生物芯片技术的应用研究进展

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【导读】生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶...

生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、GX地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。目前常见的生物芯片主要分为3大类：即基因芯片（Geneehip， DNAchip，DNAmi croarray）、蛋白质芯片（Proteinchip）、芯片实验室（Lab-on-a-chip）等。

1生物芯片的应用

1．1测序

基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列．这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。Mark chee等用含135 000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16．6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99％。Hacia等用含有48 000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCAl基因序列差异，结果发现在外显子1l约3．4kb长度范围内的核酸序列同源性为98．2％-83．5％。提示了二者在进化上的高度相似性。

1．2疾病诊断

基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病、重症传染病和恶性肿瘤等疾病的临床诊断方面具有独特的优势。与传统检测方法相比，它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测，无需机体免疫应答反应期，能及早诊断，待测样品用量小；能特异性检测病原微生物的亚型及变异；可帮助医生及患者从“系统、血管、组织和细胞层次（通常称之为‘第二阶段医学’）”转变到“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次（第三阶段医学）”上了解疾病的发生、发展过程，这些特点使得医务人员在短时间内．可以掌握大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的ZL措施。

1．3药物筛选

芯片技术具有高通量、大规模、平行性等特点可以进行新药的筛选，尤其对我国传统的中药有效成分进行筛选。基因芯片对于药物靶标的发现、多靶位同步高通量药物筛选、药物作用的分子机理、药物活性及毒性评价方面都有其它方法无可比拟的优越性，能够从基因水平解释药物的作用机理，可以用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异，国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了基因芯片技术来寻找药物靶标．查检药物的毒性或副作用。例如，Kapp U等用包含950个基因探针的基因芯片比较何杰金氏病细胞系L428及KMH2与EB病的B淋巴细胞系LGL-GK的基因表达谱，发现何杰金氏病源的细胞系中自细胞介素-13（IL-13）及白细胞介素一5（IL-5）表达异常，用IL-13抗体处理何杰金氏病源细胞系可显著YZ其增殖，此发现提示，IL-13可能以自分泌形式促进何杰金氏相关细胞增殖,IL-13及其信号传导途径可能成为何杰金氏病ZL及药物筛选的新靶点。芯片用于大规模的药物筛选研究可以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用时间，这可大大节省新药开发经费，并且可对由于不良反应而放弃的药物进行重新评价，选取可适用的患者群，实现个性化ZL。Michael Wilson等使用包含有肺结核杆菌基因组PRF的97％的序列的基因芯片，对应用抗结核杆菌药物异烟肼诱导前后表达的变化，结果证明肺结核杆菌中脂肪酸合成酶Ⅱ、FbpC、ef- pA、fadE23、fadE24和基因发生改变与耐药性有关，并为新药物作用的靶目标研究及指导YZ这些靶目标试剂和药物的合成提供指导问。研究各种药物对不同基因的作用，从而在剂量和成分搭配上做到精确无误。相信在不久的将来，药品说明书上的适用症和禁忌症都会改为适用基因型和禁忌基因型，使得药品更加针对不同个体的不同疾病，达到LX更佳、副作用更小的目的。

1．4个性化给药

临床上．同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。在药物LX与副作用方面，病人的反应差异很大。这主要是由于病人遗传学上存在差异，如药物应答基因，导致对药物产生不同的反应。例如细胞色素P450酶与大约25％广泛使用的药物的代谢有关，如果病人该酶的基因发生突变就会对降压药异喹胍产生明显的副作用．5％～10％的高加索人缺乏该酶基因的活性。现已弄清楚这类基因存在广泛变异，这些变异除对药物产生不同反应外，还与易犯各种疾病如肿瘤、自身免疫病和帕金森病有关。如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开，就可对病人实施个体优化ZL。另一方面，在ZL中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。例如现用于ZLAIDS的药物主要是病毒逆转录酶RT和蛋白酶PRO的YZ剂，但在用药3-12月后常出现耐药，其原因是rt、pro基因产生一个或多个点突变。Rt基因4个常见突变位点是Asp67--*Asn、 Lys70→ATg、hr215→Phe、Tyr和Lv6219→Glu,4个位点均突变较单一位点突变后对药物的耐受能力成百倍增加。如将这些基因突变部位的全部序列构建为DNA芯片，则可快速地检测病人是哪些基因发生突变，从而对症下药，所以对指导ZL和预后有很大的意义。

1．5预防医学

在婴儿出生前，可用生物芯片进行有效的产前筛查和诊断，防止患有先天性疾病的婴儿出生。而在婴儿出生后，即可采用基因芯片技术来分析其基因图谱．不仅可预测出他日后可以长多高，还可预测其患某些疾病的潜在可能性有多大，以便采取预防措施。

2 生物芯片国外发展现状及我国前景展望

自从1996年美国Affymetrix公司成功地制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片，并制作出芯片系统，此后世界各国在芯片研究方面快速前进，不断有新的突破。美国的Hyseq公司、Syntexi公司、Nanogen公司、Incyte公司及日本、欧洲各国都积极开展DNA芯片研究工作：摩托罗拉、惠普、IBM等跨国公司也相继投以巨资开展芯片研究。1998年12月Affymefrix公司和 Molecular Dynamics公司宣布成立基因分析协会（Genetic Analysis Technology Consortium）以制定一个统一的技术平台生产更有效而价廉的设备，与此相呼应，英国的Amer． shcem Pharmacia Biotechnology公司也在同一天宣布将提供部分掌握的技术以推动这项技术的应用。美国关于芯片技术召开了2次会议，克林顿总统在会上高度赞赏和肯定该技术，将基因芯片看作是保证一生健康的指南针。预计在今后5年内生物芯片销售可达200-300亿美元：据《财富》杂志预测（97．3），在21世纪，生物芯片对人类的影响将可能超过微电子芯片。

我国芯片技术的研究也紧跟国际前沿．现在以中科院上海冶金所为龙头，与上海原子核所、有机所、生化所、遗传所、肿瘤所、武汉病毒所、上海医科大学、上海市疾病检测ZX、华东师大等单位组成强强联合，在微阵列芯片和基于MEBS的芯片方面有大的突破，在DNA芯片设计、基片修饰、探针固定、样品标记、杂交和检测等方面的技术都有较大的进展，已研制出肝癌基因差异表达芯片、乙肝病毒多态性检测芯片、多种恶性肿瘤病毒基因芯片等有一定实用意义的基因芯片和DNA芯片检测仪样机。中科院上海冶金所等又将在徐元森院士、赵建龙博士等带领下，决心开发重大传染性疾病的诊断芯片及检测设备，如 HBV、HCV、TB3种基因诊断芯片。上海细胞所正在进行人类全套基因组的CDNA阵列和微阵列制备，为我国科研和开发提供一个技术平台，并使之产业化。同时，清华、复旦、东南大学、北京军事医学科学院、华东理工大学、diyi军医大学等单位都在积极进行芯片研究。生物芯片的发展将对我国生命科学研究，医学诊断，新药筛选具有革命性的推动作用，也将对我国人口素质、农业发展、环境保护等作出巨大的贡献，同时带动我国科学整体进步，为各相关高科技产业创造机会。生物芯片技术将成为21世纪Z令人注目的高新技术领域之一，将使人类早日进入生物信息时代。

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2004-08-03 09:01:54

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