生命科学概论论文
基因芯片的发展与前景
一 基因芯片技术研究进展
1.基因芯片的制备。在制备基因芯片时要考虑阵列的密度、再生性、操作的简便性、成本的高低等几方面的因素 。光引导合成法与喷墨打印法、合成点样法相比，最大的优点是:它可以合成密度极高的阵列；但它的最大缺点是耗时、操作复杂，而且为保证在不同位点加上不同的单体，从而在不同的位点合成不同的探针，需要不断更换不同的蔽光膜，对一个含25个碱基的探针的微阵列，一般需更换100个蔽光膜，需1天多的时间才能完成。合成点样法虽然芯片上探针的密度相对较低，每个样品都要预合成、纯化，在芯片制备前还需妥善保存合成的探针，但是它的最大优点是操作简便。光纤生物传导芯片最大的优点则是检测快速（<10分钟）、灵敏度高（10 nmol/L）。
2.样品的获得与标记。由于目前的检测体系还不能检测出未扩增的标记样品，所以待测样品DNA在杂交前一般都要进行聚合酶链反应(PCR)，在扩增的过程中，对靶DNA进行标记。
目前DNA样品的扩增一般是通过液相反应来完成，但由于低浓度核酸很难检测到，在溶液中通过PCR反应获得线性扩增也很困难；另外，不同靶DNA对引物的竞争，意味着某一序列的扩
增优于其他序列。为了解决上述问题，一些公司正在研究新的方法。如固相PCR系统，该系统是将2种引物排列在丙烯酰胺膜上，与DNA样品、PCR试剂混合，如样品含有靶序列，则开
始扩增反应；通过这种固相PCR体系，可避免对引物的竞争，同时也降低了遗留污染。样品的标记主要是荧光标记。荧光标记基本分为2种，一种是使用荧光标记的引物，一种是使用荧光标记的三磷酸脱氧核糖核苷酸。根据扩增产物分离的方法不同，标记的方法也不同：进行单引物标记的，其扩增产物通常由聚丙烯酰胺凝胶电泳分离；对一个引物用生物素标记，另一个引物用荧光素标记的，一般用亲合素偶联的磁珠捕捉其扩增产物，通过变性处理使荧光标记的产物解链。此外，也有用生物素残基标记引物，将生物素标记的扩增产物与芯片杂交，洗涤后加入亲合素连接的荧光物，通过生物素与亲合素的结合及靶序列与探针的结合产生荧光信号，然后利用荧光检测系统对荧光信号进行检测。
3.杂交反应。杂交反应是一个复杂的过程，受很多因素的影响，而杂交反应的质量和效率直接关系到检测结果的准确性。这些影响因素包括：
（1）寡核苷酸探针密度的影响。
（2）支持介质与杂交序列间的间隔序列长度的影响。
（3）杂交序列长度的影响。
。
（4
）GC含量的影响。
（5）探针浓度的影响。
（6）核酸二级结构的影响。
4.信号检测。生物芯片的2个关键技术是芯片的制备与结果检测。目前荧光检测主要有2种：激光共聚焦荧光显微扫描和CCD荧光显微照相检测。前者检测灵敏度、分辨率均较高，
但扫描时间长；后者扫描时间短，但灵敏度和分辨率不如前者。虽然荧光检测在芯片技术中得到了广泛的应用，但是荧光标记的靶DNA只要结合到芯片上就会产生荧光信号，而目前的
检测系统还不能区分来自某一位点的荧光信号是由正常配对产生的，还是单个或2个碱基的错配产生的，或者兼而有之，甚或是由非特异性吸附产生的，因而目前的荧光检测系统还有待于进一步完善与发展。有研究者正试图绕过荧光标记，建立新的检测系统，以提高杂交信号检测的灵敏度。
5.基因芯片的应用。基因芯片技术由于可在1次反应中对1个样品进行大量杂交反应，并可对这些杂交信号进行平行分析，因而被广泛用于DNA序列分析、特别是杂交测序和邻堆杂交技术。以上技术的应用和发展，使人类基因组计划的研究工作得到了很大的提高。
随着cDNA芯片的发展，芯片技术在基因表达的监测及疾病诊断的研究中正在得到广泛应用。其基本原理是用2种不同荧光染料标记的靶序列同时与同1个cDNA芯片杂交，通过不同颜
色的荧光信号强度分析即可反映出基因表达的变化。Pollack等分别用Cy5（红色）和Cy3(绿色）标记来自乳腺癌患者细胞及正常人白细胞的DNA样品，然后与来自乳腺癌患者及正常人细胞的cDNA构成的微阵列杂交，产生不同颜色的荧光信号，其中红色代表增加的DNA拷贝数，绿色代表减少的DNA拷贝数，黄色代表DNA拷贝数没有变化。经上述比较，分析乳腺癌患者基因拷贝数的变化。Wang等用类似技术分析了与卵巢癌的发展有关的基因。
此外，芯片技术还可用于基因组比较分析，Wilson等用2种荧光染料分别标记药物处理前以及药物处理后的结核杆菌DNA，然后与包括结核杆菌97%开放阅读框架的DNA构成的微阵列杂交，通过不同颜色的荧光信号强度分析发现该药物诱导多个基因表达。Livache等将HCV的5′UTR区及其型特异探针固定于硅芯片上，与不同标本的、扩增标记的DNA样品杂交，从而对其进行基因分型，结果表明，该技术用于基因分型灵敏度很高.尽管基因芯片的应用得到迅速发展，一些公司相继开发出自己的产品，其中p53基因芯片可检出大于80%的抑癌基因的突变，假阳性率很低（2%）；人免疫缺陷病毒(HIV)PRT 440也已广泛用于HIV1病毒的测序、分型及多态性分析。但由于该技术较为复杂，且成本高
，目前对其的应用仍大多停留在实验室研究阶段，离临床检验及疾病诊断的普及性应用还有一段距离。
二 生物芯片的应用前景
生物芯片技术因其可在一次反应中进行多种信息的平行分析，而受到众多研究者的瞩目，特别是基因芯片在人类基因组计划的研究工作中的应用，不仅极大地促进了该项工作的进行，也使芯片技术在短短的几年间得到了长足的发展.在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和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技术支撑平台，这从我国99年3月国家科学技术部刚起草的《医药生物技术“十五”及2015年规划》中便可见一斑：规划所列十五个关键技术项目中，就有八个项目（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、蛋白质组学和生物芯片技术）要使用生物芯片。生物芯片技术被单列作为一个专门项目进行规划。总之，生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。
但该技术成本高，芯片的制备比较复杂，样品的准备与标记较为繁琐，且其信号检测的灵敏度也有待于进一步提高，这些问题使得该技术的普及与进一步推广存在一定的难度。目前国外正在致力于这些问题的解决与研究，国内也有研究者正在积极地开展该项研究工作。
我们有理由相信，随着该技术的不断完善与发展，在将来，无论是基因芯片还是蛋白芯片都会作为一种简便快捷的技术，为我们的研究工作与临床检测带来极大的便利。