生物芯片技术在动物疫病及畜产品安全检测中的应用概述

张成虎

（兰州市畜牧兽医研究所，甘肃兰州 730050）

1 基本概念

生物芯片技术是随着“人类基因组计划”的进展而发展起来的，它主要是指通过微加工和微电子技术等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，构建微型生物化学分析系统，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量，完成对生命机体生物组分准确、快速、大信息量的检测。由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值和广阔的生产技术应用前景。生物芯片技术包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片、以及元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。

2 生物芯片研究、开发的现状和前景

美国于1996年最早在全球成功地制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片，并制作出芯片系统，随后其他各国在芯片研究方面也快速跟进，并取得了很多新的突破。一些跨国公司如摩托罗拉、惠普、IBM等也相继投以巨资开展芯片研究。1998年12月美国宣布成立基因分析协会，旨在制定一个统一的技术平台，并生产相应的技术设备，以推动生物芯片技术的应用。至今美国已经关于芯片技术召开了多次的全球性会议，前总统克林顿亲自出席会议，并在会上高度赞赏和肯定了生物芯片技术，将基因芯片看作是保证一生健康的指南针。可以说在21世纪，生物芯片对人类的影响将可能超过微电子芯片。全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右，预计2010年，全球生物芯片的市场销售可达到400亿美元以上。

我国在生物芯片研究与世界基本同步，1997年在香山就召开了全国生物芯片战略会议，就我国的生物芯片发展提出了意见，国家也给予了高度重视，科技界和商业界几乎同时意识到生物芯片技术的重大战略意义和蕴藏的无限商机，开展了生物芯片技术研发；1998年，中科院将基因芯片列为“九五”特别支持项目；2000年，国内从事生物芯片技术研究的多家单位进行强强联合，成立了国家生物芯片技术中心；中国工程院2000年举办了首次“生物芯片技术”工程科技论坛。如今国内已有多家科研单位开始从事这方面的研究。例如，清华大学、中国科学院、军事医学科学院等单位在国内率先开展了生物芯片技术研究，建立了生物芯片技术体系，并已在生物芯片技术和产品开发方面取得了较大突破，也产生了博奥等一批从事生物芯片研发、生产、销售的产业公司，形成了自己的市场。目前国内外已开发出的产品有：单核苷多态性（SNP）检测芯片和突变检测芯片、比较基因组杂交芯片、DNA甲基化检测芯片、信使RNA（mRNA）和小RNA（miRNA）表达谱芯片等，并在重大疾病发病机理、药物开发、生长发育、农业育种、干细胞研究等领域获得广泛应用。

3 动物疫病及畜产品安全检测中的应用

生物芯片技术已经被广泛用于农、林、畜、牧、鱼等农业研究和农产品检测。在动物疫病监测和畜产品安全检测当中应用尤其突出。

3.1 兽药残留的检测芯片

近20年来，兽药在畜牧业中不恰当使用导致动物体内药物的滞留或蓄积，并残留进入人体及生态系统。它对人体及环境的危害主要是慢性、远期和累积性的，如致癌、对人生长发育产生影响、破坏人们正常的免疫系统、使人体内的病原微生物产生耐药性等，已经成为动物性食品的重要危害、不安全因素，成为国家整治农产品质量安全的重要环节，被列为肉食品的重点监测项目。目前常规的兽药残留检测方法主要是一些理化分析仪器法。这些方法存在仪器昂贵、操作烦琐、试剂消耗量大等问题；而生物学技术如微生物学检测方法，虽然成本低、操作简便、具有一定的灵敏度，在大批样品同时分析中具有一定优势，但此方法分析速度慢、专一性差，并且只能测定有生物活性的残留物；而酶联免疫法目前大多采用进口试剂盒，价格较贵，且仅能对单一兽药进行检测。

2006年在国家863计划的支持下，我国已在国际上率先研制出了用于检测出残留兽药的生物芯片系统。是一套把样品制备、生化反应和结果检测三步集成在一起的检测系统，具有处理简单，灵敏度高，特异性好，检测速度快（比现行的检测手段缩短数十倍），检测通量高，质控体系严密等优点；此芯片系统可对磺胺二甲基嘧啶、链霉素、恩诺沙星和克伦特罗进行检测，检测对象包括了鸡肉、鸡肝、猪肉、猪肝、猪尿和牛奶等。其它可实现的检测兽药品种正进一步增加之中，是目前畜产品兽药残留检测的一个高效便捷的平台，具有极高的推广价值。

3.2 食源性微生物检测芯片

由微生物引起的食源性疾病是食品安全的主要问题。近年来，国内外食源性疾病事件频频发生，如葡萄球菌中毒事件、沙门氏菌、弧菌病、肠出血型大肠杆菌（引起肠出血）、利斯特菌引起的食源性传染病、霍乱弧菌引起的霍乱等。对食源性疾病的预防与控制已引起了世界各国关注。食源性病原微生物的检测技术是食源性疾病的预防与控制的关键技术环节。传统的微生物培养和生理生化检验法的最大弱点是耗时较长，对保藏期较短的食品在产品卫生状况方面的评估作用不大，无法保证食品的安全食用。目前国内食源性病原微生物检测技术主要有分子生物技术，免疫学技术，代谢技术，蛋白质指纹图谱技术，微生物自动检测仪，生物传感器等。食源性微生物检测芯片属于分子生物技术领域。

其检测技术主要是通过结合微阵列技术、PCR扩增和生物信息学，同时并行检测样品中葡萄球菌、沙门氏菌、弧菌病、肠出血型大肠杆菌（引起肠出血）、利斯特菌、霍乱弧菌等致病菌，具有灵敏度高、检测时间短（全部检测过程只需18小时）等特点。

3.3 动物疫病病原体检测生物芯片

动物疫病是养殖业的头号大敌。近年来，畜禽疾病的发展出现了许多新情况、新特点，一些新的疫病或病型相继出观，多病原感染日趋复杂，一些疫病出现非典型化，细菌性疫病耐药性和交叉耐药性现象普遍而且较为严重，一些人畜共患传染病的发生有所加剧等。动物疫情监测和动物疫病诊断作为动物疫病防控的两大手段，监测、诊断技术应用十分关键。目前常用的仍然是病原学、血清学、分子生物学等技术，生物芯片作为分子生物学的技术之一，近年来得到了高度重视和研究、应用，北京、山东、广州、四川等地已经开发应用了多种动物疫病检测、诊断组织芯片，在诊断猪、犬、马、禽病等各种病毒性疫病中有了实质性的突破。生物芯片技术利用病原抗原进行定性、定位、定量测定，组合组织学、免疫学、免疫组织化学等分子生物学技术，达到快速、特异性诊断的目的，具有操作性强、实用性、准确性高、时间短、成本低等诸多优点。