生物芯片技術(shù)及其在基礎(chǔ)生物科學(xué)研究中的應(yīng)用

張航

（哈爾濱師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150025）

生物芯片技術(shù)及其在基礎(chǔ)生物科學(xué)研究中的應(yīng)用

張航

（哈爾濱師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150025）

生物芯片技術(shù)源于20世紀(jì)80年代末，其命名來源于計(jì)算機(jī)芯片，二者擁有相似的制造工藝。生物芯片的工作原理是用計(jì)算機(jī)對(duì)生化反應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到被測(cè)物體的分子信息，而隨著生物芯片技術(shù)的成熟，它的應(yīng)用前景也愈加廣闊。

生物芯片；基礎(chǔ)生物科學(xué)；應(yīng)用

1　生物芯片的分類

生物芯片按照原理分為元件型微陣列芯片、生物傳感芯片和通道型微陣列芯片。按照其固定探針分為蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、基因芯片和組織芯片。按照片基可分為無(wú)機(jī)芯片和有機(jī)芯片。按照結(jié)構(gòu)分為寡核苷酸和DNA陣列芯片。具體到其應(yīng)用層次上則可以分為診斷芯片、表達(dá)譜芯片和檢測(cè)芯片。迄今為止，運(yùn)用最廣泛的為蛋白質(zhì)芯片、基因芯片和組織芯片，其中基因芯片是運(yùn)用最為普遍的。

1.1基因芯片

基因芯片有標(biāo)準(zhǔn)化、集約化和微型化的特點(diǎn)，所以大多應(yīng)用于食品檢測(cè)、醫(yī)學(xué)臨床檢驗(yàn)、制藥以及環(huán)境學(xué)。當(dāng)前，科學(xué)研究主體已經(jīng)變更為基因功能的表達(dá)，而這也是我們運(yùn)用基因最基本的因素。隨著生物芯片的成熟，分析基因功能變得更加簡(jiǎn)便，完全可以滿足我們大規(guī)模研究的需要。基因芯片反應(yīng)的原理是利用核酸雜交，通過對(duì)雜交后的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，從而探測(cè)出各生物分子的具體存在量。

1.2蛋白質(zhì)芯片

蛋白質(zhì)芯片的運(yùn)用原理與基因芯片的運(yùn)用原理相似，其不同之處在于芯片上固定的分子不同，基因芯片是核酸片段，而蛋白質(zhì)芯片的固定分子可以看出為蛋白質(zhì)。在檢驗(yàn)原理上亦存在差異，前文有提過基因芯片的檢測(cè)原理，而蛋白質(zhì)芯片的檢測(cè)原理則是利用蛋白質(zhì)與其他分子的反應(yīng)作用，蛋白質(zhì)分子與核酸的反應(yīng)作用等。

但是蛋白質(zhì)芯片的制作遠(yuǎn)比基因芯片復(fù)雜，因?yàn)楣腆w表面的蛋白質(zhì)容易喪失，所以蛋白質(zhì)芯片現(xiàn)多采用酵母雙雜交系統(tǒng)進(jìn)行制作，在此之后為了防止蛋白質(zhì)探針的變性，相關(guān)科學(xué)家還研制出用牛血清白蛋白BSA膜覆蓋在玻片表面。

1.3組織芯片

組織芯片更多的是在基因芯片上的延伸，按照所需或之前的設(shè)計(jì)，對(duì)千百個(gè)不同標(biāo)本組織進(jìn)行排列，組織芯片的優(yōu)勢(shì)在于它能夠進(jìn)行大規(guī)模的組織檢測(cè)，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間。目前組織芯片在腫瘤學(xué)、病原體檢測(cè)和藥物刪選等領(lǐng)域都有大規(guī)模的使用。

1.4細(xì)胞芯片

細(xì)胞芯片的研究主體則是活細(xì)胞。以信號(hào)檢測(cè)及細(xì)胞理化分析為目的，通過高通量的基因反向轉(zhuǎn)染技術(shù)，在芯片上完成對(duì)細(xì)胞的各種控制。

2　生物芯片工作步驟

2.1構(gòu)建方陣

根據(jù)芯片的制備方法可分為微矩陣點(diǎn)樣和原位合成，其中微矩陣點(diǎn)樣是將生物分子或cDNA用針點(diǎn)或者是噴射的方法直接排列至載體上。原位合成則專用于制造寡核苷酸，由原位合成組成的DNA微點(diǎn)陣適用于突變型檢測(cè)、雜交測(cè)序等高嚴(yán)謹(jǐn)性實(shí)驗(yàn)。

2.2制備樣品，進(jìn)行生物分子反應(yīng)

生物樣品的本質(zhì)是混合體，因此它不能與芯片進(jìn)行直接反應(yīng)，要先對(duì)生物樣品進(jìn)行生物處理。而生物分子反應(yīng)是在整個(gè)芯片工作流程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其復(fù)雜度由芯片設(shè)定的用途與所選取基因片段的長(zhǎng)短決定，用處不同，其設(shè)定環(huán)境就不同，操作步驟的簡(jiǎn)易度也會(huì)產(chǎn)生較大的變化。

2.3對(duì)反應(yīng)圖譜的分析

反應(yīng)圖譜是指生物芯片所產(chǎn)生的最終結(jié)果，通過對(duì)圖譜進(jìn)行檢測(cè)分析得到最后樣品的需求數(shù)據(jù)。當(dāng)前對(duì)反應(yīng)圖譜的分析檢測(cè)主要有兩種方法，一為雜交分析，一為毛細(xì)管電泳法，但這兩種方法都有所欠缺。目前科學(xué)家們還在尋找更多的方法進(jìn)行反應(yīng)圖譜的分析，除了對(duì)分析方法做出更多的探尋之外，還應(yīng)建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，錄入不同芯片的表達(dá)基因。

3　生物芯片在生物科學(xué)中的應(yīng)用

隨著生物芯片發(fā)展的成熟，其用途也越來越廣泛，生物芯片從最初的基因檢測(cè)發(fā)展到診斷疾病、研發(fā)藥物上，從最基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)室研究走入實(shí)際應(yīng)用。

3.1基因領(lǐng)域的應(yīng)用

生物芯片的一個(gè)巨大作用就是檢測(cè)分析出DNA序列，而探測(cè)、分析出序列對(duì)人類的基因研究有著跨時(shí)代的意義。當(dāng)前生物芯片已經(jīng)運(yùn)用在大規(guī)模DNA測(cè)序上，除此之外，生物芯片還被運(yùn)用到基因突變、多態(tài)性檢測(cè)和基因診斷等領(lǐng)域。生物芯片在基因上可以研究不同個(gè)體，通過研究差異發(fā)現(xiàn)新的基因還能夠在遺傳、發(fā)育等過程中進(jìn)行改變。

3.2醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物芯片在診斷疾病上的優(yōu)勢(shì)是突出的，主要是針對(duì)細(xì)胞或基因改變引發(fā)的疾病，特別是一些遺傳類、傳染類疾病。生物芯片技術(shù)中的高通量、大規(guī)模等特點(diǎn)，正適用于藥物篩選這一領(lǐng)域。在腫瘤研究以及遺傳病治療等方面，因生物芯片出色的診斷功能與篩選功能，使其能制造出有效的治療藥物。除了常見的尋找病因，制造相應(yīng)的治療藥物之外，當(dāng)前生物芯片還被運(yùn)用在疫苗的制作、人體耐藥性的研究和病毒感染的診斷中。除了西醫(yī)的研究，生物芯片在中醫(yī)藥上也取得了很大的突破。

3.3環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物芯片除了具有快速化、自動(dòng)化、微型化等優(yōu)勢(shì)以外，在芯片制作與使用過程中還存在低污染的特性，這些特性使其在環(huán)境學(xué)領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。目前為止，生物芯片已經(jīng)在土壤的微生物檢測(cè)中取得了一定的成果。除此之外，還有水中的微生物、因外界環(huán)境而產(chǎn)生的疾病等研究，這些研究不僅局限于生物體，也包括植物所患的疾病。

3.4食品檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

食品安全一直是近年來的熱門話題，隨著化學(xué)添加劑的種類越來越多，部分食品也變得不再安全。而生物芯片可以檢測(cè)出食品是否病菌含量超標(biāo)，是否存在某種不合法的化學(xué)物，甚至可以對(duì)轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行檢測(cè)篩選。除了其顯著的檢測(cè)效果，生物芯片在食品的營(yíng)養(yǎng)分析上也起到了不可小覷的作用，在食品領(lǐng)域，其發(fā)展前景也是相當(dāng)可觀的。

4　生物芯片的前景與未來

短短的幾年，生物芯片已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室走向了多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，而其涉足的領(lǐng)域也幾乎囊括了整個(gè)生物科學(xué)領(lǐng)域。今后除了在圖譜分析的研究方法上再深入一步之外，還要將生物芯片朝著更方便、更簡(jiǎn)單、更微型、更高集成度的方向發(fā)展。生物芯片研制技術(shù)一定會(huì)為我國(guó)的醫(yī)療科學(xué)事業(yè)做出卓越的貢獻(xiàn)。

［1］ 朱杰，王國(guó)棟.生物芯片技術(shù)及其在基礎(chǔ)生物科學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.生物信息學(xué)，2006，（03）：135-138.

［2］ 高華方，周玉祥，馮繼宏，等.生物芯片技術(shù)及其在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.世界科技研究與發(fā)展，2001，（01）：22-27.

［3］ 趙蕾，梅建國(guó)，李坤林，等.生物芯片技術(shù)的特點(diǎn)及其在獸醫(yī)科學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.中國(guó)畜牧獸醫(yī)，2011，（08）：93-96.

［4］ 李秀勤.利用基因芯片技術(shù)篩選早期乳腺癌的差異表達(dá)基因［D］.廣州：南方醫(yī)科大學(xué)，2014.

［5］ 賴亞明，王國(guó)青，邢婉麗，等.生物芯片技術(shù)在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床，2000，（04）：8-12.

Bio Chip Technology and its Application in the Study of Basic Biological Sciences

ZHANGHang
（College ofBiological Science and Technology,Harbin Normal University,Harbin 150025,China）

The technology of bio chip was originated from the end of 1980s,which was named after the computer chip,and the two had similar manufacturing process.The working principle of the biological chip is to analyze the results of the biochemical reaction with the computer，and then get the molecular information ofthe object，and with the development ofthe chip technology，the application prospect is alsomore extensive.

Biochip；Basic biological science；Application

O51

A

1674-8646（2015）12-0024-02

2015-08-19