生物芯片在医学中的应用进展

覃日吉

（柳江县妇幼保健院检验科，广西 柳江 545100）

生物芯片(Biochip)是通过微加工技术和微电子技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程(如样品制备、化学反应和分析检测)集成于硅芯片和玻璃芯片表面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[1-3]。

1 生物芯片的发展及主要特点

生物芯片是20世纪90年代生命科学领域中迅速发展起来的一项新技术，是综合运用生物、微电子、微加工和计算机等知识制造的高科技杰作[4]。生物芯片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，美国科学促进会将生物芯片评为1998年的世界十大科技突破成果之一[5]。生物芯片本质上是固定在玻片等载体上的微型生物化学分析系统，芯片上每平方厘米可密集排列成千上万个生物分子，能快速准确地检测细胞、蛋白质、DNA及其他生物组分，并获取样品中的有关信息，其效率是传统检测方法的成百上千倍，即生物芯片具有高通量、高集成、微型化、连续化、自动化等主要特点[6]。

2 生物芯片的原理与分类

生物芯片检测生物化学物质的基本原理是[7-8]：把制备好的生物样品固定于经化学修饰的载体上，样品中的生物分子与载体表面结合，同时又保留其理化性质，在一定条件下，进行芯片上的生物分子反应，并使反应达最佳状态，然后利用芯片专用监测系统对芯片信号进行监测，即可高效、大规模地获取生物体中待检物质的信息。生物芯片按固定的生物分子及材料不同可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片和缩微芯片等[9]。临床医学常用的生物芯片主要为基因芯片、蛋白质芯片及缩微芯片三大类。

3 生物芯片在临床医学中的应用

3.1 基因芯片(Gene chip)基因芯片又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA microarray)。基因是载有生物体遗传信息的基本单位，存在于细胞的染色体上。将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称为基因芯片。基因芯片技术是一门新兴的技术，由于该技术能在一次实验中自动、快速、敏感地同时检测数千条序列，而且获得的序列信息高度特异、稳定，被誉为21世纪最有发展前途的20项高新技术之一。在医学上，可用于遗传病的遗传机制研究及诊断、病原体及病原体分型诊断、耐药性检测、药物筛选、各类实质性器官的移植和骨髓移植中供受体的配型、毒理学研究、实现用药个体化等。如基因芯片一次能做许多种传染病或遗传病的检测，将已知的多种传染病或遗传病的基因点于芯片上，就可以对一个标本同时进行多种疾病的检测，并且具有灵敏度高、特异性好、结果快速可靠的优点。利用基因芯片技术在感染性疾病如肝炎诊断及基因分型方面都取得非常好的效果[10-13]。基因芯片技术在肿瘤的诊断上也得到飞速的发展，例如苏凯等[14]利用人类V2.0全基因组寡核苷酸微阵列芯片，检测抗脱落凋亡肺癌A549细胞与正常贴壁生长A549细胞的基因表达差异性，筛选肺癌转移相关基因，从中筛选出与肺癌转移密切相关的基因，成功建立抗脱落凋亡肺癌A549细胞系并筛选出转移相关差异表达基因，为进一步研究肺癌转移相关信号转导通路及其他相关研究提供依据。盛云华等[15]利用基因芯片技术探讨山豆根水煎液致大鼠肝损伤的相关基因，经分析发现出现差异表达基因主要涉及到脂质代谢与内分泌系统相关的过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)信号通路、类固醇合成信号通路等。法医上通过个体遗传特性的测定，用于亲子鉴定、个体识别和SNP指纹库。另外通过分析个体基因表达谱确定健康状况，更好地预防疾病的发生和流行。

3.2 蛋白质芯片(Protein chip)蛋白质芯片是指把制备好的蛋白质样品固定于经化学修饰的玻片、硅片等载体上[16]，蛋白质与载体表面结合，同时仍保留蛋白质的理化性质和生物活性，可以高效地大规模获取生物体中蛋白质的信息，并以相关的检测设备对这些信号进行快速监测和即时分析。蛋白质芯片技术具有快速、并行、自动化和高通量的特点，它能同时对全基因组水平的上千种不同蛋白质进行分析，是蛋白质组研究的重要手段。其优点有[17]：一是能快速进行大量蛋白质的定量分析；二是对少量样品进行沉降分离和标记后即可加于芯片上进行检测和分析；三是与传统的酶标ELISA分析相比，蛋白质芯片采用光敏染料标记，敏感度高、准确性好。因此蛋白质芯片技术在临床方面有广泛的应用，尤其是在疾病的诊断和疗效判定方面。蛋白质芯片能够同时检测样品中与某种疾病或环境因素损伤可能相关的全部蛋白质含量的变化情况，即表型指纹。如分析某一疾病组织与健康组织在蛋白质表达量方面的差异，建立这种疾病的蛋白质表型指纹，利用疾病的表型指纹库，可以对各种疾病进行诊断。这种方法避免了传统方法由于其敏感性和特异性不足所造成对诊断水平的限制。黄窍铭等[18]利用蛋白芯片检测系统检测血清肿瘤标志物有助于非小细胞肺癌的诊断及组织分型；张亚南等[19]运用蛋白质芯片技术检测多肿瘤标志物可以明显提高恶性肿瘤诊断的敏感度,可作为肿瘤诊断及高危人群早期筛查等的辅助检查，同时,多肿瘤标志物在消化道良性疾病也有表达，是否可作为疾病发展进程的监测指标有待进一步研究。另一方面，蛋白质芯片的高通量特点，使得疾病标志物的检测速度大大提高，如通过蛋白质芯片检测前列腺癌患者血清，3 d内发现6种潜在的前列腺癌的生物学标志物，传统方法完成这项工作需数年时间。另外，蛋白质芯片技术也广泛地应用于蛋白质表达谱的分析、蛋白质功能、蛋白质-蛋白质间相互作用的研究及治疗疾病新药的研制与开发等领域。

3.3 缩微芯片实验室(Laboratory on chip)缩微芯片实验室称为微流控芯片，又称微型全分析系统。缩微芯片实验室是指将生命科学和医学研究中的许多不连续的发现过程，如样品制备、核酸标记、生化反应、分离检测及数据处理等，通过采用半导体光刻加工等缩微技术，集成到一块生物芯片上所形成的一种便携式生物化学分析系统。缩微芯片实验室的最终目的是实现生化分析全过程集成在一片芯片上，从而使现有的许多繁琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生化分析过程变为自动化、连续化和微缩化。缩微芯片实验室(微流控芯片)的概念最初是由瑞士学者Manz和Widmer于1990年提出[20]，1992年，Manz通过MEMS技术在平板刻蚀微管道，研制出分析装置—毛管电泳微芯片，微流控芯片技术终于诞生。经过众多学者不断地研发和改进，1998年第一台微流控分析仪问世[21]。缩微芯片实验室的微加工制造过程是应用微电子工业和半导体制造中比较精细的加工工艺，如光学掩模刻技术、反应离子刻蚀、微注入模塑和聚合模浇注法等，在玻璃、硅片等材料上加工出用于生物样品分离、反应的微米尺寸的微细结构，这些结构表面经化学处理后，在其上进行生物化学反应和完成整个生物化学分析过程。微芯片实验室主要特点有：分析全过程自动化、生产成本低、防污染、分析速度快、所需样品少、极高的样品并行处理能力、体积小、重量轻、便于携带。缩微芯片实验室将来发展趋势甚至可以成为个人生物信息分析卡或微型分子生物实验室之类的器件。缩微芯片实验室的出现将会给分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督等领域带来一场革命[22]。

4 发展趋势与展望

生物芯片技术的发展还处于初期阶段，因其复杂的理论和技术有待于进一步研究，所以影响其准确性和稳定性；有些生物芯片的制备成本高、周期长，应用难以普及，这是生物芯片技术的局限性。如基因芯片制备过程中光刻掩膜的制备成本高、周期长，影响芯片设计与新产品的开发及应用；光的折射、衍射可以引起寡核苷酸的错配；又如人类目前所知的与疾病有关的基因还不够充分，许多疾病的遗传背景了解不够，因此，生物芯片技术的应用受到极大的限制。生物芯片技术在我国起步较晚，许多技术依靠国外引进，所开展的项目非常有限，没有形成较大的规模，因此，生物芯片技术的标准化及质量控制的实施等方面也有一定难度，监管体系尚需进一步加强与完善。但是生物芯片技术在飞速发展，产品技术越来越成熟。如由美国Luminex公司研制的继基因芯片和蛋白芯片之后的液相芯片是一种用于肿瘤疾病诊断的新型生物芯片[23-24]，液相芯片通量更高、特异性更强、准确率更高、更便捷、速度更快、标本的使用量更少，可以用于检测多种肿瘤疾病的标志物，为临床早期发现肿瘤提供更大的帮助[25]。随着生物芯片技术的深入发展，相信其未来对临床疾病诊断、疾病发生的机制和新药的开发等方面将提供一个重要的研究和应用平台。

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