生物芯片分類及應(yīng)用

　　生物芯片（biochip）是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)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(xì)胞等等生物樣品有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標(biāo)記的待測(cè)生物樣品中靶分子雜交，通過(guò)特定的儀器對(duì)雜交信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測(cè)分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量。由于常用硅片作為固相支持物，且在制備過(guò)程模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù)，所以稱之為生物芯片技術(shù)。

　　生物芯片分類

　　生物芯片雖然只有10多年的歷史，但包含的種類較多，分類方式和種類也沒(méi)有完全的統(tǒng)一。

　　1、用途分類

　?。?）生物電子芯片：用于生物計(jì)算機(jī)等生物電子產(chǎn)品的制造。

　?。?）生物分析芯片：用于各種生物大分子、細(xì)胞、組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢測(cè)。

　　前一類目前在技術(shù)和應(yīng)用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。

　　2、作用方式分類

　　（1）主動(dòng)式芯片：是指把生物實(shí)驗(yàn)中的樣本處理純化、反應(yīng)標(biāo)記及檢測(cè)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟集成，通過(guò)一步反應(yīng)就可主動(dòng)完成。其特點(diǎn)是快速、操作簡(jiǎn)單，因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片（microftuidic chip）和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室（lab on chip，也叫“芯片實(shí)驗(yàn)室”，是生物芯片技術(shù)的高境界）。

　?。?）被動(dòng)式芯片：即各種微陣列芯片，是指把生物實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)集成，但操作步驟不變。其特點(diǎn)是高度的并行性，目前的大部分芯片屬于此類。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過(guò)生物信息學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。

　　3、成分分類

　　（1）基因芯片（gene chip）：又稱DNA芯片（DNA chip）或DNA微陣列（DNA microarray），是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。

　?。?）蛋白質(zhì)芯片（protein chip或protein microarray）：是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體上獲得。芯片上的探針構(gòu)成為蛋白質(zhì)或芯片作用對(duì)象為蛋白質(zhì)者統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)芯片。

　?。?）細(xì)胞芯片（cell chip）：是將細(xì)胞按照特定的方式固定在載體上，用來(lái)檢測(cè)細(xì)胞間相互影響或相互作用。

　?。?）組織芯片（tissue chip）：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來(lái)進(jìn)行免疫組織化學(xué)等組織內(nèi)成分差異研究。

　?。?）其他：如芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on chip），用于生命物質(zhì)的分離、檢測(cè)的微型化芯片。現(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個(gè)生化檢測(cè)分析過(guò)程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實(shí)驗(yàn)室”（Lab on chip）。芯片實(shí)驗(yàn)室是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。它將樣品的制備、生化反應(yīng)到檢測(cè)分析的整個(gè)過(guò)程集約化形成微型分析系統(tǒng)。由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學(xué)和電子發(fā)光探測(cè)器等組成的芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)問(wèn)世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測(cè)和分析等部分集成的芯片）?！靶酒瑢?shí)驗(yàn)室”可以完成諸如樣品制備、試劑輸送、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)、信息處理和傳遞等一系列復(fù)雜工作。這些微型集成化分析系統(tǒng)攜帶方便，可用于緊急場(chǎng)合、野外操作甚至放在航天器上。

　　例如可以將樣品的制備和PCR擴(kuò)增反應(yīng)同時(shí)完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設(shè)計(jì)制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過(guò)固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡核苷酸探針時(shí)便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列。應(yīng)用其自己開(kāi)發(fā)的檢測(cè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜交結(jié)果的檢測(cè)與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測(cè)到稀有基因的變化。同時(shí)，由于該芯片設(shè)計(jì)的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應(yīng)，縮短測(cè)試時(shí)間，從而降低了測(cè)試成本。

　　生物芯片應(yīng)用領(lǐng)域

　　1、生物制藥領(lǐng)域

　　各大藥廠和生物技術(shù)公司將會(huì)使用基因芯片發(fā)現(xiàn)篩選新藥等。采用基因芯片技術(shù)，可以大大加快人類基因組計(jì)劃的工作進(jìn)度，例如用于基因測(cè)序、基因表達(dá)檢測(cè)和新的遺傳標(biāo)志如SNP定位等，這對(duì)尋找新的功能基因、尋找新的藥物作用靶點(diǎn)和開(kāi)發(fā)新的基因藥物具有重要意義。采用基因芯片可以進(jìn)行超乎以前想象的工作量來(lái)檢測(cè)不同物種、不同組織、不同病種、不同處理?xiàng)l件下的基因表達(dá)改變，從而知道開(kāi)發(fā)具有不同用途的的診斷試劑盒。新藥在實(shí)驗(yàn)階段必須通過(guò)人體安全性實(shí)驗(yàn)，就必須觀察藥物對(duì)人基因表達(dá)的影響，由于并不知道藥物對(duì)那一種基因起作用，就必須對(duì)已知所有或一定范圍內(nèi)的基因表達(dá)都進(jìn)行檢測(cè)，采用基因芯片可以迅速而準(zhǔn)確地完成這一任務(wù)。

　　2、醫(yī)學(xué)診斷

　　2.1、在優(yōu)生方面，目前知道有600多種遺傳疾病與基因有關(guān)。婦女在妊娠早期用DNA芯片做基因診斷，可以避免許多遺傳疾病的發(fā)生。

　　2.2、在疾病診斷方面，由于大部分疾病與基因有關(guān)，而且往往與多基因有關(guān)，因而，利用DNA芯片可以尋找基因與疾病的相關(guān)性，從而研制出相應(yīng)的藥物和提出新的治療方法。DNA芯片的高密度信息量和并行處理器的優(yōu)點(diǎn)不僅使多基因分析成為可能，而且保證了診斷的高效、廉價(jià)、快速和簡(jiǎn)便。

　　2.3、應(yīng)用于器官移植、組織移植、細(xì)胞移植方面的基因配型，如HLA分型。

　　2.4、病原體診斷，如細(xì)菌和病毒鑒定、耐藥基因的鑒定。

　　2.5、在環(huán)境對(duì)人體的影響方面，已知花粉過(guò)敏等人體對(duì)環(huán)境的反應(yīng)都與基因有關(guān)。若對(duì)與環(huán)境污染相關(guān)的200多個(gè)基因進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，將對(duì)生態(tài)環(huán)境控制及人類健康有重要意義。

　　2.6、在法醫(yī)學(xué)方面，DNA芯片比早先的DNA指紋鑒定更進(jìn)一步，它不僅可做基因鑒定，而且可以通過(guò)DNA中包含的生命信息描繪生命體的臉型長(zhǎng)相外貌特征。這種檢驗(yàn)常用于災(zāi)難事故后鑒定尸體身份以及鑒定父母和子女之間的血緣關(guān)系。

檢測(cè)血糖水平的光纖生物芯片

　　3、生物芯片在食品安全方面的應(yīng)用

　　民以食為天，食以安為先。充足的營(yíng)養(yǎng)和安全的食品是人類生存的基本需要 在生物芯片生物安全和食品安全檢測(cè)方面的應(yīng)用剛剛開(kāi)始，但已顯示出優(yōu)勢(shì)。

　　3.1、基因芯片在食品中致病病原體的檢測(cè)

　　以 PCR 為主的病毒核酸檢測(cè)技術(shù)是目前病毒檢測(cè)的主要方法，但很難滿足多亞型或多病毒的同時(shí)檢測(cè)的要求，且該技術(shù)存在易污染 假陽(yáng)性高的缺點(diǎn) 基因芯片技術(shù)可以對(duì)多指標(biāo)并行檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)多種病毒以及病毒的多種亞型，是目前病毒檢測(cè)的熱點(diǎn)研究方法 。

　　3.2、基因芯片在食源性病毒方面的檢測(cè)

　　傳統(tǒng)方法對(duì)食源性病毒大多是利用血清學(xué)免疫學(xué)或者熒光定量PCR等方法，對(duì)某種病毒進(jìn)行單一檢測(cè)，當(dāng)對(duì)某種食品需要待測(cè)的病毒種類較多時(shí)，傳統(tǒng)方法的效率就非常低。北京出入境檢疫檢驗(yàn)局的汪琳等［9］搭建了植物源性食品中植物病毒、早害基因芯片檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)首次用于植物病毒 早害檢疫，該技術(shù)成本低，僅為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)體系的7%，每個(gè)反應(yīng)節(jié)約100元，突破了基因芯片的應(yīng)用瓶頸，并實(shí)現(xiàn)了高通量的快速檢測(cè)。

　　3.3、基因芯片在轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)中的應(yīng)用

　　2007年，天津出入境檢驗(yàn)檢疫局的鄭文杰等針對(duì)目前已商品化的七種轉(zhuǎn)基因作物基因組核酸的純化試劑盒，可同時(shí)完成對(duì)多種作物、多種基因的檢測(cè)，鑒于已商品化的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品涉5多個(gè)基因，因此，應(yīng)用基因芯片技術(shù)建立高通量檢測(cè)方法在檢測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。該課題組研發(fā)了廣譜篩選芯片物種篩選芯片 品系檢測(cè)芯片及綜合型篩選芯片等四種類型的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品檢測(cè)基因芯片，檢測(cè)的基因主要分三類，共46個(gè)，可覆蓋全部商品化的轉(zhuǎn)基因植物及其產(chǎn)品，解決了目前國(guó)際上轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品檢測(cè)的難題。

　　總結(jié)

　　生物芯片作為新興的分子生物學(xué)技術(shù)，具有快速、高通量、高特異性等優(yōu)點(diǎn)，將該技術(shù)應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域，必然給生物芯片的應(yīng)用及食品安全檢測(cè)水平的提高帶來(lái)新的契機(jī)，使生物芯片技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，從研究走入了與尋常百姓生活密切相關(guān)的食品安全領(lǐng)域 該技術(shù)的普及應(yīng)用，必然會(huì)帶來(lái)檢測(cè)速度的加快和檢測(cè)費(fèi)用的降低，從而大大加強(qiáng)執(zhí)法機(jī)構(gòu)如食品安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)、出入境檢驗(yàn)檢疫局、商檢局等的執(zhí)法力度，確保食品安全，創(chuàng)造良好社會(huì)效益。