生物芯片的簡介、應用領域、技術特點介紹

　　生物芯片（biochip）是指采用光導原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯攝影像機（CCD）對雜交信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量。由于常用玻片/硅片作為固相支持物，且在制備過程模擬計算機芯片的制備技術，所以稱之為生物芯片技術。

　　根據芯片上的固定的探針不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片、組織芯片，另外根據原理還有元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，則稱為肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探針或DNA，就是DNA芯片。由于基因芯片（Genechip）這一專有名詞已經被業界的領頭羊Affymetrix公司注冊ZL，因而其他廠家的同類產品通常稱為DNA微陣列（DNA Microarray）。

　　一、生物芯片簡介

　　這類產品是目前最重要的一種，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，包括二種模式：一是將靶DNA固定于支持物上，適合于大量不同靶DNA的分析，二是將大量探針分子固定于支持物上，適合于對同一靶DNA進行不同探針序列的分析。

　　生物芯片技術是90年代中期以來影響最深遠的重大科技進展之一，是融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，具有重大的基礎研究價值，又具有明顯的產業化前景。由于用該技術可以將極其大量的探針同時固定于支持物上，所以一次可以對大量的生物分子進行檢測分析，從而解決了傳統核酸印跡雜交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技術復雜、自動化程度低、檢測目的分子數量少、低通量（low through-put）等不足。

　　而且，通過設計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術具有多種不同的應用價值，如基因表達譜測定、突變檢測、多態性分析、基因組文庫作圖及雜交測序（Sequencing by hybridization，SBH）等，為“后基因組計劃”時期基因功能的研究及現代醫學科學及醫學診斷學的發展提供了強有力的工具，將會使新基因的發現、基因診斷、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破，為整個人類社會帶來深刻廣泛的變革。該技術被評為1998年度世界十大科技進展之一。

　　二、生物芯片應用領域

　　1、基因表達水平的檢測

　　用基因芯片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。Schena等采用擬南芥基因組內共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列,31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內這些基因的表達水平，用不同顏色的熒光素標記逆轉錄產物后分別與該微陣列雜交，經激光共聚焦顯微掃描，發現該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高500倍。

　　Schena等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養的T細胞對熱休克反應后不同基因表達的差異，發現有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結果還用熒光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組芯片為期不遠了。

　　2、基因診斷

　　從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標準圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術以其快速、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等特點，將成為一項現代化診斷新技術。例如Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發揮作用。

　　又如，Heller等構建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析關節炎、風濕性關節炎（RA）相關的基因，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應用。現在，肝炎病毒檢測診斷芯片、結核桿菌耐藥性檢測芯片、多種惡性腫瘤相關病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進入市場。基因診斷是基因芯片中最具有商業化價值的應用。

　　3、藥物篩選

　　如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產業和傳統的西藥開發遇到的重大障礙，基因芯片技術是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規模地篩選、通用性強，能夠從基因水平解釋藥物的作用機理，即可以利用基因芯片分析用藥前后機體的不同組織、器官基因表達的差異。如果再cDNA表達文庫得到的肽庫制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復雜的空間結構，更有利與靶分子相結合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA復合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術和RNA庫的結合在藥物篩選中將得到廣泛應用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學合成及DNA芯片技術篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片藥物篩選技術工作目前剛剛起步，美國很多制藥公司已開始前期工作，即正在建立表達譜數據庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術具有很大的潛在應用價值。

　　4、個體化醫療

　　臨床上，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應差異很大。這主要是由于病人遺傳學上存在差異（單核苷酸多態性，SNP），導致對藥物產生不同的反應。例如細胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的藥物的代謝有關，如果病人該酶的基因發生突變就會對降壓藥異喹胍產生明顯的副作用，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性。現已弄清楚這類基因存在廣泛變異，這些變異除對藥物產生不同反應外，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關。如果利用基因芯片技術對患者先進行診斷，再開處方，就可對病人實施個體優化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點如S、P及C基因區易發生變異。若用乙肝病毒基因多態性檢測芯片每隔一段時間就檢測一次，這對指導用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。又如，現用于治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑，但在用藥3～12月后常出現耐藥，其原因是rt、pro基因產生一個或多個點突變。Rt基因四個常見突變位點是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu，四個位點均突變較單一位點突變后對藥物的耐受能力成百倍增加。如將這些基因突變部位的全部序列構建為DNA芯片，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發生突變，從而可對癥下藥，所以對指導治療和預后有很大的意義。

　　5、測序

　　基因芯片利用固定探針與樣品進行分子雜交產生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準確率達99%。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結果發現在外顯子11約3.4kb長度范圍內的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進化上的高度相似性。據未經證實的報道，近年有一種不成熟的生物芯片在15分鐘內完成了1.6萬個堿基對的測定,96個這樣的生物芯片的平行工作，就相當于每天1.47億個堿基對的分析能力！

　　6、生物信息學研究

　　人類基因組計劃（HGP）是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。后基因組計劃、蛋白組計劃、疾病基因組計劃等概念就是為實現這一目標而提出的。基因的功能并不獨立的，一個基因表達的上調或者下調往往會影響上游和下游幾個基因表達狀態的改變，從而進一步引起和這幾個基因相關的更多基因的表達模式的改變。基因之間的這種復雜的相互作用組成了一張交錯復雜的立體的關系網。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經遠遠不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關系，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態等的基因表達差異信息，并找出其中規律。生物信息學將在其中扮演至關重要的角色。基因芯片技術就是為實現這一環節而建立的，使對個體生物信息進行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學研究的主要技術支撐。比如研究基因生物學功能的最好方式是監測基因在不同組織、不同發育階段、不同健康狀況下在機體中活性的變化。這是一項非常麻煩的工作，但基因芯片技術可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。

　　三、生物芯片技術特點

　　20世紀90年代初開始實施的人類基因組計劃（Human genome project，HGP）取得了人們當初意料不到的巨大進展。目前已經測定了十多種微生物以及高等動植物的全基因組序列，海量的基因序列數據正在以前所未有的速度膨脹。一個現實的科學問題擺到了人們面前：如何研究如此眾多基因在生命過程中所擔負的功能?如何有效利用如此海量的基因信息揭示人類生老病死的一般規律，并為人類最終戰勝各種病魔提供有效武器？于是，一項類似于計算機芯片技術的新興生物高技術隨著人類基因組研究的進展應運而生了。生物芯片的種類生物芯片是近10年在生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術。它主要是指通過微加工和微電子技術在固體芯片表面構建微型生物化學分析系統，以實現對生命機體的組織、細胞、蛋白質、核酸、糖類以及其他生物組分進行準確、快速、大信息量的檢測。目前常見的生物芯片分為三大類：即基因芯片（Genechip），DNAchip，DNAmicroarray）、蛋白芯片（Proteinchip）、芯片實驗室（Lab-on-a-chip）等。

　　生物芯片主要特點是高通量、微型化和自動化。生物芯片上高度集成的成千上萬密集排列的分子微陣列，能夠在很短時間內分析大量的生物分子，使人們能夠快速準確地獲取樣品中的生物信息，檢測效率是傳統檢測手段的成百上千倍。生物芯片將是繼大規模集成電路之后的又一次具有深遠意義的科學技術革命。基因芯片是生物芯片技術中發展最成熟和最先實現商品化的產品。基因芯片是基于核酸探針互補雜交技術原理而研制的。所謂核酸探針只是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接上一些可檢測的物質，根據堿基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。基因芯片，又稱DNA芯片，DNA微陣列（DNAmicroar ray），和我們日常所說的計算機芯片非常相似，只不過高度集成的不是半導體管，而是成千上萬的網格狀密集排列的基因探針，通過已知堿基順序的DNA片段，來結合堿基互補序列的單鏈DNA，從而確定相應的序列，通過這種方式來識別異常基因或其產物等。目前，比較成熟的產品有檢測基因突變的基因芯片和檢測細胞基因表達水平的基因表達譜芯片。基因芯片技術主要包括四個基本技術環節：芯片微陣列制備、樣品制備、生物分子反應和信號的檢測及分析。