DNA芯片技術

DNA芯片技術，實際上就是一種大規模集成的固相雜交，是指在固相支持物上原位合成(in situ synthesis)寡核苷酸或者直接將大量預先製備的DNA探針以顯微打印的方式有序地固化於支持物表面，然後與標記的樣品雜交。通過對雜交信號的檢測分析，得出樣品的遺傳信息(基因序列及表達的信息)。由於常用計算機硅芯片作為固相支持物，所以稱為DNA芯片。根據芯片的製備方式可以將其分為兩大類：原位合成芯片和DNA微集陣列(DNA microarray)。芯片上固定的探針除了DNA，也可以是cDNA、寡核苷酸或來自基因組的基因片段，且這些探針固化於芯片上形成基因探針陣列。因此，DNA芯片又被稱為基因芯片、 cDNA芯片、寡核苷酸陣列等。

作為新一代基因診斷技術，DNA芯片的突出特點在於快速、高效、敏感、經濟，平行化、自動化等，與傳統基因診斷技術相比，DNA芯片技術具有明顯的優勢：①基因診斷的速度顯著加快，一般可於30 min內完成。若採用控制電場的方式，雜交時間可縮至1 min甚至數秒鐘。②檢測效率高，每次可同時檢測成百上千個基因序列，使檢測過程平行化。③基因診斷的成本降低。④芯片的自動化程度顯著提高，通過顯微加工技術，將核酸樣品的分離、擴增、標記及雜交檢測等過程顯微安排在同一塊芯片內部，構建成縮微芯片實驗室。⑤因為是全封閉，避免了交叉感染；且通過控制分子雜交的嚴謹度，使基因診斷的假陽性率、假陰性率顯著降低。

DNA芯片技術在腫瘤基因表達譜差異研究、基因突變、基因測序、基因多態性分析、微生物篩選鑑定、遺傳病產前診斷等方面應用廣泛。如感染性疾病是由於病原微生物(病毒、細菌、寄生蟲等)侵入機體而引起。已經獲得一些生物的全部基因序列，包括141種病毒，幾種細菌(流感嗜血桿菌、產甲烷球菌、支原體M.genitalium及實驗室常用的大腸桿菌等)和一種真核生物(釀酒酵母)，且數量還在增長。因此，將一種或幾種病原微生物的全部或部分特異的保守序列集成在一塊芯片上，可快速、簡便地檢測出病原體，從而對疾病作出診斷及鑑別診斷。用DNA芯片技術可以快速、簡便地搜尋和分析DNA多態性，極大地推動法醫生物學的發展。比如將個體SNPs設計在一塊DNA芯片上，與樣品DNA雜交，即可鑑定基因的差異。人的體型、長相約與500多個基因相關，應用DNA芯片原則上可以揭示人的外貌特徵、臉型、長相等，這比一般意義的DNA指紋譜又進了一步。 應用DNA芯片還可以在胚胎早期對胎兒進行遺傳病相關基因的監測及產前診斷，為人口優生提供有力保證；而且可以全面監測200多個與環境影響相關的基因，這對生態、環境控制及人口健康有着重要意義。

DNA芯片技術主要包括四個主要步驟：芯片製備、樣品製備、雜交反應和信號檢測和結果分析。

1、芯片製備-製備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，採用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。芯片的製備除了用到微加工工藝外，還需要使用機器人技術。以便能快速、準確地將探針放置到芯片上的指定位置。

2、樣品製備-生物樣品往往是複雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應，有時樣品的量很小。所以，必須將樣品進行提取、擴增，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA，然後用熒光標記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。

3、雜交反應-雜交反應是熒光標記的樣品與芯片上的探針進行的反應產生一系列信息的過程。選擇合適的反應條件能使生物分子間反應處於最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配率。

4、信號檢測和結果分析-雜交反應後的芯片上各個反應點的熒光位置、熒光強弱經過芯片掃描儀和相關軟件可以分析圖像，將熒光轉換成數據，即可以獲得有關生物信息。基因芯片技術發展的最終目標是將從樣品製備、雜交反應到信號檢測的整個分析過程集成化以獲得微型全分析系統（micrototalanalyticalsystem）或稱縮微芯片實驗室（laboratoryonachip）。使用縮微芯片實驗室，就可以在一個封閉的系統內以很短的時間完成從原始樣品到獲取所需分析結果的全套操作。

生物芯片技術是通過縮微技術，根據分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學領域中不連續的分析過程集成於硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學分析系統，以實現對細胞、蛋白質、基因及其它生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以將生物芯片劃分為基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片。生物芯片技術與傳統的儀器檢測方法相比具有高通量、微型化、自動化、成本低、防污染等特點。按照生物芯片的製作技術，可以將生物芯片劃分為微矩陣和原位合成芯片。鑑於生物芯片技術領域的飛速發展，美國科學促進會將生物芯片評為1998年的十大科技突破之一，認為生物芯片技術將是繼大規模集成電路之後的又一次具有深遠意義的科學技術革命。

成功的生物芯片形式是以基因序列為分析對象的“微陣(microarray)”，也被稱為基因芯片(Genechip)DNA芯片(DNAchip)。按照載體上點的DNA種類的不同，基因芯片可分為寡核苷酸和cDNA兩種芯片。按照基因芯片的用途可分為表達譜芯片、診斷芯片、指紋圖譜芯片、測序芯片、毒理芯片等等。早在八十年代初期,Bains等人就用雜交的方法對固定在支持物上的短DNA片段進行序列測定。基因芯片技術從實驗階段走向工業化是得益於其他技術的引入，如激光共聚焦顯微技術、探針固相原位合成技術與照相平板印刷技術的結合和雙色熒光探針雜交系統的建立。90年代初期人類基因組計劃（HumanGenomeProject,HGP）和分子生物學相關學科的發展也為基因芯片技術的出現和發展提供了有利條件。1992年，Affymatrix公司Fodor領導的小組運用半導體照相平板技術，對原位合成製備的DNA芯片作了首次報道，這是世界上第一塊基因芯片。1995年，Stanford大學的P.Brown實驗室發明了第一塊以玻璃為載體的基因微矩陣芯片。標誌着基因芯片技術進入了廣泛研究和應用的時期。

1、靶基因用於芯片點樣的是靶基因。靶基因可分為染色體DNA（或基因組DNA）、cDNA（或人工合成DNA）。以cDNA的研究為主，因為cDNA是染色體上編碼蛋白質的DNA序列，有醫療和其他領域的研究價值和商業價值。 2、製備技術基因芯片的製備綜合了生命科學、化學染料、微電子技術、激光、統計學等領域的前沿技術，主要包括芯片的製備（選擇點樣儀和玻片、靶基因的擴增和固定）、雜交探針的製備（mRNA的抽提、mRNA的逆轉錄、PCR和探針熒光標記）、雜交條件的優化技術（雜交液、雜交條件和洗滌條件的選擇）和數據分析技術。其中，基因芯片的製備主要依賴於微細加工（microfabrication）、自動化（automatism）及化學合成技術。通常比較典型的DNA芯片製備方法有3種：（1）原位合成法（insitusynthesis）以Affymetrix公司開發的光引導原位合成法為代表（2）合成點樣法又根據是否與芯片的表面接觸分為化學噴射法和接觸式點塗法，分別以IncytePharmaceutical公司和Stanford大學為代表（3）壓電法通過使用4支分別裝有A、T、G、C核苷的壓電噴頭在芯片上作原位DNA探針合成。

基因芯片技術應用領域主要有基因表達譜分析、新基因發現、基因突變及多態性分析、基因組文庫作圖、疾病診斷和預測、藥物篩選、基因測序等。另外基因芯片在農業、食品監督、環境保護、司法鑑定等方面都將作出重大貢獻。基因芯片的飛速發展引起世界各國的廣泛關注和重視。 鑑於基因芯片的巨大潛力和誘人的前景，基因芯片已成為各國學術界和工業界研究和開發的熱點。尤其在美國，正處於人類基因組計劃以來的第二次浪潮之中，美國總統克林頓在1998年1月的國情諮文中指出：“在未來的12年內，基因芯片將為我們一生的疾病預防指點迷津”。1998年6月29日美國宣佈正式啓動基因芯片計劃，聯合私人投資機構投入了20億美元以上的研究經費。世界各國也開始加大投入，以基因芯片為核心的相關產業正在全球崛起，美國已有8家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上漲75%，專家今統計：全球生物芯片工業產值為10億美元左右，預計今後5年之內，生物芯片的市場銷售可達到200億美元以上。美國財富雜誌載文：在20世紀科技史上有兩件事影響深遠，一是微電子芯片，它是計算機和許多家電的心臟，它改變了我們的經濟和文化生活，並已進入每一個家庭；另一件事就是生物芯片它將改變生命科學的研究方式，革新醫學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平。鑑於生物芯片技術具有巨大理論意義和實際價值，基因芯片研究在國內也有了很快的發展，例如，復旦大學、中科院上海冶金所、清華大學、聯合基因有限公司、軍事醫學科學院、中科院上海細胞所等單位已在生物芯片技術方面取得了較大突破，相信不久將有我國生產的生物芯片產品投放市場。

總之，以基因芯片為代表的生物芯片技術的深入研究和廣泛應用，將對21世紀人類生活和健康產生極其深遠的影響。