生物芯片技术的现状困难与展望

现状

目前基于DNA的生物芯片主要应用在两个方面。一是作为某些疾病的特定基因突变诊断。这方面的主要例子是Affymetrix的GeneChip，它的P53基因芯片用于P53肿瘤抑制基因的多态性检测；HIV基因芯片用于检测HIV-1蛋白酶基因和病毒逆转录酶基因突变；P450基因芯片用于肝脏药物代谢酶的基因检测。Affymetrix还有许多此类基因芯片在开发中，如检测乳腺癌基因的BRAC1，以及用于细菌性病原体检测方面的。另外的例子有Hyseq的HyGnostics模型等。

另一个应用是检测正常细胞和病理细胞内基因表达水平的差异。区别和认识这种细胞内基因表达水平的差异不仅有助于诊断，而且还可能发现那些只有病理细胞才具有的药物靶点。例如在癌变过程中癌基因和原癌基因是处于激活状态的，而在正常细胞中这些基因决不会处于这种状态，仔细分析这些基因会有可能发现新的治疗方法。用于这种基因表达检测的生物芯片有Affymetrix的一系列标准人类，老鼠，酵母等基因芯片以及其合作实验室定制的各种芯片；Hyseq用于心血管疾病和中枢神经系统及感染性疾病的HyX基因分析模型。

除了DNA和RNA芯片外，现在，蛋白芯片也在迅猛发展。最近有论文报导了一种定量PSMA（前列腺膜特异性抗原）检测蛋白芯片，并集成了表面增强激光吸附/电离]光谱测定法。

所面临的一个关键问题就是生物芯片的标准化问题。所有的检验和辅助设备都要通过接口集成，以便将数据整和到现有的设备中去。这一点在基因诊断上显得尤为重要，因为重要的临床依据都是基于基因芯片给出的数据的，所以这些数据就应该与具体生产商无关。致力于这种行业标准化的例子是Affymetrix 和 Molecular Dynamicsr发起的“基因分析技术联盟”（Genetic Analysis Technology Consortium, GATC）。联盟的目标是建立一个基因芯片数据读取和分析的工业化标准。在争论是否加入该联盟时，各公司考虑的主要因素是市场目标：是采用工业标准以使产品能被普通市场接受还是只为用户提供高度个体化的产品。若是选择后者，则他们就不会为标准化而投入大量的时间和资金。

为了占据市场优势，生物芯片技术的研发竞争相当激烈，尤其是在检测和译解生物芯片读出的数据方面。尽管在努力使技术标准化，新的平台技术提供更高的效率。一项新的技术就是所谓的DNA“光学绘图”法。这一方法包括延伸和安装DNA分子到派生出的玻片上，并保存他们在生物化学活性。而且通过酶反应后仍然能读出其序列。当它和适当的测试解释软件组合时，可以达到很好的效果。但是，它是否会成为一个可靠的系统还有待观察。

最后，有人提出光谱测定法是否会成为生物芯片技术的下一个浪潮。现在的芯片都是将生物分子固定排列在芯片上的，而光谱测定法则可以测定电离化标本的分子结构，因此我们现在还不能准确估计两者之间的联系，但是确信将来某些生物芯片检测可以由光谱测定法来完成。

困难

目前，国内外已经有许多从事DNA芯片研究的公司，每家公司的芯片技术都各具特色，应用目的也不尽相同。但要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术仍有一些关键问题亟待解决如(1)基因芯片的特异性的提高；(2)样品制备和标记操作的简化；(3)增加信号检测的灵敏度；(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发。

样品制备上，当前多数公司在标记和测定前都要对样品进行一定程度的扩增以便提高检测的灵敏度，但仍不少人在尝试绕过该问题，这包括Mosaic Technologies公司的固相PCR扩拉体系以及Lynx Therapeutics公司提出大量并行固相克隆方法，两种方法各有优缺点，但目前尚未取得实际应用。

探针的合成与固定比较复杂，特别是对于制作高密度的探针阵列。使用光导聚合技术每步产率不高（95%），难于保证好的聚合效果。应运而生的其它很多方法，如压电打压、微量喷涂等多项技术，虽然技术难度较低方法也比较灵活，但存在的问题是难以形成高密度的探针阵列，所以只能在较小规模上使用。最近我国学者已成功地将分子印章技术应用探针的原位合成而且取得了比较满意的结果（个人通讯）。

目标分子的标记也是一个重要的限速步骤，如何简化或绕过这一步现在仍然是个问题。目标分子与探针的杂交会出现一些问题：首先，由于杂交位于固相表面，所以有一定程度的空间阻碍作用，有必要设法减少这种不利因素的影响。Southern曾通过向探针中引入间隔分子而使杂交效率提高于150倍。其次，探针分子的GC含量、长度以及浓度等都会对杂交产生一定的影响，因此需要分别进行分析和研究。

信号的获取与分析上，当前多数方法使用荧光法进行检测和分析，重复性较好，但灵敏仍然不高。正在发展的方法有多种，如质谱法、化学发光法等。基因芯片上成千上万的寡核苷酸探针由于序列本身有一定程度的重叠因而产生了大量的丰余信息。这一方面可以为样品的检测提供大量的难证机会，但同时，要对如此大量的信息进行解读，目前仍是一个艰巨的技术问题。

展望

生物芯片技术将从其他学科的发展中受益。例如，FHD（flame hydrolysis deposition）技术在电信业以有很多应用，现在它正被应用到生物芯片技术中来。最近有份报告报导了采用FHD技术在不同折射率下沉积硅，使其微观结构改变而能结合芯片上。生物芯片将继续发展成为检测的技术平台。在这个领域的一项进展是高通量的DNA检测分析的RDA技术（representational difference analysis, ）。这项技术可以同时比较两个不同组织标本的cDNA样本。一个例子是比较代谢型和非代谢型癌组织。“去除cDNA文库”（subtracted cDNA library）就是通过这种方法，将一个组织的cDNA减去另一组织的cDNA所组成的。如有人想知道哪些基因是某个代谢型癌细胞所独有的，则就可以通过这个文库用荧光标记探针自动检测基因表达差别，而建立一个高密度的DNA序列。用这种方法来检测Ewing氏恶性肿瘤发现，这种肿瘤的代谢型和非代谢型细胞有90%的基因表达水平相差两倍多。

将来的另一个热点是蛋白芯片。这种芯片可以直接检测蛋白序列，可以用于药物靶点筛选和诊断试验。若将这些芯片和生物传感器相连，则甚至可以用于检测多种酶的催化能力。在生物芯片在蛋白方面的应用正在进行着紧张的研究。目标是要解决芯片对蛋白的三维模型控制问题。

生物芯片也可以扩展其新应用且无须借助新技术。如用于SNPs研究和等位基因突变检测方面。这方面的领域有药物基因组学。

蛋白芯片的另一个应用是高效的检测如SPR(surface plasmon resonance)。最近有人用SPR来检测自体抗体和固定在蛋白芯片上的β2-醣蛋白 I（βα2GPI）间的关系，这种关系和狼疮有关。SPR可以在很低的蛋白浓度水平下进行交互检测，所以其应用潜力很大。

基因芯片技术发展到今天不过短短几年时间，虽然还存在这样或那样的问题，但其在基因表达谱分析、基因诊断、药物筛选及序列分析等诸多领域已呈现出广阔的应用前景，随着研究的不断深入和技术的更加完善基因芯片一定会在生命科学研究领域发挥出其非凡的作用。 从某种意义上我们可以这样认为：基因的结构或种类决定物种；基因的功能或表达则决定生命，即生物的生、老、病、死。基因芯片技术将为我们提供一条认识生命本质的捷径。

一般认为，生物芯片技术的开发与运用将在生物学和医学基础研究、农业、疾病诊断、新药开发、食品、环保等广泛的领域中。随着这一领域的迅速成长，而且已经有值得骄傲的产品出售，生物芯片的商机很大。我们可以相信，生物芯片的发展将可以进行高灵敏度高准确度的实时分析。正像分子DNA技术成为现代生物学的象征一样，生物芯片技术作为新一代生物技术，将从根本上改变目前生物学和生物技术的观念和效率，它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。