蛋白质芯片技术的研究及前景

蛋白质芯片技术的研究及前景
董江庆1　陈中芹2　许小华2
(1.江苏盐城技术监督局江苏盐城224001;2.江苏盐城技师学院江苏盐城224002)
摘要:蛋白质芯片技术是近年发展起来的一项生物检测技术,这项技术是将蛋白质的分析
微缩到小型芯片上进行,利用荧光或酶显色进行探测,最后用特定的计算机软件加以分
析。该技术在对基因表达、抗原抗体检测、药物开发、疾病诊断等研究方面显示出快速、高
效、高通量处理信息的能力。本文简要综述了该技术的基本原理及在基础研究和疾病诊
断中的初步应用和发展前景。
关键词:生物芯片 蛋白质芯片 检测技术
前言
蛋白质芯片(protein chip)技术是继基因芯片后发
展起来的生物检测技术,是蛋白质组学研究中除了酵
母双杂交、双向电泳技术、质谱技术等之外的一种重要
的工具[1]。利用这项技术可同时对多种蛋白质进行检
测分析,使用常规方法需上千次才能完成的分析在蛋
白质芯片上仅需一次就可以完成,并且检测到的平行
数据误差更小,更准确,这对于高通量基因表达的研究
具有非常重要的意义。它的出现对于生物学、临床检
验医学、遗传学、肿瘤学、药理学和毒理学等多学科的
进步具有极大的推动作用,将从根本上改变生物医学
实验和诊断的现状。
1.蛋白质芯片的原理
蛋白质芯片是将已知蛋白点印在固定于不同种类
支持介质上,制成由高密度的蛋白质或多肽分子的微
阵列组成蛋白微阵列,其中每个分子的位置及序列为
已知,并将待测蛋白质与该芯片进行孵育反应,再将荧
光标记的蛋白质与芯片蛋白质复合物反应,当荧光标
记的靶分子与芯片上的分子结合后,可通过激光扫描
系统(laser scanner basessystem)或电荷偶联照像系统
(CCD,charge coupleddevicecamera)对荧光信号的强度进
行检测,进一步对杂交结果进行量化分析,检测蛋白质
的存在情况。
生物芯片技术的核心是生物芯片的制备及反应信
号的检测[2]。蛋白质芯片的制作原理有多种,片基也
可采用尼龙膜、聚丙烯酰胺凝胶、玻片、硅片和金片等。
基因芯片的制备方法,如光引导聚合法、合成点样等,
也可应用于蛋白(肽)芯片的制备。
2　蛋白质芯片的使用
2.1　被测物质的准备
蛋白质芯片的检测对象包括蛋白质、酶的底物或
其他小分子,现以蛋白质为例进行介绍。首先将被测
蛋白质进行标记,标记物既可以是荧光剂,如Cy3、Cy5、
Bodipy-FL,又可以是酶,如辣根过氧化物酶、碱性磷酸
酶、β-D-葡萄糖醛酸酶等。也可根据实验需要,在被
测蛋白质与芯片反应后进行特异性标记,如在免疫反
应中,利用酶标二

抗间接标记。
2.2　反应过程
先将蛋白
质芯片与被测样品溶液在适宜温度下孵
育一定时间,然后用PBST洗去未反应的分子。再根据
标记物的不同或直接检测(如荧光标记)或显色后检测
(如酶标记)。
3　芯片的检测分析
3.1　信号的检测　对于荧光标记的芯片,用激光共聚
焦显微镜进行扫描,然后通过计算机分析出每个点的
平均荧光密度;对于酶标记的芯片,显色后用CCD照相
机进行拍摄,将信号通过计算机处理得到每个点的灰
度。
3.2　结果的分析　在每个芯片的制作过程中应设计
有阴阳性对照反应,或已在多次实验中找到一个判断
阴阳性结果的界值,作为判断结果的根据。将每个点
的荧光密度或灰度除去背景干扰后与相对界值进行比
较,根据信号的有无、多少进行定性或定量分析。当
然,在结果分析过程中需要对大量数据进行复杂处理,
这些都需要通过特定的计算机软件来完成。
4　蛋白质芯片的应用
蛋白质芯片技术的研究对象是蛋白质,而在机体
内执行着大量生物功能的正是蛋白质,所以蛋白质芯
片有其独特的优点和应用前景。
4.1　用于基因表达的筛选　AngelikaL.等人从人胎儿
脑的cDNA文库中选出92个克隆的粗提物制成蛋白质
芯片,用特异性的抗体对其进行检测,结果的准确率在
87%以上,而用传统的原位滤膜技术准确率只达到
63%。与原位滤膜相比,用蛋白质芯片技术在同样面
积上可容纳更多的克隆,灵敏度可达到pg级,这大大减
少了实验的次数,提高了实验的灵敏度。
4.2　用于特异性抗原抗体的检测　在CavinM.等人的
实验中,蛋白质芯片上的抗原抗体反应体现出很好的
特异性,在一块蛋白质芯片上10800个点中,根据抗原
抗体的特异性结合检测到唯一的1个阳性位点。Cav-
50江　西　化　工2008年第2期　inM.指出,这种特异性的抗原抗体反应一旦确立,就可
以利用这项技术来度量整个细胞或组织中的蛋白质的
丰富程度和修饰程度。其次利用蛋白质芯片技术,根
据与某一蛋白质的多种组分亲和的特征,可以筛选某
一抗原的未知抗体,从而将常规的免疫分析微缩到芯
片上进行,使免疫检测更加方便快捷[3]。
4.3　用于蛋白质的筛选及功能研究　常规筛选蛋白
质主要是在基因水平上进行,基因水平的筛选虽已被
运用到任意的DNA文库,但这种文库多以噬菌体为载
体,通过噬菌斑转印技术(plaqueliftprocedure)在一张膜
上表达蛋白质。这种方法是有效的,但由于许多蛋白
质不是全长基因编码,而且真核基因在细菌中往往不
能产生正确折叠的蛋白质,况且噬菌斑转移不能缩小
到毫米范围进行,所以这种方法往往具有很大

的局限
性,而蛋白质芯片恰好弥补了这些不足。酶作为一种
特殊的蛋白质,可以用
蛋白质芯片来研究酶的底物、激
活剂、抑制剂等[4]。Zhu等已用蛋白质芯片对酵母蛋白
酶的生物活性进行了分析。另外还可以根据同源蛋白
质上的特异残基,用蛋白质芯片区分同源蛋白质[5]。
4.4　用于新药的研制开发　在许多新药的开发过程
中,往往到了临床检验阶段才发现其具有很大的副作
用而无法成为新药,这对前期的研究工作造成很大浪
费。利用蛋白质芯片在药物研制初期就可检验该药物
是否只与某一蛋白质结合而不与其它蛋白质结合,从
而确定该药是否有副作用。这便于及早发现问题,有
利于开发无副作用的新药。
4.5　用于疾病研究　用蛋白质芯片可以绘制正常人
和疾病患者体内的蛋白质图谱,通过对两者的比较找
到在疾病中特异表达的蛋白质,然后将这些疾病中特
异表达的蛋白质制成芯片,为肿瘤和其它传染性疾病
等的诊断提供一种方法。肿瘤诊断的一般管理及程序
如下:首先从正常及肿瘤组织中分离提取蛋白质,从抗
体库中挑选有潜在诊断意义上的抗体,点布在片基上
制备抗体芯片,高滴度的抗体库是这一研究的关键,来
源于正常及肿瘤组织的蛋白质分别与抗体芯片反应,
实验结果通过计算机进行分析[6]。
Englert将抗体点布在片基上,用它检测正常组织
和肿瘤之间蛋白质表达的差异,发现有些蛋白质的表
达,如前列腺组织特异抗原、明胶酶A蛋白在肿瘤的发
生发展中起着重要作用,这为肿瘤的诊断和治疗带来
了新途径。该方法的另一优点,可以对样品进行高通
量筛选,对于肿瘤的普查有利。蛋白质芯片还可以给
不同种引起疾病的蛋白质在组织中定位,找到疾病发
生的根源,为疾病的治疗提供进一步的线索,这一点在
AngelikaL.等人的实验中已得到证明。
4.6　生化反应中酶的检测
参与人生理代谢的酶很多,某些酶活性的改变是
疾病诊断中不可缺少的指标。对酶活性的测定一直是
临床生化检验中重要组成部分。虽然到目前为止还未
有直接相关的报道,但由于酶活性检测方法在原理上
是相同的,其它类似的研究无疑是启发人们对加强这
方面应用的重视。蛋白激酶A是对ATP上磷酸基团转
移起重要作用的酶。Cohen用常规的光蚀刻技术制备
芯片,酶及底物加到芯片上的小室,在电渗作用中使酶
及底物经通道接触,发生酶促反应。通过电泳分离,可
得到荧光标记的多肽底物及产物的变化,以此来定量
酶促反应结果[7]。在此基础上,又加入特异的抑制物
进一步研究了对酶促反应的抑制作用。动力学常数
Km的测

定表明用该方法研究酶活性是可行的,而且荧
光物质在该反应中是稳定的。不久Arenkov进行了类
似的实验,他制备的蛋白质
芯片的一大优点,可以反复
使用多次,大大降低了实验成本。
5　前景
5.1　各国加强对生物芯片研究
美、英、德、加、俄、意、日等国政府以及台湾和香港
区的重要学术和工业机构已在近几年投入了近二十亿
美元的资金以及大量的人力开展这方面的基础研究和
应用开发,并形成了一批相关产业。目前美国已有7
家生物芯片公司的产品开始投放市场。许多研究机构
与一些有实力的大公司相结合,著名的跨国公司加入,
大大加快了生物芯片研究和产业化的进程。国际大型
制药公司也都投入巨资,利用生物芯片开展新药的超
高通量筛选和对药理遗传学、药理基因组学等进行研
究。
5.2　微型化
微芯片实验室是生物芯片研究领域的一个热点,
它是将传统的样品制备、反应、检测的三个步骤集成一
体,缩小构成建立在芯片上的检测系统。目前国外已
成功地将样品分离、杂交检测这几个离散步骤在一个
或几个芯片构成的密闭系统中一气完成,美国纳米基
因公司已经完成了样机的研制。这一技术的实现,将
永远改变化学分析实验室的现状。将来的某一天,临
床实验室所有基于抗原、抗体及蛋白质相互作用原理
进行的实验有可能集中在一块蛋白质芯片上完成。此
外,利用芯片毛细管电泳建立芯片实验室也取得了长
足的进步。毛细管电泳芯片实验室系统首期产品已于
今年投放市场。但在样品富集、高重复进样、阵列毛细
管的检测,以及毛细管道长、电压高等关键性问题仍亟
待解决[8]。
参考文献
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[8]鲁劲松,孙启玉,谢宜学.蛋白质芯片技术的研究进
展[J].中国科学基金,2005,5:277-281.
The research prospects of Protein chip technology
Dong Jiangqing　Chen Zhongqin　Xu Xiaohua
(Engineering superv

ision bureau YanchengJiangsu224001YanchengTechnician institute YanchengJiangsu224002)
Abstract:Protein chip technology is a developed biological detection technology of in recent years,which is the analysis of pro
tein
miniature to small chips,use the fluorescence and the enzyme coloration to detect,and use the specific computer software to analyze
finally.The technology shows fast,efficient,high-throughput and the ability to handle information in gene expression,antibody de-
tection,drug discovery,disease diagnosis and other studies.In this article,a brief overview of the basic principles of the technology
and basic research and preliminary application and development prospects.This article summarized this technical basic principle
and the preliminary application and the prospects for development in the basic research and diagnosis of diseases.
Key words:Biochip protein chip detection technology research prospects
52江　西　化　工2008年第2期