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生物芯片概述

    生物芯片是八十年代末在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术,它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片分为三大类:即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列,能够在短时间内分析大量的生物分子,使人们快速准确地获取样品中的生物信息,效率是传统检测手段的成百上千倍。它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。 

    生物芯片是用玻璃、塑料或其他材料制成的微型设备。生物样本可以附于其上(生物阵列)和/或在其上发挥作用(微射流处理器)。生物芯片可以在高度并联、低容量的格式下同时执行上千个试验,极大地节约了时间和成本。正因为如此,生物芯片和为其服务的系统促进了基因研究和健康诊断的发展,使医学界朝着个人化保健方向发展。

    生物芯片技术是20世纪90年代初半导体技术和生物技术“联姻”的结晶。是生命科学领域的一项革命性新技术,也是各国竞相研究的重大课题之一。生物芯片的应用前景非常广阔。在21世纪初,生物芯片将主要应用于预防医学和新药开发,这将使人们活得更长而且更健康。
  
    生物芯片能够从各个层次揭示生命的奥秘。示来能够用于临床治疗的生物芯片将植入人体,由它处理后人体的基因变化信息将清楚地显示出来,医生把基因变化趋势与疾病早期状况相对照,可以预先诊断出几年甚至十几年以后才发生的疾病(包括肿瘤、艾滋病、心血管病等),提早进行基因治疗、基因预防。这样,科学家关于“人类寿命将达到120岁以上”的预言也不会只是梦想。
 


 
 生物阵列

  一个生物阵列包含十个至上千个分子、DNA序列、蛋白质或其他生物分子,它们或附在生物阵列表面,或储存在阵列中的一个多孔的基质上。

  生物阵列与电子存储器相似,能够利用存储的已知信息与未知的数据作比较,并加以辨别。生物阵列已成为最快、最有效的DNA分析技术,使研究人员在一个遗传物质样品上同时进行上万个DNA试验。

  
生物阵列是如何工作的

  生物阵列运用混和或配合技术来确定在一份血样或其他物质样品中某些遗传序列存在与否。DNA通常是双股螺旋型,每一股由通过生物化学而结合的补充序列组成。一个生物阵列是由未能配对的单股DNA组成。当一份含有DNA的样品(如一滴血)被安装到芯片上时,已经在生物芯片上的单股DNA 序列会与样品中的补充DNA序列结合。

  如果样品中的未知序列被运用化学方式安装上一个荧光分子标签,在滤去芯片上的多余样品后,通过光学扫描器,我们可以看到在配对发生的地方出现了许多亮点。除了这种利用荧光检查配对情况的方法外,还可以运用电子设备来检验。与对比指纹相似,如果DNA一旦被检查出来,科学家们可以更简便地确定某一个遗传序列的存在以及它们的活动水平。

  
生物阵列的应用

  生物阵列可以运用在如下几个方面:

  药品的研制-检测药品与一个遗传目标配合的试验;基因研究-确定与某一种疾病有关系的基因;药品的开发-检测某种药品的变化或毒性特征;诊断-检测某种传染病的存在及类型,以确定疾病的诱因,或监测对治疗的反映;药品种类-在某种刺激(如药品)下开出个人处方,并描绘基因的上下标准;在非保健方面涉及农业、法庭和食品安全。

  
微射流处理器

  微射流处理器可以被称作“芯片上的生物标签”。微射流芯片包含用来搅拌、加热、处理或控制轻到一皮升液体的微型通道、阀门和泵。这些处理器运用一小部分液体或样品就可以立刻生成许多反应,因而缩短了时间,减少了准备样品的步骤,避免了对研究工作和药品开发的延误。

  在运用生物阵列时,微射流芯片作出的结论还可被用来确定分子样品内的序列。

  微射流处理器的应用

  微射流处理器可用来合成化合物,准备DNA样品供分析使用,并生成各种生物化学反应。当微射流处理器被应用到单个样品准备的微型化和自动化时,移动诊断就成为可能了。

  
生物芯片系统


    生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术,它主要是指通过微加工技术和微电

子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、DNA 以及其他生物组分的

准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片分为三大类:即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室。生物

芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列,能够在短时

间内分析大量的生物分子,使人们快速准确地获取样品中的生物信息,效率是传统检测手段的成百上千倍。

它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。


生物芯片的应用

疾病诊断 与传统方法相比, 生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特的优势,它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测。仅用极小量的样品,在极短时间内,向医务人员提供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。例如对肿瘤、糖尿病、传染性疾病等常见病和多发病的临床检验及健康人群检查,均可以应用生物芯片技术。今后人们可以拥有个人化验室,无论在地球任何地方,随时可以对自己的健康状况进行监测。

药物筛选 目前,国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了生物芯片技术,应用生物芯片来寻找药物靶标,查检药物的毒性或副作用,用芯片作大规模的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,从而带动创新药物的研究和开发。

基因测序 大规模基因测序是人类基因组计划面临的首要任务, 它涉及到基因多态性、突变、缺失的检测。现在已可在1.28平方厘米生物芯片上,用分子探针检测32Kb至几百Kb区域中任何区段,这对检测病人是一个还多个基因突变,指导治疗和预后具有十分重要意义。

..另外生物芯片在农业、食品监督、环境保护、司法鉴定等方面都将作出重大贡献。 生物芯片的飞速发展引起世界各国的广泛关注和重视。


什么是基因芯片? 

基因芯片是生物芯片研究中,最先实现商品化的产品。它利用核酸双链的互补碱基之间的氢键作用,形成稳定的双链结构,通过检测目的单链上的荧光信号,来实现样品的检测。目前,比较成熟的产品有检测基因突变的芯片,检测细胞基因表达水平的表达基因芯片。
基因芯片应用:

*寻找新基因 *DNA测序 
*疾病诊断 *药物筛选
*毒理基因组学 *农作物优育和优选
*环境检测和防治 *食品卫生监督 
*司法鉴定 

基因芯片技术的主要应用

  1998 年底美国科学促进会将基因芯片技术列为 1998 年度自然科学领域十大进展之一,足见其在科学史上的意义。现在,基因芯片这一时代的宠儿已被应用到生物科学众多的领域之中。它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。这些应用主要包括基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥( Arabidopsis thaliana ) [10,11] 、酵母 (Saccharomyces cerevisiae)[12,13] 及人 [15,16] 的基因组表达情况进行了研究,并且用该技术(共 157,112 个探针分子)一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因表达谱的差异 [14] 。实践证明基因芯片技术也可用于核酸突变的检测及基因组多态性的分析,例如对人 BRCA Ⅰ基因外显子 11[17] 、 CFTR 基因[ 22 ] 、β - 地中海贫血 [24] 、酵母突变菌株间 [20] 、 HIV-1 逆转录酶及蛋白酶基因(与 Sanger 测序结果一致性达到 98% ) [21] 等的突变检测,对人类基因组单核苷酸多态性的鉴定、作图和分型 [19] ,人线粒体 16.6kb 基因组多态性的研究 [24] 等。将生物传感器与芯片技术相结合,通过改变探针阵列区域的电场强度已经证明可以检测到基因( ras 等)的单碱基突变 [26] 。此外,有人还曾通过确定重叠克隆的次序从而对酵母基因组进行作图 [25] 。杂交测序是基因芯片技术的另一重要应用。该测序技术理论上不失为一种高效可行的测序方法,但需通过大量重叠序列探针与目的分子的杂交方可推导出目的核酸分子的序列,所以需要制作大量的探针。基因芯片技术可以比较容易地合成并固定大量核酸分子,所以它的问世无疑为杂交测序提供了实施的可能性,这已为实践所证实 [27,28] 。 


生物芯片的主要种类

  通常的生物化学反应过程包括三步,即样品的制备,生化反应、结果的检测和分析。可将这三步不同步骤集成为不同用途的生物芯片,所以据此可将生物芯片分为不同的类型。例如用于样品制备的生物芯片,生化反应生物芯片及各种检测用生物芯片等。现在,已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上,形成所谓的“芯片实验室”(Lab-on-chip)。“芯片实验室”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,从而极大地缩短的检测和分析时间,节省了实验材料。 
  样品制备芯片的目的是将通常需要在实验室进行的多个操作步骤集成于微芯片上。目前,样品制备芯片主要通过升温、变压脉冲以及化学裂解等方式对细胞进行破碎,通过微滤器、介电电泳等手段实现生物大分子的分离。 

  生化反应芯片即在芯片上完成生物化学反应。与传统生化反应过程的区别主要在于它可以高效、快速地完成生物化学反应。例如,在芯片上进行PCR反应,可以节约实验试剂,提高反应速度,并可完成多个片段的扩增反应。当前,由于检测和分析的灵敏度所限,通常在对微量核酸样品进行检测时必需事先对其进行一定程度的扩增。所以用于PCR的芯片无疑为快速大量扩增样品多个DNA片段提供了有力的工具。 

  检测芯片顾名思义是用来检测生物样品的。例如用毛细管电泳芯片进行DNA突变的检测,用于表达谱检测、突变分析、多态性测定的DNA微点阵芯片(也称DNA芯片、基因芯片),用于大量不同蛋白检测和表位分析的蛋白或多肽微点阵芯片(也称蛋白或多肽芯片)。 

  芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。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。现在,已经有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世,并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片。例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。再如Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA,并对其进行荧光标记,然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用其自己开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积,所以可以灵敏地检测到稀有基因的变化。同时,由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用,所以可以加速杂交反应,缩短测试时间,从而降低了测试成本。 

  综观生物芯片的发展,检测用生物芯片的发展最为迅猛。目前,检测用生物芯片主要为微点阵技术。