisation de la dPCR multiplex  Références 

Étude du potentiel
antimicrobien de l’hydroquinine et
variations dans l’expression génique
susceptibles de contribuer à l’antibiorésistance
dans P. aeruginosa.

PCR digitale avec transcription inverse multiplex
(mRT-dPCR), pour vérifier la présence
de plusieurs gènes associés aux pompes
d’efflux

Rattanachak N, Weawsiangsang S, Jongjitvimol T,
Baldock RA, Jongjitwimol J. Hydroquinine possesses
antibacterial activity, and at half the MIC, induces
the overexpression of RND-type efflux pumps using
multiplex digital PCR in Pseudomonas aeruginosa.
Tropical Medicine and Infectious Diseases
. 2022;
7(8):156.

Identification et déconvolution
de mélanges d’espèces communes
dans les foyers à des fins
judiciaires 
Espèces identifiées : homo sapiens, canins, félins,
bovins, porcins, poissons et gallinacés en deux
multiplex 
Ghemrawi M and McCord B. Development
of a nanoplate-based digital PCR assay for species
identification with mixture deconvolution. Forensic
Science International: Genetics Supplement Series
.
2022; 8:193–195. 
Détection de variants préoccupants du
SARS-CoV-2 dans les
eaux usées d’un affluent en Belgique 
Dosage par dPCR multiplex pour la détection
de quatre variants préoccupants (VP)
distincts et quantification de l’ARN à partir de différents VP
du SARS-CoV-2 dans les eaux usées de l’affluent
Booagaerts T et al. Optimization and application
of a multiplex digital PCR assay for the detection
of SARS-COV-2 variants of concern in Belgian
influent wastewater. Viruses. 2022; 14(3):610. 
Détection des fusions de gènes
à partir d’ARN 
Amorces multiplexées dans une réaction de RT-PCR
initiale avec la technologie ASPYRE afin d’identifier
37 cibles potentielles dans les familles de fusion de gènes 3’

Gray ER at al. Ultra-sensitive molecular detection
of gene fusions from RNA using ASPYRE. 
BMC Medical Genomics. 2022; 15:215.

Ressources supplémentaires concernant la dPCR multiplex

Autres références
  1. Whale AS, Huggett JF, Tzonev S. Fundamentals of multiplexing with digital PCR. Biomolecular Detection and Quantification. 2016; 10:15–23.
  2. Izadpanah M et al. Simple and fast multiplex PCR method for detection of species origin in meat products. Journal of Food Science and Technology. 2017; 55(2): 698–703.
  3. Lee YM, Lee S, Kim HY. A multiplex PCR assay combined with capillary electrophoresis for the simultaneous identification of Atlantic cod, Pacific cod, blue whiting, haddock, and Alaska pollock. Foods. 2021; 10(11):2631.
  4. Pecoraro S et al. Overview and recommendations for the application of digital PCR. EUR 29673 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2019. https://gmo-crl.jrc.ec.europa.eu/doc/WG-dPCR-Report.pdf.
  5. Dobnik D, Spilsberg B, Bogožalec K, Holst-Jensen A and Žel J. Multiplex quantification of 12 European Union authorized genetically modified maize lines with droplet digital polymerase chain reaction. Analytical Chemistry. 2015; 87(16):8218–8226.
  6. Lao TD, Le TAH. Exploring the multiplex PCR for detection of animal-derived ingredients in vegetarian foods. Pharmacopore. 2020; 3.
  7. Boukharouba A, González A., García-Ferrús M., Ferrús A. Botella S. Simultaneous detection of four main foodborne pathogens in ready-to-eat-food by using a simple and rapid multiplex PCR (mPCR) assay. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022; 19(3): 1031.
  8. Appay R et al. Multiplexed droplet digital PCR assays for the simultaneous screening of major genetic alterations in tumors of the central nervous system. Frontiers in Oncology. 2020; 10:579762.
  9. Peitz C et al. Multiplexed quantification of four neuroblastoma DNA targets in a single droplet digital PCR reaction. Journal of Molecular Diagnostics. 2020; 22(11):1309–1323.
  10. Jiang L et al. Development and validation of a 4-color multiplexing spinal muscular atrophy (SMA) genotyping assay on a novel integrated digital PCR instrument. Scientific Reports. 2020; 10: 19892.
  11. Oscorbin I, Kechin A, Boyarskikh U., Filipenko M. Multiplex ddPCR assay for screening copy number variations in BRCA1 gene. Breast Cancer Research and Treatment. 2019; 178(3):545–555.
  12. Hughesman CB et al. A robust protocol for using multiplexed droplet digital PCR to quantify somatic copy number alterations in clinical tissue specimens. PLOS ONE. 2016; 11(8): e0161274
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  19. Zhu X et al. Development of a multiplex droplet digital PCR assay for detection of enterovirus, parechovirus, herpes simplex virus 1 and 2 simultaneously for diagnosis of viral CNS infections. Virology Journal. 2022; 19:70.
  20. Maggi R, Breitschwerdt EB, Qurollo B, Miller JC. Development of a multiplex droplet digital PCR assay for the detection of Babesia, Bartonella, and Borrelia species. Pathogens 2021; 10(11):1462.
  21. Shin J et al. Duplex dPCR system for rapid identification of gram-negative pathogens in the blood of patients with bloodstream infection: A culture-independent approach. Journal of Microbiology and Biotechnology. 2021; 31(11):1481–1489.
  22. Te SH, Chen EY, Gin KYH. Comparison of Quantitative PCR and Droplet Digital PCR Multiplex Assays for Two Genera of Bloom-Forming Cyanobacteria Cylindrospermopsis and Microcystis. Applied and Environmental Microbiology. 2015; 81(15):5203–5211.
  23. Hayes D and Dobnik D. Commentary: Multiplex dPCR and SV-AUC are promising assays to robustly monitor the critical quality attribute of AAV drug product integrity. Journal of Pharmaceutical Sciences 111(8): 2143–2148.
  24. Nell RJ et al. Accurate quantification of T Cells in copy number stable and unstable DNA samples using multiplex digital PCR. Journal of Molecular Diagnostics. 2022; 24(1):88–100.
  25. Sanchez MEN et al. Multiplex reverse transcriptase droplet digital PCR for the simultaneous quantification of four dengue serotypes: Proof of concept study.2020; Biologicals 67:62–68.
  26. Meng P et al. Development of a multiplex dPCR assay for ERBB2 amplification in breast cancer. European Journal of Cancer. 2022; 175(1):S80.
  27. Morisset D, Štebih D, Milavec M, Gruden K, Žel J. Quantitative analysis of food and feed samples with droplet digital PCR. PLoS One. 2013; 8(5):e62583. 
  28. Oscorbin IP et al. Multiplex droplet digital PCR assay for detection of MET and HER2 genes amplification in non-small cell lung cancer. Cancers (Basel). 2022; 14(6):1458.
  29. Center for Breakthrough Medicines. https://breakthroughmedicines.com/all/tech-note-high-throughput-aav-viral-titering-using-nanoplate-based-digital-pcr/ (Accessible le 21 avril 2023)