生物芯片

生物芯片又称蛋白质芯片或基因芯片，起源于DNA杂交探针技术和半导体工业技术的结合。该技术是指将大量探针分子固定在支持物上，然后与DNA或其他带有荧光标记的样品分子混合（如蛋白质因子或小分子）进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度，获得样品分子的数目和序列信息。 www.qwbaike.cn

生物芯片技术起源于核酸分子杂交。所谓生物芯片，一般是指固定在相互支撑的介质上的高密度生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白质、糖分子、组织等）微阵列混合芯片基于（micro-arrays）阵列中每个分子的序列和位置是已知的，它是一个预设的序列点阵。微流控芯片（Microfluidic   chip）而液体生物芯片是继微阵列之后发展起来的新型生物芯片技术，生物芯片技术是系统生物技术的基础内容。

生物芯片（Biochip or biological array）根据生物分子间特异性相互作用的原理，将生化分析过程集成在芯片表面，从而实现对DNA的分析、RNA、多肽、蛋白质和其他生物成分的高通量快速检测。从狭义上讲，生物芯片的概念是指通过不同的方法转移生物分子（寡核苷酸、cDNA、Genome  DNA、多肽、抗体、抗原等）固着于硅片、玻璃片（珠）塑料片（珠）凝胶、在固相传输体如尼龙膜上形成的生物分子晶格。因此，生物芯片技术也被称为微型显示器（Microarray）技术，含有大量生物信息的固体基质被称为微阵列，也称为生物芯片。生物芯片是在这种芯片的基础上发展起来的微流控芯片（Microfluidic   chip），也称为微电子芯片（Microelectronics   chip），即微型实验室芯片。 www.qwbaike.cn

什么是生物芯片？简单来说，生物芯片在一块玻璃上、硅片、将一个生物样本放在尼龙膜等材料上，然后用仪器采集信号，数据结果由计算机进行分析。 www.qwbaike.cn

人们可能很容易将生物芯片与电子芯片联系起来。事实上，这两者有一个基本的共同点：在一个小尺寸中有大量的数据信息。但这是两码事半导体电子单元设置在电子芯片上，而生物探针分子设置在生物芯片上。

芯片的概念取自集成的概念比如电子芯片，就是把大的东西变成小的东西，集成在一起。生物芯片也是集成，但它是生物材料的集成。像实验室测试一样在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等，都是基于同样的生物反应原理。所以生物芯片是一个载体平台。这个平台的材料有很多种，比如硅玻璃薄膜（纤维素膜）等等，还有一些三维结构的聚合物，平台上密密麻麻的填充着各种生物材料。芯片只是一个载体。做什么东西、测试什么还是生物学家来做。换句话说，过去需要在大型实验室中使用许多试管的反应现在已经转移到一个芯片上，并同时发生。

www.qwbaike.cn

21世纪，随着生物技术的飞速发展，电子技术与生物技术相结合，诞生了半导体芯片的兄弟——生物芯片，这将给我们的生活带来一场深刻的革命。这场革命将对整个世界的可持续发展做出不可估量的贡献。 www.qwbaike.cn

生物芯片技术的发展最初得益于埃德温·迈勒·萨瑟恩（Edwin   Mailer   South）提出了核酸杂交理论，即被标记的核酸分子可以与与之互补的固化核酸分子杂交。从这个角度来说，Southern杂交可以看作是生物芯片的雏形。弗雷德里克·桑格（Fred   Sanger）和吉尔伯特（Walter   Gilbert）发明了广泛使用的DNA测序方法，并于1980年获得诺贝尔奖。另一位诺贝尔奖得主凯里·穆利斯（Kary Mullis）1983年，PCR首次被发明，随后基于它的一系列研究使得少量的DNA被放大，并通过实验方法检测。 www.qwbaike.cn

生物芯片一词最早是在20世纪80年代初提出的，当时主要指分子电子器件。它是在生命科学领域迅速发展起来的高新技术，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化分析系统，实现对细胞的分析、蛋白质、DNA和其他生物成分的准确性、快速、大信息量的检测。美国海军实验室研究员卡特说（Carter）还有的尝试组装有机功能分子或生物活性分子，想构建微功能单元实现信息获取、贮存、处理和传输功能。用于开发仿生信息处理系统和生物计算机，从而产生'分子电子学'与此同时，已经取得了一些重要进展：如分子开关、分子贮存器、分子导线分子神经元等分子器件吸引了科学界更多的关注，基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型已经建立。 www.qwbaike.cn

在20世纪90年代，人类基因组计划(HGP Human Genome   Project)分子生物学的发展也为基因芯片技术的产生和发展提供了有利条件。与此同时，另一种'生物芯片'它吸引了人们的关注，并通过机器人自动打印或光导化学合成技术，将其应用到硅片上、玻璃、在凝胶或尼龙膜上制作的生物分子微阵列可以实现化合物的分离、蛋白质、核酸、细胞或其他生物成分是准确的、快速、大量信息的筛选或检测。

www.qwbaike.cn

1991年福特Affymatrix公司（Fodor）组织半导体专家和分子生物学专家共同开发了一种通过光刻技术合成的光导多肽；

1992年，利用半导体照相制版技术首次报道了原位合成制备的DNA芯片，这是世界上第一个基因芯片；

寡核苷酸生物芯片设计于1993年；

www.qwbaike.cn

1994年，有人提出用光电导合成的寡核苷酸芯片进行快速DNA序列分析； www.qwbaike.cn

1996年灵活运用了光刻技术、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、多学科技术，如寡核苷酸合成和荧光标记探针杂交，创造了世界 的第一个商业生物芯片；

斯坦福大学的布朗，1995年（P．Brown）实验室发明了第一个以玻璃为载体的基因微阵列芯片。 www.qwbaike.cn

2001年，世界生物芯片市场已达到170亿美元，每年用生物芯片进行药物遗传学和药物基因组学研究所涉及的世界药物市场约为1800亿美元；

2000-在2004年的五年中，应用生物芯片的市场销售额达到了大约200亿美元。 www.qwbaike.cn

2005年，仅在美国用于基因组研究的芯片销售额就达到50亿美元，2010年很可能上升到400亿美元这还不包括用于疾病预防诊断和治疗等领域的基因芯片，其中一些芯片预计比基因组研究的消耗量大几百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为21世纪最大的产业。 www.qwbaike.cn

2004年3月，英国著名咨询公司F Jost·沙利文(Frost Sullivan)公司发布全球芯片市场分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告称，全球DNA生物芯片市场正以年均6.7%2003年的总市值为5.96亿美元，2010年将达到93亿美元.7亿美元。纳侬市场（Nano market）研究公司预测，以纳米仪器为解决方案的医疗技术在2009年将达到13亿美元，2012年将增加到250亿美元，其中芯片上的实验室发展潜力最大，市场增长速度最快。 www.qwbaike.cn

2012年12月，三名美国科学家被授予美国专利商标局（US PTO）授予量子级神经动态计算芯片专利，功能强大，可以通过高速非标准运算模拟解决问题，对未来量子计算的发展将起到极大的推动作用。这个电脑芯片是生物过程和物理过程的结合通过模仿生物系统，利用突触神经元在接口处进行连接和反馈学习，具有赋予计算机超强计算能力和超快的速度的潜力，可广泛应用于军事和民用领域这项专利涉及生产这种计算机芯片的几种不同方法。 www.qwbaike.cn

最大的用途是疾病检测 www.qwbaike.cn

基因表达水平的检测基因芯片对基因表达水平的检测可以是自动的、快速检测成千上万个基因的表达。谢纳(M.Schena)从人外周血淋巴细胞cDNA文库中构建了代表1046个基因的cDNA微阵列，检测了热休克反应后体外培养的T细胞中不同基因表达的差异发现处理后5个基因高表达，11个基因中度表达，6个基因明显抑制。荧光素交换标记对照组和治疗组以及RNA印迹也证实了该结果。HGP完成后，它被用来检测不同生理和生理上的变化、病理条件下人类所有基因表达变化的基因组芯片已经不远了。

www.qwbaike.cn

基因诊断从正常人类基因组中提取的DNA可以与DNA芯片杂交，得到标准图谱。从病人身上分离出的DNAs基因组可以与DNA芯片杂交得到病斑图谱。通过比较、通过分析这两张图谱，我们可以得到病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术速度快、高效、敏感、经济、平行化、自动化等，将成为一种新的现代诊断技术。如Affymetrix公司将p53基因的全长序列和已知突变的探针整合在芯片上，制成p53基因芯片，将在癌症的早期诊断中发挥作用。另一个例子，Heller等人构建了96个基因的cDNA微阵列，用于检测和分析类风湿性关节炎（RA）探讨DNA芯片在感染性疾病诊断中的应用。

www.qwbaike.cn

使用基因芯片分析用药前后身体不同组织的药物筛选、器官中基因表达的差异。如果将从cDNA表达文库中获得的肽库用于制作肽芯片，可以从许多药物成分中筛选出一些有效物质。同样，使用RNA、单链DNA具有很大的灵活性，可以形成复杂的空间结构，更有利于与靶分子结合可以将核酸文库中的RNA或单链DNA固定在芯片上，然后与目标蛋白一起孵育，形成蛋白质-RNA或蛋白质-DNA复合物可以筛选特定的药物蛋白质或核酸，因此芯片技术与RNA文库的结合将在药物筛选中得到广泛应用。在寻找HIV药物的过程中，Jellis等人通过组合化学合成和DNA芯片技术筛选了654536种硫代磷酸八核苷酸，并从中鉴定出具有XXG4XX类结构的抑制剂实验表明，这种筛选对HIV感染细胞有明显的阻断作用。生物芯片技术大大提高了药物筛选目标基因识别和新药试验的速度，大大降低了成本。

www.qwbaike.cn

个体化医疗临床上，同一种药物的剂量对患者A有效，对患者B不一定有效，但对患者c可能有副作用。就药物疗效和副作用而言，患者 反应大相径庭。这主要是由于患者之间的基因差异（单核苷酸多态性），导致对药物的不同反应。如果通过基因芯片技术对患者进行先诊断后处方，就可以对患者实施个体化的最优治疗。另一方面，在治疗上，很多相同疾病的具体病因因人而异，用药也要因人而异。比如乙肝有很多种亚型，HBV基因的多个位点比如s、p和C基因区容易变异。如果用HBV基因多态性检测芯片每隔一段时间检测一次，对指导用药和预防HBV耐药具有重要意义。 www.qwbaike.cn

测序 www.qwbaike.cn

基因芯片利用固定探针和样品之间分子杂交产生的杂交图谱排列待测样品的序列这种方法速度快，有很好的应用前景。研究人员使用包含135，000个寡核苷酸探针的阵列来确定16.6kb人类线粒体基因组序列，准确率为99%用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人类BRCA1基因的序列差异结果表明，BRCA1基因大约有3个外显子.4kb长度范围内核酸序列的同源性为98.2%到83.5%这表明它们在进化上有高度的相似性。 www.qwbaike.cn

生物信息学是人类认识自身的一个伟大而深远的研究项目。目前的问题是如何研究大量基因或基因片段序列的功能只有了解它们的功能，才能真正体现HGP计划的价值-破译人类基因的天书。后基因组计划、蛋白组计划、疾病基因组计划等概念就是为实现这一目标而提出的。生物信息学将在其中发挥至关重要的作用。生物芯片技术的建立就是为了实现这一环节，使个体的生物信息得以高速处理、并行收集和分析成为可能，必将成为未来生物信息学研究中重要的信息收集和处理平台，成为基因组信息学研究的主要技术支撑。生物芯片作为生物信息学的主要技术支撑和操作平台，具有广阔的发展空间。

在实际应用中，生物芯片技术可以广泛应用于疾病的诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、作物优化育种、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。它将帮助我们了解生命的起源、遗传、发育与进化、用于人类疾病的诊断、治疗和预防开辟了新的途径，为生物大分子的新设计药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供了技术支撑平台，这一点从1999年3月我国科技部刚刚起草的《医药生物技术“十五”及2015年规划》就可以看出：在计划中列出的十五个关键技术项目中，有八个项目（基因组学技术、重大疾病相关基因的分离和功能研究、基因药物工程、基因治疗技术、生物信息学技术、组合生物合成技术、新型诊断技术、蛋白质组学与生物芯片技术）要使用生物芯片。生物芯片技术被规划为单列的专项。简而言之，医学中的生物芯片技术、生命科学、药业、农业、环境科学等与生命活动相关的领域有很大的应用前景。 www.qwbaike.cn

高通量

改进实验过程有利于显示图谱的快速比对和阅读 www.qwbaike.cn

微型化

减少试剂用量和反应液体积，提高样品浓度和反应速度 www.qwbaike.cn

自动化

降低成本，保证质量

www.qwbaike.cn

载体材料及要求

作为载体，它必须是固体薄片或薄膜、表面带有活性基因，便于连接和有效固定各种生物分子。目前制备芯片的固体材料是载玻片、硅片、金属片、尼龙膜等。目前常用的支撑材料是载玻片，因为载玻片适用于多种合成方法，制备芯片前的载玻片预处理相对简单易行。 www.qwbaike.cn

载体种类

玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝胶、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

www.qwbaike.cn

生物样品的制备

www.qwbaike.cn

分离纯化、圹增、从中获取蛋白质或DNA、RNA用荧光标记，与芯片反应。使用DNA芯片研究表达谱时，通常是从样本中提取MRNA，然后反转录成CDNA。同时掺杂带有荧光标记的dCTP或dUTP。 www.qwbaike.cn

芯片制备方法

包括原位合成和预合成后点样。 www.qwbaike.cn

原位合成：适用于寡核苷酸，通过光导蚀刻技术。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2等基因突变的基因芯片。 www.qwbaike.cn

预合成后点样：是提取或合成多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因组丹和其他人被一个特定的高速点样机器人直接点在芯片上。这种技术的优点是相对简单便宜，国内外应用广泛。

接触式点样：意味着打印针从多孔板中取出样品，直接打印在芯片上。打印时针与芯片接触。优点是探针密度高，一般一平方厘米可以打印2500个探针。缺点是定量的准确性和重现性不是很好。

www.qwbaike.cn

非接触式点样：针与芯片保持一定的距离。优点是定量准确，重现性好，缺点是喷印斑点大，密度低。通常一平方厘米只有400个点。但是日本佳能公司可以把喷印点的直径从150-100μm到30 μm-25μm。在一个芯片上点阵化哺乳动物的全基因组DNA是可能的。