基因芯片技术与临床应用

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二.基因芯片的定义
又称DNA芯片，是指将许多特定的寡核苷酸片段或基
因片段作为探针，有规律地排列固定于支持物上，然后
与待测的标记样品的基因按碱基配对原理进行杂交，再
通过激光共聚焦荧光检测系统等对芯片进行扫描，并配
以计算机系统对每一探针上的荧光信号作出比较和检测，
从而迅速得出所要的信息。
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三.基因芯片相关技术及其进展
基因芯片视分类方法不同可分为不同类型
片基或支持物
无机芯片 有机合成物芯片
探针阵列形式
原位合成
光引导聚合法 喷墨打印合成法（压电打印法）
合成点样
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基因芯片的主要类型及其简要特点
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2.基因芯片的制备
基因芯片的实质是高度集成的寡核苷酸 阵列
制造基因芯片首先要解决的技术问题就 是如何在芯片片基上定位合成高密度的 核酸探针
Picture From BROWN LAB http://cmgm.stanford.edu/pbrown/
原位喷印合成
芯片原位喷印合成原理与喷墨打印类似， 不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的 是四种碱基等液体而不是碳粉。
采用的化学原理与传统 的DNA固相合成一致，因 此不需要特殊制备的化学 试剂。
4. 更换掩膜M2，重复1-2，直到所需要的探针阵列合 成完毕（4-6）。
使用多种掩盖物能以更少的合成步骤生产出 高密度的阵列，在合成循环中探针数目呈指 数增长。
某一含ｎ个核苷酸的寡聚核苷酸，通过4×n 个化学步骤能合成出4n个可能结构。
例如：一个完整的十核苷酸通 过32个化学步骤，8个小时可能 合成65,536（即216）个探针。
基因芯片技术正是在这样的背景下应运 而生。
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早在80年代初期，有人就曾设想利用 计算机半导体技术生产基因芯片以对 人类基因大量的遗传信息进行分析和 检查。
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但直到1994 年Pease等人创造的光导原位合成高 密、微化的寡核苷酸阵列(ODTA)的制作技术问 世之后，才使该设想逐步成为现实。
因此可以说光导ODTA 化学合成法，为基因芯 片技术奠定了基础。
高密度——分辨率高 准确性——合成产率高 一致性——工艺最优化 批量化——平面印刷法
合成点样
合成点样技术在基因芯片尚处于实验 研究阶段时是唯一的芯片制造手段， 曾一度被原位合成技术的光芒所掩盖。
随着原位合成技术缺点的暴露和自动 化技术的进步，合成点样技术又重现 生机。
是将合成好的探针、cDNA或基因组 DNA通过特定的高速点样机器人直 接点在芯片上。
基因芯片技术及临床应用
府伟灵 西南医院检验科
一.概述
随着人类基因组测序计划的逐步实施以及分 子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的 动植物、微生物基因组序列得到测定。
在GenBank数据库中已含有300万个序列，总 数超过22亿个碱基对，其中包括19种不同生 物体的完整序列、近9 000个已知功能或已推 测功能的人类基因序列。
基因序列数据库正在以前所未有的速度迅速 增长。
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然而如何充分利用新序列信息资源，怎样 去研究如此众多基因的生物信息及其在生 命过程中所担负的功能，成为生命科学工 作者的共同课题。
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已建立的诸如Northern印迹、RNA酶保 护实验、S1核酸酶分析、噬斑杂交以及 狭线印迹等方法不能提供足够通量来有 效地利用新的基因组学的资源。为此， 必须发展高通量或平行监测基因表达的 新方法。
图片来自益来基因网: http://www.el-gene.com/
256*256分子印章阵列显微图 （0.18%) 高密度芯片DNA阵列显微图（0.16%）
高密度芯片DNA阵列荧光杂交图（0.09%）
分子印章多次压印合成法点样机
图片来自益来基因网: http://www.el-gene.com/
步骤来自百度文库
1. 把玻璃基片上的活性羟基修饰上光保 护基团，此光保护基团可被一定波长 的光激活并脱保护。
2. 根据所要制作的阵列的需要设计光刻 掩膜。将掩膜（M1）覆盖在修饰过的 基片上，用光照射使曝光区域的基片 表面脱除保护基团而形成活性羟基（12）。
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3. 引入5`端被X基团保护、3`端被活化的单核苷酸 dNTP，使dNTP的3`端与基片上的活性羟基缩合， 洗去未有效结合的dNTP（3）。
优势与特点
采用了平面微细加工技术，可实现大批量 生产。通过提高集成度，降低单个芯片的 成本
可组装大量的（104--106种）生物分子探 针，获取信息量大，效率高，特别适合于 基因信息的采集。
结合微机械技术（MEMS），可把生物样 品的预处理，基因物质的提取，扩增，以 及杂交后的信息检测相集成，制备成微物 芯片。
基因芯片制备技术 靶基因的制备 杂交和检测
提出问题
芯片设计
基因芯片设计
杂交图像分析
……
芯片制作
原位合成 合成点样
表达差异分析 多态性分析 再测序
生物信息学 数学优化 数据库 标准化
试样处理
PCR扩增 靶基因标记
芯片杂交
实际应用
数据分析
杂交检测
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1.基因芯片的主要类型
现在全世界已有十多家公司从事基因芯片 研究和开发工作，而且已有较为成型的产 品和设备问世。这些公司主要以美国的 Affymetrix公司为代表。
美国“Fortune”杂志在1997年3月对基因芯片技 术未来产业化的前景进行了重点介绍。
图片来自益来基因网: http://www.el-gene.com/
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基因芯片制备的两种基本方法
原位合成
• 直接在芯片上用四种核苷酸合成所需的探针
合成点样
• 将已经合成好的探针定位在芯片上
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原位光刻合成
由美国Affymetrix公司开发
Picture from UKBF: http://www.ukbf.fu-berlin.de/ Affymetrix Website: http://www.affymetrix.com/
Picture from BioDot: http://www.biodot.com
分子印章多次压印合成法
1.根据所需微阵列，设计有凹 凸的微印章，然后根据预先设 计在制备的各级印章上涂上对 应的单核苷酸。
2.按照设计的顺序将不同的微 印章逐个依次压印在同一基 片上，得到256×256阵列的 高密度基因芯片。