生物芯片及其應用研究

孟 勛

西安工業(yè)大學電子信息工程學院生物醫(yī)學工程系

繼基因克隆技術、基因自動測序技術、PCR 技術后，生物芯片是生命科學研究中的又一次革命性技術突破。簡述了生物芯片的概念，應用原理，闡述了生物芯片的主要分類，主要應用，最后對生物芯片的作用和意義進行了論述。

引言

生物芯片是繼基因克隆技術、基因自動測序技術、PCR 技術后，隨著生物技術的迅速發(fā)展，電子技術和生物技術相結合誕生的。這是生命科學研究中的一次革命性的技術突破，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，實現(xiàn)生物信息的存儲和集成，進而對DNA，RNA，多肽，蛋白質及其他生物成分實現(xiàn)高通量快速檢測。分子雜交或/和抗原抗體反應是隨之發(fā)展的生物芯片技術應用的基本原理。具體作法為利用用熒光染料的特性，將其作為標記樣本，將DNA、cDNA 或抗體，與生物芯片雜交或反應做上標記。對雜交或反應信號，通過激光共聚焦熒光顯微鏡檢出，進而通過計算機處理，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。用于實現(xiàn)生物電子產品，比如生物計算機等的制造。這一類在技術和應用上還很不成熟。

按作用方式分類

（1）主動式芯片。主要是指將樣本處理純化，反應標記及檢測等多個實驗步驟進行集成，使生物實驗中通過一步反應就可主動完成。該類芯片特點是快速，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）和縮微芯片實驗室（lab on chip），也叫作“芯片實驗室”，是生物芯片技術的較高階段。

（2）被動式芯片。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，將生物實驗中的多個實驗實現(xiàn)集成，高度的并行性是其主要特點。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，進而利用生物信息學的知識手段進行數(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 芯 片（protein chip 或protein microarray）。其制作是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質固定在微型載體上形成形成微陣列。芯片上的探針構成為蛋白質或芯片作用對象為蛋白質者，這兩類統(tǒng)稱為蛋白質芯片。

用第三國的葡萄品種來釀酒一直以來備受爭議。然而葡萄還是經常從不同的產區(qū)運到酒窖進行加工。理論上，在冷凍狀態(tài)下運輸葡萄汁和果汁是可以保證質量的（有些人也許還主張保留風土特征）。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，我們在香港也有自己的城市酒莊計劃。如果這些大城市的消費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）細胞芯片（cell chip）。將細胞按照特定的方式固定在載體上形成細胞芯片，用來檢測細胞間相互影響或/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成組織芯片，主要用來對免疫組織化學等組織內成分差異進行研究。

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。

按儲存信息類型分類

根據(jù)儲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)生物芯片的應用方式，又可將生物芯片分為用于樣品制備，用于生物化學反應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。

芯片實驗室（Lab on chip），是生物芯片技術發(fā)展的高階段，是將生命科學中的樣品制備，生化反應，結果檢測和數(shù)據(jù)處理的全過程，構成一個微型全分析系統(tǒng)，集中在一個芯片上進行，稱為芯片實驗室。

生物芯片的制備

微點陣芯片制備

制備微點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）和合成點樣法（點接觸法，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：事先準備一個制作好的陽膜，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，就可以得到一個帶有微通道的基片，將此基片與蓋片的表面均經過改性處理后鍵合，就形成了所需要的微流控芯片。

主要應用

基因芯片的主要應用

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

疾病的診斷與治療

基因芯片在疾病的診斷與治療這一領域的應用具有廣闊的應用范圍和前景。可以利用芯片技術對易患某些疾病的高危人群進行普查，還可用于對內分泌系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)，血液系統(tǒng)等疾病進行早期診斷。

基因表達分析

基因表達是根據(jù)基因的DNA 模板進行mRNA 和蛋白質合成的過程。許多研究小組已利用基因芯片進行了基因轉錄和表達圖譜的研究。基因芯片能夠研究基因調控網絡及其機制，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體之間在生物進化過程中存在著不同的基因型，對應不同的基因型，生物個體間表達出各種不同的性狀，各種不同的性狀與基因型有著密切的關系。利用基因芯片可以對基因型與性狀之間的關系進行研究。

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行雜交，進而利用計算機對雜交模式進行分析，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情況，可以發(fā)現(xiàn)許多與疾病相關的基因，成為尋找藥物的靶分子提供了一條途徑。

蛋白芯片的主要應用

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

其他如細胞芯片，組織芯片等生物芯片也得到很好應用。

作用和意義

生物芯片以其可以快速、及時、同時、準確地分析大量生物信息的特點而在諸多領域得到大量的應用。在生命科學領域，為分子生物學、生物醫(yī)學等提供了技術手段和技術支持，使生命科學的發(fā)展進入一個嶄新的階段。

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

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