基因芯片技术应用研究进展

基因芯片（gene chip）是近年发展起来的一种新型实用的高新生物技术，已成为目前国际上生命科学研究的热点之一。其突出特点是具有高度的并行性、多样性、微型性和自动化，已成为高效、快速、大规模获取相关生物信息的重要手段。利用该技术可在数分钟至几小时内完成传统分子生物学方法要数月甚至数年才能完成的几万次至几十万次的基因分析实验。目前基因芯片技术已在疾病诊断、发病机制及疾病易感性研究、药物设计与筛选、基因表达分析、基因突变及多态性分析等许多领域日益显示出其重要的理论和实际应用价值及巨大的社会效益与经济效益。本文就基因芯片技术在医药领域的应用研究进展予以综述。

1、基因芯片技术的出现

基因芯片又DNA芯片（DNA chip），DNA列阵（DNA array）、DNA集微芯片（DNA microchip）或寡核苷酸列阵（oligonucleotide array）等。由于常用硅芯片等做支持物，且在制作过程中运用了计算机芯片技术，故称为基因芯片。随着人类基因组计划的逐步深入，越来越多的基因序列被测定，随之出现的课题就是要确定不同基因的具体功能（后基因组计划）。而要确定如此庞大的基因群的功能，传统的核酸杂交技术如Southern blot与Northern blot等就显得效率十分低下，因而使研究人员面临巨大的压力。故建立一种高效、快速、准确、自动化的基因分析系统，就成为后基因组研究中迫切需要解决的课题。早在80年代初，根据计算机芯片制作原理，就有人提出将寡核苷酸分子作为探针并集成在硅芯片上的设想，但直到90年代Fodo等才研制出基因芯片。自此以后，基因芯片技术获得了迅速发展。

2、基因芯片的制作原理与检测方法

基因芯片技术是利用核酸分子杂交原理与微电子技术相结合而形成的一种高新生物技术。其制作过程实际上就是将大量已知序列的DNA探针，采用特殊方法固定在厘米见方的硅芯片或玻片上，从而获得一高密度（目前探针密度可达6.5万～60万/cm2）的DNA探针列阵。所有的基因芯片制作与检测技术包括4个基本要点：DNA探针列阵的构建、待测样品的准备、杂交及杂交信号的检测分析。其中最关键的是DNA探针列阵的构建与杂交信号的检测分析。目前DNA探针列阵的构建方法主要有两种策略：即直接在芯片上进行的寡核苷酸探针原位合成法（in situ synthseis）与芯片外（off-chip）的探针合成法。

原位合成法又分为光蚀刻法（photolithograpgy）与压电打印法（piezoeletric printing）。基因芯片的杂交与检测分析的一般步骤为：将待测样品（DNA或RNA）用荧光或其它方法标记后作为靶分子，与基因芯片上的探针列阵杂交。由于在基因芯片列阵中某一特定位置上的核苷酸序列是已知的，所以对微列阵每一位点的荧光强度进行检测，即可对样品的遗传信息进行定性定量分析。杂交信号常用激光共聚焦扫描显微镜检测，并用专用软件记录分析后直接给出检测结果。传统的核酸杂交方法一次只能检测一个或几个样品，一般需要一天甚至更长，而基因芯片将数十万组探针集成在一块缩微芯片上，故一次可对大量生物样品信息进行杂交检测分析。目前杂交速度已可缩短至数分甚至几秒，极大地提高了实验效率。

3、基因芯片技术的应用

基因芯片技术作为一个生物技术平台将会在生命科学的许多领域得到广泛的应用。在医药领域的应用极为广泛，目前主要应用于以下几个方面。

3.1 疾病的诊断与药物治疗 疾病诊断是基因芯片最具有商业价值的应用之一。人类的许多疾病与遗传基因密切相关，而导致疾病发生的基因可能会有数个至数百个与疾病性状相关联的特定突变。同时，在任何一个细胞中，都有成千上万的基因在表达，而细胞间基因表达的差异往往能反映出这些细胞发育是正常还是异常。这就要求有同时能平行地检测这些突变及各种基因表达差异的有效方法。基因芯片技术恰好能满足这种要求。

利用基因芯片技术可对疾病作快速、简便、高效、准确地分析而得出病变信息：DNA突变发生在何部位？属于什么样的序列突变？基因表达有何异常？得出正确的诊断后，即可根据病变的靶序列或靶蛋白设计相应的的药物，以改变靶序列的表达情况从而达到治疗疾病的目的。目前利用基因芯片进行诊断的疾病主要有4类，即传染性疾病、遗传性疾病、肿瘤与药物代谢疾病等。如在人类所患肿瘤中，有50%以上都是由P53基因突变所致，目前Affymetric公司已研制出P53基因芯片，用于肿瘤的早期诊断及肿瘤易感性的判断。此外，尚有检验HIV的芯片及有无药物代谢缺乏症的CytP450芯片等。

3.2 基因表达的检测与分析 随着人类基因组计划的顺利进行，越来越多的能够表达的功能基因以及能引起疾病和能预测疾病发生的各种突变逐渐被人们认识，进而人们就要研究在特定组织中、发育的不同阶段或疾病的不同时期这些基在人类基因组中，大约只有3%左右的序列（功能基因）能表达，如果直接用传统的杂交方法来研究人类基因组（30亿bp）中功能基因的情况，将相当费时费力而几乎成为不可能。而用基因芯片可直接检测表达序列而不会与非编码序列反应，改变了以前孤立的研究单个基因在某个特定位置、特定时间的表达情况，极大地提高了实验效率。通常测定一个基因的表达情况约需20个探针，故一个基因芯片可平行检测1万个基因的表达情况，即一次芯片杂交实验中可获得相当于60万余次传统Northern杂交中获得的关于基因表达的信息。Holstege、Iyer等已成功地利用DNA芯片分别测定了酵母细胞、人成纤维细胞的基因表达情况。另外，肿瘤细胞不同阶段的基因表达程度也已有研究。由于基因表达直接涉及到功能基因，因而成为目前基因芯片技术研究中的一个热点，并有可能使科学家们能够监测一个细胞乃至整个组织中所有基因的行为。

3.3 基因多态性与药物基因组的研究 同一物种不同种群和个体之间，有许多不同的基因型。这种不同与个体的不同性状和多种遗传病有密切的关系。通过对大量具有不同性状的个体的基因型进行比较，就可得出基因与性状的关系。但由于大多数性状和遗传性疾病是由多个基因同时决定的，因此分析十分困难。而基因芯片技术恰好解决了这一问题。利用其可以同时与数千甚至更多的基因反应的特性，就可以分析基因组中不同基因与性状或疾病的关系。目前，利用基因芯片技术，许多技术领先的实验室在已知基因序列与疾病相关的研究方面，已从研究疾病的起因向探索其发病机制转移，从疾病的诊断向疾病的易感性研究转移。另一方面，基因多态性与药物治疗有密切的关系。不同的病人对同一种药物有不同的反应，是一直困挠临床的问题。现已明确，这些差异是由基因多态性引起的，即药物反应的遗传多态性。其可表现为药物代谢酶的多态性、药物转运的多态性、药物受体及药物标靶的多态性等。这些多态性的存在都有可能导致许多药疗中药物的药效和毒副作用的个体差异。为研究这些多态性差异，需要高通量、高灵敏度、高特异性且极为有效的差异检测方法。而这正是基因芯片的特点。利用该技术不仅可以检测药物反应多态性的基因差异，从而根据病人的基因组特征优化药疗方案，减少药疗的费用与风险；同时还可“钓出”药物应答基因，在基因水平上设计药物，避免病人服用低效、无效、甚至有毒副作用的药物，使处方个性化，从而结束单一处方的时代。

4、展望

由于基因芯片技术的在医药领域的众多用途及其巨大的商业发展前景，各国政府都投入了大量资金进行研究，使基因芯片技术进展十分迅速并取得了长足的进步。目前存在的主要问题是芯片制作与分析系统的价格较昂贵，使其实际应用受到一定限制。另外，如何进一步提高芯片探针密度，也是目前研究的热点。尽管还面临一些问题，但随着现代微制造技术和纳米技术的进展，基因芯片技术在容纳更多信息的同时已日趋微型化，人体所有的约3万多个功能基因可有望集成在一块厘米见方甚至更小的芯片上。可以相信在不久的将来，基因芯片将会在生命科学领域带来一次新的技术革命。