生物晶元用什麼葯化解

⑵ 何謂"生物晶元"

生物晶元（Biochips）是90年代中期發展起來的一項尖端技術。它以玻片，硅為載體，在單位面積上高密度地排列大量的生物材料，從而達到一次試驗同時檢測多種疾病或分析多種生物樣品的目的。它有時也被稱為基因晶元、DNA晶元或微陣列（Microarrays）。其概念來源於計算機晶元，它們的外形也有幾分相似。生物晶元種類很多，有基因晶元、蛋白質晶元、晶元實驗室、細胞晶元、組織晶元等。目前，基因晶元和晶元實驗室作為生物晶元的代表，已經走出實驗室，開始產業化了。
生物晶元的本質是進行生物信號的平行分析，採用了微電子學的並行處理和高密度集成的概念，通過微加工工藝在厘米見方的晶元上集成有成千上萬個與生命相關的信息分子，可以對生命科學與醫學中的各種生物化學反應過程進行集成，從而實現對基因、配體、抗原等生物活性物質進行高效快捷的測試和分析。
20世紀80年代，傳統的生物實驗室中手工測定十幾個DNA片斷的序列需要至少一天時間。目前運用價格達數十萬美元的自動化DNA序列分析儀，可以在一天內測定近2000個DNA序列）。
基因晶元（Gene chip）是最早出現的一種生物晶元。
基因晶元是指將大量探針分子固定於支持物 (substrate) 上，然後與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號的強弱進而判斷樣品中分子的數量。基因晶元上固定著很多的核苷酸序列，它們作為探針與樣品中的目標基因雜交。探針的底部有一種熒光酶，只有當探針與目標基因發生雜交反應後才會發光。通過掃描儀將探針發出來的信號轉變成可能分析的圖像數據，在經過軟體分析處理，就可以知道樣品中被檢測的目標基因是什麼了。
生物晶元的應用正處在迅速發展中，並將在生活和生產的各個方面發揮越來越重要的作用。比如：晶元測序、基因圖譜繪制、基因表達分析、克隆選擇、基因突變檢測、遺傳病和腫瘤診斷、微生物菌種鑒定及治病機制、葯物研究、農林業、軍事醫學等。
不久的將來，傳統繁復的身體檢查可能將被基因晶元全面取代。在操作中，只要在人體上取一滴血，放到拇指甲大小的一塊晶元上，便可以由計算機迅速自動診斷出被檢者是否患有遺傳病，以及其他可能存在的遺傳缺陷，預測到你未來若干年的健康回收到哪些威脅，以便採取相應的對策加以預防。
晶元基因檢測的推廣將更有效的降低出生缺陷的發生率。利用這種晶元對育齡男女及3個月以上的胎兒進行檢測，能夠准確、快速地檢測出被測對象是否帶有乙肝病毒、丙肝病毒和艾滋病。
一分鍾取血樣，兩分鍾檢測，三分鍾出診斷結果！聽起來就像是神化一樣。然而有了生物晶元，這個神話就將變成現實，將來任何人隨時隨地都能自測健康狀況，這就是它的神奇之處。檢測時，只需把血液滴在晶元上，其中的疾病基因就會和晶元上對應的基因發生化學反應而結合，用特製的電腦掃描儀已進行掃描後，計算機很快就能識別發生反應的是哪一種疾病的基因，從而判斷被檢測者是患了哪種病。
從經濟效益來說，生物晶元最大的應用領域可能就是開發新葯。目前已經有多家制葯企業介入晶元的開發。由於存在個體差異，可以說沒有一種葯物可以適用於所有的病人。因此，根據每個人的特有的基因開發出專用葯物，即個性化葯物，將成為葯物治療學上的一次質的飛躍。這就要快速分析病人的多個基因已確定用葯的方案，基因晶元技術將是最佳選擇。
面對生物晶元的巨大產業，我國的科學家們也積極行動，研製開發出我國自主知識產權的生物晶元，在醫用生物晶元研究和工程技術的某些方面達到了國際先進水平。2000年10月，清華大學生物晶元研究開發中心程京教授在國際生物晶元技術大會上宣布，他們已經研製出世界上第一個1平方厘米大小的多力生物晶元平台系統。利用它可以在指甲大小的晶元上建立縮微實驗室，用於醫學基礎研究、疾病診斷、司法鑒定、食品衛生監督、航天、環保等領域的分析檢測。上述成果表明，雖然中國在生物晶元領域起步較晚，與美國、歐洲、日本相比在實際製作實物的能力方面，還有相當差距，但在某些想法和構思方面走到了國際前沿。
也許就在不久的將來，我們將會發現生物晶元就在你我身邊！

⑶ 什麼是生物晶元技術

生物晶元技術是通過縮微技術，根據分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學領域中不連續的分析過程集成於硅晶元或玻璃晶元表面的微型生物化學分析系統，以實現對細胞、蛋白質、基因及其它生物組分的准確、快速、大信息量的檢測。按照晶元上固化的生物材料的不同，可以將生物晶元劃分為基因晶元、蛋白質晶元、多糖晶元和神經元晶元。
生物晶元是指採用光導原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化於支持物的表面，組成密集二維分子排列，然後與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器對雜交信號的強度進行快速、並行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量。由於常用矽片作為固相支持物，且在制備過程模擬計算機晶元的制備技術，所以稱之為生物晶元技術。

⑷ 生物晶元

生物晶元技術是上世紀90年代發展起來的生物學前沿技術，其具有高通量、高效率的特點。該技術在醫葯衛生、農業、環境保護、司法鑒定等領域有廣闊的發展前景。狹義的生物晶元是指包埋在固相載體(如矽片、玻璃和塑料等)上的高密度DNA、蛋白質、細胞等微陣列晶元，如cDNA微陣列、寡核苷酸微陣列和蛋白質微陣列等，這些微陣列由生物活性物質以點陣的形式有序地固定在固相載體上形成。廣義的生物晶元是指任何能對生物分子進行快速並行處理和分析的微型固體薄型器件。目前生物晶元已有DNA晶元、蛋白質晶元和晶元實驗室三大類

⑸ 生物晶元的定義\原理\作用\應用領域

生物晶元技術是隨著"人類基因組計劃"（human genome project, HGP）的進展而發展起來的，它是90年代中期以來影響最深遠的重大科技進展之一，它融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，具有重大的基礎研究價值，又具有明顯的產業化前景。生物晶元技術包括基因晶元、蛋白質晶元、細胞晶元、組織晶元、以及元件型微陣列晶元、通道型微陣列晶元、生物感測晶元等新型生物晶元（1）。本文主要討論基因晶元技術，它為"後基因組計劃"時期基因功能的研究提供了強有力的工具，將會使基因診斷、葯物篩選、給葯個性化等方面取得重大突破，該技術被評為1998年度世界十大科技進展之一。

1 基本概念

基因晶元（gene chip）也叫DNA晶元、DNA微陣列（DNA microarray）、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array），是指採用原位合成（in situ synthesis）或顯微列印手段，將數以萬計的DNA探針固化於支持物表面上，產生二維DNA探針陣列，然後與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號來實現對生物樣品快速、並行、高效地檢測或醫學診斷，由於常用硅晶元作為固相支持物，且在制備過程運用了計算機晶元的制備技術，所以稱之為基因晶元技術。

2 技術基本過程

2．1 DNA方陣的構建

選擇矽片、玻璃片、瓷片或聚丙烯膜、尼龍膜等支持物，並作相應處理，然後採用光導化學合成和照相平板印刷技術可在矽片等表面合成寡核苷酸探針;（2）或者通過液相化學合成寡核苷酸鏈探針，或PCR技術擴增基因序列，再純化、定量分析，由陣列復制器（arraying and replicating device ARD），或陣列機（arrayer）及電腦控制的機器人，准確、快速地將不同探針樣品定量點樣於帶正電荷的尼龍膜或矽片等相應位置上，再由紫外線交聯固定後即得到DNA微陣列或晶元（3）。

2．2 樣品DNA或mRNA的准備。

從血液或活組織中獲取的DNA/mRNA樣品在標記成為探針以前必須進行擴增提高閱讀靈敏度。Mosaic Technologies公司發展了一種固相PCR系統，好於傳統PCR技術，他們在靶DNA上設計一對雙向引物，將其排列在丙烯醯胺薄膜上，這種方法無交叉污染且省去液相處理的繁鎖；Lynx Therapeutics公司提出另一個革新的方法，即大規模平行固相剋隆（massively parallel solid-phase cloning）這個方法可以對一個樣品中數以萬計的DNA片段同時進行克隆，且不必分離和單獨處理每個克隆，使樣品擴增更為有效快速（4）。

在PCR擴增過程中，必須同時進行樣品標記，標記方法有熒游標記法、生物素標記法、同位素標記法等。

2．3 分子雜交

樣品DNA與探針DNA互補雜交要根據探針的類型和長度以及晶元的應用來選擇、優化雜交條件。如用於基因表達監測，雜交的嚴格性較低、低溫、時間長、鹽濃度高；若用於突變檢測，則雜交條件相反（5）。晶元分子雜交的特點是探針固化，樣品熒游標記，一次可以對大量生物樣品進行檢測分析，雜交過程只要30min。美國Nangon公司採用控制電場的方式，使分子雜交速度縮到1min，甚至幾秒鍾（6）。德國癌症研究院的Jorg Hoheisel等認為以肽核酸（PNA）為探針效果更好。

2．4 雜交圖譜的檢測和分析

用激光激發晶元上的樣品發射熒光，嚴格配對的雜交分子，其熱力學穩定性較高，熒光強；不完全雜交的雙鍵分子熱力學穩定性低，熒光信號弱（不到前者的1/35~1/5）（2），不雜交的無熒光。不同位點信號被激光共焦顯微鏡，或落射熒光顯微鏡等檢測到，由計算機軟體處理分析，得到有關基因圖譜。目前，如質譜法、化學發光法、光導纖維法等更靈敏`、快速，有取代熒光法的趨勢。

3 應用

3．1 測序

基因晶元利用固定探針與樣品進行分子雜交產生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，准確率達99%（7）。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結果發現在外顯子11約3.4kb長度范圍內的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進化上的高度相似性（8）。

3．2 基因表達水平的檢測。

用基因晶元進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。Schena等採用擬南芥基因組內共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列，31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內這些基因的表達水平，用不同顏色的熒光素標記逆轉錄產物後分別與該微陣列雜交，經激光共聚焦顯微掃描，發現該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高500倍。（9）Schena等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養的T細胞對熱休克反應後不同基因表達的差異，發現有5個基因在處理後存在非常明顯的高表達，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結果還用熒光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實（10）。在HGP完成之後，用於檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組晶元為期不遠了（11）。

3．3 基因診斷

從正常人的基因組中分離出DNA與DNA晶元雜交就可以得出標准圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA晶元雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因晶元診斷技術以其快速、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等特點，將成為一項現代化診斷新技術。例如，Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在晶元上，製成P53基因晶元，將在癌症早期診斷中發揮作用。又如，Heller等構建了96個基因的cDNA微陣，用於檢測分析風濕性關節炎（RA）相關的基因，以探討DNA晶元在感染性疾病診斷方面的應用（12）。現在，肝炎病毒檢測診斷晶元、結核桿菌耐葯性檢測晶元、多種惡性腫瘤相關病毒基因晶元等一系列診斷晶元逐步開始進入市場。基因診斷是基因晶元中最具有商業化價值的應用。

3．4 葯物篩選

如何分離和鑒定葯的有效成份是目前中葯產業和傳統的西葯開發遇到的重大障礙，基因晶元技術是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規模地篩選、通用性強，能夠從基因水平解釋葯物的作用機理，即可以利用基因晶元分析用葯前後機體的不同組織、器官基因表達的差異。如果再用m RNA 構建c DNA表達文庫,然後用得到的肽庫製作肽晶元,則可以從眾多的葯物成分中篩選到起作用的部分物質。或者,利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復雜的空間結構，更有利與靶分子相結合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在晶元上，然後與靶蛋白孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA復合物，可以篩選特異的葯物蛋白或核酸，因此晶元技術和RNA庫的結合在葯物篩選中將得到廣泛應用。在尋找HIV葯物中，Jellis等用組合化學合成及DNA晶元技術篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，並從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。（13）生物晶元技術使得葯物篩選，靶基因鑒別和新葯測試的速度大大提高，成本大大降低。基因晶元葯物篩選技術工作目前剛剛起步，美國很多制葯公司已開始前期工作，即正在建立表達譜資料庫，從而為葯物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術具有很大的潛在應用價值。

3．5 給葯個性化

臨床上，同樣葯物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在葯物療效與副作用方面，病人的反應差異很大。這主要是由於病人遺傳學上存在差異，如葯物應答基因，導致對葯物產生不同的反應。例如細胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的葯物的代謝有關，如果病人該酶的基因發生突變就會對降壓葯異喹胍產生明顯的副作用，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性。現已弄清楚這類基因存在廣泛變異，這些變異除對葯物產生不同反應外，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關。如果利用基因晶元技術對患者先進行診斷，再開處方，就可對病人實施個體優化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用葯也應因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點如S,P及C基因區易發生變異。若用乙肝病毒基因多態性檢測晶元每隔一段時間就檢測一次，這對指導用葯防止乙肝病毒耐葯性很有意義。又如，現用於治療AIDS的葯物主要是病毒逆轉錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑，但在用葯3-12月後常出現耐葯，其原因是rt、pro基因產生一個或多個點突變。Rt基因四個常見突變位點是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu,四個位點均突變較單一位點突變後對葯物的耐受能力成百倍增加（14）。如將這些基因突變部位的全部序列構建為DNA晶元，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發生突變，從而可對症下葯，所以對指導治療和預後有很大的意義。

此外，基因晶元在新基因發現、葯物基因組圖、中葯物種鑒定、DNA計算機研究等方面都有巨大應用價值。

4 基因晶元國內外現狀和前景

自從1996年美國Affymetrix公司成功地製作出世界上首批用於葯物篩選和實驗室試驗用的生物晶元，並製作出晶元系統（15），此後世界各國在晶元研究方面快速前進，不斷有新的突破。美國的Hyseq公司、Syntexi公司、Nanogen公司、Incyte公司及日本、歐洲各國都積極開展DNA晶元研究工作；摩托羅拉、惠普、IBM等跨國公司也相繼投以巨資開展晶元研究。98年12月Affymefrix公司和Molecular Dynamics公司宣布成立基因分析協會（Genetic Analysis Technology Consortium）以制定一個統一的技術平台生產更有效而價謙的設備，與此相呼應，英國的Amershcem Pharmacia Biotechnology公司也在同一天宣布將提供部分掌握的技術以推動這項技術的應用（16）。美國關於晶元技術召開了兩次會議，柯林頓總統在會上高度贊賞和肯定該技術，將基因晶元看作是保證一生健康的指南針（17）。預計在今後五年內生物晶元銷售可達200-300億美元；據《財富》雜志預測（97.3），在21世紀，生物晶元對人類的影響將可能超過微電子晶元。