基因芯片在临床上的应用

互联网2013-11-14

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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治疗措施。众所周知，肿瘤和遗传疾病发生的根本原因是由于遗传物质发生了改变，检测基因突变对于阐明肿瘤及遗传病的分子机制、疾病的早期诊断具有重要意义。目前， Affymetrix 公司已开发出 P53 基因芯片，是将已知 P53 基因全长序列和已知突变的探针固定在芯片上，这将有助于恶性肿瘤的早期诊断。华盛顿大学的分子生物学系与病理系联合研究了卵巢癌中基因表达谱的变化，他们将 5766 个基因探针固定于芯片上，其中 5376 个分别选自卵巢癌、卵巢表面上皮细胞及正常卵巢的 cDNA 文库，另外还有 342 个来自 EST 克隆，包括一些已知确定的管家基因、细胞因子和因子受体基因、生长因子和受体基因、与细胞分裂相关的基因以及新近确定的肿瘤相关基因，找出在卵巢癌组织中过度表达的 30 个有 GenBank 收录的基因，如高表达的有 CD9(GenBank 录入号： M38690) 、 Epithelial glycoprotein (GenBank 录入号： M32306) 、 P27 （ GenBank 录入号： X67325 ）等，这证明了利用基因芯片分析复杂生物体系中分子变化的可行性。又如， Hacia 等在 <chmetcnv>1.28 cm </chmetcnv> ×<chmetcnv>1.28 cm</chmetcnv> 的芯片上固定了 9.66×104 个长度为 20 nt 的寡核苷酸探针，用于检测乳腺癌基因 BRCA1 的 exon11 (3.45 kb) 中所有可能的碱基置换、插入和缺失 (1 ～ 5 bp) 突变。在 15 例患者样品中，发现有 14 例有基因突变，类型包括点突变、插入及缺失等；在 20 例对照样品中均未检出假阳性结果。又如， Heller 等采用基因表达谱芯片研究了类风湿关节炎、肠炎基因的特征性表达活性，发现已知炎症相关基因，如肿瘤坏死因子、白介素和粒细胞集落刺激因子在组织中有表达。还发现一些以前未知的与炎症相关基因的表达，如人基质金属弹性蛋白酶 (human matrix metallo-elastase) 和黑素瘤生长刺激因子 (melanoma growth stimulatory factor) 。同时，与一个来自外周血基因文库的 1046 个 cDNA 克隆的阵列作这两种病变状态基因差异表达的比较，发现在类风湿关节炎组织中金属蛋白酶组织抑制物 1 ，铁蛋白轻链和锰超氧化物歧化酶表达明显升高 。通过该研究，确定了许多基因与这两种病变的关系，为探讨基因芯片在诊断感染性疾病方面提供了新的思路。现在，肝炎病毒检测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等多种芯片已面市，相信不久的将来，会有更多的基因芯片用于临床。

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白细胞介素 -13 （ IL-13 ）及白细胞介素 -5 （ IL-5 ）表达异常增高，用 IL-13 抗体处理何杰金氏病院源细胞系可显著抑制其增殖，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治疗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，实现个性化治疗。 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 、 efpA 、 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抑制这些靶目标试剂和药物的合成提供指导。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，达到疗效更佳、副作用更小的目的。

指导用药及治疗方案

种族、个体等因素都会导致遗传背景的差异，临床上，同样剂量的药物对于不同患者在药物疗效与副作用方面会有很大差异，如果利用基因芯片技术对患者进行诊断再开处方，就可以对患者实施个体化治疗。疾病一般不是由单个基因引起的， 在治疗中很多同种疾病的具体病因是因人而异的，所以用药也因人而异，例如，现用于治疗 ADIS 的药物主要是病毒逆转录酶 RT 和蛋白酶 PRO 的抑制剂，但在用药 3-12 个月后常出现耐药，其原因是 rt 、 pro 基因产生一个或多个点突变，对药物的耐受能力成倍增加，如果将这些基因突变部位的全部序列构建为 DNA 芯片，则可快速地检测患者是哪些基因发生突变，从而可对症施药，指导临床治疗和预后。传统的中医药讲究的是整体治疗观，在中药基因组学和中药化学组学中，多成分、多靶点治疗是基点，关键就是分析出成分谱与活性谱，实现精确筛选和配置。

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。