2014生物芯片技术与其进展

分类（根据工艺和载体）
• 原位合成法：密集程度高，可合成任意序列的寡聚核苷酸，但特异性较差，寡聚核 苷酸合成长度有限，且随长度增加，合成错误率增高。成本较高，设计和制造较烦 琐费时。
• DNA微矩阵法：成本低，易操作，点样密度通常能满足需要。芯片的载体需表面紧质、 光滑的固体，如硅，陶，玻璃等，DNA微矩阵芯片常用玻片为载体。
9、两种或以上平行数据组比较应受到单 个实验所固有特性的限制。
10、绝对比例关系只存在于组合实验的平 行数据组内。
11、平行格式包括内在和外部的整个系统 误差的分析因素。
12、在每个系统模块中采集到该系统所有 变量的四维数据时，才能称为完成生 物系统平行基因分析。
பைடு நூலகம்
生物芯片技术的12条原则只是一个基本框架。其术语的详细定义和有关理论可参见 /~schena/ /
生物芯片技术的发展
• 发展趋势 – 微型化：DNA矩阵越来越小。 – 集成化：矩阵上的基因组越来越大。 – 多样化：测定范围越来越广。 – 微量化：测定所需样本越来越少。 – 全自动化：样品制备到结果显示全部分析过程。 – 定量化：如激光捕获技术，显微解剖技术等可精确测定一个细胞内的一个基因的表达。 – DNA矩阵数据信息库的完善。
样本制备
• 制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。制备细胞、组织或整个器官样本应特别小 心。温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成分等轻微改变都会使基因表达的结果发 生明显变化。
• 用于基因类型分析的样本是DNA，用于表达研究的样本是cDNA。 • 样本制备后应进行标记，通常为酶标记、荧光标记和核素标记。
2014生物芯片技术与其进展
生物芯片技术的主要内容
• 生物芯片的概念 • 生物芯片的基本原理 • 生物芯片的分类 • 生物芯片的发展历程 • 生物芯片的技术方法 • 生物芯片的应用
生物芯片的定义
• 生物芯片（Biochip或Bioarray）是指包被在固相载体上的高密度DNA、抗原、抗体、细 胞或组织的微点阵(microarray）。
genomic analysis
基因芯片的种类
• Science Chip：生物分析和诊断。 • Nutri Chip：食物分析、转基因、污染检测。 • Leuko Chip：血液分析、病毒分析、HLA分析。 • Aqua Chip：水质分析。 • Secure Chip：含DNA的物质鉴定。 • Chromo Chip：基因分析和染色体序列。 • Prokaryo Chip：原核生物、兽医、环保等。
生物芯片技术主要环节
• 芯片制备：微点阵 • 样本制备：DNA提纯、扩增、标记 • 杂交：样本与互补模板形成双链 • 检测：共聚焦扫描，双色激光 • 数据处理：定量软件，数据库检索，RNA印迹等。 • 结果分析……
细胞
生物芯片的制作步骤
对mRNA进行标记 杂交
基因表达资料
生物芯片分析
• 1、测定过程应包括五个基本步骤：
芯片制备
• 原位合成法（in situ synthesis):又可分为原位光控合成法和原位标准试剂合成法。 适用于寡核苷酸，使用光引导化学原位合成技术。是目前制造高密度寡核苷酸最为成功 的方法。
• 合成后交联（post-synthetic attachment):利用手工或自动点样装置将预先制备好的 寡核苷酸或cDNA样品点在经特殊处理过的玻片或其他材料上。主要用于诊断、检测病原 体及其他特殊要求的中、低密度芯片的制备。
芯片扫读装置
• 根据采用的光电偶合器件，分为光电倍增管型和CCD型。 • 根据激光光源，可分为激光型和非激光型。 • 应用最为广泛的是激光光源的共聚焦扫描装置，分辨率、灵敏度极高，有良好的定位功
能，可定量，应用广泛。
图象分析
• 复杂的杂交图谱一般需由图象分析软件来完成。 • 分析软件的功能：鉴定每个点阵、最大限度消除本底荧光的干扰、解析多种颜色图象、
– 需解决的生物学问题 – 样本制备 – 生物化学反应 – 检测 – 数据分析
Tumor Sample
Normal Sample
2、生物学系统控制必须精确地与检测目的相匹配。 3、生物学样本必须精确地与生物学种类相匹配。 4、所有基因分析必须平行处理。 5、基因分析技术必须适合微型化和自动化。 6、平行格式必须精确的依据生物学样本的次序。 7、检测系统必须能精确地获得数据。 8、检测系统获得的数据必须能被精确地控制和重复。
Comparison of DNA Chip Technologies
Oligo-Chip
8 n or 20 n
< 2,000 n
cDNA-Chip > 50,000 n
Genomic Chip
sequencing expression
expression
Sensitivity of DNA chip based assays is a function of: – Probe and target DNA/RNA (Complexity) – Chip surface (autofluorescence & non-spec. bkg) – Attachment chemistry/methodology (hyb. efficiency & crosshyb.) – Hybridization efficiency (lots of factors) – Detection technology (signal type, efficiency, noise)
结果有效性的证实
• 在表达矩阵上，有时难于区分极其相似的序列，如基因族成员，亚类或异类的存在。 • 比较两种不同DNA序列表达水平时，有些参数如核苷酸的成分、二级结构的存在和矩阵上DNA的
长度都会影响杂交。 • 证实矩阵分析的结果可用RT-PCR(区别基因族成员,比较不同DNA种系表达,证实基因变异或突变
生物芯片技术的发展
• 技术 – 毛细管电泳芯片技术 – PCR芯片技术(PCR-Chip) – 缩微芯片实验室(lab-on-a-chip) – 微珠芯片技术(beadArray) – 抗体和蛋白质阵列技术(Antibody and protein-array technology) – 自我定制芯片技术（make your own chip) – 血气分析芯片
两种制备方法比较
• 原位合成：测序、查明点突变 高密度、根据已知的DNA编制程序 制作复杂、价格昂贵、不能测定未知DNA序列 • 合成后交联：比较分析 制备方式直接和简单，点样的样品可事先纯化， 交联方式多样，可设计和制备符合自己需要的芯片。 中、低密度，样品浪费较多且制备前需储存大量样品。
杂交
Biochips DNAChips ProteinChips LabChips
分类（根据DNA成分）
• 寡聚核苷酸或DNA片段：约2025个核苷酸碱基，常用于基因类型的分析，如突 变、正常变异（多态性）。
• 全部或部分cDNA：约5005000个核苷酸碱基，通常用于两种或以上样本的相关 基因表达分析。
结果分析
芯片与标记的靶DNA或RNA杂交后，或与标记的靶抗原或抗体结合后，可采用下列方法分析 处理数据：
• 共聚焦扫描仪：应用最广，重复性好但灵敏度较低。 • 质谱法：快速、精确，可准确判断是否存在基因突变和精确判断突变基因的序列位置。
探针合成较复杂。 • 化学发光、光导纤维、二极管方阵检测、直接电荷变化检测等。
生物芯片的概念——集成
Oncogene Targets On the AmpliOnc™ I Biochip
FGR MYCL1 NMYC RAF1
REL
PDGFRA
PIK3CA
3
1 2
4
5
EGFR1FGFR1
HRAS1 KRAS2
CINNTD21
WGLNIT1 MDM2
MYB MET
CDK4
和精确测定DNA表达水平)、Northern Blot(证实某一基因的相对表达水平)、Western Blot(RNA 表达是否达到细胞中的蛋白水平)、质谱仪(证实矩阵结果是否在蛋白水平)等。
生物芯片技术的应用
• 基因表达分析：肿瘤 • 基因突变检测：遗传性疾病 • 测序、基因图绘制和多态性分析：测序 • 微生物菌种鉴定：毒力基因、抗药基因 • 药物研究最重要的一步 – 液相中探针与DNA片段按碱基配对规则形成双链反应。 – 选择杂交条件时，必须满足检测时的灵敏度和特异性。使能检测到低丰度基因， 且能保证每条探针都能与互补模板杂交。 – 合适长度的DNA有利于与探针杂交。 – 温度、非特异性本底等均会影响杂交结果。 – 最好在封闭循环条件下杂交，杂交炉。
生物芯片的分类
• 尚未统一。 • 广义上：矩阵型芯片、处理型芯片 • 固化材料：基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片 • 用途分类……
生物芯片研究的历史
• 1991 Affymatrix公司Stephen Fodor:光刻与光化学技术、 多肽和寡聚核苷酸微阵列。DNA Chip概念
• Stanford大学Brown实验室：预先合成，机械手阵列 • 1995 Schena等：基因表达谱 • 1996 Chee et al：DNA测序 • 1996 Cronin et al：突变检测 • 1996 Sapolsley & Lipshutz：基因图克隆 • 1996 Shalon et al：复杂DNA样本分析 • 1996 Shoemaker et al：缺省突变定量表型分析
2014年化学诺奖得主：埃里克·白兹格，斯特凡·W·赫尔和威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔。
这三位获奖 理由是表彰 他们在超分 辨率荧光显 微技术领域 取得的成就。
分类（根据应用）
• 基因变异检测芯片 – 疾病检测(如HIV、P53基因、结核杆菌) – 法医鉴定(如DNA指纹图谱)