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第七章 生物芯片技术 第一节 概述 一、生物芯片的概念 生物芯片（biochip）是指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，用根据荧光、化学发光、质谱、放射性或电化学原理制成的阅读系统来检测每个点上的综合信息，以实现对细胞、蛋白、核酸及其他生物组分的准确、快捷、大信息量的检测。生物芯片可分为基因芯片（gene chip/DNA microarray）、蛋白芯片（protein chip）和芯片实验室（labchip）3种。由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术（图7-1）。 7-1 生物芯片图像 二、生物芯片的发展 随着生命科学与众多相关学科（如计算机科学、材料科学、微加工技术、有机合成技术等）的迅猛发展，为生物芯片的实现提供了实践上的可能性。早在1988年，Bains等人就将短的DNA片段固定到支持物上，以反向杂交的方式进行序列测定。生物芯片最初研究的是基因芯片，始于20世纪90年代中期。1993年，美国斯坦福大学M.Schena博士在研究植物转录因子时遇到了困难，他们受Southern blotting、 Northern blotting和Dot blot的启发，于1994年在荷兰的国际会议上提出了将更多DNA探针集成在固体表面来研究基因表达的方法。经过努力，于1995年10月他们使用机器手在玻璃片上点上DNA探针，利用双荧光标记一次性检测了45个基因表达获得成功。1996年底，美国Affymatrix公司的S.Fodor博士等充分结合并灵活运用照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、DNA合成、荧光标记、探针杂交及分子生物学的其他技术，创造了世界上第1块DNA芯片或DNA阵列（DNA chip or DNA arrays）即基因芯片。 由于是最初的生物芯片主要目标是用于DNA序列的测定、基因表达谱鉴定和基因突变体的检测和分析，所以又被称为DNA芯片或基因芯片。但是目前这一技术已经扩展到免疫反应、受体结合、组织化学等非核酸领域。所以称为“生物芯片”更符合发展的趋势。 三、生物芯片的价值 生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。生物芯片技术是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大基础研究及临床应用价值。由于该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（Southern blotting 和Northern blotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量等不足。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值, 如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。 生物芯片能为现代医学科学及医学诊断学的发展提供强有力的手段，促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”（通常称之为“第二阶段医学”）向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”（第三阶段医学）过渡，使之快速进入实际运用。　　人类基因组计划（HGP）是人类为了认识自己而进行的一项最伟大和最具影响的研究计划。至1997年末，HGP计划已提前完成遗传图和物理图的制作，人类的基因组序列已完成2%。预计2005年前将完成序列分析。此外，还测定了80万个cDNA片断（ESTs），相当于4～5万个基因，占7～10万个人类总基因的50%左右。目前的问题是面对大量的基因或基因片断序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正体现HGP计划的价值—破译人类基因这部天书。后基因组计划、蛋白组计划、疾病基因组计划等概念就是为实现这一目标而提出的。不同个体基因变异、不同组织、不同时间、不同生命状态等基因表达差异的分析是连接基因组计划和蛋白组计划最关键的一个环节，该环节他不仅能利用基因组计划的研究成果在疾病诊断、药物筛选等领域发挥重要的作用，而且还可为蛋白组计划的实施提供大量非常重要的线索。这一环节计划的补充又是蛋白组计划的航标。生物芯片技术将为“后基因组计划”时期基因功能的研究及现代医学科学及医学诊断学提供了强有力的工具，将会使新基因的发现、基因诊断、给药个性化等方面取得重大突破，为整个人类社会带来深刻广泛的变革。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。 四、生物芯片的基本流程 生物芯片的基本流程包括片基的处理与阵列的构建、样品的获得与标记、杂交反应和信号检测与结果分析4个