生物芯片在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

覃日吉

（柳江縣婦幼保健院檢驗(yàn)科，廣西 柳江 545100）

生物芯片(Biochip)是通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)，根據(jù)分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過(guò)程(如樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和分析檢測(cè))集成于硅芯片和玻璃芯片表面的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)[1-3]。

1 生物芯片的發(fā)展及主要特點(diǎn)

生物芯片是20世紀(jì)90年代生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，是綜合運(yùn)用生物、微電子、微加工和計(jì)算機(jī)等知識(shí)制造的高科技杰作[4]。生物芯片是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科學(xué)技術(shù)革命，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)將生物芯片評(píng)為1998年的世界十大科技突破成果之一[5]。生物芯片本質(zhì)上是固定在玻片等載體上的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，芯片上每平方厘米可密集排列成千上萬(wàn)個(gè)生物分子，能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA及其他生物組分，并獲取樣品中的有關(guān)信息，其效率是傳統(tǒng)檢測(cè)方法的成百上千倍，即生物芯片具有高通量、高集成、微型化、連續(xù)化、自動(dòng)化等主要特點(diǎn)[6]。

2 生物芯片的原理與分類

生物芯片檢測(cè)生物化學(xué)物質(zhì)的基本原理是[7-8]：把制備好的生物樣品固定于經(jīng)化學(xué)修飾的載體上，樣品中的生物分子與載體表面結(jié)合，同時(shí)又保留其理化性質(zhì)，在一定條件下，進(jìn)行芯片上的生物分子反應(yīng)，并使反應(yīng)達(dá)最佳狀態(tài)，然后利用芯片專用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)芯片信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即可高效、大規(guī)模地獲取生物體中待檢物質(zhì)的信息。生物芯片按固定的生物分子及材料不同可分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片和縮微芯片等[9]。臨床醫(yī)學(xué)常用的生物芯片主要為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片及縮微芯片三大類。

3 生物芯片在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

3.1 基因芯片(Gene chip)基因芯片又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)。基因是載有生物體遺傳信息的基本單位，存在于細(xì)胞的染色體上。將大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纖維膜等載體上，稱為基因芯片?；蛐酒夹g(shù)是一門新興的技術(shù)，由于該技術(shù)能在一次實(shí)驗(yàn)中自動(dòng)、快速、敏感地同時(shí)檢測(cè)數(shù)千條序列，而且獲得的序列信息高度特異、穩(wěn)定，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的20項(xiàng)高新技術(shù)之一。在醫(yī)學(xué)上，可用于遺傳病的遺傳機(jī)制研究及診斷、病原體及病原體分型診斷、耐藥性檢測(cè)、藥物篩選、各類實(shí)質(zhì)性器官的移植和骨髓移植中供受體的配型、毒理學(xué)研究、實(shí)現(xiàn)用藥個(gè)體化等。如基因芯片一次能做許多種傳染病或遺傳病的檢測(cè)，將已知的多種傳染病或遺傳病的基因點(diǎn)于芯片上，就可以對(duì)一個(gè)標(biāo)本同時(shí)進(jìn)行多種疾病的檢測(cè)，并且具有靈敏度高、特異性好、結(jié)果快速可靠的優(yōu)點(diǎn)。利用基因芯片技術(shù)在感染性疾病如肝炎診斷及基因分型方面都取得非常好的效果[10-13]?；蛐酒夹g(shù)在腫瘤的診斷上也得到飛速的發(fā)展，例如蘇凱等[14]利用人類V2.0全基因組寡核苷酸微陣列芯片，檢測(cè)抗脫落凋亡肺癌A549細(xì)胞與正常貼壁生長(zhǎng)A549細(xì)胞的基因表達(dá)差異性，篩選肺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)基因，從中篩選出與肺癌轉(zhuǎn)移密切相關(guān)的基因，成功建立抗脫落凋亡肺癌A549細(xì)胞系并篩選出轉(zhuǎn)移相關(guān)差異表達(dá)基因，為進(jìn)一步研究肺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及其他相關(guān)研究提供依據(jù)。盛云華等[15]利用基因芯片技術(shù)探討山豆根水煎液致大鼠肝損傷的相關(guān)基因，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差異表達(dá)基因主要涉及到脂質(zhì)代謝與內(nèi)分泌系統(tǒng)相關(guān)的過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)信號(hào)通路、類固醇合成信號(hào)通路等。法醫(yī)上通過(guò)個(gè)體遺傳特性的測(cè)定，用于親子鑒定、個(gè)體識(shí)別和SNP指紋庫(kù)。另外通過(guò)分析個(gè)體基因表達(dá)譜確定健康狀況，更好地預(yù)防疾病的發(fā)生和流行。

3.2 蛋白質(zhì)芯片(Protein chip)蛋白質(zhì)芯片是指把制備好的蛋白質(zhì)樣品固定于經(jīng)化學(xué)修飾的玻片、硅片等載體上[16]，蛋白質(zhì)與載體表面結(jié)合，同時(shí)仍保留蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物活性，可以高效地大規(guī)模獲取生物體中蛋白質(zhì)的信息，并以相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)和即時(shí)分析。蛋白質(zhì)芯片技術(shù)具有快速、并行、自動(dòng)化和高通量的特點(diǎn)，它能同時(shí)對(duì)全基因組水平的上千種不同蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，是蛋白質(zhì)組研究的重要手段。其優(yōu)點(diǎn)有[17]：一是能快速進(jìn)行大量蛋白質(zhì)的定量分析；二是對(duì)少量樣品進(jìn)行沉降分離和標(biāo)記后即可加于芯片上進(jìn)行檢測(cè)和分析；三是與傳統(tǒng)的酶標(biāo)ELISA分析相比，蛋白質(zhì)芯片采用光敏染料標(biāo)記，敏感度高、準(zhǔn)確性好。因此蛋白質(zhì)芯片技術(shù)在臨床方面有廣泛的應(yīng)用，尤其是在疾病的診斷和療效判定方面。蛋白質(zhì)芯片能夠同時(shí)檢測(cè)樣品中與某種疾病或環(huán)境因素?fù)p傷可能相關(guān)的全部蛋白質(zhì)含量的變化情況，即表型指紋。如分析某一疾病組織與健康組織在蛋白質(zhì)表達(dá)量方面的差異，建立這種疾病的蛋白質(zhì)表型指紋，利用疾病的表型指紋庫(kù)，可以對(duì)各種疾病進(jìn)行診斷。這種方法避免了傳統(tǒng)方法由于其敏感性和特異性不足所造成對(duì)診斷水平的限制。黃竅銘等[18]利用蛋白芯片檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)血清腫瘤標(biāo)志物有助于非小細(xì)胞肺癌的診斷及組織分型；張亞南等[19]運(yùn)用蛋白質(zhì)芯片技術(shù)檢測(cè)多腫瘤標(biāo)志物可以明顯提高惡性腫瘤診斷的敏感度,可作為腫瘤診斷及高危人群早期篩查等的輔助檢查，同時(shí),多腫瘤標(biāo)志物在消化道良性疾病也有表達(dá)，是否可作為疾病發(fā)展進(jìn)程的監(jiān)測(cè)指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。另一方面，蛋白質(zhì)芯片的高通量特點(diǎn)，使得疾病標(biāo)志物的檢測(cè)速度大大提高，如通過(guò)蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)前列腺癌患者血清，3 d內(nèi)發(fā)現(xiàn)6種潛在的前列腺癌的生物學(xué)標(biāo)志物，傳統(tǒng)方法完成這項(xiàng)工作需數(shù)年時(shí)間。另外，蛋白質(zhì)芯片技術(shù)也廣泛地應(yīng)用于蛋白質(zhì)表達(dá)譜的分析、蛋白質(zhì)功能、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間相互作用的研究及治療疾病新藥的研制與開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

3.3 縮微芯片實(shí)驗(yàn)室(Laboratory on chip)縮微芯片實(shí)驗(yàn)室稱為微流控芯片，又稱微型全分析系統(tǒng)。縮微芯片實(shí)驗(yàn)室是指將生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中的許多不連續(xù)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，如樣品制備、核酸標(biāo)記、生化反應(yīng)、分離檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理等，通過(guò)采用半導(dǎo)體光刻加工等縮微技術(shù)，集成到一塊生物芯片上所形成的一種便攜式生物化學(xué)分析系統(tǒng)?？s微芯片實(shí)驗(yàn)室的最終目的是實(shí)現(xiàn)生化分析全過(guò)程集成在一片芯片上，從而使現(xiàn)有的許多繁瑣、費(fèi)時(shí)、不連續(xù)、不精確和難以重復(fù)的生化分析過(guò)程變?yōu)樽詣?dòng)化、連續(xù)化和微縮化。縮微芯片實(shí)驗(yàn)室(微流控芯片)的概念最初是由瑞士學(xué)者M(jìn)anz和Widmer于1990年提出[20]，1992年，Manz通過(guò)MEMS技術(shù)在平板刻蝕微管道，研制出分析裝置—毛管電泳微芯片，微流控芯片技術(shù)終于誕生。經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者不斷地研發(fā)和改進(jìn)，1998年第一臺(tái)微流控分析儀問(wèn)世[21]?？s微芯片實(shí)驗(yàn)室的微加工制造過(guò)程是應(yīng)用微電子工業(yè)和半導(dǎo)體制造中比較精細(xì)的加工工藝，如光學(xué)掩?？碳夹g(shù)、反應(yīng)離子刻蝕、微注入模塑和聚合模澆注法等，在玻璃、硅片等材料上加工出用于生物樣品分離、反應(yīng)的微米尺寸的微細(xì)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)表面經(jīng)化學(xué)處理后，在其上進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)和完成整個(gè)生物化學(xué)分析過(guò)程。微芯片實(shí)驗(yàn)室主要特點(diǎn)有：分析全過(guò)程自動(dòng)化、生產(chǎn)成本低、防污染、分析速度快、所需樣品少、極高的樣品并行處理能力、體積小、重量輕、便于攜帶?？s微芯片實(shí)驗(yàn)室將來(lái)發(fā)展趨勢(shì)甚至可以成為個(gè)人生物信息分析卡或微型分子生物實(shí)驗(yàn)室之類的器件?？s微芯片實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)將會(huì)給分子生物學(xué)、疾病診斷和治療、新藥開(kāi)發(fā)、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命[22]。

4 發(fā)展趨勢(shì)與展望

生物芯片技術(shù)的發(fā)展還處于初期階段，因其復(fù)雜的理論和技術(shù)有待于進(jìn)一步研究，所以影響其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；有些生物芯片的制備成本高、周期長(zhǎng)，應(yīng)用難以普及，這是生物芯片技術(shù)的局限性。如基因芯片制備過(guò)程中光刻掩膜的制備成本高、周期長(zhǎng)，影響芯片設(shè)計(jì)與新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用；光的折射、衍射可以引起寡核苷酸的錯(cuò)配；又如人類目前所知的與疾病有關(guān)的基因還不夠充分，許多疾病的遺傳背景了解不夠，因此，生物芯片技術(shù)的應(yīng)用受到極大的限制。生物芯片技術(shù)在我國(guó)起步較晚，許多技術(shù)依靠國(guó)外引進(jìn)，所開(kāi)展的項(xiàng)目非常有限，沒(méi)有形成較大的規(guī)模，因此，生物芯片技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化及質(zhì)量控制的實(shí)施等方面也有一定難度，監(jiān)管體系尚需進(jìn)一步加強(qiáng)與完善。但是生物芯片技術(shù)在飛速發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)越來(lái)越成熟。如由美國(guó)Luminex公司研制的繼基因芯片和蛋白芯片之后的液相芯片是一種用于腫瘤疾病診斷的新型生物芯片[23-24]，液相芯片通量更高、特異性更強(qiáng)、準(zhǔn)確率更高、更便捷、速度更快、標(biāo)本的使用量更少，可以用于檢測(cè)多種腫瘤疾病的標(biāo)志物，為臨床早期發(fā)現(xiàn)腫瘤提供更大的幫助[25]。隨著生物芯片技術(shù)的深入發(fā)展，相信其未來(lái)對(duì)臨床疾病診斷、疾病發(fā)生的機(jī)制和新藥的開(kāi)發(fā)等方面將提供一個(gè)重要的研究和應(yīng)用平臺(tái)。

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