淺析基因芯片技術的研究進展及其應用前景

摘 要：基因芯片技術是上世紀90年代中期以來，快速發展起來的一門分子生物學高新技術。基因芯片這個概念是由Fodor等在1991年提出的。基因芯片技術用途廣泛，在生命科學研究及實踐、醫學科研及臨床、藥物設計、環境保護、農業、軍事等各個領域中有著廣泛的用武之地。基因芯片技術將為人類社會帶來廣泛深刻的變革，促進人類早日進入生物信息時代。

關鍵詞：基因芯片；基因診斷；進展

基因芯片是生物芯片技術的一種，它是隨著"人類基因組計劃"的進展而發展起來的，它對人類的未來將產生深遠的影響，既具有重大的基礎研究價值，又具有明顯的產業化前景。基因芯片技術將為“后基因組計劃”時期基因功能的研究提供強有力的工具，將會使基因診斷、藥物篩選、給藥個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微陣列（DNA microarray）、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array），是指通過微陣列技術，將高密度DNA片段陣列通過高速機器人，或原位合成方式以一定的順序或排列方式，使其附著在如玻璃片等固相表面，以熒光標記的DNA探針，借助堿基互補雜交原理，進行大量的基因表達及監測等方面研究的最新革命性技術。由于常用硅芯片作為固相支持物，且在制備過程運用了計算機芯片的制備技術，所以稱之為基因芯片技術。

二、基因芯片技術的分類

基因芯片技術的分類方法很多，最常用的是按載體上所點探針的長度分為兩種：一是cDNA芯片，由 Schena 建立，是將特定的 cDNA經 PCR 擴增后借助機械手直接點到基片上；二是寡核苷酸芯片，由Fodo 首先報道， 用照相平板印刷術和固相合成技術在基片上生成寡核苷酸， 分為長寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片，與cDNA芯片制作的一個主要不同點是多一步轉錄獲得cRNA的過程。目前，關于不同基因芯片技術的靈敏度和特異性仍存在爭議。起初，人們認為長寡核苷酸芯片和cDNA芯片有更高的特異性和靈敏度，現在看來，短寡核苷酸芯片同樣有很高地特異性，因為每一個基因代表11-20個寡核苷酸。

三、國內外研究進展

美國于上世紀末年正式啟動基因芯片計劃， 國立衛生研究院（NIH）、能源部、商業部、司法部、國防部、中央情報局等均參與了此項目。世界大型制藥公司尤其對基因芯片技術用于基因多態性、疾病相關性、基因藥物開發和合成或天然藥物篩選等領域感興趣， 都已建立了或正在建立自己的芯片設備和技術。目前，國際上已經有許多從事生物芯片研究的公司， 每家公司的芯片技術都各具特色，應用目的也不盡相同， 如加利福尼亞州森尼維爾的 Hyseq 公司，聲稱擁有最快的基因分析器， 它們由機器人制造， 機器人把 DNA 探針滴到過濾紙上，其 DNA 陣具有優勢， 破譯 DNA 的速度快。Affymetrix 公司以開發的判斷是否攜帶愛滋病病毒逆轉錄酶基因的 HIV 芯片，確定有無癌癥可能的 P53 基因芯片以及診斷藥物代謝缺乏癥的細胞色素 P450芯片，現以應用于臨床；通過開發對雜合基因丟失和等位基因不平衡分析，來預測和診斷腫瘤的芯片也正在臨床研究之中。一些具有實力的大型制藥公司對基因芯片用于基因多態性、疾病相關性、基因藥物開發和合成或天然藥物篩選等領域都非常感興趣。相繼投入巨資開發基因芯片技術和相應的設備， 嘗試利用基因芯片技術開展新藥的超高量篩選和進行藥理遺傳學、藥理基因組學的研究。

我國有著豐富的基因資源， 基因研究具有特別重要的商業價值， 基因芯片技術的成熟和發展將大大促進我國人類基因組計劃的進程。目前國內掀起基因芯片的研究熱潮，國內已有多家大學和研究所開始和正在從事生物芯片的研發工作，國家研究經費投入大幅增加。科學家提出以生物芯片技術為核心的各相關產業正在全球崛起， 世界工業發達國家已開始有計劃、大投入、爭先恐后的對該領域知識產權進行保護。 國務院已經在清華大學成立了國家生物芯片工程中心，并對生物芯片的系統研發作傾斜性支持。 我國已開發出用于診斷肝炎的芯片數種，如一種用于乙型肝炎病毒分型的芯片；一種用于乙型肝炎病毒基因，丙型肝炎病毒基因診斷的雙檢芯片。另外，用于性病， 且一次可同時檢測10種以上性病原體和用于α、β型地中海貧血診斷的基因芯片都正在申報新藥之中，用于胎兒神經管畸形基因診斷的芯片正處在研究階段。

四、應用

（一）在生命科學研究中的應用

一是在繪制基因缺失圖譜和基因表達分析中的應用。通過繪制基因圖譜同時可以在混合的 B 型流感病毒株中區分各個基因節段， 還可以確定疫苗候選株， 這對研制基因疫苗具有重大意義。

二是在基因突變檢測中的應用。由于一些病毒性疾病診斷及治療有很大困難。選擇固定在硅片微通道的寡核苷酸探針，用探針來識別流感病毒各亞型血凝素基因和神經氨酸酶基因。根據雜交結果分析病毒的變異基因，進而確定抗原成分的變異情況，從而可以鑒定病毒亞型。

三是在生命科學研究中其他方面的應用。應用微生物芯片監測電化學誘導產生的有機突變物質；依據微流體學原理， 利用熒光原位雜交和基因芯片對海洋細菌群的分析；在細胞信號轉導和基因表達調控， 生物發育和分化，生物衰老和凋亡，生物體內生理和生化研究，尋找新基因等方面都得到了廣泛應用。

（二）在醫學研究中的應用

一是在臨床診斷與檢測中的應用。由于基因芯片所需樣品和劑量極小， 而且快速省時、無污染、診斷結果精確又適合于自動化操作， 很適合疾病診斷與檢測。目前， 已應用寡核苷酸微陣列診斷細菌性急性上呼吸道傳染病、病毒性疾病、炎癥、癌癥、神經系統疾病等方面的診斷與檢測。

二是在尋找藥物作用靶位點中的應用。所謂“尋找藥物作用靶位點”是指在基因組范圍內對 DNA 進行測序和基因表達分析， 從蛋白質或核酸中找出最佳的藥物作用靶點， 進行藥物篩選。

三是在醫學研究中其他方面的應用。基因芯片在醫學研究中其他方面已有廣泛地應用， 如遺傳病的遺傳機制研究及診斷、病原體及分型診斷、耐藥性檢測、藥物篩選、各類實質性器官移植和骨髓移植中受體的配型、自身免疫病、毒理學研究等方面。

綜上， 核酸芯片技術與基因組和后基因組時代的需求相適應， 其以本身具有的革命性的優勢， 作為一種理想的強有力的分析工具， 必將在生命科學、醫學及其他相關科學中扮演重要角色。

參考文獻：

[1]楊勝利.生物芯片未來發展趨勢及對策[J].第二軍醫大學學報，2000，21（8）.

[2]馮永強，閻小君，蘇成芝.基因芯片技術[J].國外醫學雜志分子生物學分冊，2000，22（1）.

作者簡介：

徐瀛（1998-），女，黑龍江哈爾濱人，江蘇科技大學蠶研所生物技術學院本科在讀，研究方向：分子生物學。