微陣列芯片

生物芯片是指能對生物分子進行快速並行處理和分析的薄型固體器件。生物芯片 ^[1]  的本質是進行生物信號的平行分析，把大量生物信息密碼集中到一小片固相基質上，從而使一些傳統的生物學分析手段能夠在儘量小的空間範圍內，以儘量快的速度完成。其發展的最終目標是將生命科學和醫學研究中許多不連續的分析過程由一塊或多塊芯片構成的芯片實驗室或微型全分析系統中。以DNA芯片為代表的生物芯片技術已經得到了迅猛發展，而且，已經在生命科學研究中開始發揮重要作用。生物芯片按功能分，由基因測序芯片、表達譜芯片、疾病診斷芯片、藥物篩選芯片、樣品製備芯片、生化反應芯片、結果檢測芯片等；按工作方式分，有被動式芯片和主動式芯片兩種；根據芯片結構和工作原理分為微陣列芯片和微流體芯片。前者是排成陣列形式的生物分子構成，其分析應用原理都是基於抗原和抗體的結合、核酸分子的鹼基互補作用等生物分子之間的親和作用力，所以也可稱為親和型生物芯片，後者則是以各種微管道網絡結構為結構特徵，用來實現對包含生化組分微流體的控制和檢測分析。

微陣列（Microarray）芯片以高密度陣列為特徵。其基礎研究始於20世紀80年代末，本質上是一種生物技術，主要是在生物遺傳學領域發展起來的。

微陣列分為cDNA微陣列和寡聚核苷酸微陣列.微陣列上"印"有大量已知部分序列的DNA探針,微陣列技術就是利用分子雜交原理,使同時被比較的標本(用同位素或熒光素標記)與微陣列雜交,通過檢測雜交信號強度及數據處理,把他們轉化成不同標本中特異基因的丰度,從而全面比較不同標本的基因表達水平的差異.微陣列技術是一種探索基因組功能的有力手段.

其發展契機主要來自於現代遺傳學的一些重要發現，並直接收益於該領域的某些重要研究成果，即在載體上固定寡核苷酸的基礎上以雜交法測序的技術。因此發展早期，微陣列芯片有時被通俗的稱為“生物芯片（Biochip）”，目前媒體和科普讀物中仍然常用該名稱。微陣列芯片經過近十年的主要發展期，國內外學術界漸漸採用名稱Microarray（微陣列芯片），而Biochip（生物芯片）由於這名稱容易混淆微陣列芯片和微流控芯片 ^[2]  ，漸漸該領域用的越來越少了。

從生物標本中提取核苷酸並進行標記；

讓靶點與芯片上的cDNA或寡核苷酸序列進行孵育；

掃描與探針雜交的靶點表現出來的信號強度

從大量數據中得出具有生物學意義的結論

微陣列芯片技術通過測定能夠與探針雜交的mRNA的數量，反映表達此mRNA的基因的轉錄情況，芯片的構建首先要根據研究的需要選擇基因及相應的探針，其次是從標本中提取mRNA，並製備出靶點，然後將靶點加入芯片，進行孵育雜交、沖洗掉沒有雜交的樣品以及掃描等操作，得到原始數據，再將這些數據進行標準化和統計分析後得到結論 ^[3]  ，構造適當的微陣列芯片是開展後續研究的基礎。

按照芯片上的探針對微陣列芯片進行分類，有核酸芯片、蛋白質芯片和組織芯片等，目前應用最廣泛的是核酸芯片，核酸芯片又有兩種類型，分別是cDNA微陣列和寡核苷酸微陣列。

cDNA基因文庫由PCR產物組成，為雙鏈結構，長度一般在數百至數千鹼基對，因而芯片的雜交條件對每個基因不能保證是最佳的，假陽性率較高，因此，判定cDNA微陣列 ^[4]  的最終結果時，有必要對篩選出的基因進行測序。在應用cDNA微陣列進行研究時，一般需要提供一個對照樣本，將其與需要研究的標本給予不同的標記，將二者燈亮混合後共同注入芯片進行孵育。掃描後得到的原始數據是各個單元格中信號強度的比率。

同時cDNA芯片的靶點是把從實驗樣本和對照標本中提取出來的RNA總體或其中的mRNA作為模板，通過反轉錄合成cDNA，分別標記後稱為靶點。

寡核苷酸基因文庫為人工特異性合成，長度一般在100mer以下，不存在序列錯誤問題，假陽性率低，芯片的結果可以直接使用。

寡核苷酸微陣列 ^[5]  使用的研究樣本和對照標本需各用一個寡核苷酸芯片，原始數據是每一個單元格中信號強度的絕對值。

寡核苷酸芯片的靶點製備多了一個從單鏈cDNA合成雙鏈cDNA，再由此轉錄為cRNA的過程，這一增加的轉錄過程使直接從樣本中提取的RNA擴增了大約50倍，從而有效地提高了對於微小計量標本的研究效率，擴展了寡核苷酸芯片的應用範圍。

微陣列芯片的優勢在於可同時掃描大量感興趣的基因，但其研究的瓶頸也在於此。一次實驗會產生大量的數據, 如何分析這些數據並得出在生物學上有意義的結論 , 是微陣列芯片技術進一步發展完善的重要課題。在這方面需要藉助於計算機技術和多種統計學方法 ^[6]  。在現在應用的多種數學模型之間還沒有進行過大規模的對照研究 , 因而對於它們的效能尚不能給予充分 、 全面的評估。

目前, 在醫學研究中 , 數據分析方法在總體上分為兩大類:無監控集簇分析和有監控集簇分析。前者比較單純的從數學角度按照基因表達的相似性將基因分組 , 這有助於發現新的目的基因或提供新的疾病信息 , 如新的分型 、 影響預後的因素等。後者需要結合現有的專業知識進行分析, 適用於疾病歸類。這對於傳統診斷手段是一個有益的補充。

另外, 在目前進行的許多微陣列芯片研究中,每次研究的基因數目很大 , 而參與實驗的樣本量較少。這一現象不利於得到穩定的和具有良好可重複性的實驗結果。