一、簡介

生物芯片（biochip）是指采用光導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。由于常用玻片/硅片作為固相支持物,，且在制備過程模擬計算機芯片的制備技術(shù),，所以稱之為生物芯片技術(shù)。根據(jù)芯片上的固定的探針不同,，生物芯片包括基因芯片,、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片,、組織芯片,，另外根據(jù)原理還有元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片,。如果芯片上固定的是肽或蛋白,，則稱為肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探針或DNA,，就是DNA芯片,。由于基因芯片（Genechip）這一專有名詞已經(jīng)被業(yè)界的*Affymetrix公司注冊，因而其他廠家的同類產(chǎn)品通常稱為DNA微陣列（DNA Microarray）,。這類產(chǎn)品是目前zui重要的一種,，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分,，包括二種模式：一是將靶DNA固定于支持物上,，適合于大量不同靶DNA的分析，二是將大量探針分子固定于支持物上,，適合于對同一靶DNA進行不同探針序列的分析,。

生物芯片技術(shù)是90年代中期以來影響zui深遠的重大科技進展之一，是融微電子學,、生物學、物理學,、化學,、計算機科學為一體的高度交叉的新技術(shù)，具有重大的基礎研究價值,，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景,。由于用該技術(shù)可以將極其大量的探針同時固定于支持物上，所以一次可以對大量的生物分子進行檢測分析,，從而解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技術(shù)復雜,、自動化程度低、檢測目的分子數(shù)量少,、低通量（low through-put）等不足,。而且，通過設計不同的探針陣列,、使用特定的分析方法可使該技術(shù)具有多種不同的應用價值,，如基因表達譜測定、突變檢測,、多態(tài)性分析,、基因組文庫作圖及雜交測序（Sequencing by hybridization, SBH）等，為"后基因組計劃"時期基因功能的研究及現(xiàn)代醫(yī)學科學及醫(yī)學診斷學的發(fā)展提供了強有力的工具,，將會使新基因的發(fā)現(xiàn),、基因診斷、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破,，為整個人類社會帶來深刻廣泛的變革,。該技術(shù)被評為1998年度世界科技進展之一。

二,、應用領(lǐng)域

1 基因表達水平的檢測

用基因芯片進行的表達水平檢測可自動,、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。Schena等采用擬南芥基因組內(nèi)共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為*序列,，31個為EST）,，檢測該植物的根、葉組織內(nèi)這些基因的表達水平,，用不同顏色的熒光素標記逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后分別與該微陣列雜交,，經(jīng)激光共聚焦顯微掃描，發(fā)現(xiàn)該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異,，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高500倍,。Schena等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構(gòu)建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養(yǎng)的T細胞對熱休克反應后不同基因表達的差異,，發(fā)現(xiàn)有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達,，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結(jié)果還用熒光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實,。在HGP完成之后,，用于檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組芯片為期不遠了,。

2 基因診斷

從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標準圖譜,。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較,、分析這兩種圖譜,，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速,、,、敏感、經(jīng)濟,、平行化,、自動化等特點，將成為一項現(xiàn)代化診斷新技術(shù),。例如Affymetrix公司,，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片,，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用,。又如,，Heller等構(gòu)建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析風濕性關(guān)節(jié)炎（RA）相關(guān)的基因,，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應用?，F(xiàn)在，肝炎病毒檢測診斷芯片,、結(jié)核桿菌耐藥性檢測芯片,、多種惡性腫瘤相關(guān)病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進入市場?；蛟\斷是基因芯片中有商業(yè)化價值的應用,。

3 藥物篩選

如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)的西藥開發(fā)遇到的重大障礙，基因芯片技術(shù)是解決這一障礙的有效手段,，它能夠大規(guī)模地篩選,、通用性強，能夠從基因水平解釋藥物的作用機理,，即可以利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。如果再c DNA表達文庫得到的肽庫制作肽芯片,，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質(zhì),。還有，利用RNA,、單鏈DNA有很大的柔性,，能形成復雜的空間結(jié)構(gòu)，更有利與靶分子相結(jié)合,，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育,，形成蛋白質(zhì)-RNA或蛋白質(zhì)-DNA復合物,，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術(shù)和RNA庫的結(jié)合在藥物篩選中將得到廣泛應用,。在尋找HIV藥物中,，Jellis等用組合化學合成及DNA芯片技術(shù)篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結(jié)構(gòu)的抑制物,，實驗表明,，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術(shù)使得藥物篩選,，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高,，成本大大降低?；蛐酒幬锖Y選技術(shù)工作目前剛剛起步,，美國很多制藥公司已開始前期工作,，即正在建立表達譜數(shù)據(jù)庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段,。這一技術(shù)具有很大的潛在應用價值,。

4 個體化醫(yī)療

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，病人的反應差異很大,。這主要是由于病人遺傳學上存在差異（單核苷酸多態(tài)性,，SNP），導致對藥物產(chǎn)生不同的反應,。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，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性?，F(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)對患者先進行診斷，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,，用藥也應因人而異。例如乙肝有較多亞型,，HBV基因的多個位點如S,、P及C基因區(qū)易發(fā)生變異。若用乙肝病毒基因多態(tài)性檢測芯片每隔一段時間就檢測一次,，這對指導用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義,。又如，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基因四個常見突變位點是Asp67→Asn,、Lys70→Arg、Thr215→Phe,、Tyr和Lys219→Glu,四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這一個或那一個或多個基因發(fā)生突變，從而可對癥下藥,，所以對指導治療和預后有很大的意義,。

5 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135000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48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外顯子11約3.4kb長度范圍內(nèi)的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間,，提示了二者在進化上的高度相似性。據(jù)未經(jīng)證實的報道,，去年有一種不成熟的生物芯片在15分鐘內(nèi)完成了1.6萬個堿基對的測定,，96個這樣的生物芯片的平行工作，就相當于每天1.47億個堿基對的分析能力!

6 生物信息學研究

人類基因組計劃（HGP）是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃,。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能,，只有知道其功能才能真正體現(xiàn)HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。后基因組計劃,、蛋白組計劃,、疾病基因組計劃等概念就是為實現(xiàn)這一目標而提出的?；虻墓δ懿⒉华毩⒌?一個基因表達的上調(diào)或者下調(diào)往往會影響上游和下游幾個基因表達狀態(tài)的改變,，從而進一步引起和這幾個基因相關(guān)的更多基因的表達模式的改變?；蛑g的這種復雜的相互作用組成了一張交錯復雜的立體的關(guān)系網(wǎng),。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經(jīng)遠遠不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關(guān)系,，全面了解不同個體基因變異,、不同組織、不同時間,、不同生命狀態(tài)等的基因表達差異信息，并找出其中規(guī)律,。生物信息學將在其中扮演至關(guān)重要的角色,。基因芯片技術(shù)就是為實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的,，使對個體生物信息進行高速,、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學研究中的一個重要信息采集和處理平臺,，成為基因組信息學研究的主要技術(shù)支撐,。比如研究基因生物學功能的方式是監(jiān)測基因在不同組織,、不同發(fā)育階段、不同健康狀況下在機體中活性的變化,。這是一項非常麻煩的工作,，但基因芯片技術(shù)可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內(nèi)獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到,。

由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內(nèi),人類將測出所有物種的"基因圖譜",。因此,類似如人類基因組計劃的上調(diào)或者下調(diào)往往會影響上游和下游幾個基因表達狀態(tài)的改變，從而進一步引起和這幾個基因相關(guān)的更多基因的表達模式的改變,?；蛑g的這種復雜的相互作用組成了一張交錯復雜的立體的關(guān)系網(wǎng)。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經(jīng)遠遠不夠了,，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關(guān)系,，全面了解不同個體基因變異、不同組織,、不同時間,、不同生命狀態(tài)等的基因表達差異信息，并找出其中規(guī)律,。生物信息學將在其中扮演至關(guān)重要的角色,。基因芯片技術(shù)就是為實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的,，使對個體生物信息進行高速,、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學研究中的一個重要信息采集和處理平臺,，成為基因組信息學研究的主要技術(shù)支撐,。比如研究基因生物學功能的方式是監(jiān)測基因在不同組織、不同發(fā)育階段,、不同健康狀況下在機體中活性的變化,。這是一項非常麻煩的工作，但基因芯片技術(shù)可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式,，幾周內(nèi)獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到,。

由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內(nèi),人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此,類似如人類基因組計劃的基因研究和生物信息產(chǎn)業(yè),還僅僅是一個起步,，其將來的發(fā)展前景是無法估量的,。生物芯片作為生物信息學的主要技術(shù)支撐和操作平臺，其廣闊的發(fā)展空間就不言而喻,。

在實際應用方面,，生物芯片技術(shù)可廣泛應用于疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜,、藥物篩選,、中藥物種鑒定,、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定,、食品衛(wèi)生監(jiān)督,、環(huán)境檢測、國防等許多領(lǐng)域,。它將為人類認識生命的起源,、遺傳、發(fā)育與進化,、為人類疾病的診斷,、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設計和藥物開發(fā)中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學研究提供技術(shù)支撐平臺,，這從我國99年3月國家科學技術(shù)部剛起草的《醫(yī)藥生物技術(shù)“十五”及2015年規(guī)劃》中便可見一斑：規(guī)劃所列十五個關(guān)鍵技術(shù)項目中,，就有八個項目（基因組學技術(shù)、重大疾病相關(guān)基因的分離和功能研究,、基因藥物工程,、基因治療技術(shù)、生物信息學技術(shù),、組合生物合成技術(shù),、新型診斷技術(shù)、蛋白質(zhì)組學和生物芯片技術(shù)）要使用生物芯片,。生物芯片技術(shù)被單列作為一個專門項目進行規(guī)劃,。總之,，生物芯片技術(shù)在醫(yī)學,、生命科學、藥業(yè),、農(nóng)業(yè),、環(huán)境科學等凡與生命活動有關(guān)的領(lǐng)域中均具有重大的應用前景。