張成虎

（蘭州市畜牧獸醫(yī)研究所，甘肅蘭州 730050）

1 基本概念

生物芯片技術(shù)是隨著“人類基因組計(jì)劃”的進(jìn)展而發(fā)展起來的，它主要是指通過微加工和微電子技術(shù)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，構(gòu)建微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，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、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量，完成對生命機(jī)體生物組分準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測。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)。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(jià)值和廣闊的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用前景。生物芯片技術(shù)包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片、以及元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片。

2 生物芯片研究、開發(fā)的現(xiàn)狀和前景

美國于1996年最早在全球成功地制作出世界上首批用于藥物篩選和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的生物芯片，并制作出芯片系統(tǒng)，隨后其他各國在芯片研究方面也快速跟進(jìn)，并取得了很多新的突破。一些跨國公司如摩托羅拉、惠普、IBM等也相繼投以巨資開展芯片研究。1998年12月美國宣布成立基因分析協(xié)會(huì)，旨在制定一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)平臺，并生產(chǎn)相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備，以推動(dòng)生物芯片技術(shù)的應(yīng)用。至今美國已經(jīng)關(guān)于芯片技術(shù)召開了多次的全球性會(huì)議，前總統(tǒng)克林頓親自出席會(huì)議，并在會(huì)上高度贊賞和肯定了生物芯片技術(shù)，將基因芯片看作是保證一生健康的指南針?？梢哉f在21世紀(jì)，生物芯片對人類的影響將可能超過微電子芯片。全球目前生物芯片工業(yè)產(chǎn)值為10億美元左右，預(yù)計(jì)2010年，全球生物芯片的市場銷售可達(dá)到400億美元以上。

我國在生物芯片研究與世界基本同步，1997年在香山就召開了全國生物芯片戰(zhàn)略會(huì)議，就我國的生物芯片發(fā)展提出了意見，國家也給予了高度重視，科技界和商業(yè)界幾乎同時(shí)意識到生物芯片技術(shù)的重大戰(zhàn)略意義和蘊(yùn)藏的無限商機(jī)，開展了生物芯片技術(shù)研發(fā)；1998年，中科院將基因芯片列為“九五”特別支持項(xiàng)目；2000年，國內(nèi)從事生物芯片技術(shù)研究的多家單位進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，成立了國家生物芯片技術(shù)中心；中國工程院2000年舉辦了首次“生物芯片技術(shù)”工程科技論壇。如今國內(nèi)已有多家科研單位開始從事這方面的研究。例如，清華大學(xué)、中國科學(xué)院、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等單位在國內(nèi)率先開展了生物芯片技術(shù)研究，建立了生物芯片技術(shù)體系，并已在生物芯片技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)方面取得了較大突破，也產(chǎn)生了博奧等一批從事生物芯片研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的產(chǎn)業(yè)公司，形成了自己的市場。目前國內(nèi)外已開發(fā)出的產(chǎn)品有：單核苷多態(tài)性（SNP）檢測芯片和突變檢測芯片、比較基因組雜交芯片、DNA甲基化檢測芯片、信使RNA（mRNA）和小RNA（miRNA）表達(dá)譜芯片等，并在重大疾病發(fā)病機(jī)理、藥物開發(fā)、生長發(fā)育、農(nóng)業(yè)育種、干細(xì)胞研究等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

3 動(dòng)物疫病及畜產(chǎn)品安全檢測中的應(yīng)用

生物芯片技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于農(nóng)、林、畜、牧、魚等農(nóng)業(yè)研究和農(nóng)產(chǎn)品檢測。在動(dòng)物疫病監(jiān)測和畜產(chǎn)品安全檢測當(dāng)中應(yīng)用尤其突出。

3.1 獸藥殘留的檢測芯片

近20年來，獸藥在畜牧業(yè)中不恰當(dāng)使用導(dǎo)致動(dòng)物體內(nèi)藥物的滯留或蓄積，并殘留進(jìn)入人體及生態(tài)系統(tǒng)。它對人體及環(huán)境的危害主要是慢性、遠(yuǎn)期和累積性的，如致癌、對人生長發(fā)育產(chǎn)生影響、破壞人們正常的免疫系統(tǒng)、使人體內(nèi)的病原微生物產(chǎn)生耐藥性等，已經(jīng)成為動(dòng)物性食品的重要危害、不安全因素，成為國家整治農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要環(huán)節(jié)，被列為肉食品的重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目。目前常規(guī)的獸藥殘留檢測方法主要是一些理化分析儀器法。這些方法存在儀器昂貴、操作煩瑣、試劑消耗量大等問題；而生物學(xué)技術(shù)如微生物學(xué)檢測方法，雖然成本低、操作簡便、具有一定的靈敏度，在大批樣品同時(shí)分析中具有一定優(yōu)勢，但此方法分析速度慢、專一性差，并且只能測定有生物活性的殘留物；而酶聯(lián)免疫法目前大多采用進(jìn)口試劑盒，價(jià)格較貴，且僅能對單一獸藥進(jìn)行檢測。

2006年在國家863計(jì)劃的支持下，我國已在國際上率先研制出了用于檢測出殘留獸藥的生物芯片系統(tǒng)。是一套把樣品制備、生化反應(yīng)和結(jié)果檢測三步集成在一起的檢測系統(tǒng)，具有處理簡單，靈敏度高，特異性好，檢測速度快（比現(xiàn)行的檢測手段縮短數(shù)十倍），檢測通量高，質(zhì)控體系嚴(yán)密等優(yōu)點(diǎn)；此芯片系統(tǒng)可對磺胺二甲基嘧啶、鏈霉素、恩諾沙星和克倫特羅進(jìn)行檢測，檢測對象包括了雞肉、雞肝、豬肉、豬肝、豬尿和牛奶等。其它可實(shí)現(xiàn)的檢測獸藥品種正進(jìn)一步增加之中，是目前畜產(chǎn)品獸藥殘留檢測的一個(gè)高效便捷的平臺，具有極高的推廣價(jià)值。

3.2 食源性微生物檢測芯片

由微生物引起的食源性疾病是食品安全的主要問題。近年來，國內(nèi)外食源性疾病事件頻頻發(fā)生，如葡萄球菌中毒事件、沙門氏菌、弧菌病、腸出血型大腸桿菌（引起腸出血）、利斯特菌引起的食源性傳染病、霍亂弧菌引起的霍亂等。對食源性疾病的預(yù)防與控制已引起了世界各國關(guān)注。食源性病原微生物的檢測技術(shù)是食源性疾病的預(yù)防與控制的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)和生理生化檢驗(yàn)法的最大弱點(diǎn)是耗時(shí)較長，對保藏期較短的食品在產(chǎn)品衛(wèi)生狀況方面的評估作用不大，無法保證食品的安全食用。目前國內(nèi)食源性病原微生物檢測技術(shù)主要有分子生物技術(shù)，免疫學(xué)技術(shù)，代謝技術(shù)，蛋白質(zhì)指紋圖譜技術(shù)，微生物自動(dòng)檢測儀，生物傳感器等。食源性微生物檢測芯片屬于分子生物技術(shù)領(lǐng)域。

其檢測技術(shù)主要是通過結(jié)合微陣列技術(shù)、PCR擴(kuò)增和生物信息學(xué)，同時(shí)并行檢測樣品中葡萄球菌、沙門氏菌、弧菌病、腸出血型大腸桿菌（引起腸出血）、利斯特菌、霍亂弧菌等致病菌，具有靈敏度高、檢測時(shí)間短（全部檢測過程只需18小時(shí)）等特點(diǎn)。

3.3 動(dòng)物疫病病原體檢測生物芯片

動(dòng)物疫病是養(yǎng)殖業(yè)的頭號大敵。近年來，畜禽疾病的發(fā)展出現(xiàn)了許多新情況、新特點(diǎn)，一些新的疫病或病型相繼出觀，多病原感染日趨復(fù)雜，一些疫病出現(xiàn)非典型化，細(xì)菌性疫病耐藥性和交叉耐藥性現(xiàn)象普遍而且較為嚴(yán)重，一些人畜共患傳染病的發(fā)生有所加劇等。動(dòng)物疫情監(jiān)測和動(dòng)物疫病診斷作為動(dòng)物疫病防控的兩大手段，監(jiān)測、診斷技術(shù)應(yīng)用十分關(guān)鍵。目前常用的仍然是病原學(xué)、血清學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)，生物芯片作為分子生物學(xué)的技術(shù)之一，近年來得到了高度重視和研究、應(yīng)用，北京、山東、廣州、四川等地已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用了多種動(dòng)物疫病檢測、診斷組織芯片，在診斷豬、犬、馬、禽病等各種病毒性疫病中有了實(shí)質(zhì)性的突破。生物芯片技術(shù)利用病原抗原進(jìn)行定性、定位、定量測定，組合組織學(xué)、免疫學(xué)、免疫組織化學(xué)等分子生物學(xué)技術(shù)，達(dá)到快速、特異性診斷的目的，具有操作性強(qiáng)、實(shí)用性、準(zhǔn)確性高、時(shí)間短、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。