Theoretical design and analysis of multivolume digital assays with wide dynamic range validated experimentally with microfluidic digital PCR

Analytical Chemistry

Volumn 83, Issue 21, 2011, Pages 8158-8168

  Kreutz, Jason E ^a   Munson, Todd ^b   Huynh, Toan ^a   Shen, Feng ^a,c   Du, Wenbin ^a,d   Ismagilov, Rustem F ^a,e  

^a UNIVERSITY OF CHICAGO   (United States)

^b UNIVERSITY OF CHICAGO   (United States)

^c SlipChip LLC   (United States)

^d RENMIN UNIVERSITY OF CHINA   (China)

^e California Institute of Technology   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BACTERIAL ANALYSIS; CONTROL SEQUENCES; DESIGN AND ANALYSIS; DESIGN AND TESTS; DIAGNOSTIC TOOLS; DILUTION SERIES; DYNAMIC RANGE; FREE SOFTWARE; HIGH DYNAMIC RANGE; HIGH RESOLUTION; ONE CHIP; PERFORMANCE OF DEVICES; POINT OF CARE; SINGLE MOLECULE; SINGLE MOLECULE AMPLIFICATION; SURFACE-TO-VOLUME RATIO; TESTING REQUIREMENTS; THEORETICAL DESIGN; VIRAL LOAD; WIDE DYNAMIC RANGE;

DESIGN; EXPERIMENTS; LOAD TESTING; MATHEMATICAL TECHNIQUES; POLYMERASE CHAIN REACTION; PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS; RNA; SOFTWARE DESIGN; WELLS;

DIGITAL DEVICES;

VIRUS DNA;

ARTICLE; BIOLOGY; COMPUTER PROGRAM; GENETICS; HUMAN; HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS; HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS INFECTION; INSTRUMENTATION; MICROFLUIDICS; POLYMERASE CHAIN REACTION; THEORETICAL MODEL; VIRUS LOAD;

COMPUTATIONAL BIOLOGY; DNA, VIRAL; HIV; HIV INFECTIONS; HUMANS; MICROFLUIDICS; MODELS, THEORETICAL; POLYMERASE CHAIN REACTION; SOFTWARE; VIRAL LOAD;

EID: 80155134181     PISSN: 00032700     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ac201658s     Document Type: Article

References (70)

1. Brambilla, D.; Reichelderfer, P. S.; Bremer, J. W.; Shapiro, D. E.; Hershow, R. C.; Katzenstein, D. A.; Hammer, S. M.; Jackson, B.; Collier, A. C.; Sperling, R. S.; Fowler, M. G.; Coombs, R. W. AIDS 1999, 13, 2269-2279
2. Calmy, A.; Ford, N.; Hirschel, B.; Reynolds, S. J.; Lynen, L.; Goemaere, E.; de la Vega, F. G.; Perrin, L.; Rodriguez, W. Clin. Infect. Dis. 2007, 44, 128-134
3. Ginocchio, C. C.; Kemper, M.; Stellrecht, K. A.; Witt, D. J. J. Clin. Microbiol. 2003, 41, 164-173
4. Keiser, O. AIDS 2009, 23, 1867-1874
5. Scott, L. E.; Noble, L. D.; Moloi, J.; Erasmus, L.; Venter, W. D. F.; Stevens, W. J. Clin. Microbiol. 2009, 47, 2209-2217
6. Urdea, M.; Penny, L. A.; Olmsted, S. S.; Giovanni, M. Y.; Kaspar, P.; Shepherd, A.; Wilson, P.; Dahl, C. A.; Buchsbaum, S.; Moeller, G.; Hay Burgess, D. C. Nature 2006, 444 ((Suppl 1)) 73-79.
7. Wang, S. Q.; Xu, F.; Demirci, U. Biotechnol. Adv. 2010, 28, 770-781
8. Yen, M. H.; Tsao, K. C.; Huang, Y. C.; Huang, C. G.; Huang, Y. L.; Lin, R. Y.; Chang, M. L.; Huang, C. C.; Yan, D. C.; Lin, T. Y. Clin. Infect. Dis. 2007, 44, E78-E81
9. Niesters, H. G. M. Methods 2001, 25, 419-429
10. Humar, A.; Paya, C.; Pescovitz, M. D.; Dominguez, E.; Washburn, K.; Blumberg, E.; Alexander, B.; Freeman, R.; Heaton, N.; Mueller, B. Am. J. Transplant. 2004, 4, 644-649
11. Landry, M. L.; Garner, R.; Ferguson, D. J. Clin. Microbiol. 2005, 43, 3136-3139
12. Gersberg, R. M.; Rose, M. A.; Robles-Sikisaka, R.; Dhar, A. K. Appl. Environ. Microbiol. 2006, 72, 7438-7444
13. Carey, C. M.; Lee, H.; Trevors, J. T. J. Microbiol. Methods 2006, 67, 363-372
14. Fredslund, L.; Ekelund, F.; Jacobsen, C. S.; Johnsen, K. Appl. Environ. Microbiol. 2001, 67, 1613-1618
15. Martin, B.; Jofre, A.; Garriga, M.; Hugas, M.; Aymerich, T. Lett. Appl. Microbiol. 2004, 39, 290-295
16. Goh, H. G.; Lin, M.; Fukushima, T.; Saglio, G.; Kim, D.; Choi, S. Y.; Kim, S. H.; Lee, J.; Lee, Y. S.; Oh, S. M.; Kim, D. W. Leuk. Lymphoma 2011, 52, 896-904
17. Kern, W.; Schoch, C.; Haferlach, T.; Schnittger, S. Crit. Rev. Oncol./Hematol. 2005, 56, 283-309
18. Chen, C. F.; Ridzon, D. A.; Broomer, A. J.; Zhou, Z. H.; Lee, D. H.; Nguyen, J. T.; Barbisin, M.; Xu, N. L.; Mahuvakar, V. R.; Andersen, M. R.; Lao, K. Q.; Livak, K. J.; Guegler, K. J. Nucleic Acids Res. 2005, 33, e179
19. Espy, M. J.; Uhl, J. R.; Sloan, L. M.; Buckwalter, S. P.; Jones, M. F.; Vetter, E. A.; Yao, J. D. C.; Wengenack, N. L.; Rosenblatt, J. E.; Cockerill, F. R.; Smith, T. F. Clin. Microbiol. Rev. 2006, 19, 165-256
20. Murphy, J.; Bustin, S. A. Expert Rev. Mol. Diagn. 2009, 9, 187-197
21. Bustin, S. A.; Benes, V.; Nolan, T.; Pfaffl, M. W. J. Mol. Endocrinol. 2005, 34, 597-601
22. Huggett, J.; Dheda, K.; Bustin, S.; Zumla, A. Genes Immun. 2005, 6, 279-284
23. Burns, M. J.; Burrell, A. M.; Foy, C. A. Eur. Food Res. Technol. 2010, 231, 353-362
24. Vogelstein, B.; Kinzler, K. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 9236-9241
25. Ottesen, E. A.; Hong, J. W.; Quake, S. R.; Leadbetter, J. R. Science 2006, 314, 1464-1467
26. Applied Biosystems, Life Technologies. Digital PCR Using the OpenArray Real Time PCR System, 2010; http://www.appliedbiosystems.com/absite/us/en/home/ applications-technologies/real-time-pcr/real-time-pcr-instruments/ openarray-real-time-pcr-system/digital-pcr-using-openarray.html, accessed on October 3, 2011.
27. Dube, S.; Qin, J.; Ramakrishnan, R. PLoS One 2008, 3 e2876
28. Sundberg, S. O.; Wittwer, C. T.; Gao, C.; Gale, B. K. Anal. Chem. 2010, 82, 1546-1550
29. Zeng, Y.; Novak, R.; Shuga, J.; Smith, M. T.; Mathies, R. A. Anal. Chem. 2010, 82, 3183-3190
30. Zhang, C.; Da, X. Chem. Rev. 2010, 110, 4910-4947
31. Shen, F.; Du, W. B.; Kreutz, J. E.; Fok, A.; Ismagilov, R. F. Lab Chip 2010, 10, 2666-2672
32. Kiss, M. M.; Ortoleva-Donnelly, L.; Beer, N. R.; Warner, J.; Bailey, C. G.; Colston, B. W.; Rothberg, J. M.; Link, D. R.; Leamon, J. H. Anal. Chem. 2008, 80, 8975-8981
33. Bhat, S.; Herrmann, J.; Armishaw, P.; Corbisier, P.; Emslie, K. R. Anal. Bioanal. Chem. 2009, 394, 457-467
34. Warren, L.; Bryder, D.; Weissman, I. L.; Quake, S. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 17807-17812
35. Weaver, S.; Dube, S.; Mir, A.; Qin, J.; Sun, G.; Ramakrishnan, R.; Jones, R. C.; Livak, K. J. Methods 2010, 50, 271-276
36. Li, M. Nat. Biotechnol. 2009, 27, 858-863
37. Lo, Y. M. D.; Lun, F. M. F.; Chan, K. C. A.; Tsui, N. B. Y.; Chong, K. C.; Lau, T. K.; Leung, T. Y.; Zee, B. C. Y.; Cantor, C. R.; Chiu, R. W. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 13116-13121
38. El Karoui, N.; Zhou, W.; Whittemore, A. S. Stat. Med. 2006, 25, 3124-3133
39. Chu, T. J.; Bunce, K.; Hogge, W. A.; Peters, D. G. Bioinformatics 2010, 26, 2863-2866
40. Diehl, F.; Diaz, L. A. Curr. Opin. Oncol. 2007, 19, 36-42
41. Fan, H. C.; Quake, S. R. Anal. Chem. 2007, 79, 7576-7579
42. Cochran, W. G. Biometrics 1950, 6, 105-116
43. Destgroth, S. F. J. Immunol. Methods 1982, 49, R11-R23
44. Hurley, M. A.; Roscoe, M. E. J. Appl. Bacteriol. 1983, 55, 159-164
45. Halvorson, H. O.; Ziegler, N. R. J. Bacteriol. 1933, 25, 101-121
46. Halvorson, H. O.; Ziegler, N. R. J. Bacteriol. 1933, 26, 559-567
47. Kinzelman, J. L.; Singh, A.; Ng, C.; Pond, K. R.; Bagley, R. C.; Gradus, S. Lake Reservoir Manage. 2005, 21, 73-77
48. Kodaka, H.; Saito, M.; Matsuoka, H. Biocontrol Sci. 2009, 14, 123-126
49. Sercu, B.; Van De Werfhorst, L. C.; Murray, J. L. S.; Holden, P. A. Appl. Environ. Microbiol. 2011, 77, 627-633
50. Du, W. B.; Li, L.; Nichols, K. P.; Ismagilov, R. F. Lab Chip 2009, 9, 2286-2292
51. Li, L.; Du, W. B.; Ismagilov, R. F. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 106-111
52. Li, L.; Karymov, M. A.; Nichols, K. P.; Ismagilov, R. F. Langmuir 2010, 26, 12465-12471
53. Liu, W. S.; Chen, D. L.; Du, W. B.; Nichols, K. P.; Ismagilov, R. F. Anal. Chem. 2010, 82, 3276-3282
54. Shen, F.; Du, W. B.; Davydova, E. K.; Karymov, M. A.; Pandey, J.; Ismagilov, R. F. Anal. Chem. 2010, 82, 4606-4612
55. Shen, F.; Sun, B.; Kreutz, J. E.; Davydova, E. K.; Du, W. B.; Reddy, P.; Joseph, L.; Ismagilov, R. F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 10.1021/ja2060116
56. Shen, F.; Davydova, E. K.; Du, W. B.; Kreutz, J. E.; Piepenburg, O.; Ismagilov, R. F. Anal. Chem. 2011, 83, 3533-3540
57. Blainey, P. C.; Quake, S. R. Nucleic Acids Res. 2011, 39 e19
58. Mazutis, L.; Araghi, A. F.; Miller, O. J.; Baret, J. C.; Frenz, L.; Janoshazi, A.; Taly, V.; Miller, B. J.; Hutchison, J. B.; Link, D.; Griffiths, A. D.; Ryckelynck, M. Anal. Chem. 2009, 81, 4813-4821
59. Agresti, A.; Coull, B. A. Am. Stat. 1998, 52, 119-126
60. Wilson, E. B. J. Am. Stat. Assoc. 1927, 22, 209-212
61. Lieber, R. L. J. Orthop. Res. 1990, 8, 304-309
62. Oden, A.; Wedel, H. Ann. Stat. 1975, 3, 518-520
63. Welch, W. J. J. Am. Stat. Assoc. 1990, 85, 693-698
64. Pitman, E. J. G. Biometrika 1938, 29, 322-335
65. Rissin, D. M.; Kan, C. W.; Campbell, T. G.; Howes, S. C.; Fournier, D. R.; Song, L.; Piech, T.; Patel, P. P.; Chang, L.; Rivnak, A. J.; Ferrell, E. P.; Randall, J. D.; Provuncher, G. K.; Walt, D. R.; Duffy, D. C. Nat. Biotechnol. 2010, 28, 595-599
66. Rissin, D. M.; Walt, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 6286-6287
67. Boedicker, J. Q.; Li, L.; Kline, T. R.; Ismagilov, R. F. Lab Chip 2008, 8, 1265-1272
68. Vincent, M. E.; Liu, W. S.; Haney, E. B.; Ismagilov, R. F. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 974-984
69. Pompano, R. R.; Liu, W. S.; Du, W. B.; Ismagilov, R. F. Annu. Rev. Anal. Chem. 2011, 4, 59-81.
70. Song, H.; Chen, D. L.; Ismagilov, R. F. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 7336-7356