一、簡介

生物芯片（biochip）是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標(biāo)記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機(jī)（CCD）對雜交信號的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量。由于常用玻片/硅片作為固相支持物，且在制備過程模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù)，所以稱之為生物芯片技術(shù)。根據(jù)芯片上的固定的探針不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片，另外根據(jù)原理還有元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，則稱為肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探針或DNA，就是DNA芯片。由于基因芯片（Genechip）這一專有名詞已經(jīng)被業(yè)界的*Affymetrix公司注冊，因而其他廠家的同類產(chǎn)品通常稱為DNA微陣列（DNA Microarray）。這類產(chǎn)品是目前zui重要的一種，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，包括二種模式：一是將靶DNA固定于支持物上，適合于大量不同靶DNA的分析，二是將大量探針分子固定于支持物上，適合于對同一靶DNA進(jìn)行不同探針序列的分析。

生物芯片技術(shù)是90年代中期以來影響zui深遠(yuǎn)的重大科技進(jìn)展之一，是融微電子學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的高度交叉的新技術(shù)，具有重大的基礎(chǔ)研究價值，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景。由于用該技術(shù)可以將極其大量的探針同時固定于支持物上，所以一次可以對大量的生物分子進(jìn)行檢測分析，從而解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技術(shù)復(fù)雜、自動化程度低、檢測目的分子數(shù)量少、低通量（low through-put）等不足。而且，通過設(shè)計(jì)不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術(shù)具有多種不同的應(yīng)用價值，如基因表達(dá)譜測定、突變檢測、多態(tài)性分析、基因組文庫作圖及雜交測序（Sequencing by hybridization, SBH）等，為"后基因組計(jì)劃"時期基因功能的研究及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)及醫(yī)學(xué)診斷學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的工具，將會使新基因的發(fā)現(xiàn)、基因診斷、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破，為整個人類社會帶來深刻廣泛的變革。該技術(shù)被評為1998年度世界科技進(jìn)展之一。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1 基因表達(dá)水平的檢測

用基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達(dá)情況。Schena等采用擬南芥基因組內(nèi)共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為*序列，31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內(nèi)這些基因的表達(dá)水平，用不同顏色的熒光素標(biāo)記逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后分別與該微陣列雜交，經(jīng)激光共聚焦顯微掃描，發(fā)現(xiàn)該植物根和葉組織中存在26個基因的表達(dá)差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達(dá)高500倍。Schena等用人外周血淋巴細(xì)胞的cDNA文庫構(gòu)建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養(yǎng)的T細(xì)胞對熱休克反應(yīng)后不同基因表達(dá)的差異，發(fā)現(xiàn)有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達(dá)，11個基因中度表達(dá)增加和6個基因表達(dá)明顯抑制。該結(jié)果還用熒光素交換標(biāo)記對照和處理組及RNA印跡方法證實(shí)。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、病理?xiàng)l件下的人類所有基因表達(dá)變化的基因組芯片為期不遠(yuǎn)了。

2 基因診斷

從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速、、敏感、經(jīng)濟(jì)、平行化、自動化等特點(diǎn)，將成為一項(xiàng)現(xiàn)代化診斷新技術(shù)。例如Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用。又如，Heller等構(gòu)建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）相關(guān)的基因，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應(yīng)用?，F(xiàn)在，肝炎病毒檢測診斷芯片、結(jié)核桿菌耐藥性檢測芯片、多種惡性腫瘤相關(guān)病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進(jìn)入市場。基因診斷是基因芯片中有商業(yè)化價值的應(yīng)用。

3 藥物篩選

如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)的西藥開發(fā)遇到的重大障礙，基因芯片技術(shù)是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規(guī)模地篩選、通用性強(qiáng)，能夠從基因水平解釋藥物的作用機(jī)理，即可以利用基因芯片分析用藥前后機(jī)體的不同組織、器官基因表達(dá)的差異。如果再c DNA表達(dá)文庫得到的肽庫制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質(zhì)。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，更有利與靶分子相結(jié)合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質(zhì)-RNA或蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術(shù)和RNA庫的結(jié)合在藥物篩選中將得到廣泛應(yīng)用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學(xué)合成及DNA芯片技術(shù)篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結(jié)構(gòu)的抑制物，實(shí)驗(yàn)表明，這種篩選物對HIV感染細(xì)胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術(shù)使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低?；蛐酒幬锖Y選技術(shù)工作目前剛剛起步，美國很多制藥公司已開始前期工作，即正在建立表達(dá)譜數(shù)據(jù)庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術(shù)具有很大的潛在應(yīng)用價值。

4 個體化醫(yī)療

臨床上，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應(yīng)差異很大。這主要是由于病人遺傳學(xué)上存在差異（單核苷酸多態(tài)性，SNP），導(dǎo)致對藥物產(chǎn)生不同的反應(yīng)。例如細(xì)胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的藥物的代謝有關(guān)，如果病人該酶的基因發(fā)生突變就會對降壓藥異喹胍產(chǎn)生明顯的副作用，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性。現(xiàn)已弄清楚這類基因存在廣泛變異，這些變異除對藥物產(chǎn)生不同反應(yīng)外，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關(guān)。如果利用基因芯片技術(shù)對患者先進(jìn)行診斷，再開處方，就可對病人實(shí)施個體優(yōu)化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應(yīng)因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點(diǎn)如S、P及C基因區(qū)易發(fā)生變異。若用乙肝病毒基因多態(tài)性檢測芯片每隔一段時間就檢測一次，這對指導(dǎo)用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。又如，現(xiàn)用于治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉(zhuǎn)錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑，但在用藥3-12月后常出現(xiàn)耐藥，其原因是rt、pro基因產(chǎn)生一個或多個點(diǎn)突變。Rt基因四個常見突變位點(diǎn)是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu,四個位點(diǎn)均突變較單一位點(diǎn)突變后對藥物的耐受能力成百倍增加。如將這些基因突變部位的全部序列構(gòu)建為DNA芯片，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發(fā)生突變，從而可對癥下藥，所以對指導(dǎo)治療和預(yù)后有很大的意義。

5 測序

基因芯片利用固定探針與樣品進(jìn)行分子雜交產(chǎn)生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準(zhǔn)確率達(dá)99%。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外顯子11約3.4kb長度范圍內(nèi)的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進(jìn)化上的高度相似性。據(jù)未經(jīng)證實(shí)的報(bào)道，去年有一種不成熟的生物芯片在15分鐘內(nèi)完成了1.6萬個堿基對的測定，96個這樣的生物芯片的平行工作，就相當(dāng)于每天1.47億個堿基對的分析能力!

6 生物信息學(xué)研究

人類基因組計(jì)劃（HGP）是人類為了認(rèn)識自己而進(jìn)行的一項(xiàng)偉大而影響深遠(yuǎn)的研究計(jì)劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現(xiàn)HGP計(jì)劃的價值--破譯人類基因這部天書。后基因組計(jì)劃、蛋白組計(jì)劃、疾病基因組計(jì)劃等概念就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的?；虻墓δ懿⒉华?dú)立的,一個基因表達(dá)的上調(diào)或者下調(diào)往往會影響上游和下游幾個基因表達(dá)狀態(tài)的改變，從而進(jìn)一步引起和這幾個基因相關(guān)的更多基因的表達(dá)模式的改變?；蛑g的這種復(fù)雜的相互作用組成了一張交錯復(fù)雜的立體的關(guān)系網(wǎng)。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關(guān)系，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態(tài)等的基因表達(dá)差異信息，并找出其中規(guī)律。生物信息學(xué)將在其中扮演至關(guān)重要的角色?；蛐酒夹g(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的，使對個體生物信息進(jìn)行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學(xué)研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。比如研究基因生物學(xué)功能的方式是監(jiān)測基因在不同組織、不同發(fā)育階段、不同健康狀況下在機(jī)體中活性的變化。這是一項(xiàng)非常麻煩的工作，但基因芯片技術(shù)可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內(nèi)獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。

由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內(nèi),人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此,類似如人類基因組計(jì)劃的上調(diào)或者下調(diào)往往會影響上游和下游幾個基因表達(dá)狀態(tài)的改變，從而進(jìn)一步引起和這幾個基因相關(guān)的更多基因的表達(dá)模式的改變?；蛑g的這種復(fù)雜的相互作用組成了一張交錯復(fù)雜的立體的關(guān)系網(wǎng)。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關(guān)系，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態(tài)等的基因表達(dá)差異信息，并找出其中規(guī)律。生物信息學(xué)將在其中扮演至關(guān)重要的角色。基因芯片技術(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的，使對個體生物信息進(jìn)行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學(xué)研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。比如研究基因生物學(xué)功能的方式是監(jiān)測基因在不同組織、不同發(fā)育階段、不同健康狀況下在機(jī)體中活性的變化。這是一項(xiàng)非常麻煩的工作，但基因芯片技術(shù)可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內(nèi)獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。

由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內(nèi),人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此,類似如人類基因組計(jì)劃的基因研究和生物信息產(chǎn)業(yè),還僅僅是一個起步，其將來的發(fā)展前景是無法估量的。生物芯片作為生物信息學(xué)的主要技術(shù)支撐和操作平臺，其廣闊的發(fā)展空間就不言而喻。

在實(shí)際應(yīng)用方面，生物芯片技術(shù)可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測、國防等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進(jìn)化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設(shè)計(jì)和藥物開發(fā)中先導(dǎo)化合物的快速篩選和藥物基因組學(xué)研究提供技術(shù)支撐平臺，這從我國99年3月國家科學(xué)技術(shù)部剛起草的《醫(yī)藥生物技術(shù)“十五”及2015年規(guī)劃》中便可見一斑：規(guī)劃所列十五個關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目中，就有八個項(xiàng)目（基因組學(xué)技術(shù)、重大疾病相關(guān)基因的分離和功能研究、基因藥物工程、基因治療技術(shù)、生物信息學(xué)技術(shù)、組合生物合成技術(shù)、新型診斷技術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物芯片技術(shù)）要使用生物芯片。生物芯片技術(shù)被單列作為一個專門項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃?？傊?，生物芯片技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等凡與生命活動有關(guān)的領(lǐng)域中均具有重大的應(yīng)用前景。