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生物芯片应用与发展

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2011年9月 热带农业科学 第3l卷第9期 Sep.2011 CHINESE JOURNAL OF TROPICAL AGRICULTURE Vo1.31,No.9 生物芯片应用与发展① 张雯龙 ,2)② 潘连富 ) (1广西农业科学院微生物研究所 广西南宁530007 2广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室 广西南宁530007) 摘要生物芯片具有高通量、高信息量、快速、所需样品少等优点,已经成为科学研究的热点之一。本文介 绍生物芯片的概念,并综述4种生物芯片的主要应用领域及应用现状,同时分析生物芯片技术中存在的问题。 尽管生物芯片受到很多相关技术的制约,但仍具有非常广阔的应用前景。 关键词 生物芯片;基因芯片;蛋白质芯片;组织芯片;芯片实验室 分类号R318 Application and Development of Bio-chip ZHANG Wenlong PAN Lianfu (1 Microbiology Research Institute,Guangxi Academy of Agriculture Science, Nanning,Guangxi 530007; 2 Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Lab,Nanning,Guangxi 530007) Abstract Biochip technology is a hi throughput,large information,rapid and need less samples technique and has been one of the hotspot science studies.The basic concept,main classiifcation and basic theory are summarized.This paper also discussed the application of four kinds of chips biochip.Then we analyze the existed problem.Although there ale some restrictions,biochip has broad applications. Keywords biochip;DNA chip;protein chip;tissue microarray;lab—on-chip 1991年Fordor首先提出了DNA芯片的概念[1] 生物芯片是指将生物大分子或细胞等高密度 1995年美国斯坦福大学P.0.Brown实验室制作出 的、有序的固定于某种载体上所形成的微型检测器 第一块以玻璃为载体的基因微矩阵.并将这种由高 件.通过特异分子间相互作用将待测样品标记后与 速自动化制成的DNA微阵列用于相应基因表达量的 生物芯片反应.待样品与之结合后通过各种检测手 测量_2]。近年来.人们将DNA芯片的概念延伸.又 段获取信息,经计算机处理分析得到样品的信息。 形成了以DNA芯片为代表的生物芯片的概念.由于 理论上.几乎所有种类的生物分子都可作为芯片上 生物芯片打破了传统方法.使许多反应过程能在芯 的探针。目前常见的生物芯片主要分为:基因芯片 片上完成,并且具有高通量、高信息量、快速、样 (gene chip)、蛋白质芯片(protein chip)、组织芯片 品用量少等优点.满足了人类对大量基因研究和应 (tissue micmarrav.TMA)和芯片实验室(1ab-on— 用的迫切需求.因此.在1998年被评为世界十大 chip)。其中基因芯片、蛋白质芯片以及组织芯片的 科技突破之一。此后短短几年中.该技术发展迅 原理相同_3],都是利用分子间的特异性结合.只是 速.目前世界上已有几百所机构在进行研究及生产 基因芯片的样品是寡核苷酸片段或基因片段.而蛋 生物芯片.随着技术的发展.生物芯片必将成为基 白质芯片的样品是各种蛋白质.组织芯片的样品是 因组研究中最基本的实验手段 个体的临床组织标本 基因芯片、蛋白质芯片和组 ①基金项目:广西农业科学院基本科研业务专项(No.2011YM18)。 收稿日期:201卜08—02;责任编辑/黄东杰;编辑部E-mai1:rdnk@163.com。 ②张雯龙(1981 ̄),男,硕士,研究实习员,研究方向为生物防治和应用微生物的研究。 一27— 2011年9月 热带农业科学 第31卷第9期 织芯片均是将传统的多个实验集成在一个实验中完 成.但整个实验仍需要分步完成:微流体芯片却不 同.它不仅能将同一实验的多个步骤集成到一步完 成.还能将多种实验集成在一个实验中完成. 片 实验室是微流体芯片的高级形式.是将整个生物实 验室集约到一张芯片上.即芯片实验室是生物芯片 技术发展的最终目标 1 生物芯片的应用领域 自动化是l9世纪和20世纪发展的重要动力之 一.并将在21世纪继续发挥其重要的作用.因此. 它在科学研究方面也占有越来越大的比重 如工厂 化的生产技术使人类基因组测序成为现实.目前现 代药物发现最成功的例子也是依赖于高通量的自动 化筛选 生物芯片的发展随着人类基因组计划的启 动和实施应运而生.为了满足人类对高度自动化的 迫切需求而发明.它的运用将提供更多更重要的数 据信息 1.1 基因芯片的应用 目前,运用最广、技术最成熟且已形成一定商 业市场的是基凶芯片¨3] 基凶芯片主要运用于基因 组研究和医学两个方面 1.1.1 基因组研究方面 Schena ̄ 首先运用cDNA微阵列研究拟南芥的 基凶表达方式.而后利用芯片方法从全基因组水平 研究病毒基因的转录图谱和表达模式.分为体内和 体外转录两部分.并采用蛋白合成抑制剂和DNA复 制抑制剂将病毒的转录过程成功的分成3个部分. 从而达到研究的日的_4] 南此可见.基因芯片可用 于基L大J表达方式的探测.从而更深入地揭示生命活 动过程的精细机制:可快速的搜索单核苷酸多态性 (SNP).并进行全面有效的检测:可进行物种基因 组的快速测序;由于其占用空间少、快速、稳定的 优点.可建立物种的DNA或RNA文库:可发现新的 基L大j.Lagendijk等[ 利用cDNA芯片比较了炎症性 疾病类风湿关节炎和肠炎组织中基因表达的不同. 并进一步发现了炎症相关基因 由于用传统方法寻 找新基凶需要大量的资金.而且盲目性大、效率 低、步骤繁琐,基因芯片克服了这些问题,因此, 在基因组研究方面具有广阔的应用前景 28— 1.1.2 医学方面 在许多病理学实验室中.常规数据均通过免疫 组织化学 、定量测量m 或电子显微镜获得。 于 现代分子生物学的快速发展.许多临床和基础研究 者在肿瘤研究领域都将遗传的变化和肿瘤的基【大J表 达作为研究重点 这种分子方面的分析对于不同疾 病的诊断和评估非常有用¨7 J. 到目前为止,实验室 的技术还不能满足测量大量基因在mRNA水平的表 达(如northern杂交、反转录PCR、原位杂交).或在蛋 质 水平的表达(如western杂交、免疫组织化学)..而基 片的发明填补了这一空缺.它使大量基 的表达分 析和遗传改变的监控成为可能 .现在已运川于检 测疾病的基因芯片有检测HIV E 、丙型肝炎【 等 1.2 蛋白质芯片的应用 根据蛋白质应用领域的不同可以分为:蛋白质 检测芯片和蛋白质功能芯片…‘ 蛋白质检测芯片主 要用于分析检测.将能识别复杂生物溶液中靶多肽的 高度特异性配体进行点阵 在这个 H_片中最普遍的形 式是抗体或抗体模拟物芯片 . 此外.还有其它检测 芯片如血清抗体图谱芯片.2001年Hitler制作 一种过敏原分子的芯片 使得对过敏反应的测试微 型化.并且只需少量的血清..2006年Hsu等 。 将 蛋门质芯片用于快速确定细菌糖衣的性质.这是一 种非常有潜力的感染诊断方法.为深入认识糖在致 病过程中的作用以及细菌与人相互作用提供帮助 蛋白质功能芯片主要用于功能的研究.寻找与拟研 究蛋白质相互作用的蛋白质或小分子.或寻找对蛋 白质修饰的修饰酶.以及酶的底物等 Ramachan— dran等 制备了自组装蛋白质 片 他们利川这 种芯片研究了29个人类DNA复制起始蛋白质的相 互作用关系.其中特别精细研究了复制许可因子 Cdt1与特定蛋白质结合的.得到了这个蛋 质的结合结构域的精细作图, .蛋白质芯片与基因芯片相比不易获得.原因在 于蛋白质在无水的条件下会丧失其活性.因此.传 统干燥的芯片对蛋白质非常不理想.Hamachi研究 了一种新的水胶物质.它可为蛋白质提供一个富 含水的基质.并且足够坚韧.能将之点阵于玻璃 上 这种制备蛋白质芯片的方法向前大大迈进了一 步.经修改后的蛋白质芯片能更为高效地用于细菌 张雯龙等对外界刺激应答中糖衣的变化 1.3 组织芯片的应用 生物芯片应用与发展 用微流体芯片进行DNA测序不仅能大大提高测 序速度.而且还可通过设计灵活的高密度阵列通道 来分析通量,减少试剂消耗。因此.微流控芯片实 验室一开始就在DNA领域显示出极强的功能.且涉 组织芯片是通过构建组织阵列将小组织排列在 载体上而制成的组织阵列切片 与其它生物芯片相 比.组织芯片能较好的在组织水平上反映样品.而 及遗传学诊断、法医学基因分型和测序等方面的内 基因芯片和蛋白质芯片只能评价样品中所含基因和 蛋白的含量 作为生物芯片领域的新秀.组织芯片 具有经济、简便快捷的特点,也受到多学者们的青 睐.同时由于它可以与其它许多常规技术.如免疫 组化、核酸原位杂交、荧光核酸原位杂交、原位 PCR等结合应用,它的应用领域仍在不断拓宽。由 于它具有与其它技术相结合的特点.因此可以同时 从DNA、mRNA和蛋白质水平进行研究,这必然会在 基因功能研究中发挥作用.特别是为基因功能研究 走向临床提供捷径 目前最常用于肿瘤检测. 已在乳腺癌[ 、肾癌[ 、膀胱癌[ 、子宫颈癌[。。 等 多种癌症中得到运用 同时还应用于病理学、组织 学、胚胎学和生理学研究等.且广泛应用于抗体筛 选、药物筛选.如Zhang E。 等构建了组织阵列以研 究羧酸脂酶在人体的组织分布和表达强度 另外. 组织芯片还用于质量控制与标准化的检测.2002 年Parker[zz 就通过组织芯片检测ER的表达来评估 病理实验室质量及操作流程 1.4 芯片实验室 芯片实验室又称微流体芯片(microfluidic chip)、 微电子芯片(microelectronic chip).是生物芯片研 究领域的前沿和最终发展目标.也是生物芯片概念 的核心 微流体芯片是通过微细加工工艺制作的微 滤器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等以实现 对生物样品从制备、生化反应到检测和分析的全过 程.它将样品的制备、生化反应到检测分析的整个 过程集约化形成微型分析系统.因此.有利于分析 过程中各部分操作的标准化和规范化.同时具有所 需样品和试剂少、缩短测试时间、降低使用成本的 优点 芯片实验室是微流体芯片的高级形式.由于 它排污很少.所以也是一种“绿色”技术,芯片实 验室技术已被认为是21世纪最为重要的生化分析前 沿技术之一[z 。它在生物化学分析中包括核酸分析、 蛋白质分析、单细胞分析和药物筛选等方面的应用。 1.4.1核酸分析 容:现已有研究报道[。 s 用于研究DNA的电泳特征 及其分离 1.4.2蛋白质分析 用微流体芯片技术费用低廉.不用荧光物质. 且可以测定的蛋白质种类大大增加 目前.用电泳技 术结合蛋白酶和糖苷酶对蛋白质的处理.在芯片实验 室进行糖蛋白中糖链分析的方法已经建立.另外.以 Ramsey实验小组为代表的很多研究者利用芯片进行 了蛋白质和多肽的二维电泳分离与检测.为蛋白质 的组学研究提供了一种快捷、便利的分析工具髓 。 1.4.3单细胞分析 单细胞分析对重大疾病的早期诊断、治疗和药 物筛选以及细胞生理、病理过程的研究有重要意 义 微流控分析芯片的网络结构和微米级的通道尺 寸使简化单细胞分析成为可能.但是目前的报道主 要集中在细胞培养记数和筛选上 1.4.4 药物筛选 高通量药物筛选是近1O年来发展起来的药物 筛选的新技术体系.可能使我们在很短的时间内完 成成百上千个化合物和生物靶标的作用.并作出判 断 到目前为止。在芯片实验室上进行手性药物分离 及药物相互作用研究等方面的文献报道较多.并且由 于其它芯片不够稳定.未来的发展方向将向着芯片实 验室全自动化操作来达到实验的稳定性 2生物芯片的应用现状 生物芯片技术是融微电子学、生命科学、计算 机科学于一体的一项崭新技术.、但仍在起步阶段。 许多研究者仍处于观望状态,主要原因为:①高成 本:②需要有较专业的研究基础;③需要不同学科 间的协作:④大量数据的拷贝:⑤对于得到结果生 物学意义和临床实用性的不确定性_2 尽管生物芯 片已在全球广泛应用,但不同技术在资料分析、解 释以及正确性方面仍不明确 迄今为止,只有少数 几篇文章对各种技术进行了评价.但在技术的选择 29— 2011年9月 热带农业科学 第31卷第9期 方面并没有建立起一个指导方针 然而由于生物芯 片具有高通量、快速、样品用量少、用途广泛等特 点.许多国家和地区都已看到它广泛的应用前景 随着研究的深入.成本也在逐渐降低.更加走向实 际应用并向工业化迈进 美国继开展人类基因组计 划后于1998年正式启动生物芯片计划,NIH、能源 设备.无法全面普及等.随着研究深入和科研人员 不懈的努力终会很快解决。同时新材料、新技术的 不断研发.生物芯片技术将会得到更进一步的完善 和发展.生物芯片技术将为我国生命科学、医学、 农业、环境保护、食品科学等科学研究及应用领域 发挥重要的作用 部、商业部、司法部、国防部、情报局等均参 与了此项目 同时斯坦福大学、麻省理工学院及部 分国立实验室也参与了该项目的研究与开发 英国 剑桥大学、欧亚公司正在从事该领域的研究。世界 大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态 性、疾病相关性、基因药物开发和合成或天然药物 筛选等领域感兴趣.都已建立或正在建立自己的芯 片设备和技术[27]。如Affymatrix、Agilent、Mer— gon、ACLARA、Caliper以及安捷伦等大公司都已开 发商售的生物芯片.其中Agilent公司注重基因分 析的芯片和相关检测仪器的开发.ACLARA生物科 学公司则在化学分析、一次性塑料芯片和工具一体 化等方面具有领先地位[2 中国虽然起步略晚一些 (1999年),但清华大学、复旦大学、北京军事科学 院、南京东南大学等科研机构都在做芯片的研发工 作瞳 ,国家的“973”计划、“863”计划、自然科 学基金、火炬计划等都有芯片相关的经费投入。但 由于标本含量少.组织库建设的滞后也了该技 术的发展 3 展望 随着生物芯片技术的进一步发展.越来越多的 研究机构和企业将投入到生物芯片这一领域.生物 芯片技术展现出巨大的应用前景 近年来.生物芯 片技术的高速发展,使生物学实验自动化、快速 化、灵敏化,加速了后基因组计划的研究进展;在 农业方面可以准确快速地对各种动植物进行检疫: 在环保方面通过检测空气及水里的微生物.对环境 污染进行监控:在医学方面可以筛选新药.尤其为 医学诊断学的发展提供强有力的手段,可同时、快 速、准确地分析数以万计基因组信号,以促进医、 药学更快地进人“基因一蛋白质的分子层次”。虽 然生物芯片的大规模应用仍存在一些制约因素.如 操作复杂、芯片的制作成本高昂以及需要一些特殊 一30一 张雯龙等生物芯片应用与发展 [11]Kodadek T.Protein microarrays:prospects and problems叨.Chemistry&Biology,2001,8(2):105一 ll5. 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