生物芯片在人类疾病诊断与治疗中的应用

生物芯片在人类疾病诊断与治疗中的应用

1、生物芯片的概念

生物芯片(bioehip)技术是生命科学与微电子等学科相互交叉发展起来的一门高新技术。是随着人类基因组计划(humsngenomic project，HGP)的研究发展应运而生的。20世纪90年代初，美国斯坦福大学的学者提出芯片的概念并进行序列的研究。到1996年底，第l块生物芯片问世。生物芯片主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统．以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息展的检测。生物芯片技术的发展迅速。并且在基闪表达、基因突变及多态性分析、疾病诊断、药物筛选、序列分析等领域已显示出霞要的理论和实际应用价值。生物芯片技术作为电子学和生命科学结合产生的高科技杰作，虽然诞生仅仅几年的时间，却引起人们的广泛关注，它将给传统医学带来一场新的革命。从最早开始研究至今。生物芯片已广泛应用于基冈表达的筛选、特异性抗原抗体的检测、蛋白质相互作用的研究、新药的研制开发、疾病研究等多个领域。尤其在临床医学方面．对某些疾病特别是肿瘤及遗传性疾病的相关蛋白识别上取得r一系列突破性进展。常用的生物芯片分为3类。即基闪芯片、蛋白质芯片和组织芯片。本文主要就其在人类疾病诊断与治疗中的应用作一简要综述。

2、临床诊断

2.1遗传疾病的诊断

随着人类基因组计划的完成!许多遗传性疾病的相关基因已被定位!为从基因水平上认识遗传疾病并进行早期诊断奠定了基础!如血友病"地中海贫血"肥胖病"苯丙酮酸症"杜氏肌营养不良症"精神性疾病"帕金森氏病等致病基因已经定位因此可将对应于突变热点区的寡核苷酸探针合成或点加于DNA芯片上,通过1次杂交完成待检样品多种突变可能性的筛查实现对多种遗传病的高效快速诊断

2.2肿瘤疾病诊断

基因芯片在肿瘤诊断中具有广阔的应用前景，通过癌基因突变的检测可提前确定具有发生肿瘤风险的个体.通过基因表达分析可为肿瘤致病基因的发现提供线索。

Sturniolo等应用计算机运算法则和DNA芯片技术.尝试了使用DNA芯片确定潜在癌抗原的可能性.研究者采用以计算法则为基础的矩阵来预测人类白细胞抗原(HLA)Ⅱ类配体,并用于人

结肠癌的差异表达基因分析,最终识别出一组结肠癌独特的和具有潜在免疫原性的肽.

2.3传染性疾病诊断

目前,许多细菌"病毒等病原体的基因组测序已经完成!将许多代表各种微生物的特殊基因制成1张芯片,经反转录就可检测标本中有无病原体基因的表达及表达水平,由此判断病人感染病原"感染进程以及宿主反应文献报道了生物芯片检测基因表达差异,较小的细菌基因组可被制成包含该微生物的所有已知序列芯片,用以确定被感染个体内所有改变的基因,快速确定毒力基因.利用相同的方法还可在急性感染期和潜伏期研究病毒基因表达.

3、生物芯片技术的应用

生物芯片在疾病诊断方面有独特的优势，特别是对感染性疾病、遗传性疾病和恶性肿瘤等的临床诊断。生物芯片技术具有的高通量、大规模、平行性等特点可以用于新药的筛选。在肿瘤研究方面，应用生物芯片可以进行肿瘤诊断、寻找肿瘤相关基因、研究肿瘤基因突变、进行抗肿瘤药物的筛选等。同时生物芯片还在疫苗研制、遗传药理学、毒理学和病毒感染的快速诊断、病毒耐药性突变检测、中药安全性的检测、中药材品质的检测、药物基因组学、耐药性分析、个体药物研究等领域也有许多成功应用。

4、问题及展望

近年来生物芯片的进展迅速，并且也展示了其独特的优越性，但仍面临一些问题有待解决。目前面临的主要问题：(1)技术成本高，需一系列昂贵的尖端仪器，如光刻机器和寡核苷酸合成仪，激光共聚焦显微镜等设备；(2)现在通常采用荧光标记待测物技术检测信号，而荧光检测信噪比较低，检测灵敏度有限；(3)由于在固相E杂交，探针的合成与固定比较复杂，特别对于制作高密度的探针阵列，并且在同一个芯片上存在多种探针，一种探针杂交最适条件未必适于另一种探针，复杂的探针易自身形成二、三级结构，从而影响杂交，出现错误的阴性信号。基因芯片在医学上的应用前景无疑是非常广阔的，但要成为实验室或临床可以普遍采用的技术仍有一峰关键问题需要解决：(1)现阶段芯片检测的灵敏度决定了需要首先扩增模板，一般采用PCR方法，不可避免地会受到PCR所具有的局限性的影响；(2)目前采用的荧光标记方法存在检出灵敏度低的问题；(3)芯片杂交的条件高度个体化，难以形成比较统一、规范的杂交环境，给应用带来障碍。虽然蛋白质芯片已经在生命科学研究领域取得了一系列令人可喜的成果，但相对于基因芯片的进展速度，它的研究进展显得相对滞后，主要有以下问题暖待解决：用于点制芯片表面蛋白质的制备和纯化问题；固相载体材料表面的修饰方法；试验的标准化、数据报告的规范化；大量数据的处理、分析软件的开发；高度集成

化样品制备及检测仪器的研制和开发。组织芯片的发展也还存在着一些急需解决的问题：(1)与组织芯片应用相配套的读片系统、信息处理系统还不够完善，现在基本上还是人工处理，但是由于组织芯片小，样本数量多，人工观察和分析的难度较大，且分析所得结果也存在一定的个体差异；(2)组织芯片的制备、染色和检测方法还有待探索，如样本的大小、组织的准确定位、假阳性的剔除等。随着国内外学者的共同努力，生物芯片技术的一些缺陷将得到改善，并且其商业化、产业化速度也将大大加快，生物芯片在其他领域的潜力也会被更好地发掘出来，为今后的研究工作带来极大方便，总之，生物芯片将对人类生活产生极其广泛、深远的影响。

5、小结

在短短的几年里．生物芯片技术已在生物学、医学、农业、环保和食品科学等领域取得了丰硕的成果。目前。生物芯片所涉及的生物、医学、化学、物理、微电子等领域都有了长足发展，在今后的一段时间里，生物芯片的研究将主要围绕提高芯片的特异性、简化性、准确性以及生物芯片的集成化、微型化、便携化等方面进行。在我国，生物芯片技术研究也紧跟国际前沿，并为我国生命科学研究、医学诊断、新药筛选以及人口素质、农业发展、环境保护等方面做出巨大的贡献。