生物芯片及其應(yīng)用研究

孟 勛

西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系

繼基因克隆技術(shù)、基因自動(dòng)測序技術(shù)、PCR 技術(shù)后，生物芯片是生命科學(xué)研究中的又一次革命性技術(shù)突破。簡述了生物芯片的概念，應(yīng)用原理，闡述了生物芯片的主要分類，主要應(yīng)用，最后對(duì)生物芯片的作用和意義進(jìn)行了論述。

引言

生物芯片是繼基因克隆技術(shù)、基因自動(dòng)測序技術(shù)、PCR 技術(shù)后，隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合誕生的。這是生命科學(xué)研究中的一次革命性的技術(shù)突破，給我們的生活帶來一場深刻的革命。

概念

生物芯片的原理

根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于生物芯片（biochip 或bioarray）表面，實(shí)現(xiàn)生物信息的存儲(chǔ)和集成，進(jìn)而對(duì)DNA，RNA，多肽，蛋白質(zhì)及其他生物成分實(shí)現(xiàn)高通量快速檢測。分子雜交或/和抗原抗體反應(yīng)是隨之發(fā)展的生物芯片技術(shù)應(yīng)用的基本原理。具體作法為利用用熒光染料的特性，將其作為標(biāo)記樣本，將DNA、cDNA 或抗體，與生物芯片雜交或反應(yīng)做上標(biāo)記。對(duì)雜交或反應(yīng)信號(hào)，通過激光共聚焦熒光顯微鏡檢出，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)處理，分析，從而獲得所需信息。

生物芯片的分類

按用途分類

（1）生物電子芯片。用于實(shí)現(xiàn)生物電子產(chǎn)品，比如生物計(jì)算機(jī)等的制造。這一類在技術(shù)和應(yīng)用上還很不成熟。

按作用方式分類

（1）主動(dòng)式芯片。主要是指將樣本處理純化，反應(yīng)標(biāo)記及檢測等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行集成，使生物實(shí)驗(yàn)中通過一步反應(yīng)就可主動(dòng)完成。該類芯片特點(diǎn)是快速，操作簡單。因此又可將其稱為功能生物芯片。該類芯片主要包括微流體芯片（microfluidic chip）和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室（lab on chip），也叫作“芯片實(shí)驗(yàn)室”，是生物芯片技術(shù)的較高階段。

（2）被動(dòng)式芯片。即各種微陣列芯片，這類芯片是指在操作步驟不變的前提下，將生物實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)集成，高度的并行性是其主要特點(diǎn)。就目前情況看，大部分芯片屬于此類。從這類芯片主要是為了獲得大量的生物大分子信息，進(jìn)而利用生物信息學(xué)的知識(shí)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。所以可將這類芯片稱為信息生物芯片，主要包括基因芯片，蛋白芯片，細(xì)胞芯片和組織芯片等。

按成分分類

（1）基因芯片（gene chip）。又稱為DNA芯片（DNA chip）或DNA 微陣列（DNA microarray），其制成是將cDNA 或寡核苷酸固定在微型載體上形成微陣列。

（2）蛋 白 質(zhì) 芯 片（protein chip 或protein microarray）。其制作是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)固定在微型載體上形成形成微陣列。芯片上的探針構(gòu)成為蛋白質(zhì)或芯片作用對(duì)象為蛋白質(zhì)者，這兩類統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)芯片。

用第三國的葡萄品種來釀酒一直以來備受爭議。然而葡萄還是經(jīng)常從不同的產(chǎn)區(qū)運(yùn)到酒窖進(jìn)行加工。理論上，在冷凍狀態(tài)下運(yùn)輸葡萄汁和果汁是可以保證質(zhì)量的（有些人也許還主張保留風(fēng)土特征）。建立在大都市里的酒莊也正在涌現(xiàn)，比如建在倫敦、悉尼、溫哥華和華盛頓等地的城市酒莊（Urban Wineries），他們使用的葡萄通常來自不同的國家，我們?cè)谙愀垡灿凶约旱某鞘芯魄f計(jì)劃。如果這些大城市的消費(fèi)者都接受這些城市酒莊，那像探索海角、雙島和普拉加這樣的酒莊自然也就沒什么問題了。

（3）細(xì)胞芯片（cell chip）。將細(xì)胞按照特定的方式固定在載體上形成細(xì)胞芯片，用來檢測細(xì)胞間相互影響或/和相互作用。

（4）組織芯片（tissue chip）。將組織切片等按照特定的方式固定在載體上構(gòu)成組織芯片，主要用來對(duì)免疫組織化學(xué)等組織內(nèi)成分差異進(jìn)行研究。

按芯片制作工藝分類

根據(jù)芯片制作工藝，生物芯片可分為電子芯片，三維芯片，流過式芯片和石英諧振DNA 生物傳感器芯片等。

按儲(chǔ)存信息類型分類

根據(jù)儲(chǔ)存的生物信息的類型，生物芯片又可分為寡核苷酸芯片（又稱DNA 芯片），cDNA 芯片，蛋白質(zhì)芯片和組織芯片等類型。其中DNA 芯片和cDNA 芯片一起又稱基因芯片。

其他

依據(jù)生物芯片的應(yīng)用方式，又可將生物芯片分為用于樣品制備，用于生物化學(xué)反應(yīng)和用于檢測分析的生物芯片等類型。按照芯片的用途可分為表達(dá)譜芯片，診斷芯片，指紋圖譜芯片、測序芯片和毒理芯片等類型。就芯片所用的載體材料而言，生物芯片又可分為玻璃芯片、硅芯片、陶瓷芯片等。

芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on chip），是生物芯片技術(shù)發(fā)展的高階段，是將生命科學(xué)中的樣品制備，生化反應(yīng)，結(jié)果檢測和數(shù)據(jù)處理的全過程，構(gòu)成一個(gè)微型全分析系統(tǒng)，集中在一個(gè)芯片上進(jìn)行，稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。

生物芯片的制備

微點(diǎn)陣芯片制備

制備微點(diǎn)陣芯片的主要方法有原位合成法（光刻原位合成，分子印章原位合成等）和合成點(diǎn)樣法（點(diǎn)接觸法，噴墨法等）。

微流控芯片制備

微流控芯片的材料主要有單晶硅、無定形硅材料、玻璃、石英材料以及高分子聚合物材料（如環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷和光敏聚合物）等。制作微流控芯片的方法主要有澆注成膜法：事先準(zhǔn)備一個(gè)制作好的陽膜，模具通常采用硅模具，一般用光刻——刻蝕的方法來制得。將液態(tài)的聚合物材料膠體均勻澆注在陽膜上，待其固化后剝離，就可以得到一個(gè)帶有微通道的基片，將此基片與蓋片的表面均經(jīng)過改性處理后鍵合，就形成了所需要的微流控芯片。

主要應(yīng)用

基因芯片的主要應(yīng)用

基因芯片的應(yīng)用主要分為兩大類：用于研究基因型；用于監(jiān)控RNA 表達(dá)。

疾病的診斷與治療

基因芯片在疾病的診斷與治療這一領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用范圍和前景?？梢岳眯酒夹g(shù)對(duì)易患某些疾病的高危人群進(jìn)行普查，還可用于對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，血液系統(tǒng)等疾病進(jìn)行早期診斷。

基因表達(dá)分析

基因表達(dá)是根據(jù)基因的DNA 模板進(jìn)行mRNA 和蛋白質(zhì)合成的過程。許多研究小組已利用基因芯片進(jìn)行了基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)圖譜的研究?；蛐酒軌蜓芯炕蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)及其機(jī)制，揭示不同層次多基因協(xié)同作用的生命過程。

基因型及多態(tài)性分析

同一物種不同種群和個(gè)體之間在生物進(jìn)化過程中存在著不同的基因型，對(duì)應(yīng)不同的基因型，生物個(gè)體間表達(dá)出各種不同的性狀，各種不同的性狀與基因型有著密切的關(guān)系。利用基因芯片可以對(duì)基因型與性狀之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

雜交測序

由A、T、C、G 四種核苷酸單體組合所形成的所有可能八體寡核苷酸探針共有65536 種。通過基因芯片與樣品進(jìn)行雜交，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)對(duì)雜交模式進(jìn)行分析，最終就可以得出樣品的核苷酸序列信息。

藥物開發(fā)

通過比較正常組織與疾病組織的表達(dá)情況，可以發(fā)現(xiàn)許多與疾病相關(guān)的基因，成為尋找藥物的靶分子提供了一條途徑。

蛋白芯片的主要應(yīng)用

蛋白芯片的出現(xiàn)與發(fā)展，推動(dòng)了蛋白診斷和蛋白質(zhì)組學(xué)等方面研究的發(fā)展。蛋白芯片的主要應(yīng)用有免疫檢測與酶活性測定，抗體篩選，蛋白質(zhì)組研究，生物分子間的相互作用研究，蛋白質(zhì)與小分子之間的相互作用，可進(jìn)行高靈敏的表達(dá)和抗體特異性篩選，物靶標(biāo)及其作用機(jī)理的研究，疾病診斷。其它如蛋白芯片在食品分析方面，毒理學(xué)，如研制出毒理芯片（ToxChip），衛(wèi)生檢驗(yàn)等方面也具有較好的應(yīng)用前景。

其他如細(xì)胞芯片，組織芯片等生物芯片也得到很好應(yīng)用。

作用和意義

生物芯片以其可以快速、及時(shí)、同時(shí)、準(zhǔn)確地分析大量生物信息的特點(diǎn)而在諸多領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。在生命科學(xué)領(lǐng)域，為分子生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等提供了技術(shù)手段和技術(shù)支持，使生命科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

生物芯片技術(shù)使生命科學(xué)研究中許多不連續(xù)的分析過程，采用微電子、微機(jī)械等工藝集成到芯片中，使其連續(xù)化，集成化，微型化。

生物芯片已經(jīng)在基因測序，基因表達(dá)分析，基因突變和多態(tài)性檢測，轉(zhuǎn)基因食品的檢測，食品中微生物的檢測，臨床醫(yī)學(xué)，藥物開發(fā)，疫苗研制，免疫檢測與酶活性測定，抗體篩選，蛋白質(zhì)組研究，生物分子間的相互作用研究，蛋白質(zhì)與小分子之間的相互作用，可進(jìn)行高靈敏的表達(dá)和抗體特異性篩選，物靶標(biāo)及其作用機(jī)理的研究，毒理學(xué)等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和投入，在生命科學(xué)界，工業(yè)界，醫(yī)學(xué)界，生物芯片得到很多應(yīng)用，具有廣闊的前景，必將因新的技術(shù)和理念的發(fā)展而發(fā)展。