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1、生 物 芯 片 技 術(shù) l 了 解 生 物 芯 片 的 功 能 ， 及 其 醫(yī) 學(xué) 研 究 領(lǐng) 域 中 的 作 用 ，以 及 生 物 芯 片 技 術(shù) 的 最 新 進(jìn) 展 。l 熟 悉 生 物 芯 片 的 種 類 及 其 作 用 ， 基 因 芯 片 、 蛋 白 芯 片和 微 縮 芯 片 實(shí) 驗(yàn) 室 的 原 理 及 其 制 備 方 法 。l 掌 握 基 因 芯 片 的 工 作 原 理 、 制 備 方 法 及 其 在 臨 床 診 斷中 的 意 義 。 第 一 節(jié) 生 物 芯 片 概 述一 、 生 物 芯 片 的 定 義二 、 生 物 芯 片 的 特 點(diǎn) 及 分 類三 、 生 物 芯 片 在 醫(yī) 學(xué)
2、中 的 應(yīng) 用 概 況 與 前 景 一 、 生 物 芯 片 的 定 義 指 在 一 塊 大 不 上 不 等 （ 一 般 約 1 2cm2） 的 載 體 材料 上 ， 以 大 規(guī) 模 陣 列 的 形 式 排 布 了 不 同 的 生 物 分 子 探 針 ，形 成 可 與 目 的 靶 分 子 相 互 作 用 ， 并 行 反 應(yīng) 的 固 相 表 面 。將 芯 片 與 熒 光 標(biāo) 記 的 靶 分 子 進(jìn) 行 化 學(xué) 反 應(yīng) （ 如 雜 交 、 免疫 反 應(yīng) 等 ） ， 經(jīng) 過 激 發(fā) 光 掃 描 后 ， 不 同 反 應(yīng) 強(qiáng) 度 的 標(biāo) 記熒 光 將 呈 現(xiàn) 不 同 的 熒 光 發(fā) 射 譜 征 。 用 激
3、 光 共 聚 焦 顯 微 掃描 儀 或 CCD相 機(jī) 收 集 信 號(hào) 后 ， 經(jīng) 計(jì) 算 機(jī) 分 析 數(shù) 據(jù) 結(jié) 果 ，從 而 獲 得 相 關(guān) 的 生 物 信 息 。 生物芯片技術(shù)是通過縮微技術(shù)，根據(jù)分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、基因及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)。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(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。 二 、 生 物 芯 片 的 特 點(diǎn)l 高 通 量 、 集 成 化 、 并 行 化 和 微 型 化 生 物 芯 片 的 分
4、類生 物 芯 片 點(diǎn) 陣 型 芯 片實(shí) 驗(yàn) 室 芯 片DNA芯 片 蛋 白 芯 片 細(xì) 胞 芯 片反 應(yīng) 器 芯 片 流 體 芯 片 純 化 芯 片 三 、 生 物 芯 片 在 醫(yī) 學(xué) 中 的 應(yīng) 用l 分 子 生 物 學(xué) 、 生 物 進(jìn) 化 （ 生 物 起 源 及 新 物 種 鑒 定 ）l 生 物 醫(yī) 學(xué) （ 新 藥 的 篩 選 與 合 成 ， 疾 病 診 斷 和 治 療 ， 如 癌 癥 、早 年 性 癡 呆 癥 等 的 病 因 研 究 ）l 農(nóng) 林 科 學(xué) （ 農(nóng) 作 物 育 種 改 良 、 食 品 衛(wèi) 生 監(jiān) 督 、 微 生 物 檢 測(cè) ）l 環(huán) 境 科 學(xué)l 生 化 武 器 偵 檢l
5、司 法 鑒 定 等 基 因 芯 片一 、 基 因 芯 片 的 原 理二 、 基 因 芯 片 技 術(shù)三 、 基 因 芯 片 的 應(yīng) 用 基 因 芯 片 (gene chip)又 稱 DNA芯 片 (DNA chip)或 DNA微 陣 列 (DNA micro-array)。 基 因是 載 有 生 物 體 遺 傳 信 息 的 基 本 單 位 ， 存 在 于細(xì) 胞 的 染 色 體 上 。 將 大 量 的 基 因 片 段 有 序 地 、高 密 度 地 排 列 在 玻 璃 片 或 纖 維 膜 等 載 體 上 ，稱 之 為 基 因 芯 片 。 基 因 芯 片 發(fā) 展 歷 史 一 、 基 因 芯 片 的 原
6、 理l 基 因 芯 片 技 術(shù) 是 建 立 在 基 因 探 針 和 雜 交 測(cè) 序 技 術(shù)上 的 一 種 高 效 、 快 速 的 核 酸 序 列 分 析 手 段 。l 基 因 芯 片 技 術(shù) 主 要 包 括 四 個(gè) 主 要 步 驟 ： 芯 片 制 備 、樣 品 制 備 、 雜 交 反 應(yīng) 和 信 號(hào) 檢 測(cè) 以 及 結(jié) 果 分 析 。 基 因 芯 片 研 制 的 總 體 藍(lán) 圖 圖 11-1 基 因 芯 片 技 術(shù) 主 要 步 驟 二 、 基 因 芯 片 技 術(shù)（ 一 ） 芯 片 制 備 1.合 成 探 針 基 因 組 探 針 cDNA探 針 寡 核 苷 酸 探 針 2.探 針 在 載 體 表
7、 面 的 固 定 固 相 載 體固 體 片 狀 ： 主 要 有 玻 片 、 硅 片 和 瓷 片 等 ；薄 膜 狀 ： 有 硝 酸 纖 維 素 膜 、 尼 龍 膜 以 及 聚 丙 烯 膜 等 。 探 針 在 載 體 表 面 的 固 定 可 分 為 兩 大 類 方 法 ： 合 成 后 點(diǎn) 樣 ， 多 用 于 大 片 段 DNA， 有 時(shí) 也 用于 寡 核 苷 酸 ， 甚 至 mRNA。 原 位 合 成 （ 即 在 支 持 物 表 面 原 位 合 成 寡 核 苷酸 探 針 ） ， 適 用 于 寡 核 苷 酸 。 （ 二 ） 樣 品 制 備 常 見 的 基 因 芯 片 實(shí) 驗(yàn) 樣 品 有 DNA、mR
8、NA(cDNA)兩 種 。 根 據(jù) 樣 品 來 源 、 基 因 含量 及 檢 測(cè) 方 法 和 分 析 目 的 不 同 ， 采 用 的 基因 分 離 、 擴(kuò) 增 及 標(biāo) 記 方 法 各 異 。 （ 三 ） 雜 交 反 應(yīng) 雜 交 反 應(yīng) 是 熒 光 標(biāo) 記 的 樣 品 與 芯 片 上 的 探 針進(jìn) 行 的 反 應(yīng) 產(chǎn) 生 一 系 列 信 息 的 過 程 。l 過 程 類 似 于 一 般 的 雜 交 法 。l 把 要 雜 交 的 分 子 的 溶 液 覆 蓋 芯 片 的 探 針 ， 用 蓋玻 片 覆 蓋 ， 即 可 雜 交 。 （ 四 ） 信 號(hào) 檢 測(cè) 和 分 析 在 雜 交 反 應(yīng) 完 成 后
9、， 將 矩 陣 插 入 掃 描 儀 中 。 主 要 為 熒 光 法 ， 其 重 復(fù) 性 較 好 ， 不 足 的 是 靈敏 度 仍 較 低 。 目 前 正 在 發(fā) 展 的 方 法 有 質(zhì) 譜 法 、 化 學(xué) 發(fā) 光 法 、光 導(dǎo) 纖 維 法 等 。 基 因 芯 片 雜 交 結(jié) 果 要 用 專 用 的 掃 描 系統(tǒng) 讀 取 。 B BA CD E 放 大 器數(shù) 模 轉(zhuǎn)換 器計(jì) 算 機(jī)A:激 光 器 B:濾 光 片 C:二 色 鏡 D:反 光 鏡 E:關(guān) 柵 基 因 芯 片 掃 描 結(jié) 果不 同 的 顏 色 代 表 一 個(gè) 探 針 點(diǎn) 雜 交 上 的 帶 熒 光 標(biāo) 記的 核 酸 分 子 數(shù) 的 差
10、 異 。 紅 黃 綠 蘭 紫 GENERAL SCANNING 三 、 基 因 芯 片 的 應(yīng) 用（ 一 ） 尋 找 和 發(fā) 現(xiàn) 新 基 因（ 二 ） 基 因 表 達(dá) 分 析（ 三 ） DNA序 列 測(cè) 定 與 序 列 間 比 較（ 四 ） 突 變 體 和 多 態(tài) 性 的 檢 測(cè) l 表 達(dá) 譜 芯 片 實(shí) 例 PCR法 從 外 周 血 淋 巴 細(xì)胞 cDNA文 庫 擴(kuò) 增 產(chǎn) 物擴(kuò) 增 產(chǎn) 物 點(diǎn) 樣 于包 被 的 玻 片 上DNA芯 片熱 擊 T細(xì) 胞cDNA 未 處 理 的細(xì) 胞 cDNA 雜 交 雜 交 激 光 共 聚 焦 掃 描發(fā) 現(xiàn) 17個(gè) 差 異 表 達(dá) 基 因 ,11個(gè) 被 熱
11、 誘 導(dǎo) ,6個(gè)被 熱 抑 制 ,發(fā) 現(xiàn) 其 中 3個(gè) 為 未 發(fā) 現(xiàn) 的 新 基 因 （ 五 ） 在 疾 病 診 斷 的 應(yīng) 用（ 1） 感 染 性 疾 病 的 診 斷 性 傳 播 疾 病 、 肝 炎 等 。（ 2） 遺 傳 性 疾 病 的 診 斷 地 中 海 貧 血 、 婚 前 檢 查 等 。（ 3） 耐 藥 性 檢 測(cè) 結(jié) 核 分 支 桿 菌 耐 藥 性 檢 測(cè) 芯 片 等 。 生 物 芯 片 的 優(yōu) 、 缺 點(diǎn)優(yōu) 點(diǎn) ：1） 高 通 量 性 ： 可 同 時(shí) 并 行 分 析 成 千 上 萬 種 分 子 。 節(jié) 省 時(shí) 間 。2） 微 型 化 ， 實(shí) 驗(yàn) 所 需 試 劑 用 量 少 。3）
12、 高 度 自 動(dòng) 化 。缺 點(diǎn) ： 在 同 一 溫 度 下 雜 交 ， 不 同 探 針 雜 交 效 率 不 同 。 生 物 芯 片 于 一 般 分 子 雜 交 比 較生 物 芯 片 Southern等信 息 通 量 高 ， 幾 千 -幾 十 萬 點(diǎn) /cm2 低自 動(dòng) 化 程 度 高 低研 究 的 速 度 快 慢實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 的平 行 性 好 低 存 在 問 題l 基 因 芯 片 的 缺 點(diǎn) 在 于 其 不 能 對(duì) 待 檢 測(cè) 基 因 在 多 細(xì)胞 類 型 組 織 中 的 精 確 定 位 進(jìn) 行 判 斷 ,在 這 點(diǎn) 上 ，Northern也 一 樣 ， 而 原 位 雜 交 技 術(shù) 可 以
13、克 服 此 缺點(diǎn) 。 另 外 很 多 蛋 白 質(zhì) 調(diào) 節(jié) 其 功 能 不 主 要 是 依 賴 其是 否 表 達(dá) 或 表 達(dá) 量 高 低 ， 而 是 依 賴 蛋 白 質(zhì) 磷 酸 化 -去 磷 酸 化 等 方 式 。 在 這 種 情 況 下 ， 用 核 酸 類 生 物芯 片 就 沒 有 什 么 意 義 了 ， 正 在 研 究 開 發(fā) 中 的 蛋 白類 芯 片 可 能 會(huì) 有 所 作 為 的 。 l 基 因 芯 片 技 術(shù) 本 身 有 一 些 關(guān) 鍵 問 題 亟 待 解 決 ： (1)基 因 芯 片 的 特 異 性 的 提 高(2)樣 品 制 備 和 標(biāo) 記 操 作 的 簡(jiǎn) 化(3)增 加 信 號(hào) 檢 測(cè) 的 靈 敏 度(4)高 度 集 成 化 樣 品 制 備 、 基 因 擴(kuò) 增 、 核 酸 標(biāo) 記 及 檢 測(cè) 儀 器 的 研 制 和 開 發(fā) 。 制 約 基 因 芯 片 技 術(shù) 發(fā) 展 及 應(yīng) 用 的 最 主 要 的 因 素 是這 種 技 術(shù) 的 成 本 較 為 昂 貴 ， 目 前 只 有 制 藥 公 司 和 少 數(shù)研 究 所 才 能 承 受 。 THE END
組生物芯片技術(shù)
