生物芯片技術及其在基礎生物科學研究中的應用

張航

（哈爾濱師范大學生物科學與技術學院，哈爾濱 150025）

生物芯片技術及其在基礎生物科學研究中的應用

張航

（哈爾濱師范大學生物科學與技術學院，哈爾濱 150025）

生物芯片技術源于20世紀80年代末，其命名來源于計算機芯片，二者擁有相似的制造工藝。生物芯片的工作原理是用計算機對生化反應的結果進行分析，從而得到被測物體的分子信息，而隨著生物芯片技術的成熟，它的應用前景也愈加廣闊。

生物芯片；基礎生物科學；應用

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芯片、細胞芯片、基因芯片和組織芯片。按照片基可分為無機芯片和有機芯片。按照結構分為寡核苷酸和DNA陣列芯片。具體到其應用層次上則可以分為診斷芯片、表達譜芯片和檢測芯片。迄今為止，運用最廣泛的為蛋白質芯片、基因芯片和組織芯片，其中基因芯片是運用最為普遍的。

1.1基因芯片

基因芯片有標準化、集約化和微型化的特點，所以大多應用于食品檢測、醫學臨床檢驗、制藥以及環境學。當前，科學研究主體已經變更為基因功能的表達，而這也是我們運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便，完全可以滿足我們大規模研究的需要。基因芯片反應的原理是利用核酸雜交，通過對雜交后的結果進行檢測，從而探測出各生物分子的具體存在量。

1.2蛋白質芯片

蛋白質芯片的運用原理與基因芯片的運用原理相似，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，而蛋白質芯片的固定分子可以看出為蛋白質。在檢驗原理上亦存在差異，前文有提過基因芯片的檢測原理，而蛋白質芯片的檢測原理則是利用蛋白質與其他分子的反應作用，蛋白質分子與核酸的反應作用等。

但是蛋白質芯片的制作遠比基因芯片復雜，因為固體表面的蛋白質容易喪失，所以蛋白質芯片現多采用酵母雙雜交系統進行制作，在此之后為了防止蛋白質探針的變性，相關科學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計，對千百個不同標本組織進行排列，組織芯片的優勢在于它能夠進行大規模的組織檢測，大大縮短了檢測時間。目前組織芯片在腫瘤學、病原體檢測和藥物刪選等領域都有大規模的使用。

1.4細胞芯片

細胞芯片的研究主體則是活細胞。以信號檢測及細胞理化分析為目的，通過高通量的基因反向轉染技術，在芯片上完成對細胞的各種控制。

2　生物芯片工作步驟

2.1構建方陣

根據芯片的制備方法可分為微矩陣點樣和原位合成，其中微矩陣點樣是將生物分子或cDNA用針點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微點陣適用于突變型檢測、雜交測序等高嚴謹性實驗。

2.2制備樣品，進行生物分子反應

生物樣品的本質是混合體，因此它不能與芯片進行直接反應，要先對生物樣品進行生物處理。而生物分子反應是在整個芯片工作流程中十分重要的一個環節，其復雜度由芯片設定的用途與所選取基因片段的長短決定，用處不同，其設定環境就不同，操作步驟的簡易度也會產生較大的變化。

2.3對反應圖譜的分析

反應圖譜是指生物芯片所產生的最終結果，通過對圖譜進行檢測分析得到最后樣品的需求數據。當前對反應圖譜的分析檢測主要有兩種方法，一為雜交分析，一為毛細管電泳法，但這兩種方法都有所欠缺。目前科學家們還在尋找更多的方法進行反應圖譜的分析，除了對分析方法做出更多的探尋之外，還應建立完整的數據庫，錄入不同芯片的表達基因。

3　生物芯片在生物科學中的應用

隨著生物芯片發展的成熟，其用途也越來越廣泛，生物芯片從最初的基因檢測發展到診斷疾病、研發藥物上，從最基礎的實驗室研究走入實際應用。

3.1基因領域的應用

生物芯片的一個巨大作用就是檢測分析出DNA序列，而探測、分析出序列對人類的基因研究有著跨時代的意義。當前生物芯片已經運用在大規模DNA測序上，除此之外，生物芯片還被運用到基因突變、多態性檢測和基因診斷等領域。生物芯片在基因上可以研究不同個體，通過研究差異發現新的基因還能夠在遺傳、發育等過程中進行改變。

3.2醫藥學領域的應用

生物芯片在診斷疾病上的優勢是突出的，主要是針對細胞或基因改變引發的疾病，特別是一些遺傳類、傳染類疾病。生物芯片技術中的高通量、大規模等特點，正適用于藥物篩選這一領域。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，制造相應的治療藥物之外，當前生物芯片還被運用在疫苗的制作、人體耐藥性的研究和病毒感染的診斷中。除了西醫的研究，生物芯片在中醫藥上也取得了很大的突破。

3.3環境學領域的應用

生物芯片除了具有快速化、自動化、微型化等優勢以外，在芯片制作與使用過程中還存在低污染的特性，這些特性使其在環境學領域有很廣泛的應用。目前為止，生物芯片已經在土壤的微生物檢測中取得了一定的成果。除此之外，還有水中的微生物、因外界環境而產生的疾病等研究，這些研究不僅局限于生物體，也包括植物所患的疾病。

3.4食品檢測領域的應用

食品安全一直是近年來的熱門話題，隨著化學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出食品是否病菌含量超標，是否存在某種不合法的化學物，甚至可以對轉基因食品進行檢測篩選。除了其顯著的檢測效果，生物芯片在食品的營養分析上也起到了不可小覷的作用，在食品領域，其發展前景也是相當可觀的。

4　生物芯片的前景與未來

短短的幾年，生物芯片已經由實驗室走向了多個領域的實際應用，而其涉足的領域也幾乎囊括了整個生物科學領域。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、更簡單、更微型、更高集成度的方向發展。生物芯片研制技術一定會為我國的醫療科學事業做出卓越的貢獻。

［1］ 朱杰，王國棟.生物芯片技術及其在基礎生物科學研究中的應用［J］.生物信息學，2006，（03）：135-138.

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

［3］ 趙蕾，梅建國，李坤林，等.生物芯片技術的特點及其在獸醫科學中的應用研究進展［J］.中國畜牧獸醫，2011，（08）：93-96.

［4］ 李秀勤.利用基因芯片技術篩選早期乳腺癌的差異表達基因［D］.廣州：南方醫科大學，2014.

［5］ 賴亞明，王國青，邢婉麗，等.生物芯片技術在生命科學基礎研究中的應用［J］.基礎醫學與臨床，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