生物芯片及其应用

1、生物芯片简介

生物芯片（biochip）是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速与大信息量的检测。

常用的生物芯片分为三大类：基因芯片（Genne chip，DNA chip，DNA microarray）、蛋白质芯片（Potein chip）和芯片实验室（Lab-on-a-chip）。生物芯片的主要特点是高检测量、微型化和自动化。

基因芯片又称基因微阵列（Gene Array），是生物芯片研究中最先实现商品化的产品。它有许多不同的名字，如Gene chip，DNA chip，DNA array，microarray and macroarray等等。

通常Gene chip，DNA chip，microarray多指点阵密集度很高的玻片基质的微阵列（microarray有时也用来指点阵密集度很高的胶膜芯片），而macroarray则多指点阵密集度较低的尼龙膜基因微阵列。Gene chip则已经被Affymetrix公司注册专利，特指该公司的产品系列。

生物芯片技术是融微电子学、生物学、物理学、化学和计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。

由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（Southern Blotting和Northern Blotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的的分子数量少、低检测量（low through-put）等不足。

而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序（sequencing）等。根据芯片上固定的探针不同，生物芯片又分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。

另外根据原理还元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片以及生物传感芯片等新型生物芯片。

2、生物芯片技术流程

生物芯片技术不仅能够提供极为丰富的信息，而且使用芯片的流程也不复杂。主要包括四个基本要点：芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子反应和信号的检测及分析。

首先是准备好芯片和待检测样品。采用光导原位合成或微量点样等方面，将大量生物大分子如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶或尼龙膜等载体）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。

如果是检测表达谱，就需要从待检测样品mRNA或者total RNA中制备cDNA探针，与芯征杂交；如果是SNP检测，则需要从待检测样品GenomicDNA中通过PCR制备探针。芯片杂交属于固-液相杂交，与常规的Southern杂交相似，经过高严谨度的洗涤后进行结果检测。

制作者需要根据探针标记分子的种类和芯片的规格来选择检测方法。对于Macroarrayg 一类的胶膜芯片，可选择同位素标记、化学发光法标记，检测时需要X光片压片曝光-显影-扫描记录，再选用相应的软件进行数据分析。

条件较好的实验室也可以选用磷屏成像系统代替X光片，直接成像并进行定量分析。通过比较芯片上相同位置上的基因（即同一基因）在不同样品的杂交信号，就可以得到这一基因在不同样品中的表达信息。对于Microarray一类的玻离片基芯片，通常使用的标记方法是荧光标记，通过特殊的芯片扫描仪扫描和相应的软件进行数据分析。

3、生物芯片应用前景

3.1 疾病诊断

与传统方法相比，生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特的优势，它可以在一张芯片同时对多个患者进行多种疾病的检测。仅用极小量的样品，在短时间内，即可为医务人员提供大量的疾病诊断信息。这些信息有助于医生在短时间内作出正确的治疗措施。

例如对肿瘤、糖尿病和传染疾病等常见病和多发病的临床检验及健康人群检查，均可以应用生物芯片技术。今后人们可以拥有个人化验室，无论在地球任何地方，随时都可以对自己的健康状况进行监测。

3.2  药物筛选

目前国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了生物芯片技术，应用生物芯片来寻找药物靶标，检查药物的毒性或副作用。用芯片作大规模的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，从而带动创新药物的研究和开发。

3.3 基因测序

大规模基因测序是人类基因组计划面临的首要任务，它涉及到基因多态性、突变或缺失的检测。现在已可在1.28平方厘米生物芯片上，用分子探针检测32Kb至几百Kb区域中任何区段，这对检测和诊断患者是一个基因还是多个基因突变，指导治疗和预后具有十分重要意义。

在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育选以及公司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化，为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台。总之生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业和环境科学等，凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。