【作者】張志軍，許偉

國家食品藥品監(jiān)督管理總局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心，北京市，100044

醫(yī)學(xué)診斷通常需要多個個體樣品和每個樣品的多指標(biāo)同時檢驗，但目前的生化檢驗，多為單樣品、單指標(biāo)，存在需要樣品量大和檢驗時間長的問題。探索高通量檢驗技術(shù)是醫(yī)學(xué)診斷的熱點研究領(lǐng)域。生物芯片技術(shù)是指通過微加工和微電子技術(shù)在固相基質(zhì)表面構(gòu)建微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸以及其他生物分子進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、高能量檢測的技術(shù)。這一技術(shù)的發(fā)展可起源于一個多世紀(jì)前，當(dāng)時Ed.Southern建立了以其名字命名的Southern印跡技術(shù)，這被人們視為人類第一個“生物芯片”。此后，20世紀(jì)80年代初雜交測序概念的提出，W.Bains等人借助雜交方式對固定到支持物上的小DNA片段進(jìn)行序列測定的工作都為生物芯片的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；之后為適應(yīng)“后基因時代”的到來，90年代，生物科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了以基因芯片為先導(dǎo)的生物芯片技術(shù)[1]，這使得生物芯片技術(shù)進(jìn)入了一個全新的技術(shù)時代。目前生物芯片技術(shù)包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、芯片實驗室、細(xì)胞芯片、組織芯片、糖芯片、電子芯片、流過式芯片、三維芯片、光纖芯片和聚毗咯膜芯片等[2-3]多種生物芯片技術(shù)。

1 基因芯片

基因芯片是生物芯片技術(shù)中發(fā)展最成熟且最先進(jìn)入應(yīng)用和實現(xiàn)商品化的技術(shù)，它的兩個主要分支技術(shù)——寡核苷酸芯片技術(shù)與DNA微陣列技術(shù)分別于20世紀(jì)90年代先后問世。這一技術(shù)在短短十多年的發(fā)展進(jìn)程中不僅加速了生物科學(xué)的發(fā)展同時自身也得到了飛速提高。這一技術(shù)是基于核酸互補雜交原理研制而成的一種使待分析樣品通過與芯片中已知堿基順序的DNA片段互補雜交，從而確定樣品中的核酸序列和性質(zhì)，并對基因表達(dá)的量及其特性進(jìn)行分析的技術(shù)。基因芯片根據(jù)功能的不同可分為基因表達(dá)譜芯片和DNA測序芯片，根據(jù)基因芯片所用基因探針的不同可分為cDNA微陣列芯片和寡核苷酸陣列芯片兩類，根據(jù)固相支持物的不同可分為無機（玻璃、硅片等）芯片與有機（聚丙烯膜、硝酸纖維素膜等）芯片，根據(jù)點樣方式不同可分為原位合成芯片、微矩陣芯片（分噴點和針點）和電定位芯片，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同又可將其分為各種專用型芯片，如表達(dá)譜芯片、病毒芯片等。

基因芯片技術(shù)革新主要包括芯片微陣列制備、樣品制備、生物分子反應(yīng)及信號的檢測與分析這4個環(huán)節(jié)?；蛐酒膬?yōu)點主要體現(xiàn)在快速準(zhǔn)確、微型化、自動化、多功能這四個方面[4]。該技術(shù)主要應(yīng)用于基因差異表達(dá)分析和基因鑒定，DNA測序、基因突變及多態(tài)性掃描，腫瘤的發(fā)生、分型與診斷，基因組的比較及細(xì)菌學(xué)、病毒學(xué)等的多項研究中。

2 蛋白芯片

20世紀(jì)80年代，Ekin和Chu為檢測多種蛋白的表達(dá)首先提出了以抗體為基礎(chǔ)的“微陣列”概念，并證實了基于抗體微陣列的技術(shù)可以同時高度敏感的檢測多種蛋白質(zhì)。1994年澳大利亞Wilkin和Williams提出了“蛋白質(zhì)組”的概念，它與90年代中期發(fā)展起來的生物芯片相結(jié)合后即產(chǎn)生了新的生物研究技術(shù)——蛋白質(zhì)芯片技術(shù)。這一技術(shù)雖只有十多年的發(fā)展歷程，但其已在蛋白質(zhì)間相互作用、蛋白質(zhì)與小分子相互作用等多個研究領(lǐng)域發(fā)揮出了巨大的作用。蛋白質(zhì)芯片又稱蛋白質(zhì)陣列或蛋白質(zhì)微陣列，它是將大量的蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)檢測試劑或檢測探針以預(yù)先設(shè)計的方式固定在玻片、硅片及纖維膜等固定載體上組成密集的陣列，能夠高通量地測定蛋白質(zhì)的生物活性，蛋白質(zhì)與大分子和小分子的相互作用，或者用于高通量定性和定量檢測蛋白質(zhì)[5]。它與基因芯片的不同之處在于芯片上固定的分子是蛋白質(zhì)抗原/蛋白質(zhì)抗體，其檢測原理是蛋白質(zhì)分子之間、蛋白質(zhì)與核酸、蛋白質(zhì)與其他分子的相互作用[10]。

目前對蛋白質(zhì)芯片的分類可根據(jù)結(jié)合反應(yīng)的不同將其分為化學(xué)芯片與生物芯片[6]。化學(xué)型蛋白質(zhì)芯片的構(gòu)想來源于經(jīng)典色譜法（反相層析、離子交換層析、金屬螯合層析等）。鋪有相關(guān)介質(zhì)的蛋白質(zhì)芯片可以通過介質(zhì)的疏水力、靜電力、共價鍵等結(jié)合樣品中的蛋白質(zhì)，用洗脫液去除雜質(zhì)蛋白質(zhì)，而保留感興趣的蛋白質(zhì)。生物型蛋白質(zhì)芯片則是將生物活性分子（如：抗體、抗原、受體或配體等）結(jié)合到芯片表面，用于捕獲靶蛋白。根據(jù)載體的不同[7-8]，將蛋白質(zhì)芯片分為普通玻璃載體芯片、多孔凝膠覆蓋芯片及微孔芯片。此外還可根據(jù)用途不同將其分為蛋白質(zhì)功能芯片與蛋白質(zhì)檢測芯片[9]。

蛋白質(zhì)芯片制備與檢測主要包括載體的選擇及抗體或抗原的固化，抗原或抗體的標(biāo)記，封閉，探針蛋白的制備，抗原抗體的反應(yīng)，蛋白質(zhì)芯片的檢測等幾個方面。蛋白質(zhì)芯片技術(shù)與傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)研究方法相比具有以下優(yōu)點：高通量，這一技術(shù)能在一次實驗中提供相當(dāng)大的信息量，使研究者能全面準(zhǔn)確的研究蛋白質(zhì)表達(dá)譜；高靈敏度，它可以檢測出蛋白樣品中微量蛋白的存在，檢測水平可達(dá)ng水平；Angelika Lueking等[10]用人類苷油醛-3-磷酸鹽脫氫酶，人類熱休克蛋白片段和鼠免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白抗體制作成抗體陳列，其靈敏度的可檢測下限為10 fm/mL，而Haab[11]的試驗則可將檢測下限達(dá)到1 ng/mL的水平，并有較高準(zhǔn)確性[12]。

蛋白質(zhì)芯片技術(shù)的起步雖然較晚但其發(fā)展應(yīng)用的領(lǐng)域廣，目前這一技術(shù)主要應(yīng)用于蛋白差異表達(dá)分析、蛋白質(zhì)間相互作用、蛋白質(zhì)修飾、蛋白質(zhì)-DNA相互作用、小分子-蛋白質(zhì)間相互作用、抗體檢測、碳水化合物檢測、疾病診斷等多個方面。

3 芯片實驗室

芯片實驗室是將樣品制備、生化反應(yīng)及檢測分析等過程集約化形成的微型分析系統(tǒng)。現(xiàn)在已有由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極等組成的芯片實驗室問世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測和分析等部分集成的生物芯片[13]。雖然由于技術(shù)上的難題，以及應(yīng)用過程中的復(fù)雜性和市場接受程度的限制，使這一技術(shù)在進(jìn)行應(yīng)用階段還存在相當(dāng)困難，但這可以認(rèn)為是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。

4 組織芯片

組織芯片也稱組織微陣列。這一概念于1998年由Kononen等提出，它可以看成是基因芯片技術(shù)的發(fā)展和延伸，與細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)（抗體）芯片一樣屬于一種特殊形式的生物芯片技術(shù)。這一技術(shù)是將成百上千個不同個體的組織標(biāo)本按預(yù)先設(shè)計或研究需要排列在一張固相載體（載玻片）上所形成的組織微陣列，是一種高通量、多樣本的分析工具[14]。

5 細(xì)胞芯片

細(xì)胞芯片又稱細(xì)胞微陣列，是2001年由美國麻省理工學(xué)院的Zlauddin和Sabatinl等人發(fā)明的一種高通量的基因反向轉(zhuǎn)染技術(shù)[15]。其原理是首先將不同的DNA探針點在玻璃片上，做成DNA微陣列芯片，接著用脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染方法處理該DNA微陣列芯片，然后在脂質(zhì)體處理的DNA微陣列上培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞，點在芯片上的DNA在轉(zhuǎn)染試劑的作用下原位轉(zhuǎn)染哺乳動物細(xì)胞，在DNA微陣列的每一個DNA樣品點的相同位置形成了轉(zhuǎn)染該DNA的細(xì)胞集群，細(xì)胞因獲得了外源DNA 而獲得新的表型[16]。這一技術(shù)可用于藥物的高通量篩選和功能驗證，確證藥物作用靶點，尋找能改變細(xì)胞生理狀態(tài)的基因產(chǎn)物等研究領(lǐng)域[17]。

6 糖芯片

糖芯片又稱糖微陣列，是一種用于糖組學(xué)研究的新興工具，根據(jù)芯片上糖的特征可分為單糖芯片、寡糖芯片、多糖芯片和復(fù)合糖芯片；根據(jù)用途可分為功能糖組學(xué)糖芯片和藥物糖芯片。這一芯片技術(shù)可同時分析空前數(shù)量的多糖—蛋白質(zhì)相互作用，可用于功能糖組學(xué)、藥物篩選、抗體結(jié)合特異性分析、細(xì)胞黏附檢測和酶測定及藥物糖組學(xué)等方面的研究[1]。

我國已有360余項芯片技術(shù)和檢驗技術(shù)的發(fā)明專利，其中檢驗部分主要為醫(yī)學(xué)檢驗和診斷。表明我國在生物芯片的研究和應(yīng)用中已經(jīng)具有初步的技術(shù)基礎(chǔ)。但從技術(shù)基礎(chǔ)和水平上來看，我國在生物芯片的技術(shù)研究上水平還較低，生物芯片高通量這一技術(shù)特點尚未從根本上突破，與國外全基因芯片和極高通量的微珠芯片相比，我國的芯片同時檢測的樣品數(shù)通常低于20個，而各樣品檢驗的指標(biāo)一般不超過10個。事實上芯片技術(shù)迅速發(fā)展，美國、德國及瑞典等國家的高技術(shù)公司在不同種類和不同技術(shù)原理各類芯片上已有了突破性的進(jìn)步，發(fā)展成如微流芯片和微珠芯片等技術(shù)上更為先進(jìn)的芯片技術(shù)，而且已開始市場應(yīng)用。這些新技術(shù)的檢驗準(zhǔn)確性、通量、感應(yīng)器和指標(biāo)間干擾等均比傳統(tǒng)的微陣列芯片有了飛躍性發(fā)展。因此我國的研究機構(gòu)和高技術(shù)醫(yī)學(xué)技術(shù)公司應(yīng)高度重視生物芯片技術(shù)的研究，發(fā)展我國的準(zhǔn)確、簡便、低成本和微小生物樣本量的高通量醫(yī)學(xué)診斷和檢驗。

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