生物芯片在醫學中的應用進展

覃日吉

（柳江縣婦幼保健院檢驗科，廣西 柳江 545100）

生物芯片(Biochip)是通過微加工技術和微電子技術，根據分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學領域中不連續的分析過程(如樣品制備、化學反應和分析檢測)集成于硅芯片和玻璃芯片表面的微型生物化學分析系統，以實現對細胞、蛋白質、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測[1-3]。

1 生物芯片的發展及主要特點

生物芯片是20世紀90年代生命科學領域中迅速發展起來的一項新技術，是綜合運用生物、微電子、微加工和計算機等知識制造的高科技杰作[4]。生物芯片是繼大規模集成電路之后的又一次具有深遠意義的科學技術革命，美國科學促進會將生物芯片評為1998年的世界十大科技突破成果之一[5]。生物芯片本質上是固定在玻片等載體上的微型生物化學分析系統，芯片上每平方厘米可密集排列成千上萬個生物分子，能快速準確地檢測細胞、蛋白質、DNA及其他生物組分，并獲取樣品中的有關信息，其效率是傳統檢測方法的成百上千倍，即生物芯片具有高通量、高集成、微型化、連續化、自動化等主要特點[6]。

2 生物芯片的原理與分類

生物芯片檢測生物化學物質的基本原理是[7-8]：把制備好的生物樣品固定于經化學修飾的載體上，樣品中的生物分子與載體表面結合，同時又保留其理化性質，在一定條件下，進行芯片上的生物分子反應，并使反應達最佳狀態，然后利用芯片專用監測系統對芯片信號進行監測，即可高效、大規模地獲取生物體中待檢物質的信息。生物芯片按固定的生物分子及材料不同可分為基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片、組織芯片和縮微芯片等[9]。臨床醫學常用的生物芯片主要為基因芯片、蛋白質芯片及縮微芯片三大類。

3 生物芯片在臨床醫學中的應用

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。基因芯片技術是一門新興的技術，由于該技術能在一次實驗中自動、快速、敏感地同時檢測數千條序列，而且獲得的序列信息高度特異、穩定，被譽為21世紀最有發展前途的20項高新技術之一。在醫學上，可用于遺傳病的遺傳機制研究及診斷、病原體及病原體分型診斷、耐藥性檢測、藥物篩選、各類實質性器官的移植和骨髓移植中供受體的配型、毒理學研究、實現用藥個體化等。如基因芯片一次能做許多種傳染病或遺傳病的檢測，將已知的多種傳染病或遺傳病的基因點于芯片上，就可以對一個標本同時進行多種疾病的檢測，并且具有靈敏度高、特異性好、結果快速可靠的優點。利用基因芯片技術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]。基因芯片技術在腫瘤的診斷上也得到飛速的發展，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，檢測抗脫落凋亡肺癌A549細胞與正常貼壁生長A549細胞的基因表達差異性，篩選肺癌轉移相關基因，從中篩選出與肺癌轉移密切相關的基因，成功建立抗脫落凋亡肺癌A549細胞系并篩選出轉移相關差異表達基因，為進一步研究肺癌轉移相關信號轉導通路及其他相關研究提供依據。盛云華等[15]利用基因芯片技術探討山豆根水煎液致大鼠肝損傷的相關基因，經分析發現出現差異表達基因主要涉及到脂質代謝與內分泌系統相關的過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)信號通路、類固醇合成信號通路等。法醫上通過個體遺傳特性的測定，用于親子鑒定、個體識別和SNP指紋庫。另外通過分析個體基因表達譜確定健康狀況，更好地預防疾病的發生和流行。

3.2 蛋白質芯片(Protein chip)蛋白質芯片是指把制備好的蛋白質樣品固定于經化學修飾的玻片、硅片等載體上[16]，蛋白質與載體表面結合，同時仍保留蛋白質的理化性質和生物活性，可以高效地大規模獲取生物體中蛋白質的信息，并以相關的檢測設備對這些信號進行快速監測和即時分析。蛋白質芯片技術具有快速、并行、自動化和高通量的特點，它能同時對全基因組水平的上千種不同蛋白質進行分析，是蛋白質組研究的重要手段。其優點有[17]：一是能快速進行大量蛋白質的定量分析；二是對少量樣品進行沉降分離和標記后即可加于芯片上進行檢測和分析；三是與傳統的酶標ELISA分析相比，蛋白質芯片采用光敏染料標記，敏感度高、準確性好。因此蛋白質芯片技術在臨床方面有廣泛的應用，尤其是在疾病的診斷和療效判定方面。蛋白質芯片能夠同時檢測樣品中與某種疾病或環境因素損傷可能相關的全部蛋白質含量的變化情況，即表型指紋。如分析某一疾病組織與健康組織在蛋白質表達量方面的差異，建立這種疾病的蛋白質表型指紋，利用疾病的表型指紋庫，可以對各種疾病進行診斷。這種方法避免了傳統方法由于其敏感性和特異性不足所造成對診斷水平的限制。黃竅銘等[18]利用蛋白芯片檢測系統檢測血清腫瘤標志物有助于非小細胞肺癌的診斷及組織分型；張亞南等[19]運用蛋白質芯片技術檢測多腫瘤標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,多腫瘤標志物在消化道良性疾病也有表達，是否可作為疾病發展進程的監測指標有待進一步研究。另一方面，蛋白質芯片的高通量特點，使得疾病標志物的檢測速度大大提高，如通過蛋白質芯片檢測前列腺癌患者血清，3 d內發現6種潛在的前列腺癌的生物學標志物，傳統方法完成這項工作需數年時間。另外，蛋白質芯片技術也廣泛地應用于蛋白質表達譜的分析、蛋白質功能、蛋白質-蛋白質間相互作用的研究及治療疾病新藥的研制與開發等領域。

3.3 縮微芯片實驗室(Laboratory on chip)縮微芯片實驗室稱為微流控芯片，又稱微型全分析系統。縮微芯片實驗室是指將生命科學和醫學研究中的許多不連續的發現過程，如樣品制備、核酸標記、生化反應、分離檢測及數據處理等，通過采用半導體光刻加工等縮微技術，集成到一塊生物芯片上所形成的一種便攜式生物化學分析系統。縮微芯片實驗室的最終目的是實現生化分析全過程集成在一片芯片上，從而使現有的許多繁瑣、費時、不連續、不精確和難以重復的生化分析過程變為自動化、連續化和微縮化。縮微芯片實驗室(微流控芯片)的概念最初是由瑞士學者Manz和Widmer于1990年提出[20]，1992年，Manz通過MEMS技術在平板刻蝕微管道，研制出分析裝置—毛管電泳微芯片，微流控芯片技術終于誕生。經過眾多學者不斷地研發和改進，1998年第一臺微流控分析儀問世[21]。縮微芯片實驗室的微加工制造過程是應用微電子工業和半導體制造中比較精細的加工工藝，如光學掩模刻技術、反應離子刻蝕、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、反應的微米尺寸的微細結構，這些結構表面經化學處理后，在其上進行生物化學反應和完成整個生物化學分析過程。微芯片實驗室主要特點有：分析全過程自動化、生產成本低、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。縮微芯片實驗室將來發展趨勢甚至可以成為個人生物信息分析卡或微型分子生物實驗室之類的器件。縮微芯片實驗室的出現將會給分子生物學、疾病診斷和治療、新藥開發、司法鑒定、食品衛生監督等領域帶來一場革命[22]。

4 發展趨勢與展望

生物芯片技術的發展還處于初期階段，因其復雜的理論和技術有待于進一步研究，所以影響其準確性和穩定性；有些生物芯片的制備成本高、周期長，應用難以普及，這是生物芯片技術的局限性。如基因芯片制備過程中光刻掩膜的制備成本高、周期長，影響芯片設計與新產品的開發及應用；光的折射、衍射可以引起寡核苷酸的錯配；又如人類目前所知的與疾病有關的基因還不夠充分，許多疾病的遺傳背景了解不夠，因此，生物芯片技術的應用受到極大的限制。生物芯片技術在我國起步較晚，許多技術依靠國外引進，所開展的項目非常有限，沒有形成較大的規模，因此，生物芯片技術的標準化及質量控制的實施等方面也有一定難度，監管體系尚需進一步加強與完善。但是生物芯片技術在飛速發展，產品技術越來越成熟。如由美國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、準確率更高、更便捷、速度更快、標本的使用量更少，可以用于檢測多種腫瘤疾病的標志物，為臨床早期發現腫瘤提供更大的幫助[25]。隨著生物芯片技術的深入發展，相信其未來對臨床疾病診斷、疾病發生的機制和新藥的開發等方面將提供一個重要的研究和應用平臺。

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