生物芯片数据分析简介
生物芯片分析
本章提纲
生物芯片简介与沿革 生物芯片的分类 基因芯片基本原理、流程与应用 蛋白质芯片及应用 其它芯片技术
第一节 生物芯片简介与沿革
什么是生物芯片 生物芯片(Biochip)主要指
通过平面微细加工技术，在 固体芯片表面等载体上的微 型生物化学分析系统，以实 现对细胞、蛋白质、核酸以
图像处理
1. 栅格化：确定点的位置 2. 图象分割 (Segmentation)：将点从背景中分离出来。 3. 抽提亮度：各个像素亮度的平均值 (mean)或中位数
(median) 4. 背景校正：局部或全局
植根区域生长法(SRG) Fixed Circle
基因表达量的定量
对于每个点，我们可以计算 Red intensity = Rfg - Rbg
1. cDNA microarrays: 将500~5,000bp的cDNA固 载到介质上 (例如玻璃)，Stanford开发设计，通 常为双通道
2. DNA chips: 将寡核苷酸探针 (20~80-mer) 合成 到芯片上，Affymetrix开发设计，通常为单通道
(1) cDNA microarrays
按实验要求分类
1. 单通道 (Single Channel): 一次检验一种状态 2. 双通道 (Dual Channel): 差异表达基因的筛选
1 片上原位合成寡核苷酸点阵芯片（ONA） 2 微量点样技术制作的CDNA 点阵芯片（CDA） ONA特点： （1）易寻址，利用组合化学的原理安排各寡核苷
(1) 差异表达基因的分析
1.差异表达基因的分析: 寻找处理前后表达上调或者 下调的基因
2. Are the treatments different 3. 使用标准的统计学方法检验 (t-test or f-test)，发
生物芯片技术简介及应用
生物芯片技术简介及应用一、生物芯片概念生物芯片（biochip）是指通过微加工技术，将生物大分子如核酸片段、多肽分子甚至细胞，组织切片等生物样品，有序地固化于支持物表面，然后与已标记的探针杂交，通过特定仪器如激光共聚焦显微扫描仪或电荷偶联元件（charge-coupled device，CCD）等对杂交信号的强度进行快速、并行、高效的检测，再经计算机分析和处理数据，从而获得相关生物信息。
由于常用玻片或硅片作为固相支持物，其与半导体芯片都有高度集成的特点，故称之为生物芯片。
生物芯片技术是20世纪90年代中期以来影响最深远的科技进展之一，是集生物学、物理学、化学、微电子学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术。
由于该技术可将大量的探针同时固定于固相支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测，从而解决了传统生物学分析方法复杂、自动化程度低、检测物数量少（通量低）等不足。
另外，通过设计不同的阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序（sequencing by hybridization，SBH）等，为“后基因组计划”时代基因功能的研究及临床检验诊断学发展提供了强有力的工具。
同一种芯片从不同的角度，可有不同的归类组别和定位。
最为通用的分类方法是根据芯片基片上固定的探针分子不同，将生物芯片分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。
二、生物芯片的应用生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域。
它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和预防开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台。
（一）疾病诊断基因芯片诊断技术以其快速、高效、灵敏、经济、平行化、自动化等特点，已成为一项现代化诊断新技术。
生物芯片技术在分子诊断中的应用及分析
生物芯片技术在分子诊断中的应用及分析随着现代科技的飞速发展，人们对于疾病的诊断和治疗都有了更高的要求。
传统的诊断方法往往需要进行大量的实验操作，并且耗费人力、时间和物力，难以为患者提供快速、准确、低成本的服务。
而生物芯片技术的出现，不仅可以帮助人们更快速、更准确地进行分子诊断，同时还可以大大节省成本，成为一种受欢迎的疾病诊断手段。
一、生物芯片技术的基本原理生物芯片技术是一种高端的分子生物学技术，它主要通过微芯片上的生物分子反应方案，检测待测样本中的分子信息。
其基本原理是将具有生物学功能的生物分子固定在芯片上的指定的区域，待样本加入后，样本中的荧光性或者透析性（离子流）的变化，会让生物芯片中的检测系统检测到，并通过计算机程序，记录关键性的信息。
通俗地说，就是利用生物芯片对样本信息进行筛查和分析，找到疾病信号，从而进行诊断。
二、生物芯片技术在分子诊断中的应用1.基因诊断基因诊断是生物芯片技术最主要的应用之一，它主要通过生物芯片上的基因序列信息对待测样本进行分析和检测，包括基因突变、单核苷酸多态性（SNP）、基因差异性表达等等。
通过对待测样本的基因信息比对和分析，可以有效地诊断出一些遗传性疾病，如唐氏综合症等遗传基因疾病。
2.肿瘤诊断肿瘤诊断是生物芯片技术中的另一个主要应用，其主要通过检测血清、血浆和组织中的一些特异性肿瘤标志物（如AFP、CEA、CA125等）及相关蛋白，进行对肿瘤的筛查和诊断。
同时，它还可以通过检测肿瘤的mRNA表达谱，对肿瘤的分类和恶性程度进行判别。
3.细胞检测生物芯片技术还可以用于对待测样本中细胞相关的生物分子信息进行检测和诊断，如细胞表面标志物、染色体畸变、基因增殖等信息，从而对未知的肿瘤或病因进行诊断。
三、生物芯片技术在分子诊断中的优势与传统的检测方法相比，生物芯片技术在分子诊断方面有以下几个优势：1.快速、高效生物芯片技术可以对待测样本进行大量筛查和分析，且可以提供迅速的分子生物学信息，从而可以快速、高效地进行病因分类。
生物芯片技术
生物芯片技术一、引言生物芯片技术是一个将生物学、物理学、化学和计算机科学相结合的新兴领域。
它的出现使得大量的高通量实验可以在相对短的时间内完成，并且提供了面对高维度问题的工具和策略。
本文将会详细介绍生物芯片技术的原理、种类、应用和研究进展等方面。
二、生物芯片技术的原理生物芯片技术是一项将不同生物学实验方法集成在一起的新技术。
它包括制备芯片、检测芯片以及分析芯片的过程。
其中，制备芯片是将不同类别的生物分子（如DNA、蛋白质、RNA等）以固定的顺序固定在芯片表面上；检测芯片则是将样品添加到芯片表面，以检测目标分子的存在与否；分析芯片是对检测芯片进行数据分析以取得最终结果。
三、生物芯片技术的种类根据使用的生物分子不同，生物芯片技术可以分为DNA芯片、RNA芯片、蛋白芯片等。
另外，虽然微阵列芯片受到了很高的关注，但是由于其成本高昂以及瓶颈问题存在，其在实际应用中尚未得到普及。
四、生物芯片技术的应用生物芯片技术在许多领域中得到了广泛的应用，比如生物医学领域、农业领域和环境监测等方面。
其中，生物医学领域是其应用最为广泛的领域。
例如，对于肿瘤的诊断、治疗和预后分析等方面，生物芯片技术已经发挥了重要的作用。
五、生物芯片技术的研究进展随着生物芯片技术应用的不断扩展，其研究领域也在逐步拓宽。
目前，一些新技术和新方法已经被用于生物芯片技术领域，比如单细胞芯片技术、小RNA芯片技术、微流控芯片技术等都已经成为生物芯片技术领域中重要的技术。
六、总结本文介绍了生物芯片技术的原理、种类、应用和研究进展等方面。
虽然生物芯片技术仍然面临很多挑战，如成本高昂、技术局限和标准化缺失等问题，但是其在实际应用中已经得到了广泛的认可，并且具有很大的发展前景。
生物信息学讲义——基因芯片数据分析
生物信息学讲义——基因芯片数据分析生物信息学是指运用计算机技术和统计学方法来解析和理解生物领域的大规模生物数据的学科。
基因芯片数据分析是生物信息学研究的一个重要方向，通过对基因芯片数据进行分析，可以揭示基因在生物过程中的功能和调节机制。
本讲义将介绍基因芯片数据的分析方法和应用。
一、基因芯片数据的获取与处理基因芯片是一种用于检测和测量基因表达水平的高通量技术，可以同时检测上千个基因的表达情况。
获取基因芯片数据的第一步是进行基因芯片实验，如DNA芯片实验或RNA芯片实验。
实验得到的数据一般为原始强度值或信号强度值。
接下来，需要对这些原始数据进行预处理，包括背景校正、归一化和过滤噪声等步骤，以消除实验误差和提高数据质量。
二、基因表达分析基因芯片数据的最主要应用之一是进行基因表达分析。
基因表达分析可以揭示在不同条件下基因的表达模式和差异表达基因。
常用的基因表达分析方法包括差异表达分析、聚类分析和差异共表达网络分析等。
差异表达分析常用来寻找在不同条件下表达差异显著的基因，如差异表达基因的筛选和注释；聚类分析可以将表达模式相似的基因分为一组，如聚类分析可以将不同样本中的基因按照表达模式进行分类；差异共表达网络分析可以找到一组在差异表达样本中共同表达的基因，揭示潜在的功能模块。
三、功能富集分析对差异表达基因进行功能富集分析可以帮助我们理解这些基因的生物学功能和参与的生物过程。
功能富集分析可以通过对差异表达基因进行GO(Gene Ontology)注释，找到在特定条件下富集的生物学过程、分子功能和细胞组分等。
另外，功能富集分析还可以进行KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)富集分析，找到差异表达基因在代谢通路和信号传导通路中的富集情况。
四、基因调控网络分析基因调控网络分析可以帮助我们揭示基因间的调控关系和寻找关键调控基因。
基因调控网络是基于差异表达数据构建的，它可以包括转录因子-靶基因调控网络和miRNA-mRNA调控网络等。
生物芯片技术
生物芯片技术一、生物芯片简介生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。
由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。
根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理还有元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。
如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片。
DNA微阵列(DNA Microarray)是目前最重要的一种，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，包括二种模式：一是将靶DNA固定于支持物上，适合于大量不同靶DNA的分析，二是将大量探针分子固定于支持物上，适合于对同一靶DNA进行不同探针序列的分析。
生物芯片技术是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。
由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量(low through-put)等不足。
而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序（Sequencing by hybridization, SBH）等，为"后基因组计划"时期基因功能的研究及现代医学科学及医学诊断学的发展提供了强有力的工具，将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破，为整个人类社会带来深刻广泛的变革。
生物芯片技术
生物芯片技术的主要类型包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等，其中基因芯片是最 常用的生物芯片技术之一。
生物芯片的分类
基因芯片 蛋白质芯片 细胞芯片 组织芯片
生物芯片技术：微小的 大科学
,a click to unlimited possibilities
汇报人：
目录
01 生 物 芯 片 技 术 的 定 义与分类
03 生 物 芯 片 技 术 的 优
势与局限性
05 生 物 芯 片 技 术 的 挑
战与对策
02 生 物 芯 片 技 术 的 应 用领域
04 生 物 芯 片 技 术 的 发 展趋势与前景
物多样性
司法鉴定：用 于法医鉴定、 亲子鉴定和基
因图谱绘制
Part Three
生物芯片技术的优 势与局限性
优势
高通量：一次可检测大量样本 高灵敏度：能够检测低浓度的生物分子 高特异性：能够准确区分不同的生物分子 自动化程度高：减少人工操作，提高工作效率
局限性
成本高昂：生物芯片技术的研发和生产成本较高，限制了其在某些领域的应用。
生物芯片技术在 药物研发中的应 用前景
生物芯片技术在 食品安全检测中 的应用前景
生物芯片技术在 环境保护和生态 监测中的应用前 景
Part Five
生物芯片技术的挑 战与对策
技术挑战
芯片制造技术：需要高精度、高稳定性的制造技术 数据分析技术：需要高效、准确的数据分析技术 生物样本制备技术：需要标准化、自动化的生物样本制备技术 生物芯片应用拓展：需要不断拓展生物芯片技术的应用领域
生物芯片技术
生物芯片技术生物芯片技术是一种新兴的技术，它将生物学和电子学相结合，可以对生物样本进行高效的检测和分析。
这种技术可以应用于医学诊断、基因工程、生物学研究等领域，并在其中发挥着重要的作用。
生物芯片技术的核心是生物芯片，它是一种微型化的实验室。
生物芯片由微型管道、电极和化学试剂等部分组成，可以模拟人体内的生物反应。
当样本进入生物芯片时，化学试剂与样本发生反应，通过测量电极上的电流变化来获得有关样本的信息。
生物芯片技术的优势之一是高效性。
传统的实验室操作通常需要大量的样本和试剂，并且需要相对较长的时间才能获得结果。
而生物芯片技术可以在短时间内完成检测和分析，并且只需要少量的样本和试剂。
这使得生物芯片技术在医学诊断中大有用武之地，特别是在快速检测和早期诊断方面。
另一个生物芯片技术的优势是可靠性。
传统的实验室操作往往受到实验环境的影响，结果的准确性和重复性有时难以保证。
而生物芯片技术通过微型化的实验室可以更好地控制实验条件，提高了结果的可靠性和重复性。
这对于基因工程和生物学研究来说尤为重要，因为它们需要精确的结果来支持后续的工作。
生物芯片技术应用广泛，其中一个重要的应用领域是医学诊断。
通过在生物芯片上测定特定生物标志物的水平，可以快速准确地诊断出某些疾病，如肿瘤和心脏病。
此外，生物芯片还可以用于监测患者的疗效和预测疾病的发展趋势，为医生提供更好的治疗方案。
同时，生物芯片技术在基因工程领域也扮演着重要的角色。
通过生物芯片可以对基因进行高通量的测序和分析，揭示基因组的结构和功能。
这对于研究基因的功能和疾病的发生机制具有重要意义，并为基因治疗和个性化医疗提供了新的可能性。
生物芯片技术的快速发展还带来了一些挑战。
首先，生物芯片的设计和制造需要高度的技术和设备支持。
其次，生物芯片的标准化和质量控制也是一个难题，需要建立行业标准和监管机制。
此外，生物芯片技术涉及到大量的数据处理和分析，对于数据的存储和管理也提出了新的要求。
生物芯片技术简介
生物芯片技术简介生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命有关的信息分子，它能够对生命科学与医学中的各类生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试与分析。
它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。
生物芯片技术研究的背景原定于2005年竣工的人类30亿碱基序列的测定工作（Human Genome Project，基因组计划）由于高效测序仪的引入与商业机构的介入已经完成，。
如何利用该计划所揭示的大量遗传信息去探明人类众多疾病的起因与发病机理，并为其诊断、治疗及易感性研究提供有力的工具，则是继人类基因组计划完成后生命科学领域内又一重大课题。
现在，以功能研究为核心的后基因组计划已经悄然走来，为此，研究人员必需设计与利用更为高效的硬软件技术来对如此庞大的基因组及蛋白质组信息进行加工与研究。
建立新型、高效、快速的检测与分析技术就势在必行了。
这些高效的分析与测定技术已有多种，如DNA质谱分析法，荧光单分子分析法，杂交分析等。
其中以生物芯片技术为基础的许多新型分析技术进展最快也最具进展潜力。
早在1988年，Bains等人就将短的DNA片段固定到支持物上，以反向杂交的方式进行序列测定。
当今，随着生命科学与众多有关学科（如计算机科学、材料科学、微加工技术、有机合成技术等）的迅猛进展，为生物芯片的实现提供了实践上的可能性。
生物芯片的设想最早起始于80年代中期，90年代美国Affymetrix公司实现了DNA探针分子的高密度集成，马上特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块玻璃、硅等固体片基上，作为核酸信息的载体，通过与样品的杂交反应获取其核酸序列信息。
生物芯片由于使用了微电子学的并行处理与高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出优点。
基因芯片技术的前景基因芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地。
芯片数据分析
单因素多组数据统计分析
目的：只考虑一种影响因素，筛选两组以上样品 之间的差异基因。 要求：一个影响因素下的多组数据，每组数据3 个以上生物学重复。 Cy3通道信号和Cy5通道信号在常规实验设计中 不能独立分开作为两组单通道信号值进行数据分 析。
多因素数据统计分析
目的：根据一个以上不同的条件综合评判，筛选 多个条件对于两组样品造成的差异基因。
1. 图像分析
芯片分析的第一步是将芯片扫描得到的杂交信号 转化为原始的代表信号强度的数据 激光扫描仪（Scaner）得到的Cy3/Cy5图像文件 通过划格（Griding），确定杂交点范围，过滤背 景噪音，提取得到基因表达的荧光信号强度值， 最后以列表形式输出
目前可用于这一步分析工作的软件有Quantarray、 Genpix、ChipReader和ScanAlyze等
要求：多个影响因素下的2组数据，每组数据3个 以上生物学重复。
Cy3通道信号和Cy5通道信号在常规实验设计中 不能独立分开作为两组单通道信号值进行数据分 析。
SAM 分析
目的：SAM（Significant Analysis of Microarray） 分析方法是在多组实验中寻找具有差异表达的基 因。 要求：每组3个以上生物学重复。 Cy3通道信号和Cy5通道信号在常规实验设计中 不能独立分开作为两组单通道信号值进行数据分 析。
由于样本差异、荧光标记效率和检出率的不平衡， 需对Cy3和Cy5的原始提取信号进行均衡和修正 才能进一步分析实验数据。 Normalization正是基于此种目的。
Normalization的方法有很多种，包括中值法、总 体信号强度法以及指定使用芯片上的某些点来对 数据做标准化
生物芯片技术
2023-12-30
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片技术的基本原理 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的优势与局限性 • 生物芯片技术在临床医学中的应用 • 培训总结与展望
01
生物芯片技术概述
定义与特点
定义
生物芯片技术是一种将生物分子 或细胞等生物样本高密度集成在 微小芯片上的技术。
精准医学的实现需要依赖生物芯片技术的高通量、高灵敏 度、高特异性等特点，对大量样本进行快速、准确的检测 ，为医生提供全面的患者信息，从而制定出最佳的治疗策 略。
远程医疗
远程医疗是指通过信息技术手段，实现医疗服务的远程化。生物芯片技术在此领 域的应用，可以通过对患者的生物标志物进行检测，将检测结果通过互联网传输 给医生，实现远程诊断和治疗。
个体化医疗的实现需要依赖生物芯片技术的高通量、高灵敏 度、高特异性等特点，对大量样本进行快速、准确的检测， 为医生提供全面的患者信息，从而制定出最佳的治疗策略。
精准供 个性化的精准治疗。生物芯片技术在此领域的应用，可以 通过对患者的基因组、蛋白质组等生物标志物进行检测， 为患者提供更加精准的治疗方案。
生物芯片技术的发展前景
技术改进与创新
与其他技术的结合
随着技术的不断发展，生物芯片的灵敏度 、特异性等性能将得到进一步提升。
生物芯片技术可与其他技术如纳米技术、 微流控技术等结合，开发出更高效、更实 用的检测平台。
临床应用拓展
个性化医疗与精准医学
随着研究的深入，生物芯片在临床诊断、 治疗监测等领域的应用将进一步拓展。
生物芯片的数据分析原理
图像处理
对获取的荧光或化学发光信号 进行图像处理，提取出信号的
位置和强度信息。
数据标准化
生物芯片技术及应用案例
生物芯片技术及应用案例生物芯片技术，是指将生物样品、试剂、反应体系、检测设备等整合在一起，通过微流控芯片的方式来进行生物分析的技术。
这项技术在生物医学、生物学、医药等领域有着广泛应用，成为了目前世界上最重要的生物分析技术之一。
下面，我们将介绍生物芯片技术的原理、分类以及应用案例。
一、生物芯片技术的原理生物芯片技术的核心是微流控芯片。
微流控芯片是一种微小的、通常不超过数平方厘米的芯片，上面可以加工出合适的微小通道和反应室，以进行基因检测、蛋白质检测、细胞分析、生物检测等生物分析。
微流控芯片被称为“实验室缩小版”，其设计和制造与普通集成电路芯片类似，可以通过板式制作、光刻和微加工技术等方式来制造。
生物芯片技术的基本流程包括样品预处理、芯片离体反应、信号检测和数据分析。
样品预处理包括样品的收集、提取、纯化、分离等处理工作；芯片离体反应包括反应体系的加入、混合和储存等操作；信号检测包括荧光、融合事件、电学等多种方式；数据分析包括各种生物信息学、统计学等技术。
二、生物芯片技术的分类生物芯片技术有很多分类方式，其中最常见的分类方式是根据反应物的类型和探测方法的不同分为基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯片。
基因芯片是检测基因表达水平的芯片，用于研究基因表达谱、基因调控、疾病诊断和新药研发等。
蛋白质芯片是检测蛋白质含量、功能和相互作用的芯片，用于研究蛋白质组学、蛋白质表达、相互作用和酶学等研究。
细胞芯片则是用于细胞行为、表型和功能的检测，用于制药、生物医学、细胞工程和组织工程等领域。
三、生物芯片技术的应用案例生物芯片技术的应用场景非常广泛，包括疾病诊断、新药研发、生物制药、食品安全等。
下面将介绍几个典型的应用案例。
1.基因芯片在癌症诊断方面的应用基因芯片在癌症诊断方面的应用已经得到了广泛的研究和应用。
例如，在早期肺癌的诊断中，使用基因芯片可以检测出一些早期的肺癌指标，如ceRNA 的微观RNA信号。
这项技术具有操作简单、快速、灵敏度高等优点，不仅可以用于肺癌的早期筛查，还可以用于其他肿瘤的筛查和诊断。
生物芯片技术简介
政策法规支持与行业标准制定
政策扶持
政府加大对生物芯片技术的投入，设立专项资金，支持相关研发和 产业化项目，推动技术创新和成果转化。
法规保障
制定和完善生物芯片技术相关法规和标准体系，确保技术应用的安 全性和有效性，保护知识产权，促进产业健康发展。
行业协作
加强产学研用合作，建立行业协作机制，共同制定技术标准和规范， 推动生物芯片技术的标准化和规范化发展。
生物芯片技术简介
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片类型及特点 • 生物芯片制备技术 • 生物芯片在医学领域应用 • 生物芯片在农业领域应用
• 生物芯片在食品安全领域应用 • 生物芯片技术发展挑战与趋势
01
生物芯片技术概述
定义与发展历程
定义
生物芯片技术是一种将生物分子（如DNA、蛋白质等）固定在微型芯片表面， 利用微电子技术进行检测和分析的技术。
发展，为患者提供更加个性化、高效的治疗方案。
05
生物芯片在农业领域应用
农作物品种鉴定与选育
农作物基因型鉴定
利用生物芯片技术对农作物基因型进行快速、准 确的鉴定，为品种选育提供重要依据。
分子标记辅助育种
结合生物芯片技术与分子标记技术，实现农作物 性状的精准选择与改良，提高育种效率。
转基因作物检测
利用生物芯片技术检测转基因作物中的外源基因， 确保转基因作物的安全性。
前景
随着技术的不断进步和应用需求的拓展，生物芯片技术将朝着更高通量、更高灵敏度、更低成本的方 向发展。同时，其在精准医疗、个性化治疗等新兴领域的应用潜力巨大，有望为未来的医学诊断和治 疗提供更加高效、便捷的技术手段。
02
生物芯片类型及特点
基因芯片
01
生物芯片技术
生物芯片技术生物芯片技术是一种基于微电子技术制备的生物分析技术，其主要应用于生命科学和医学领域，具有高通量、高灵敏度、高精度、高速度、自动化和多重分析等优点。
生物芯片可以分为基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯片等多种类型，其制备过程包括芯片设计、探针合成、芯片加工和芯片检测等核心步骤。
在基因芯片应用中，生物芯片技术可以实现全基因组、全转录组和全表观数组的分析，可用于检测基因表达水平、基因突变和DNA甲基化等生物学过程，有助于研究基因调控机制、疾病发生机制和药物作用机理。
在蛋白质芯片应用中，生物芯片技术可用于筛选药物靶点、检测蛋白质相互作用和鉴定肿瘤标志物等，有助于研究蛋白质网络与疾病关系。
在细胞芯片应用中，生物芯片技术可以模拟细胞-细胞和细胞-外界相互作用，研究生物学过程和新药筛选。
随着生物芯片技术的不断发展，其应用领域也在不断扩大。
在医学领域，生物芯片技术可用于疾病诊断、预后分析和指导治疗，例如基因芯片可以用于肿瘤分类和预后评估，蛋白质芯片可以用于心血管疾病和神经系统疾病的诊断和药物筛选。
在农业领域，生物芯片技术可用于作物遗传改良和病虫害防治，例如基因芯片可以用于筛选耐盐、耐旱和耐寒的新品种，也可以用于检测转基因作物的安全性。
在环境领域，生物芯片技术可用于污染物检测和生态系统评估，例如细胞芯片可以用于评估化学品和纳米材料对生物的毒性。
生物芯片技术虽然具有广泛应用前景，但仍面临诸多挑战。
首先，芯片设计和探针合成需要高度专业的技术，制备成本较高。
其次，芯片检测需要高灵敏度和高特异性的仪器，不同类型芯片的检测方法不同。
再者，芯片数据分析需要借助生物信息学、计算机科学和统计学等多学科的知识，数据处理和解释的难度较大。
最后，生物芯片技术的标准化和规范化程度尚不够，不同实验条件和芯片类型的结果比较还具有一定的局限性。
为了克服这些挑战，需要采取一系列措施。
首先，加强跨学科合作和信息共享，促进芯片设计、探针合成、芯片加工和芯片检测技术的不断创新和提高。
生物芯片技术介绍
生物芯片技术介绍生物芯片技术是一种在微小尺度上对生物分子进行大规模并行检测和分析的技术。
它涉及将大量生物分子（如DNA、蛋白质、细胞等）附着在固态芯片表面，通过与这些生物分子相互作用，实现对生物分子的快速、高效、并行检测。
生物芯片技术最早可以追溯到20世纪90年代初，当时科学家们开始研究如何将DNA片段固定在玻璃或其他固体支持物上。
随着技术的不断发展，生物芯片技术已经成为生物医学领域的一种重要工具，被广泛应用于基因组学、蛋白质组学、细胞生物学、药物筛选等多个领域。
生物芯片技术的基本流程包括以下几个步骤：1.样品制备：将待检测的生物分子（如DNA、蛋白质等）制备成能够与芯片进行相互作用的溶液。
2.芯片制备：将支持物（如玻璃、硅等）表面进行处理，使其适合固定生物分子。
接着将待检测的生物分子固定在支持物表面，形成一个有序的生物分子阵列。
3.样品与芯片的相互作用：将样品溶液与芯片进行混合，让样品中的生物分子与芯片上的生物分子进行相互作用。
4.信号检测与分析：通过特定的检测技术（如荧光检测、化学发光检测等）对相互作用后的芯片进行信号检测，并将信号转化为数据。
这些数据可以进行进一步分析，如序列比对、蛋白质功能预测等。
5.数据处理与解释：对收集到的数据进行处理、分析和解释，以获得有关生物分子的有用信息，如基因序列、蛋白质功能等。
生物芯片技术有多种分类，常见的包括基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯片。
基因芯片主要用于基因表达谱分析、基因突变和基因组测序等方面；蛋白质芯片则主要用于蛋白质表达谱分析、免疫应答检测和药物筛选等；细胞芯片则用于研究细胞生长、分化、迁移和凋亡等生物学过程。
生物芯片技术的应用范围非常广泛。
在基础研究领域，它可以用于基因组学和蛋白质组学研究，帮助科学家们发现新的生物标记物和治疗靶点。
在临床诊断领域，它可以用于疾病诊断和治疗监测，提高诊断准确性和效率。
在药物筛选领域，它可以用于高通量药物筛选和毒性测试，加速药物研发进程。
生物芯片技术介绍
数据分析
芯片样品制备
一般以一张芯片需要3ug mRNA的量来计算 因个体差异、匀浆、研磨损耗等原因，送检样
品应多1-2倍
注意：样品保存时应保证避免RNA酶的分解作
用
基因芯片的应用
1 基因表达分析：
分析基因表达时空特征 检测基因差异表达 发现新基因 大规模测序
2 基因型、基因突变和多态性分析
合于大量不同靶DNA的分析，
模式二：将大量探针分子固定于支持物上，
适合对同一靶DNA进行不同探针序列的分 析。
基因芯片原理
将大量探针分子固定于支持物(substrate)上，
然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号 的强弱进而判断样品中靶分子的数量。
基因芯片流程
样品号检测
6 其它应用
环境化学毒物的筛选 体质医学的研究
蛋白质与抗体芯片
蛋白质与抗体芯片
原理：
芯片上固定的分子是蛋白质如抗原或抗体等；
蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用
应用：
蛋白质的结构功能研究；医学诊断和医疗； 新药开发；生物工业等
难点：
蛋白质的纯度；蛋白质的固定
发展趋势
降低所需费用 进一步提高自动化 扫描、数据分析等方面：软件开发
分析基因组中不同基因与性状或疾病的关系
3 疾病的诊断与治疗
遗传病相关基因的定位:产前筛查与诊断 肿瘤诊断 感染性疾病的诊断
4 药物研究中的应用
新药开发 发现药物的新功能 调查药物处理细胞后基因的表达情况 对药物进行毒性评价
5 基因芯片在中医学领域中的应用
药物筛选 中医“证”本质的研究 针灸原理研究
基因芯片：检测基因突变 基因表达谱芯片：检测基因表达水平
生物芯片技术的应用研究
生物芯片技术的应用研究生物芯片技术是一种新型的、高效的分子生物学研究方法，该技术可以在微小芯片上固定多种生物分子，如DNA、RNA、蛋白质等，并利用微细流控等技术分析这些分子的互作关系、生物活动状态等信息。
生物芯片技术的应用涵盖了分子生物学、基因工程、药物研发、环境工程等多个领域。
生物芯片的构成生物芯片由四部分构成，包括芯片表面、分子探针、信号转换器及检测系统。
其中，芯片表面是生物芯片的基础，通常由玻璃、金属等材料制成。
分子探针是生物芯片上固定的一些生物分子，可以是人工合成的DNA、RNA或蛋白质，也可以是天然的生物分子。
信号转换器是将芯片上的信号转换为电信号或光信号，用来记录样品在芯片上的特征数据。
检测系统包括了读取芯片数据的仪器和软件。
基因检测生物芯片技术已经被广泛应用于基因检测领域。
通过将不同的基因探针固定于芯片上，可以实现大规模基因型分析。
该技术可用于快速、准确地检测单核苷酸多态性、全基因组关联分析和DNA甲基化等，可以在基因诊断、新药筛选和药物配伍等领域得到广泛应用。
例如，在肺癌早期诊断方面，利用生物芯片技术可以针对不同基因和蛋白质进行高通量筛选，从而实现对肺癌的早期诊断。
癌症诊断生物芯片技术还可用于癌症的诊断研究，可针对癌症的发病机制，对抗癌药物的筛选、矫治目标和生物标志物等方面进行深入研究。
例如，利用生物芯片技术对不同肿瘤类型的基因表达和蛋白质水平进行高通量分析，可以为癌症早期诊断、治疗策略和生物标志物筛选提供有效的分子基础。
药物筛选生物芯片技术可用于筛选新型药物。
结合基因芯片或蛋白芯片技术，可以高通量地评估药物分子在细胞水平的作用机制和治疗效果。
该技术不仅缩短了药物筛选周期，还可以预测药物的副作用等重要信息，从而提高生物实验效率和药物研发的成功率。
食品安全检测生物芯片技术还可用于食品安全检测。
该技术可以检测常见的食品中毒源，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等。
通过将这些致病菌的DNA与芯片上的特定序列探针杂交，可以快速准确地检测食品中的致病菌污染情况。
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一、基因芯片与基因表达 二、基因表达谱统计与分类分析 三、Ontology与基因功能注释 四、基于芯片数据的pathway分析
一、基因芯片与基因表达
什么是生物芯片？
一块指甲大小（1cm3 ）的有多聚赖氨酸包被的硅片或其 它固体支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维 素膜、尼龙膜等 ）。 生物芯片通过微加工和微流体系 统将生化分析中的样品制备、生 化反应、及结果检测有机地结合 集成在一起 。 具有高速度、分析自动化、及高 度并行处理能力 。
Subcellular components where a gene-product is found. Encompasses subcellular structures, locations, and macromolecular complexes
GO example
(Browser at /cgi-bin/go.cgi)
cDNA microarray
microRNA Chip
Biological question
Experimental design Microarray experiment
Image analysis
Normalization
Estimation
Testing
Clustering
Discrimination
13,601 Genes
Signal Transduction Ligand Binding or Carrier Motor Protein
GO Analysis—目标基因群显著性、靶向性基因功能分析。 Go Analysis对目标基因（差异基因等）进行GO分类，而后 对GO进行基于离散分布的显著性分析、误判率分析、富集度 分析，得出与实验目的有显著联系的、低误判率的、靶向性 的基因功能分类，该分类即导致样本性状差异的最重要的功 能差别，其所属基因是进一步验证的重要目标基因。 数据要求：标有上调和下调比值的差异基因列表。
Biological verification and interpretation
二、基因表达谱统计与聚类分析
在所有基因芯片中，基因表达谱芯片应用最为广 泛，技术上也最成熟。这种芯片可以检测整个基因组 范围的众多基因在mRNA表达水平的变化，例如来源于 不同个体、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶 段、不同分化阶段、不同生理病理、不同刺激条件下 的组织细胞内基因表达情况。从而对基因群在个体特 异性、组织特异性、发育特异性、分化特异性、疾病 特异性、刺激特异性的变化特征和规律进行描述。
Sciபைடு நூலகம்nce 297, 2270 (2002);
三、 Ontology与基因功能注释
什么是GO? GO（gene ontology），生物信息领域中一个极为重要的方法和 工具，通过建立一套具有动态形式的控制字集（controlled vocabulary），来解释真核基因及蛋白在细胞内所扮演的角色，并随 着生命科学研究的进步，不断积累和更新。一个ontology会被一个控 制字集来描述并给予一定的名称，通过制定“本体”ontologies并运用 统计学方法及自然语言处理技术，可以实现知识管理的专家系统控 制。 它的存在大大加快了我们对所拥有的生物数据的整合和利用。可 以说， GO是生物学的统一化工具。
GenePattern
至今聚类分析成功 地解读了大量生物信息 学数据，成为了目前基 因芯片数据分析中使用 最广泛、有效的一类方 法，但它主要基于统计 学的理论而很少利用到 生物领域的知识，这既 使得聚类结果因缺乏领 域内知识的约束而可能 出现不合理性，同时又 失去了利用领域内知识 优化算法的好处。
Molecular Function Ontology:
Fundamental biochemical tasks performed by individual gene products without regard to biological context
Biological Process Ontology
生物芯片的发展
80年代，俄罗斯国家科学院恩格尔分子生物学研究所和美 国阿贡国家实验室开始探索生物芯片技术 1989年，在美国AFFYMETRIX公司诞生了世界上第一块原位 合成基因芯片 1992年，斯坦福大学P.B.Brown实验室发布了世界第一个 微阵列技术 1996年，AFFYMETRIX公司登陆纳斯达克 2004年，全球有超过2000家公司和实验室从事生物芯片相 关研究和产业
Overview of data
聚类分析
芯片数据的聚类包括发掘(diseovery)和归类(classification)。 所谓发掘，就是发现一些未知细胞状态或者疾病的亚型以及 一些能识别这些样本状态的基因，或者说是发现一类功能相 似的基因或者一类有共同调控机制的基因。也称无监督 (unsupervised)的聚类，也常称之为“聚类(cluster)”。 另一种就是基于已有知识，通过训练分类器来辨识与已知细 胞状态或疾病亚型相类似的样本或是与已知共调控基因表达 类型相似的基因，这在芯片分析中常称为有监督(supervised) 的聚类，也常称之为“分类 (classification)”
数 据 数据可视化
图像处理
基因表达谱芯片数据流图
Biology
Bioinformatics
Computer Science
Statistics
核心问题
具有相似表达模式的基因可能具有共同的特征，如共同的调节 元件，共有的生物功能，或者共同的细胞起源等等。 芯片数据分析的核心问题是如何鉴定基因的共同表达模式，并 把基因按共同表达模式分成不同的种类以提供对其生物功 能，基因调控途径和调控网络等方面的深入了解。
Drosophila基因的GO分析 Functional Assignment using Gene Ontology
Nucleic Acid Binding 8% Hypothetical 11% Enzyme 18% Signal Transduction 4% Transporter 4% Structural Protein 2% Unknown 48% Ligand Binding or Carrier 2% Motor Protein 1% Nucleic Acid Binding Transporter Cell Adhesion Unknown Enzyme Structural Protein Chaperone Hypothetical Chaperone 1% Cell Adhesion 1%
聚类分析
以基因作为输入样本，根据实验条件作为特征进行分 类，或者以实验条件作为样本，根据基因作为特征进行 分类。最终将具有相同表达模式的的基因归为一类，这 些基因具有相似的生物功能、相似的细胞起源或者相似 的调节作用。这样可以补充和推导未知基因的功能注 释，了解基因之间的调控关系，进一步了解基因功能。 同时基因表达数据的聚类分析可以判别细胞所处状态或 组织类型，对临床医学的诊断治疗都具有实际意义。
目前运用在芯片数据分析中应用最多的是 层级聚类方法(hierarchical clustering)， 这种聚类方法得到类似于进化分析的系统树 图，具有相似表此临近，它们可能具有相似 的功能。其主要思想是先将n个样本类间的距 离，再将相似性最高的两类合并为一个新， 得n一1类系矩阵，不断重复这个过程直至所 有的基因融合成为一个大类。
基因芯片技术的应用领域
临床疾病的 基因诊断 基因组研究 后基因组计划
药物研究开发
基因芯片
生物信息学
法医学鉴定
生物试剂检测
动植物检疫
Total microarray articles indexed in Medline
600 500
Number of papers
400 300 200 100 0
1995
1996
1997
1998
1999
2000 2001 (projected)
Year
自Schena于1995年在Science上发表第一篇利用芯片 技术研究基因表达谱的论文以来，利用细菌、酵母、 爪蟾、线虫、果蝇、海胆、小鼠等作为研究对象，仅 从全基因组角度出发，利用生物芯片技术阐明这些生 物生长发育过程中的mRNA（转录谱）或蛋白质表达谱 （蛋白质谱）的研究，已发表研究论文约50篇，大部 分论文发表在Cell及其子刊、Science、Genome Research、PNAS、Development等国际顶尖或相关顶 级专业杂志。
Cell 125, 173–186, 2006
GO分析的不足之处
Genes of the same function may be annotated with terms from different hierarchic debths. Most databases provide GO-annotation for genes, not gene-products. Many genes encode different gene-products with different attributes. GO has to be updated and edited manually quite often. Individual curators evaluate data differently. Automatic annotation is often insecure. Many aspects of biology are not included in GO (domain structure, 3Dstructure, evolution, expression, etc.).
Global biological objectives of gene-products accomplished by ordered assemblies of molecular functions Function in general biological context