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生物芯片技術(shù)的應(yīng)用研究進展
閱讀：5683 發(fā)布時間：2009-9-10生物芯片（biochip）是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點樣等方法,，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片,、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面,，組成密集二維分子排列,，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機（CCD）對雜交信號的強度進行快速,、并行,、地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量,。目前常見的生物芯片主要分為3大類：即基因芯片（Geneehip,， DNAchip，DNAmi croarray）,、蛋白質(zhì)芯片（Proteinchip）,、芯片實驗室（Lab-on-a-chip）等,。
1生物芯片的應(yīng)用
1．1測序
基因芯片利用固定探針與樣品進行分子雜交產(chǎn)生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列．這種測定方法快速而具有十分誘人的前景,。Mark chee等用含135 000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16．6kb的人線粒體基因組序列，準確率達99％,。Hacia等用含有48 000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCAl基因序列差異,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外顯子1l約3．4kb長度范圍內(nèi)的核酸序列同源性為98．2％-83．5％。提示了二者在進化上的高度相似性,。
1．2疾病診斷
基因芯片在感染性疾病,、遺傳性疾病,、重癥傳染病和惡性腫瘤等疾病的臨床診斷方面具有*的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)檢測方法相比,，它可以在一張芯片同時對多個病人進行多種疾病的檢測,，無需機體免疫應(yīng)答反應(yīng)期，能及早診斷,，待測樣品用量?。荒芴禺愋詸z測病原微生物的亞型及變異,；可幫助醫(yī)生及患者從“系統(tǒng),、血管、組織和細胞層次（通常稱之為‘第二階段醫(yī)學(xué)’）”轉(zhuǎn)變到“DNA,、RNA,、蛋白質(zhì)及其相互作用層次（第三階段醫(yī)學(xué)）”上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程,，這些特點使得醫(yī)務(wù)人員在短時間內(nèi)．可以掌握大量的疾病診斷信息,，這些信息有助于醫(yī)生在短時間內(nèi)找到正確的治療措施。
1．3藥物篩選
芯片技術(shù)具有高通量,、大規(guī)模,、平行性等特點可以進行新藥的篩選，尤其對我國傳統(tǒng)的中藥有效成分進行篩選,?；蛐酒瑢τ谒幬锇袠说陌l(fā)現(xiàn)、多靶位同步高通量藥物篩選,、藥物作用的分子機理,、藥物活性及毒性評價方面都有其它方法*的性，能夠從基因水平解釋藥物的作用機理,，可以用基因芯片分析用藥前后機體的不同組織,、器官基因表達的差異，國外幾乎所有的主要制藥公司都不同程度地采用了基因芯片技術(shù)來尋找藥物靶標．查檢藥物的毒性或副作用,。例如,，Kapp U等用包含950個基因探針的基因芯片比較何杰金氏病細胞系L428及KMH2與EB病的B淋巴細胞系LGL-GK的基因表達譜，發(fā)現(xiàn)何杰金氏病源的細胞系中自細胞介素-13（IL-13）及白細胞介素一5（IL-5）表達異常增高,，用IL-13抗體處理何杰金氏病源細胞系可顯著抑制其增殖,，此發(fā)現(xiàn)提示，IL-13可能以自分泌形式促進何杰金氏相關(guān)細胞增殖,IL-13及其信號傳導(dǎo)途徑可能成為何杰金氏病治療及藥物篩選的新靶點,。芯片用于大規(guī)模的藥物篩選研究可以省略大量的動物試驗,，縮短藥物篩選所用時間，這可大大節(jié)省新藥開發(fā)經(jīng)費,，并且可對由于不良反應(yīng)而放棄的藥物進行重新評價,，選取可適用的患者群,，實現(xiàn)個性化治療。Michael Wilson等使用包含有肺結(jié)核桿菌基因組PRF的97％的序列的基因芯片,，對應(yīng)用抗結(jié)核桿菌藥物異煙肼誘導(dǎo)前后表達的變化,，結(jié)果證明肺結(jié)核桿菌中脂肪酸合成酶Ⅱ、FbpC,、ef- pA,、fadE23、fadE24和基因發(fā)生改變與耐藥性有關(guān),，并為新藥物作用的靶目標研究及指導(dǎo)抑制這些靶目標試劑和藥物的合成提供指導(dǎo)問,。研究各種藥物對不同基因的作用，從而在劑量和成分搭配上做到無誤,。相信在不久的將來,，藥品說明書上的適用癥和禁忌癥都會改為適用基因型和禁忌基因型，使得藥品更加針對不同個體的不同疾病,，達到療效更佳,、副作用更小的目的。
1．4個性化給藥
臨床上．同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用,，而對病人丙則可能有副作用,。在藥物療效與副作用方面，病人的反應(yīng)差異很大,。這主要是由于病人遺傳學(xué)上存在差異,，如藥物應(yīng)答基因，導(dǎo)致對藥物產(chǎn)生不同的反應(yīng),。例如細胞色素P450酶與大約25％廣泛使用的藥物的代謝有關(guān),，如果病人該酶的基因發(fā)生突變就會對降壓藥異喹胍產(chǎn)生明顯的副作用．5％～10％的高加索人缺乏該酶基因的活性。現(xiàn)已弄清楚這類基因存在廣泛變異,，這些變異除對藥物產(chǎn)生不同反應(yīng)外,，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關(guān),。如果利用基因芯片技術(shù)對患者行診斷,，再開處方，就可對病人實施個體優(yōu)化治療,。另一方面,，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的,，用藥也應(yīng)因人而異,。例如現(xiàn)用于治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉(zhuǎn)錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑,，但在用藥3-12月后常出現(xiàn)耐藥,，其原因是rt,、pro基因產(chǎn)生一個或多個點突變。Rt基因4個常見突變位點是Asp67--*Asn,、 Lys70→ATg,、hr215→Phe、Tyr和Lv6219→Glu,4個位點均突變較單一位點突變后對藥物的耐受能力成百倍增加,。如將這些基因突變部位的全部序列構(gòu)建為DNA芯片,，則可快速地檢測病人是哪些基因發(fā)生突變，從而對癥下藥,，所以對指導(dǎo)治療和預(yù)后有很大的意義,。
1．5預(yù)防醫(yī)學(xué)
在嬰兒出生前，可用生物芯片進行有效的產(chǎn)前篩查和診斷,，防止患有先天性疾病的嬰兒出生,。而在嬰兒出生后，即可采用基因芯片技術(shù)來分析其基因圖譜．不僅可預(yù)測出他日后可以長多高,，還可預(yù)測其患某些疾病的潛在可能性有多大,，以便采取預(yù)防措施。
2 生物芯片國外發(fā)展現(xiàn)狀及我國前景展望
自從1996年美國Affymetrix公司成功地制作出世界上*用于藥物篩選和實驗室試驗用的生物芯片,，并制作出芯片系統(tǒng),，此后世界各國在芯片研究方面快速前進，不斷有新的突破,。美國的Hyseq公司,、Syntexi公司、Nanogen公司,、Incyte公司及日本,、歐洲各國都積極開展DNA芯片研究工作：摩托羅拉、惠普,、IBM等跨國公司也相繼投以巨資開展芯片研究,。1998年12月Affymefrix公司和 Molecular Dynamics公司宣布成立基因分析協(xié)會（Genetic Analysis Technology Consortium）以制定一個統(tǒng)一的技術(shù)平臺生產(chǎn)更有效而價廉的設(shè)備，與此相呼應(yīng),，英國的Amer． shcem Pharmacia Biotechnology公司也在同一天宣布將提供部分掌握的技術(shù)以推動這項技術(shù)的應(yīng)用,。美國關(guān)于芯片技術(shù)召開了2次會議，*總統(tǒng)在會上高度贊賞和肯定該技術(shù),，將基因芯片看作是保證一生健康的指南針,。預(yù)計在今后5年內(nèi)生物芯片銷售可達200-300億美元：據(jù)《財富》雜志預(yù)測（97．3），在21世紀,，生物芯片對人類的影響將可能超過微電子芯片,。
我國芯片技術(shù)的研究也緊跟前沿．現(xiàn)在以中科院上海冶金所為，與上海原子核所,、有機所,、生化所,、遺傳所、腫瘤所,、武漢病毒所,、上海醫(yī)科大學(xué)、上海市疾病檢測中心,、華東師大等單位組成強強聯(lián)合,，在微陣列芯片和基于MEBS的芯片方面有大的突破，在DNA芯片設(shè)計,、基片修飾,、探針固定、樣品標記,、雜交和檢測等方面的技術(shù)都有較大的進展,，已研制出肝癌基因差異表達芯片、乙肝病毒多態(tài)性檢測芯片,、多種惡性腫瘤病毒基因芯片等有一定實用意義的基因芯片和DNA芯片檢測儀樣機,。中科院上海冶金所等又將在徐元森院士、趙建龍博士等帶領(lǐng)下,，決心開發(fā)重大傳染性疾病的診斷芯片及檢測設(shè)備,，如 HBV、HCV,、TB3種基因診斷芯片,。上海細胞所正在進行人類全套基因組的CDNA陣列和微陣列制備，為我國科研和開發(fā)提供一個技術(shù)平臺,，并使之產(chǎn)業(yè)化,。同時，清華,、復(fù)旦,、東南大學(xué)、北京軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院,、華東理工大學(xué),、*軍醫(yī)大學(xué)等單位都在積極進行芯片研究。生物芯片的發(fā)展將對我國生命科學(xué)研究,，醫(yī)學(xué)診斷,，新藥篩選具有革命性的推動作用，也將對我國人口素質(zhì),、農(nóng)業(yè)發(fā)展,、環(huán)境保護等作出巨大的貢獻，同時帶動我國科學(xué)整體進步，為各相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造機會,。生物芯片技術(shù)將成為21世紀zui令人注目的高新技術(shù)領(lǐng)域之一,，將使人類早日進入生物信息時代。