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生物芯片概述

    生物芯片是八。它將是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科學(xué)技術(shù)革命。

    生物芯片是用玻璃、塑料或其他材料制成的微型設(shè)備。生物樣本可以附于其上（生物陣列）和／或在其上發(fā)揮作用（微射流處理器）。生物芯片可以在高度并聯(lián)、低容量的格式下同時執(zhí)行上千個試驗，極大地節(jié)約了時間和成本。正因為如此，生物芯片和為其服務(wù)的系統(tǒng)促進(jìn)了基因研究和健康診斷的發(fā)展，使醫(yī)學(xué)界朝著個人化保健方向發(fā)展。

    生物芯片技術(shù)是20世紀(jì)90年代初十年代末在生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它主要是指通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固格體芯片表面構(gòu)建的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測。常用的生物芯片分為三大類：即基因芯片、蛋白質(zhì)芯片和芯片實驗室。生物芯片的主要特點是高通量、微型化和自動化。芯片上集成的成千上萬的密集排列的分子微陣列，能夠在短時間內(nèi)分析大量的生物分子，使人們快速準(zhǔn)確地獲取樣品中的生物信息，效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百上千倍半導(dǎo)體技術(shù)和生物技術(shù)“聯(lián)姻”的結(jié)晶。是生命科學(xué)領(lǐng)域的一項革命性新技術(shù)，也是各國競相研究的重大課題之一。生物芯片的應(yīng)用前景非常廣闊。在21世紀(jì)初，生物芯片將主要應(yīng)用于預(yù)防醫(yī)學(xué)和新藥開發(fā)，這將使人們活得更長而且更健康。
　　
    生物芯片能夠從各個層次揭示生命的奧秘。示來能夠用于臨床治療的生物芯片將植入人體，由它處理后人體的基因變化信息將清楚地顯示出來，醫(yī)生把基因變化趨勢與疾病早期狀況相對照，可以預(yù)先診斷出幾年甚至十幾年以后才發(fā)生的疾?。ò[瘤、艾滋病、心血管病等），提早進(jìn)行基因治療、基因預(yù)防。這樣，科學(xué)家關(guān)于“人類壽命將達(dá)到120歲以上”的預(yù)言也不會只是夢想。
　

　　生物陣列

　　一個生物陣列包含十個至上千個分子、DNA序列、蛋白質(zhì)或其他生物分子，它們或附在生物陣列表面，或儲存在陣列中的一個多孔的基質(zhì)上。

　　生物陣列與電子存儲器相似，能夠利用存儲的已知信息與未知的數(shù)據(jù)作比較，并加以辨別。生物陣列已成為最快、最有效的DNA分析技術(shù)，使研究人員在一個遺傳物質(zhì)樣品上同時進(jìn)行上萬個DNA試驗。

　　生物陣列是如何工作的

　　生物陣列運用混和或配合技術(shù)來確定在一份血樣或其他物質(zhì)樣品中某些遺傳序列存在與否。DNA通常是雙股螺旋型，每一股由通過生物化學(xué)而結(jié)合的補充序列組成。一個生物陣列是由未能配對的單股DNA組成。當(dāng)一份含有DNA的樣品（如一滴血）被安裝到芯片上時，已經(jīng)在生物芯片上的單股DNA 序列會與樣品中的補充DNA序列結(jié)合。

　　如果樣品中的未知序列被運用化學(xué)方式安裝上一個熒光分子標(biāo)簽，在濾去芯片上的多余樣品后，通過光學(xué)掃描器，我們可以看到在配對發(fā)生的地方出現(xiàn)了許多亮點。除了這種利用熒光檢查配對情況的方法外，還可以運用電子設(shè)備來檢驗。與對比指紋相似，如果DNA一旦被檢查出來，科學(xué)家們可以更簡便地確定某一個遺傳序列的存在以及它們的活動水平。

　　生物陣列的應(yīng)用

　　生物陣列可以運用在如下幾個方面：

　　藥品的研制－檢測藥品與一個遺傳目標(biāo)配合的試驗；基因研究－確定與某一種疾病有關(guān)系的基因；藥品的開發(fā)－檢測某種藥品的變化或毒性特征；診斷－檢測某種傳染病的存在及類型，以確定疾病的誘因，或監(jiān)測對治療的反映；藥品種類－在某種刺激（如藥品）下開出個人處方，并描繪基因的上下標(biāo)準(zhǔn)；在非保健方面涉及農(nóng)業(yè)、法庭和食品安全。

　　微射流處理器

　　微射流處理器可以被稱作“芯片上的生物標(biāo)簽”。微射流芯片包含用來攪拌、加熱、處理或控制輕到一皮升液體的微型通道、閥門和泵。這些處理器運用一小部分液體或樣品就可以立刻生成許多反應(yīng)，因而縮短了時間，減少了準(zhǔn)備樣品的步驟，避免了對研究工作和藥品開發(fā)的延誤。

　　在運用生物陣列時，微射流芯片作出的結(jié)論還可被用來確定分子樣品內(nèi)的序列。

　　微射流處理器的應(yīng)用

　　微射流處理器可用來合成化合物，準(zhǔn)備DNA樣品供分析使用，并生成各種生物化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)微射流處理器被應(yīng)用到單個樣品準(zhǔn)備的微型化和自動化時，移動診斷就成為可能了。

　　生物芯片系統(tǒng)

    生物芯片是近年來在生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它主要是指通過微加工技術(shù)和微電

子技術(shù)在固格體芯片表面構(gòu)建的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA 以及其他生物組分的

準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測。常用的生物芯片分為三大類：即基因芯片、蛋白質(zhì)芯片和芯片實驗室。生物

芯片的主要特點是高通量、微型化和自動化。芯片上集成的成千上萬的密集排列的分子微陣列，能夠在短時

間內(nèi)分析大量的生物分子，使人們快速準(zhǔn)確地獲取樣品中的生物信息，效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百上千倍。

它將是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科學(xué)技術(shù)革命。

生物芯片的應(yīng)用

疾病診斷與傳統(tǒng)方法相比，生物芯片在疾病檢測診斷方面具有獨特的優(yōu)勢，它可以在一張芯片同時對多個病人進(jìn)行多種疾病的檢測。僅用極小量的樣品，在極短時間內(nèi)，向醫(yī)務(wù)人員提供大量的疾病診斷信息，這些信息有助于醫(yī)生在短時間內(nèi)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(fā)病的臨床檢驗及健康人群檢查，均可以應(yīng)用生物芯片技術(shù)。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(jìn)行監(jiān)測。

藥物篩選目前,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(shù)，應(yīng)用生物芯片來尋找藥物靶標(biāo)，查檢藥物的毒性或副作用，用芯片作大規(guī)模的篩選研究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(chuàng)新藥物的研究和開發(fā)。

基因測序大規(guī)?；驕y序是人類基因組計劃面臨的首要任務(wù)，它涉及到基因多態(tài)性、突變、缺失的檢測。現(xiàn)在已可在1.28平方厘米生物芯片上，用分子探針檢測32Kb至幾百Kb區(qū)域中任何區(qū)段，這對檢測病人是一個還多個基因突變，指導(dǎo)治療和預(yù)后具有十分重要意義。

..另外生物芯片在農(nóng)業(yè)、食品監(jiān)督、環(huán)境保護(hù)、司法鑒定等方面都將作出重大貢獻(xiàn)。生物芯片的飛速發(fā)展引起世界各國的廣泛關(guān)注和重視。

什么是基因芯片？

基因芯片是生物芯片研究中，最先實現(xiàn)商品化的產(chǎn)品。它利用核酸雙鏈的互補堿基之間的氫鍵作用，形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)，通過檢測目的單鏈上的熒光信號，來實現(xiàn)樣品的檢測。目前，比較成熟的產(chǎn)品有檢測基因突變的芯片，檢測細(xì)胞基因表達(dá)水平的表達(dá)基因芯片。
基因芯片應(yīng)用：

*尋找新基因 *DNA測序
*疾病診斷 *藥物篩選
*毒理基因組學(xué) *農(nóng)作物優(yōu)育和優(yōu)選
*環(huán)境檢測和防治 *食品衛(wèi)生監(jiān)督
*司法鑒定

基因芯片技術(shù)的主要應(yīng)用

　　1998 年底美國科學(xué)促進(jìn)會將基因芯片技術(shù)列為 1998 年度自然科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展之一，足見其在科學(xué)史上的意義?，F(xiàn)在，基因芯片這一時代的寵兒已被應(yīng)用到生物科學(xué)眾多的領(lǐng)域之中。它以其可同時、快速、準(zhǔn)確地分析數(shù)以千計基因組信息的本領(lǐng)而顯示出了巨大的威力。這些應(yīng)用主要包括基因表達(dá)檢測、突變檢測、基因組多態(tài)性分析和基因文庫作圖以及雜交測序等方面。在基因表達(dá)檢測的研究上人們已比較成功地對多種生物包括擬南芥（ Arabidopsis thaliana ） [10,11] 、酵母 (Saccharomyces cerevisiae)[12,13] 及人 [15,16] 的基因組表達(dá)情況進(jìn)行了研究，并且用該技術(shù)（共 157,112 個探針分子）一次性檢測了酵母幾種不同株間數(shù)千個基因表達(dá)譜的差異 [14] 。實踐證明基因芯片技術(shù)也可用于核酸突變的檢測及基因組多態(tài)性的分析，例如對人 BRCA Ⅰ基因外顯子 11[17] 、 CFTR 基因［ 22 ］、β - 地中海貧血 [24] 、酵母突變菌株間 [20] 、 HIV-1 逆轉(zhuǎn)錄酶及蛋白酶基因（與 Sanger 測序結(jié)果一致性達(dá)到 98% ） [21] 等的突變檢測，對人類基因組單核苷酸多態(tài)性的鑒定、作圖和分型 [19] ，人線粒體 16.6kb 基因組多態(tài)性的研究 [24] 等。將生物傳感器與芯片技術(shù)相結(jié)合，通過改變探針陣列區(qū)域的電場強度已經(jīng)證明可以檢測到基因（ ras 等）的單堿基突變 [26] 。此外，有人還曾通過確定重疊克隆的次序從而對酵母基因組進(jìn)行作圖 [25] 。雜交測序是基因芯片技術(shù)的另一重要應(yīng)用。該測序技術(shù)理論上不失為一種高效可行的測序方法，但需通過大量重疊序列探針與目的分子的雜交方可推導(dǎo)出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探針?；蛐酒夹g(shù)可以比較容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的問世無疑為雜交測序提供了實施的可能性，這已為實踐所證實 [27,28] 。

生物芯片的主要種類

　　通常的生物化學(xué)反應(yīng)過程包括三步，即樣品的制備，生化反應(yīng)、結(jié)果的檢測和分析?？蓪⑦@三步不同步驟集成為不同用途的生物芯片，所以據(jù)此可將生物芯片分為不同的類型。例如用于樣品制備的生物芯片，生化反應(yīng)生物芯片及各種檢測用生物芯片等。現(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實驗室”(Lab-on-chip)。“芯片實驗室”通過微細(xì)加工工藝制作的微濾器、微反應(yīng)器、微泵、微閥門、微電極等以實現(xiàn)對生物樣品從制備、生化反應(yīng)到檢測和分析的全過程，從而極大地縮短的檢測和分析時間，節(jié)省了實驗材料。
　　樣品制備芯片的目的是將通常需要在實驗室進(jìn)行的多個操作步驟集成于微芯片上。目前，樣品制備芯片主要通過升溫、變壓脈沖以及化學(xué)裂解等方式對細(xì)胞進(jìn)行破碎，通過微濾器、介電電泳等手段實現(xiàn)生物大分子的分離。

　　生化反應(yīng)芯片即在芯片上完成生物化學(xué)反應(yīng)。與傳統(tǒng)生化反應(yīng)過程的區(qū)別主要在于它可以高效、快速地完成生物化學(xué)反應(yīng)。例如，在芯片上進(jìn)行PCR反應(yīng)，可以節(jié)約實驗試劑，提高反應(yīng)速度，并可完成多個片段的擴增反應(yīng)。當(dāng)前，由于檢測和分析的靈敏度所限，通常在對微量核酸樣品進(jìn)行檢測時必需事先對其進(jìn)行一定程度的擴增。所以用于PCR的芯片無疑為快速大量擴增樣品多個DNA片段提供了有力的工具。

　　檢測芯片顧名思義是用來檢測生物樣品的。例如用毛細(xì)管電泳芯片進(jìn)行DNA突變的檢測，用于表達(dá)譜檢測、突變分析、多態(tài)性測定的DNA微點陣芯片（也稱DNA芯片、基因芯片），用于大量不同蛋白檢測和表位分析的蛋白或多肽微點陣芯片（也稱蛋白或多肽芯片）。

　　芯片實驗室是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。它將樣品的制備、生化反應(yīng)到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統(tǒng)?，F(xiàn)在，已經(jīng)有由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學(xué)和電子發(fā)光探測器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芯片。例如可以將樣品的制備和PCR擴增反應(yīng)同時完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設(shè)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(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應(yīng)用其自己開發(fā)的檢測設(shè)備即可實現(xiàn)對雜交結(jié)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，所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由于該芯片設(shè)計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應(yīng)，縮短測試時間，從而降低了測試成本。

　　綜觀生物芯片的發(fā)展，檢測用生物芯片的發(fā)展最為迅猛。目前，檢測用生物芯片主要為微點陣技術(shù)。

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