生物芯片

生物芯片又稱蛋白質(zhì)芯片或基因芯片，起源于DNA雜交探針技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的結(jié)合。該技術(shù)是指將大量探針分子固定在支持物上，然后與DNA或其他帶有熒光標(biāo)記的樣品分子混合（如蛋白質(zhì)因子或小分子）進(jìn)行雜交，通過檢測每個(gè)探針分子的雜交信號(hào)強(qiáng)度，獲得樣品分子的數(shù)目和序列信息。

生物芯片技術(shù)起源于核酸分子雜交。所謂生物芯片，一般是指固定在相互支撐的介質(zhì)上的高密度生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白質(zhì)、糖分子、組織等）微陣列混合芯片基于（micro-arrays）陣列中每個(gè)分子的序列和位置是已知的，它是一個(gè)預(yù)設(shè)的序列點(diǎn)陣。微流控芯片（Microfluidic   chip）而液體生物芯片是繼微陣列之后發(fā)展起來的新型生物芯片技術(shù)，生物芯片技術(shù)是系統(tǒng)生物技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容。

生物芯片（Biochip or biological array）根據(jù)生物分子間特異性相互作用的原理，將生化分析過程集成在芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的分析、RNA、多肽、蛋白質(zhì)和其他生物成分的高通量快速檢測。從狹義上講，生物芯片的概念是指通過不同的方法轉(zhuǎn)移生物分子（寡核苷酸、cDNA、Genome  DNA、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）塑料片（珠）凝膠、在固相傳輸體如尼龍膜上形成的生物分子晶格。因此，生物芯片技術(shù)也被稱為微型顯示器（Microarray）技術(shù)，含有大量生物信息的固體基質(zhì)被稱為微陣列，也稱為生物芯片。生物芯片是在這種芯片的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微流控芯片（Microfluidic   chip），也稱為微電子芯片（Microelectronics   chip），即微型實(shí)驗(yàn)室芯片。

什么是生物芯片？簡單來說，生物芯片在一塊玻璃上、硅片、將一個(gè)生物樣本放在尼龍膜等材料上，然后用儀器采集信號(hào)，數(shù)據(jù)結(jié)果由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

人們可能很容易將生物芯片與電子芯片聯(lián)系起來。事實(shí)上，這兩者有一個(gè)基本的共同點(diǎn)：在一個(gè)小尺寸中有大量的數(shù)據(jù)信息。但這是兩碼事半導(dǎo)體電子單元設(shè)置在電子芯片上，而生物探針分子設(shè)置在生物芯片上。

芯片的概念取自集成的概念比如電子芯片，就是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物芯片也是集成，但它是生物材料的集成。像實(shí)驗(yàn)室測試一樣在生物芯片上檢查血糖、蛋白、酶活性等，都是基于同樣的生物反應(yīng)原理。所以生物芯片是一個(gè)載體平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的材料有很多種，比如硅玻璃薄膜（纖維素膜）等等，還有一些三維結(jié)構(gòu)的聚合物，平臺(tái)上密密麻麻的填充著各種生物材料。芯片只是一個(gè)載體。做什么東西、測試什么還是生物學(xué)家來做。換句話說，過去需要在大型實(shí)驗(yàn)室中使用許多試管的反應(yīng)現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)移到一個(gè)芯片上，并同時(shí)發(fā)生。

21世紀(jì)，隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合，誕生了半導(dǎo)體芯片的兄弟——生物芯片，這將給我們的生活帶來一場深刻的革命。這場革命將對(duì)整個(gè)世界的可持續(xù)發(fā)展做出不可估量的貢獻(xiàn)。

生物芯片技術(shù)的發(fā)展最初得益于埃德溫·邁勒·薩瑟恩（Edwin   Mailer   South）提出了核酸雜交理論，即被標(biāo)記的核酸分子可以與與之互補(bǔ)的固化核酸分子雜交。從這個(gè)角度來說，Southern雜交可以看作是生物芯片的雛形。弗雷德里克·桑格（Fred   Sanger）和吉爾伯特（Walter   Gilbert）發(fā)明了廣泛使用的DNA測序方法，并于1980年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。另一位諾貝爾獎(jiǎng)得主凱里·穆利斯（Kary Mullis）1983年，PCR首次被發(fā)明，隨后基于它的一系列研究使得少量的DNA被放大，并通過實(shí)驗(yàn)方法檢測。

生物芯片一詞最早是在20世紀(jì)80年代初提出的，當(dāng)時(shí)主要指分子電子器件。它是在生命科學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)，主要是指通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建的微型生化分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的分析、蛋白質(zhì)、DNA和其他生物成分的準(zhǔn)確性、快速、大信息量的檢測。美國海軍實(shí)驗(yàn)室研究員卡特說（Carter）還有的嘗試組裝有機(jī)功能分子或生物活性分子，想構(gòu)建微功能單元實(shí)現(xiàn)信息獲取、貯存、處理和傳輸功能。用于開發(fā)仿生信息處理系統(tǒng)和生物計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn)生'分子電子學(xué)'與此同時(shí)，已經(jīng)取得了一些重要進(jìn)展：如分子開關(guān)、分子貯存器、分子導(dǎo)線分子神經(jīng)元等分子器件吸引了科學(xué)界更多的關(guān)注，基于DNA或蛋白質(zhì)等分子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室模型已經(jīng)建立。

在20世紀(jì)90年代，人類基因組計(jì)劃(HGP Human Genome   Project)分子生物學(xué)的發(fā)展也為基因芯片技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展提供了有利條件。與此同時(shí)，另一種'生物芯片'它吸引了人們的關(guān)注，并通過機(jī)器人自動(dòng)打印或光導(dǎo)化學(xué)合成技術(shù)，將其應(yīng)用到硅片上、玻璃、在凝膠或尼龍膜上制作的生物分子微陣列可以實(shí)現(xiàn)化合物的分離、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞或其他生物成分是準(zhǔn)確的、快速、大量信息的篩選或檢測。

1991年福特Affymatrix公司（Fodor）組織半導(dǎo)體專家和分子生物學(xué)專家共同開發(fā)了一種通過光刻技術(shù)合成的光導(dǎo)多肽；

1992年，利用半導(dǎo)體照相制版技術(shù)首次報(bào)道了原位合成制備的DNA芯片，這是世界上第一個(gè)基因芯片；

寡核苷酸生物芯片設(shè)計(jì)于1993年；

1994年，有人提出用光電導(dǎo)合成的寡核苷酸芯片進(jìn)行快速DNA序列分析；

1996年靈活運(yùn)用了光刻技術(shù)、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、激光共聚焦掃描、多學(xué)科技術(shù)，如寡核苷酸合成和熒光標(biāo)記探針雜交，創(chuàng)造了世界 的第一個(gè)商業(yè)生物芯片；

斯坦福大學(xué)的布朗，1995年（P．Brown）實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一個(gè)以玻璃為載體的基因微陣列芯片。

2001年，世界生物芯片市場已達(dá)到170億美元，每年用生物芯片進(jìn)行藥物遺傳學(xué)和藥物基因組學(xué)研究所涉及的世界藥物市場約為1800億美元；

2000-在2004年的五年中，應(yīng)用生物芯片的市場銷售額達(dá)到了大約200億美元。

2005年，僅在美國用于基因組研究的芯片銷售額就達(dá)到50億美元，2010年很可能上升到400億美元這還不包括用于疾病預(yù)防診斷和治療等領(lǐng)域的基因芯片，其中一些芯片預(yù)計(jì)比基因組研究的消耗量大幾百倍。因此，基因芯片及相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)將取代微電子芯片產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)。

2004年3月，英國著名咨詢公司F Jost·沙利文(Frost Sullivan)公司發(fā)布全球芯片市場分析報(bào)告《世界DNA芯片市場的戰(zhàn)略分析》。報(bào)告稱，全球DNA生物芯片市場正以年均6.7%2003年的總市值為5.96億美元，2010年將達(dá)到93億美元.7億美元。納儂市場（Nano market）研究公司預(yù)測，以納米儀器為解決方案的醫(yī)療技術(shù)在2009年將達(dá)到13億美元，2012年將增加到250億美元，其中芯片上的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展?jié)摿ψ畲?，市場增長速度最快。

2012年12月，三名美國科學(xué)家被授予美國專利商標(biāo)局（US PTO）授予量子級(jí)神經(jīng)動(dòng)態(tài)計(jì)算芯片專利，功能強(qiáng)大，可以通過高速非標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算模擬解決問題，對(duì)未來量子計(jì)算的發(fā)展將起到極大的推動(dòng)作用。這個(gè)電腦芯片是生物過程和物理過程的結(jié)合通過模仿生物系統(tǒng)，利用突觸神經(jīng)元在接口處進(jìn)行連接和反饋學(xué)習(xí)，具有賦予計(jì)算機(jī)超強(qiáng)計(jì)算能力和超快的速度的潛力，可廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域這項(xiàng)專利涉及生產(chǎn)這種計(jì)算機(jī)芯片的幾種不同方法。

最大的用途是疾病檢測

基因表達(dá)水平的檢測基因芯片對(duì)基因表達(dá)水平的檢測可以是自動(dòng)的、快速檢測成千上萬個(gè)基因的表達(dá)。謝納(M.Schena)從人外周血淋巴細(xì)胞cDNA文庫中構(gòu)建了代表1046個(gè)基因的cDNA微陣列，檢測了熱休克反應(yīng)后體外培養(yǎng)的T細(xì)胞中不同基因表達(dá)的差異發(fā)現(xiàn)處理后5個(gè)基因高表達(dá)，11個(gè)基因中度表達(dá)，6個(gè)基因明顯抑制。熒光素交換標(biāo)記對(duì)照組和治療組以及RNA印跡也證實(shí)了該結(jié)果。HGP完成后，它被用來檢測不同生理和生理上的變化、病理?xiàng)l件下人類所有基因表達(dá)變化的基因組芯片已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

基因診斷從正常人類基因組中提取的DNA可以與DNA芯片雜交，得到標(biāo)準(zhǔn)圖譜。從病人身上分離出的DNAs基因組可以與DNA芯片雜交得到病斑圖譜。通過比較、通過分析這兩張圖譜，我們可以得到病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術(shù)速度快、高效、敏感、經(jīng)濟(jì)、平行化、自動(dòng)化等，將成為一種新的現(xiàn)代診斷技術(shù)。如Affymetrix公司將p53基因的全長序列和已知突變的探針整合在芯片上，制成p53基因芯片，將在癌癥的早期診斷中發(fā)揮作用。另一個(gè)例子，Heller等人構(gòu)建了96個(gè)基因的cDNA微陣列，用于檢測和分析類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）探討DNA芯片在感染性疾病診斷中的應(yīng)用。

使用基因芯片分析用藥前后身體不同組織的藥物篩選、器官中基因表達(dá)的差異。如果將從cDNA表達(dá)文庫中獲得的肽庫用于制作肽芯片，可以從許多藥物成分中篩選出一些有效物質(zhì)。同樣，使用RNA、單鏈DNA具有很大的靈活性，可以形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，更有利于與靶分子結(jié)合可以將核酸文庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與目標(biāo)蛋白一起孵育，形成蛋白質(zhì)-RNA或蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物可以篩選特定的藥物蛋白質(zhì)或核酸，因此芯片技術(shù)與RNA文庫的結(jié)合將在藥物篩選中得到廣泛應(yīng)用。在尋找HIV藥物的過程中，Jellis等人通過組合化學(xué)合成和DNA芯片技術(shù)篩選了654536種硫代磷酸八核苷酸，并從中鑒定出具有XXG4XX類結(jié)構(gòu)的抑制劑實(shí)驗(yàn)表明，這種篩選對(duì)HIV感染細(xì)胞有明顯的阻斷作用。生物芯片技術(shù)大大提高了藥物篩選目標(biāo)基因識(shí)別和新藥試驗(yàn)的速度，大大降低了成本。

個(gè)體化醫(yī)療臨床上，同一種藥物的劑量對(duì)患者A有效，對(duì)患者B不一定有效，但對(duì)患者c可能有副作用。就藥物療效和副作用而言，患者 反應(yīng)大相徑庭。這主要是由于患者之間的基因差異（單核苷酸多態(tài)性），導(dǎo)致對(duì)藥物的不同反應(yīng)。如果通過基因芯片技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行先診斷后處方，就可以對(duì)患者實(shí)施個(gè)體化的最優(yōu)治療。另一方面，在治療上，很多相同疾病的具體病因因人而異，用藥也要因人而異。比如乙肝有很多種亞型，HBV基因的多個(gè)位點(diǎn)比如s、p和C基因區(qū)容易變異。如果用HBV基因多態(tài)性檢測芯片每隔一段時(shí)間檢測一次，對(duì)指導(dǎo)用藥和預(yù)防HBV耐藥具有重要意義。

測序

基因芯片利用固定探針和樣品之間分子雜交產(chǎn)生的雜交圖譜排列待測樣品的序列這種方法速度快，有很好的應(yīng)用前景。研究人員使用包含135，000個(gè)寡核苷酸探針的陣列來確定16.6kb人類線粒體基因組序列，準(zhǔn)確率為99%用含有48000個(gè)寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人類BRCA1基因的序列差異結(jié)果表明，BRCA1基因大約有3個(gè)外顯子.4kb長度范圍內(nèi)核酸序列的同源性為98.2%到83.5%這表明它們?cè)谶M(jìn)化上有高度的相似性。

生物信息學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自身的一個(gè)偉大而深遠(yuǎn)的研究項(xiàng)目。目前的問題是如何研究大量基因或基因片段序列的功能只有了解它們的功能，才能真正體現(xiàn)HGP計(jì)劃的價(jià)值-破譯人類基因的天書。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。生物信息學(xué)將在其中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。生物芯片技術(shù)的建立就是為了實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)，使個(gè)體的生物信息得以高速處理、并行收集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學(xué)研究中重要的信息收集和處理平臺(tái)，成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。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(tái)，具有廣闊的發(fā)展空間。

在實(shí)際應(yīng)用中，生物芯片技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于疾病的診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、作物優(yōu)化育種、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。它將幫助我們了解生命的起源、遺傳、發(fā)育與進(jìn)化、用于人類疾病的診斷、治療和預(yù)防開辟了新的途徑，為生物大分子的新設(shè)計(jì)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)研究提供了技術(shù)支撐平臺(tái)，這一點(diǎn)從1999年3月我國科技部剛剛起草的《醫(yī)藥生物技術(shù)“十五”及2015年規(guī)劃》就可以看出：在計(jì)劃中列出的十五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目中，有八個(gè)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)與生物芯片技術(shù)）要使用生物芯片。生物芯片技術(shù)被規(guī)劃為單列的專項(xiàng)。簡而言之，醫(yī)學(xué)中的生物芯片技術(shù)、生命科學(xué)、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等與生命活動(dòng)相關(guān)的領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

高通量

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程有利于顯示圖譜的快速比對(duì)和閱讀

微型化

減少試劑用量和反應(yīng)液體積，提高樣品濃度和反應(yīng)速度

自動(dòng)化

降低成本，保證質(zhì)量

載體材料及要求

作為載體，它必須是固體薄片或薄膜、表面帶有活性基因，便于連接和有效固定各種生物分子。目前制備芯片的固體材料是載玻片、硅片、金屬片、尼龍膜等。目前常用的支撐材料是載玻片，因?yàn)檩d玻片適用于多種合成方法，制備芯片前的載玻片預(yù)處理相對(duì)簡單易行。

載體種類

玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝膠、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

生物樣品的制備

分離純化、壙增、從中獲取蛋白質(zhì)或DNA、RNA用熒光標(biāo)記，與芯片反應(yīng)。使用DNA芯片研究表達(dá)譜時(shí)，通常是從樣本中提取MRNA，然后反轉(zhuǎn)錄成CDNA。同時(shí)摻雜帶有熒光標(biāo)記的dCTP或dUTP。

芯片制備方法

包括原位合成和預(yù)合成后點(diǎn)樣。

原位合成：適用于寡核苷酸，通過光導(dǎo)蝕刻技術(shù)。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2等基因突變的基因芯片。

預(yù)合成后點(diǎn)樣：是提取或合成多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因組丹和其他人被一個(gè)特定的高速點(diǎn)樣機(jī)器人直接點(diǎn)在芯片上。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)簡單便宜，國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。

接觸式點(diǎn)樣：意味著打印針從多孔板中取出樣品，直接打印在芯片上。打印時(shí)針與芯片接觸。優(yōu)點(diǎn)是探針密度高，一般一平方厘米可以打印2500個(gè)探針。缺點(diǎn)是定量的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性不是很好。

非接觸式點(diǎn)樣：針與芯片保持一定的距離。優(yōu)點(diǎn)是定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，缺點(diǎn)是噴印斑點(diǎn)大，密度低。通常一平方厘米只有400個(gè)點(diǎn)。但是日本佳能公司可以把噴印點(diǎn)的直徑從150-100μm到30 μm-25μm。在一個(gè)芯片上點(diǎn)陣化哺乳動(dòng)物的全基因組DNA是可能的。