生物芯片技术简介及应用.pdfVIP

生物芯片技术简介及应用

一、生物芯片概念

生物芯片（biochip）是指通过微加工技术，将生物大分子如核

酸片段、多肽分子甚至细胞，组织切片等生物样品，有序地固化于支

持物表面，然后与已标记的探针杂交，通过特定仪器如激光共聚焦显

微扫描仪或电荷偶联元件（charge-coupleddevice，CCD）等对杂交

信号的强度进行快速、并行、高效的检测，再经计算机分析和处理数

据，从而获得相关生物信息。由于常用玻片或硅片作为固相支持物，

其与半导体芯片都有高度集成的特点，故称之为生物芯片。

生物芯片技术是20世纪90年代中期以来影响最深远的科技进展

之一，是集生物学、物理学、化学、微电子学、计算机科学为一体的

高度交叉的新技术。由于该技术可将大量的探针同时固定于固相支持

物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测，从而解决了传统生

物学分析方法复杂、自动化程度低、检测物数量少（通量低）等不足。

另外，通过设计不同的阵列、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（sequencingbyhybridization，SBH）等，

为“后基因组计划”时代基因功能的研究及临床检验诊断学发展提供

了强有力的工具。

同一种芯片从不同的角度，可有不同的归类组别和定位。最为通

用的分类方法是根据芯片基片上固定的探针分子不同，将生物芯片分

为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。

二、生物芯片的应用

生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物

的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许

多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾

病的诊断、治疗和预防开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和

药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支

撑平台。

（一）疾病诊断

基因芯片诊断技术以其快速、高效、灵敏、经济、平行化、自动

化等特点，已成为一项现代化诊断新技术。基因芯片在感染性疾病、

遗传性疾病和恶性肿瘤等疾病的临床诊断方面具有独特的优势。与传

统的检测方法相比，它可用一张芯片同时对多个患者进行多种疾病的

检测，样品用量小，能特异性检测病原微生物的亚型及变异。可帮助

医师从分子水平了解疾病的发生、发展过程，使得医务人员在短时间

内掌握大量的诊断有关信息，有助于医师在短时间内做出正确诊断进

而制订有效的治疗措施。

（二）药物筛选和新药开发

由于部分药物是通过直接或间接地修饰、改变人类基因的表达或

表达产物的功能而生效，而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地

分析基因表达或蛋白质状况的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。

用芯片作筛选研究可以省略大量的动物实验，缩短药物筛选所用时间，

提高效率，降低风险。随着人类基因图谱的绘就，基因工程药物将进

入一个迅速发展时期，在基因工程药物研制和生产中，生物芯片也有

着较大的市场。以基因工程胰岛素为例，当我们把人的胰岛素基因转

移到大肠埃希菌细胞后，需要用某种方法对工程菌的基因型进行分析，

以便确证胰岛素基因是否转移成功。过去常采取限制性片段长度多态

性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RELP）方法，这

种方法繁琐复杂，成本高并且效率低，采用芯片技术将大大提高分析

效率。使用生物芯片筛选药物具有的巨大优势，决定它将成为21世

纪药物研究的良好技术平台。

（三）个体化医疗

种族、个体等因素都会导致遗传背景的差异，疾病大多不是由单

个基因引起的，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，所以用药也

应因人而异。在药物疗效与副作用方面，患者的个体反应差异很大，

如果利用生物芯片技术先对患者进行个体化的诊断再开处方，有利于

对患者实施个体化治疗。

（四）生物信息学研究

当前人类基因组计划（humangenomeproject，HGP）面临的主

要问题是对大量的基因或基因片段序列如何研究其功能，只有知道其

功能才能真正体现HGP的价值。后基因组计划、蛋白质组计划、疾病

基因组计划就是为实现这一目标而提出的。我们不能