基因芯片原理

生物芯片(biochip)是指采用光导原位合成或微量点样等方法,将大量生物大分子物质,如核酸片段、多肽分子,甚至组织切片及细胞等生物标本有序固化于支持物(如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体)表面,组成密集二维分子排列,再与标记的待测生物标本中的靶分子杂交,通过特定的仪器,如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机,对杂交信号强度进行快速、并行、高效检测,从而判断标本中靶分子的数量。由于常用玻片/硅片作为固相支持物,且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术,故称为生物芯片技术。

(一)类型

根据芯片上固定的探针不同,可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等。根据原理不同,有元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等。芯片上固定的是肽或蛋白质,称肽芯片或蛋白质芯片,芯片上固定的是寡核苷酸探针或DNA,称DNA芯片。

(二)原理

生物芯片技术的基本原理是将制备好的生物标本固定于经化学修饰的载体上,然后与标记的标本分子杂交,根据各探针分子杂交信号的强度确定标本分子的数量和序列信息。

(三)应用

1.基因测序 人类基因组计划的实施促进了高效、自动化操作测序方法的发展,芯片技术中的杂交技术是一种新的高效快速测序方法。目前认为,人类疾病或健康状况都与一定的基因相关,有许多试验证明,一种疾病有相应的致病基因或易感基因存在,通过基因检测可以对疾病进行基因诊断和基因治疗。

2.新药开发 高通量DNA芯片可发现众多的新基因和靶分子用于新药设计。目前第一个分子生物工程药物Herceptin已用于乳腺癌的治疗,并获得美国FDA批准。用分子生物工程设计的药物,可治疗遗传病、代谢性疾病,抗衰老,设计新的抗生素和工业用酶等。

3.寻找新基因 定量监测大量的基因表达水平,在阐述基因功能、探索疾病原因及机制、发现可能的诊断及治疗等方面很有价值。该技术在炎症性疾病,如类风湿关节炎(RA)和炎性肠病(IBD)的基因表达研究中,由RA或IBD组织制备探针,用Cyt3和Cyt5荧光素标记,再与靶cDNA微阵列杂交,可检出炎性疾病诱导的基因,如肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素(IL)或粒细胞集落刺激因子,并发现以前未发现的基因,如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子等。

生物芯片技术虽然还处在初期发展阶段,但其飞速发展正在逐步改变着人们对生物体的认识,随着该技术的深入发展,对于临床诊断疾病、发生机制的认识和新药开发都将是重要的研究手段。仍然存在许多难以解决的问题,如技术复杂、检测灵敏度较低,重复性差、分析范围较窄及成本昂贵等。这些问题主要表现在标本的制备、探针合成与固定、分子的标记、数据的读取与分析等方面。