生物芯片技術

生物芯片技術

　　20世紀90年代初開始實施的人類基因組計劃（Human genome project，HGP）取得了人們當初意料不到的巨大進展。目前已經測定了十多種微生物以及高等動植物的全基因組序列，海量的基因序列數據正在以前所未有的速度膨脹。一個現實的科學問題擺到了人們面前：如何研究如此眾多基因在生命過程中所擔負的功能?如何有效利用如此海量的基因信息揭示人類生老病死的一般規律，并為人類最終戰勝各種病魔提供有效武器?于是，一項類似于計算機芯片技術的新興生物高技術———，隨著人類基因組研究的進展應運而生了。生物芯片的種類生物芯片是近10年在生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術。它主要是指通過微加工和微電子技術在固體芯片表面構建微型生物化學分析系統，以實現對生命機體的組織、細胞、蛋白質、核酸、糖類以及其他生物組分進行準確、快速、大信息量的檢測。目前常見的生物芯片分為三大類：即基因芯片（Genechip，DNAchip，DNAmicroarray）、蛋白芯片（Proteinchip）、芯片實驗室（Lab－on－a－chip）等。

　　生物芯片主要特點是高通量、微型化和自動化。生物芯片上高度集成的成千上萬密集排列的分子微陣列，能夠在很短時間內分析大量的生物分子，使人們能夠快速準確地獲取樣品中的生物信息，檢測效率是傳統檢測手段的成百上千倍。生物芯片將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。基因芯片是生物芯片技術中發展最成熟和最先實現商品化的產品。基因芯片是基于核酸探針互補雜交技術原理而研制的。所謂核酸探針只是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接上一些可檢測的物質，根據堿基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。基因芯片，又稱DNA芯片，DNA微陣列（DNAmicroar ray），和我們日常所說的計算機芯片非常相似，只不過高度集成的不是半導體管，而是成千上萬的網格狀密集排列的基因探針，通過已知堿基順序的DNA片段，來結合堿基互補序列的單鏈DNA，從而確定相應的序列，通過這種方式來識別異常基因或其產物等。目前，比較成熟的產品有檢測基因突變的基因芯片和檢測細胞基因表達水平的基因表達譜芯片。基因芯片技術主要包括四個基本技術環節：芯片微陣列制備、樣品制備、生物分子反應和信號的檢測及分析。

　　目前制備芯片主要采用表面化學的方法或組合化學的方法來處理固相基質如玻璃片或硅片，然后使DNA片段或蛋白質分子按特定順序排列在片基上。目前已有將近40萬種不同的DNA分子放在1平方厘米的高密度基因芯片，并且正在制備包含上百萬個DNA探針的人類基因芯片。生物樣品的制備和處理是基因芯片技術的第二個重要環節。生物樣品往往是非常復雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與芯片進行反應。要將樣品進行特定的生物處理，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA等信息分子并加以標記，以提高檢測的靈敏度。第三步是生物分子與芯片進行反應。芯片上的生物分子之間的反應是芯片檢測的關鍵一步。通過選擇合適的反應條件使生物分子間反應處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配比率，從而獲取最能反映生物本質的信號。基因芯片技術的最后一步就是芯片信號檢測和分析。目前最常用的芯片信號檢測方法是將芯片置入芯片掃描儀中，通過采集各反應點的熒光強弱和熒光位置，經相關軟件分析圖像，即可以獲得有關生物信息。

　　蛋白芯片與基因芯片的原理相似。不同之處有，一是芯片上固定的分子是蛋白質如抗原或抗體等。其二，檢測的原理是依據蛋白分子、蛋白與核酸、蛋白與其它分子的相互作用。蛋白芯片技術出現得較晚，尚處于發展時期，最近也取得了重大進展。例如，最近一期國際著名科學（Science）雜志報道了酵母蛋白質組芯片（proteomechip）。這是目前為止第一個包含一種生物全部蛋白質分子的蛋白質芯片。相信，不久將會有包含更高等生物甚至人類蛋白質組的蛋白質芯片研制成功，并應用于生物醫學基礎研究和疾病診斷。芯片實驗室是生物芯片技術發展的最終目標。它將樣品制備、生化反應以及檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統。現在已有由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學和電子發光探測器等組成的芯片實驗室問世，并出現了將生化反應、樣品制備、檢測和分析等部分集成的生物芯片。

　　例如可以將樣品制備和PCR擴增反應同時在一塊小小的芯片上完成。再如GeneLogic公司設計制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對其進行熒光標記，然后當樣品流過固定于柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應用自主開發的檢測設備即可實現對雜交結果的檢測與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，可以很靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由于該芯片設計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應，縮短測試時間，從而降低了測試成本。國內外研究現狀生物芯片技術的飛速發展引起了世界各國的廣泛關注和重視。1998年6月29日美國宣布正式啟動生物芯片計劃，美國國立衛生部、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。

　　同時斯坦福大學、麻省理工學院及部分國家實驗室也參與了該項目的研究和開發。世界各國也紛紛加大投入，英國劍橋大學、歐亞公司正在從事該領域的研究。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。以生物芯片為核心的相關產業正在全球崛起，目前美國已有10多家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上漲75％。專家統計：全球目前生物芯片工業產值為10億美元左右，預計今后5年之內，生物芯片的市場銷售可達到200億美元以上。

　　美國《財富》雜志刊文指出，微處理器使我們的經濟發生了根本變化，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式。然而，生物芯片給人類帶來的影響可能更大。在20世紀科技史上有兩件事影響深遠，一是微電子芯片，它是計算機和許多家電的心臟，它改變了我們的經濟和文化生活，并已進入每一個家庭；另一件事就是生物芯片，它將改變生命科學的研究方式，革新醫學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平。

　　生物芯片作為基因工業的一部分，可廣泛用于醫學臨床診斷、藥物開發、環境監測等領域，有著廣闊的市場前景，對人類生活與健康將產生多方面深遠影響。鑒于生物芯片技術具有巨大理論意義和實際價值，也為了我國生物芯片技術不再重蹈計算機芯片的覆轍，我國政府、科技界和商業界幾乎同時意識到生物芯片技術的重大戰略意義和蘊藏的無限商機，開展了生物芯片技術研發。其中最具代表性的事件就是2000年初由國內從事生物芯片技術研究的多家單位進行強強聯合成立了國家生物芯片技術中心。中國工程院2000年1月6日在京舉辦首次工程科技論壇，專題定為“生物芯片技術”，與會科學家呼吁：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、爭先恐后地對該領域知識產權進行保護。我國應迅速制定適合中國國情的對策，以避免出現像計算機產業那樣因沒有自己的芯片專利和技術而受制于人的被動局面。目前國內已有多家科研單位開始從事這方面的研究。例如，清華大學、中國科學院、軍事醫學科學院等單位在國內率先開展了生物芯片技術研究，建立了生物芯片技術體系，并已在生物芯片技術和產品開發方面取得了較大突破。可以相信不久將有我國自主生產的生物芯片產品投放市場。

　　生物芯片的應用生物芯片應用前景十分廣闊。如可以應用于尋找新基因、DNA測序、疾病診斷、藥物篩選、毒理基因組學、農作物優育和優選、環境檢測和防治、食品衛生監督以及司法鑒定等等。使用基因芯片分析人類基因組，可找出癌癥、糖尿病由遺傳基因缺陷引起疾病的致病的遺傳基因。生物醫學研究人員可以在數秒鐘內鑒定出導致癌癥的突變基因。借助一小滴測試液，醫生們能預測藥物對病人的功效和是否有毒副作用。利用基因芯片分析遺傳基因，未來可以使糖尿病的確診率達到50％以上。可以想象，未來人們在體檢時，由搭載基因芯片的診斷機器人對受檢者取血，轉瞬間體檢結果便可以顯示在計算機屏幕上。利用基因診斷，醫療將從目前千篇一律的“大眾醫療”的時代，過渡到依據個人遺傳背景而異的“個體化醫療”的時代。生物芯片在疾病檢測診斷方面具有獨特的優勢，它可以在一張芯片上同時對多個病人進行多種疾病的檢測。僅用極小量的樣品，在極短時間內，向醫務人員提供大量的疾病診斷信息，這些信息有助于醫生在短時間內找到正確的治療措施。例如對腫瘤、糖尿病、傳染性疾病等常見病和多發病的臨床檢驗及健康人群檢查，均可以應用生物芯片技術。今后人們可以擁有個人化驗室，無論在地球任何地方，隨時可以對自己的健康狀況進行監測。在藥物篩選方面，目前國外幾乎所有的主要制藥公司都不同程度地采用了生物芯片技術來尋找藥物靶標，查檢藥物的毒性或副作用。用芯片技術進行大規模的藥物篩選可以省略大量的動物試驗，縮短藥物篩選所用時間，從而帶動創新藥物的研究和開發。基因芯片在環保方面的應用表現在，可高效地探測到由微生物或有機物引起的污染，還能幫助研究人員找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。這種對環境友好的基因一旦被發現，研究人員將把它們轉入普通的細菌中，然后用這種轉基因細菌清理被污染的河流或土壤。另外生物芯片在農業、食品監督、司法鑒定等方面都將作出重大貢獻。生物芯片技術的深入研究和廣泛應用，將對21世紀人類生活和健康產生極其深遠的影響。作者簡介王升啟博士，軍事醫學科學院放射醫學研究所研究員，國家生物芯片技術中心副主任，軍隊生物芯片技術重點實驗室主任。總后科技銀星。

　　主要研究方向有：基因芯片技術研究和開發；反義技術和反義藥物；中藥基因組學和化學組學研究等。近年來主持國家863項目、國家973項目、國家自然科學基金重點項目和面上項目，以及軍隊和北京市重點項目等多項課題研究。在國內外刊物發表論文100多篇，獲得和申請國家發明專利10余項，出版專著2部，獲得軍隊和省級科學技術進步獎3項。陳忠斌博士，軍事醫學科學院放射醫學研究所副研究員。1999年7月于軍事醫學科學院獲生物化學與分子生物學博士學位后，即在放射醫學研究所生物技術實驗室和軍隊生物芯片技術重點實驗室工作。主要研究方向有：病毒基因芯片技術；應用基因芯片技術研究病毒與宿主相互作用分子機理以及抗病毒藥物基礎研究等；近年來參與和主持國家863項目、國家973項目、國家自然科學基金重點項目等多項課題研究。在國內外刊物發表論文20多篇，獲得和申請國家發明專利2項，獲得軍隊和省級科學技術進步獎2項。