浅析基因芯片技术的研究进展及其应用前景

摘 要：基因芯片技术是上世纪90年代中期以来，快速发展起来的一门分子生物学高新技术。基因芯片这个概念是由Fodor等在1991年提出的。基因芯片技术用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域中有着广泛的用武之地。基因芯片技术将为人类社会带来广泛深刻的变革，促进人类早日进入生物信息时代。

关键词：基因芯片；基因诊断；进展

基因芯片是生物芯片技术的一种，它是随着"人类基因组计划"的进展而发展起来的，它对人类的未来将产生深远的影响，既具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。基因芯片技术将为“后基因组计划”时期基因功能的研究提供强有力的工具，将会使基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破。

一、基本概念

基因芯片（gene chip）也叫DNA芯片、DNA微阵列（DNA microarray）、寡核苷酸阵列（oligonucleotide array），是指通过微阵列技术，将高密度DNA片段阵列通过高速机器人，或原位合成方式以一定的顺序或排列方式，使其附着在如玻璃片等固相表面，以荧光标记的DNA探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研究的最新革命性技术。由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程运用了计算机芯片的制备技术，所以称之为基因芯片技术。

二、基因芯片技术的分类

基因芯片技术的分类方法很多，最常用的是按载体上所点探针的长度分为两种：一是cDNA芯片，由 Schena 建立，是将特定的 cDNA经 PCR 扩增后借助机械手直接点到基片上；二是寡核苷酸芯片，由Fodo 首先报道， 用照相平板印刷术和固相合成技术在基片上生成寡核苷酸， 分为长寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片，与cDNA芯片制作的一个主要不同点是多一步转录获得cRNA的过程。目前，关于不同基因芯片技术的灵敏度和特异性仍存在争议。起初，人们认为长寡核苷酸芯片和cDNA芯片有更高的特异性和灵敏度，现在看来，短寡核苷酸芯片同样有很高地特异性，因为每一个基因代表11-20个寡核苷酸。

三、国内外研究进展

美国于上世纪末年正式启动基因芯片计划， 国立卫生研究院（NIH）、能源部、商业部、司法部、国防部、中央情报局等均参与了此项目。世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、疾病相关性、基因藥物开发和合成或天然药物筛选等领域感兴趣， 都已建立了或正在建立自己的芯片设备和技术。目前，国际上已经有许多从事生物芯片研究的公司， 每家公司的芯片技术都各具特色，应用目的也不尽相同， 如加利福尼亚州森尼维尔的 Hyseq 公司，声称拥有最快的基因分析器， 它们由机器人制造， 机器人把 DNA 探针滴到过滤纸上，其 DNA 阵具有优势， 破译 DNA 的速度快。Affymetrix 公司以开发的判断是否携带爱滋病病毒逆转录酶基因的 HIV 芯片，确定有无癌症可能的 P53 基因芯片以及诊断药物代谢缺乏症的细胞色素 P450芯片，现以应用于临床；通过开发对杂合基因丢失和等位基因不平衡分析，来预测和诊断肿瘤的芯片也正在临床研究之中。一些具有实力的大型制药公司对基因芯片用于基因多态性、疾病相关性、基因药物开发和合成或天然药物筛选等领域都非常感兴趣。相继投入巨资开发基因芯片技术和相应的设备， 尝试利用基因芯片技术开展新药的超高量筛选和进行药理遗传学、药理基因组学的研究。

我国有着丰富的基因资源， 基因研究具有特别重要的商业价值， 基因芯片技术的成熟和发展将大大促进我国人类基因组计划的进程。目前国内掀起基因芯片的研究热潮，国内已有多家大学和研究所开始和正在从事生物芯片的研发工作，国家研究经费投入大幅增加。科学家提出以生物芯片技术为核心的各相关产业正在全球崛起， 世界工业发达国家已开始有计划、大投入、争先恐后的对该领域知识产权进行保护。 国务院已经在清华大学成立了国家生物芯片工程中心，并对生物芯片的系统研发作倾斜性支持。 我国已开发出用于诊断肝炎的芯片数种，如一种用于乙型肝炎病毒分型的芯片；一种用于乙型肝炎病毒基因，丙型肝炎病毒基因诊断的双检芯片。另外，用于性病， 且一次可同时检测10种以上性病原体和用于α、β型地中海贫血诊断的基因芯片都正在申报新药之中，用于胎儿神经管畸形基因诊断的芯片正处在研究阶段。

四、应用

（一）在生命科学研究中的应用

一是在绘制基因缺失图谱和基因表达分析中的应用。通过绘制基因图谱同时可以在混合的 B 型流感病毒株中区分各个基因节段， 还可以确定疫苗候选株， 这对研制基因疫苗具有重大意义。

二是在基因突变检测中的应用。由于一些病毒性疾病诊断及治疗有很大困难。选择固定在硅片微通道的寡核苷酸探针，用探针来识别流感病毒各亚型血凝素基因和神经氨酸酶基因。根据杂交结果分析病毒的变异基因，进而确定抗原成分的变异情况，从而可以鉴定病毒亚型。

三是在生命科学研究中其他方面的应用。应用微生物芯片监测电化学诱导产生的有机突变物质；依据微流体学原理， 利用荧光原位杂交和基因芯片对海洋细菌群的分析；在细胞信号转导和基因表达调控， 生物发育和分化，生物衰老和凋亡，生物体内生理和生化研究，寻找新基因等方面都得到了广泛应用。

（二）在医学研究中的应用

一是在临床诊断与检测中的应用。由于基因芯片所需样品和剂量极小， 而且快速省时、无污染、诊断结果精确又适合于自动化操作， 很适合疾病诊断与检测。目前， 已应用寡核苷酸微阵列诊断细菌性急性上呼吸道传染病、病毒性疾病、炎症、癌症、神经系统疾病等方面的诊断与检测。

二是在寻找药物作用靶位点中的应用。所谓“寻找药物作用靶位点”是指在基因组范围内对 DNA 进行测序和基因表达分析， 从蛋白质或核酸中找出最佳的药物作用靶点， 进行药物筛选。

三是在医学研究中其他方面的应用。基因芯片在医学研究中其他方面已有广泛地应用， 如遗传病的遗传机制研究及诊断、病原体及分型诊断、耐药性检测、药物筛选、各类实质性器官移植和骨髓移植中受体的配型、自身免疫病、毒理学研究等方面。

综上， 核酸芯片技术与基因组和后基因组时代的需求相适应， 其以本身具有的革命性的优势， 作为一种理想的强有力的分析工具， 必将在生命科学、医学及其他相关科学中扮演重要角色。

参考文献：

[1]杨胜利.生物芯片未来发展趋势及对策[J].第二军医大学学报，2000，21（8）.

[2]冯永强，阎小君，苏成芝.基因芯片技术[J].国外医学杂志分子生物学分册，2000，22（1）.

作者简介：

徐瀛（1998-），女，黑龙江哈尔滨人，江苏科技大学蚕研所生物技术学院本科在读，研究方向：分子生物学。