生物芯片與腫瘤研究

李瀟然

(北京理工大學微電子技術實驗室，北京 100081)

生物芯片技術最初源于Edwin Southern提出的核酸雜交理論，即利用核酸分子中堿基配對的原則，標記的核酸分子能夠與被固化的、與之互補配對的核酸分子雜交［1］。生物芯片一詞早在20世紀80年代初提出，隨著生命科學及其相關技術的迅速發展，目前已成為生命科學領域中有著廣泛應用前景的高新技術，特別是人類基因組計劃 (Human Genome Project，HGP)的實施和分子生物學等相關學科的突飛猛進，為生物芯片技術的應用提供了廣闊空間和有利條件［2］。除了基因檢測、疾病診斷、預防醫學、新藥開發等生命科學相關領域，生物芯片在司法鑒定、食品安全檢測及營養成分分析、環境科學、農林科學、軍事科學中都起著非常重要的作用［3，4］。本文重點對其在腫瘤研究和診斷治療中的應用做一簡要綜述。

1 生物芯片的概述

生物芯片技術是指通過微加工和微電子技術，在芯片表面構建微型生物化學分析系統，對組織細胞中的蛋白質、DNA或者其他生物組分進行高通量檢測［5］。比如基因芯片和蛋白質芯片分別是將大量已知序列的核酸片段或多肽片段按照預先設置的排列方式，有序地固定在厘米見方的片基(基質或載體)表面，使之與帶有標記物的核酸或蛋白質分子發生反應，以便檢測分析出待檢標本中的相應成分［6］。生物芯片的最大特點是高通量并行分析，借助微加工和微電子技術，將分子生物學、免疫學、化學、物理、計算機等多學科技術有機地融合，使多個單獨分散的研究過程集中在芯片上，最終快速、準確、敏感、高效地完成分析［3，4］。生物芯片技術的基本原理是分子雜交，也就是利用生物分子之間特異性親和反應，實現對基因、配體、抗原等生物活性物質的檢測分析［7］。

2 生物芯片的分類

生物芯片的種類繁多，目前尚無統一的分類方式。常用的分類方法有以下幾種：

2.1 根據用途分類

2.1.1 生物電子芯片：用于生物計算機等生物電子產品的制造。

2.1.2 生物分析芯片：用于核酸、蛋白質等各種生物大分子以及細胞、組織的生物化學和分子生物學檢測。

2.2 根據作用方式分類

2.2.1 主動式芯片：又稱為功能生物芯片，是生物芯片技術的高級階段，主要包括微流體芯片(microfluidic chip)和芯片實驗室(lab on chip)，其主要特點是把生物樣本的處理、標記、反應及檢測等多個步驟均集中在芯片體系中，通過一步反應就可快速、簡單地完成實驗。

2.2.2 被動式芯片：即各種微陣列芯片，目前使用的大部分芯片均屬于此類，包括基因芯片、蛋白芯片、細胞芯片和組織芯片。其主要特點是通過高通量的檢測分析，獲得大量生物信息，采用生物信息學處理后，進行數據挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。

2.3 根據固定在載體上的物質成分分類

2.3.1 基因芯片(gene chip)：又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將 cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。2.3.2 蛋白質芯片 (protein chip或 protein m icro array)：是將蛋白質、多肽等按微陣列方式固定在微型載體上制成。

2.3.3 細胞芯片(cell chip)：是將細胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細胞間相互影響或相互作用。

2.3.4 組織芯片(tissue chip，tissue microarray)：是將組織切片按照特定的方式固定在載體上，用來進行組織內成分差異研究。

2.3.5 其他：如芯片實驗室(Lab on chip)，將樣品的制備、標記、反應和檢測分析的全過程集約化形成微型分析系統，是生物芯片技術發展的最終目標。

2.4 根據支持介質分類

用于芯片制作的載體材料有無機材料、天然有機聚合物、人工合成的有機高分子聚合物和各種高分子聚合物制成的膜，但只有玻璃片、金屬片、各種有機高分子制作的薄膜等少數幾種適于制作生物芯片，所以按照載體材料可將生物芯片分為：硅晶片芯片、玻璃芯片、塑料芯片和磁珠芯片等。

3 生物芯片在腫瘤研究方面的應用

隨著人類老齡化進程的不斷加劇，腫瘤的發病率日益增高，已成為危害人類健康和生命安全的殺手。據流行病學調查顯示，在我國惡性腫瘤是僅次于心腦血管疾病的死亡原因。以肺癌為例，2005年我國肺癌新發病例數為536407人，死亡病例數475768人，通過對10個登記處18年發病死亡數據分析，登記點肺癌發病率呈現逐年上升趨勢，年平均增長率為1.63%［9］。據美國腫瘤研究學會的最新報道，美國的二分之一男性、三分之一女性終生都存在著罹患腫瘤的危險，癌癥是85歲以下的人群中的第二位死亡因素［10］。根據世界衛生組織2003年公布的數據，2000年全球共有惡性腫瘤患者1000萬，其中男530萬，女470萬，而惡性腫瘤死亡者高達620萬，占總死亡人數的12%，在多數發達國家可達25%［11］。腫瘤患者死亡率高的主要原因是不能早期診斷，而且惡性腫瘤所需的醫療支出十分可觀，美國2010年用于癌癥的經費是2638億美元，其中1028億直接用于醫療費用［10］。由此可見，腫瘤的早期發現、早期診斷和早期治療對于降低發病率、維護人類健康、促進社會發展有著至關重要的意義。

生物芯片在腫瘤的研究、診斷和治療中具有及其廣闊的前景。因為腫瘤的發生發展是非常復雜的過程，涉及多種基因的表達失常、突變或缺失等，而生物芯片技術正是具有敏感性高、檢測迅速、信息量大的特點，可以滿足早期發現、早期診斷的要求［12］。以下從基因芯片、蛋白質芯片和組織芯片三方面介紹生物芯片在腫瘤研究中的應用。

3.1 基因芯片

采用基因芯片分析患者和腫瘤高發人群的基因表達譜，并與正常對照組進行比對，為發現腫瘤

致病基因提供線索；通過檢測突變基因，對具有發生腫瘤風險的個體提前預警［13，14］。因為基因表達水平的差異，反映了不同細胞類型、不同生長環境、不同生長階段細胞的功能信息，所以分析所有基因的表達譜對于研究基因的功能十分重要，利用基因表達譜數據可隨時獲取腫瘤細胞生長各階段和腫瘤生長相關基因的表達模式，為確定腫瘤各階段的治療方案提供可靠的依據［15］。黃達薔等［16］，用包含4096個cDNA基因表達譜芯片研究一組肺癌組織樣本的基因表達譜，結果共篩選出差異表達的基因370條，包含已知基 因l46條，未知基因224條，其中l07條表達增加，263條表達降低，認為基于cDNA微矩 陣技術的腫瘤基因表達譜分析能夠高通量篩選與肺癌發生密切相關的基因。

3.2 蛋白質芯片

腫瘤標志物檢測和篩查對早期發現、早期診斷惡性腫瘤非常重要，并可以指導腫瘤的治療，尤其是多種腫瘤標志物聯合檢測更為有利。因為在疾病早期，甚至在出現病理變化之前，細胞內的蛋白質成分和表達水平首先發生改變，通過動態追蹤觀察蛋白質的變化，可以早期發現和預警，所以檢測腫瘤的分子標志物就是早期診斷的重要手段［17］。而蛋白質芯片技術為腫瘤標志物的聯合檢測提供了理想工具，根據芯片的載體性質，又分為固相蛋白質芯片和液相蛋白質芯片，目前臨床上用于腫瘤標志物檢測的多為固相芯片［18，19］。肖雪媛等采用SELDI(surface-enhanced laser desorption/ionization)蛋白芯片技術檢測了30例肺癌病人血清和12例正常人血清中的蛋白質譜，結果顯示，肺癌病人與正常人的血清中有15個差異蛋白(標志分子)表達，其中6個蛋白質在肺癌病人血清中高表達，9個蛋白質在肺癌病人血清中低表達，證明與肺癌相關的特異性標志分子可從病人血清中檢測出來，而且蛋白質芯片技術對于發現和篩選血清中的肺癌標志蛋白是一種有效、快速的工具［20］。趙靜采用多腫瘤標志物蛋白芯片檢測試劑盒對45例卵巢癌患者(卵巢癌組)、82例卵巢良性腫瘤患者(良性瘤組)和36名健康體檢者(對照組)血清中12種腫瘤標志物水平進行檢測，結果卵巢癌組糖鏈抗原 125(CAl25)、癌胚抗原(CEA)、糖鏈抗原242(CA242)和糖鏈抗原199(CAl99)檢測陽性率高于良性瘤組及對照組(P＜0.05)，且四種標志物聯合檢測兼顧了診斷靈敏度和特異性，診斷準確度高達84%，表明應用多腫瘤標志物蛋白芯片檢測技術，綜合分析多腫瘤標志物水平及動態變化，可提高腫瘤標志物檢測在卵巢癌的診斷及治療中的應用價值［21］。

3.3 組織芯片

將數十至數百個不同個體的組織標本集成在一張固相載體上制成組織芯片，從而提供了一種高通量、大樣本以及快速的疾病形態學分析工具。組織芯片技術與傳統的病理學、免疫組織化學等技術相結合，可做HE染色、特殊染色、免疫組織化學染色、DNA和RNA原位雜交、熒光原位雜交等。因為一次實驗可獲得大量的實驗結果，組織芯片技術是建立疾病、特別是腫瘤生物分子文庫的高效分析平臺［22］。林茂松等采集了54例直腸癌組織和40例癌旁直腸粘膜組織制成組織芯片，采用免疫組織化學染色方法檢測了多種蛋白因子的表達，結果發現，p53、CyclinD1、Bcl-2的異常表達與直腸癌的發生有關，這種表達升高可能有助于直腸癌的早期診斷［23］。

生物芯片作為20世紀后期逐漸發展起來的高新技術，已經在眾多的領域中顯示出它的重要作用。相信伴隨著芯片制備所必須的微加工和微電子技術的不斷進步，伴隨著生命科學及其相關學科的不斷發展，生物芯片技術將具有更加廣泛應用前景。

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