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[摘 要] 本文以基因芯片技术在医学研究中的应用为重点,对该技术基本原理、在疾病诊断、药学研究中的应用、存在的问题等方面进行了概述。
[关键词] 基因芯片 疾病诊断 药物开发
基因芯片又称为DNA芯片,是生物芯片的一种,是利用点样技术、现代探针固相原位合成技术、照相平板技术、高分子合成技术等微电子技术在有限的空间内,有序的集成一系列的可寻址识别的基因片段,同时综合了分子生物学、材料科学、信息科学和计算机技术等多门学科,以用于高通量、高速度、多样本、低成本、微量的一种分子生物学工具。自1995年问世以来,短短十几年时间,该技术已显示出了巨大的商业价值,备受世界各国政界、科技界及各大企业的关注,其发展前景尤为广阔。根据芯片的制作原理,可以分为很多类,但是当前真正成熟,得以广泛使用的仍然只有点样或原位合成技术的微阵列。
一、基因芯片技术简介
1、原理
经过标记的待测样本DNA通过与芯片上特定位置的探针杂交,可根据碱基互补配对的原则确定靶DNA序列,经激光共聚集显微镜扫描,以计算机系统对荧光信号进行比较和检测,并迅速得出所需的信息。基因芯片技术比常规方法效率高几十到几千倍,可在一次试验中间平行分析成千上万个基因,是一种进行DNA序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。
2、基因芯片分类
根据其制造方法可分原位合成法和合成后点样法;根据所用载体材料不同分为玻璃芯片、硅芯片等;根据载体上所固定的DNA种类可分为cDNA和寡核苷酸芯片两种;根据其用途可分测序芯片、表达谱芯片、诊断芯片等。近年来,已研究开发出以各种结构微阵列芯片,如生物电子芯片、药物控释芯片;通道型微阵列芯片、基因扩增芯片、集成DNA芯片、生物传感器芯片等。
二、基因芯片技术在医学中的应用
基因芯片技术近年来广泛应用于医学研究领域,在疾病研究、临床疾病诊断、药学研究、基因诊断等方面得到了较广应用。
1、疾病研究
疾病的发生常常伴随着基因图谱的改变,表现为基因的上调或下调,基因芯片技术可以同时检测一种疾病状态所影响的数千条基因表达的精度变化,同时鉴别体内感染的所有基因,从而深入了解疾病发生的基因机制。据研究表明,人类恶性肿瘤约有60%与人类的P53抑癌基因突变有关,P53基因的缺失还能导致早期肿瘤的发生。目前研究人员已成功研制出可以检测这类突变的基因芯片。Stingley等使用75寡核苷酸芯片对单纯疱疹病毒在不同感染条件下病毒基因表达情况的研究,有助于探讨单纯疱疹病毒转录机制。
2、临床疾病诊断
随着病原微生物基因组计划的进展,使基因诊断病原微生物成为可能,基因芯片技术可以弥补原有病原微生物检测技术的种种缺陷。可以预测在不久的将来,人们可望在一张基因芯片上检测所有的病原微生物基因。现在,肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性监测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步进入市场,基因诊断成为基因芯片中最具有商业价值的应用。另外通过制作基因定位型基因芯片检测,可以在染色体上合适位点定位相关疾病基因,如肥胖病、老年痴呆症、精神病等。而基因组多态性研究对阐明不同人群和个体在疾病的易感性和抵抗性方面表现出的差异有重要意义。
3、药物开发、研究和应用
利用芯片技术具有高通量、大规模、平行性等特点可以进行新药的筛选,特别是对我国传统的中药有效成分进行筛选。随着后基因组计划药物基因组学的发展,可利用基因芯片技术来寻找药物靶标,评价药物的毒副作用,在基因组药学领域进行新药的研究和开发。如利用基因芯片来研究感染性疾病的发病机理、病原体的遗传多态性和病原体与宿主的相互作用,来进行相应的药物设计和开发。药物的代谢酶和靶分子的多态性和突变性与药物的安全性和有效性密切相关。患者对药物的反应存在个体差异药物的靶分子通常是酶和受体等,这些蛋白质的基因多态性也与个体对药物反应的差异性有关。基因芯片技术的应用将极大地推进用药个体化这一临床用药目标。另外,基因芯片技术还广泛应用于新基因的识别、基因表达和调控分析、突变体和多态性分析、比较基因组学、细胞凋亡、药物安全性评价等许多研究方面。
三、基因芯片技术存在的问题与前景
基因芯片技术在短短的几年内的迅速发展已引起了世界各国的广泛关注和重视,特别是在人类基因组计划中的作用,使人类基因图谱提前完成。我国生物芯片研究和产业化运作从1997—1998年起步,现至少60家单位投入科学研究和产品开发,已有基因表达谱芯片,转基因农产品检测芯片,新生儿基因检测芯片,肝炎病毒、艾滋病毒基因检测芯片,肿瘤检测、肝病检测、自身免疫疾病诊断即将或已经进入临床应用和商业化运作。基因芯片尽管有许多其它检测方法难以比拟的优越性,但目前还存在一些缺点,比如样品的制备与标记比较繁琐,芯片的制备比较复杂,杂交反应的敏感性和特异性以及信号检测的灵敏度有待于提高,所用仪器昂贵,费用较高等。但鉴于基因芯片拥有巨大的理论价值和实际功能,其发展前景十分广阔,在未来几年内这些不足将得以解决,人类所有的约3万个基因有望集成在一块1cm的芯片上,那时基因芯片技术将在生命科学领域发挥更大的作用。
参 考 文 献
[1] Bryant PA,Venter D,Robins Browne R,et al.Lancet Infect Dts,2004,4(2):100～111.
[2] Chang JC, Hilsenbeck SG,Fuqua SA.Genomic approches in themanagement andtreatmentof breast cancer[J].BrJ Cancer,2005,92(4):618～624.
[3] 瞿鹏,童坦君.基因科学的革命—基因芯片技术[J].生理科学进展,2000,31(2):135～139.
[4] 吴水清,邹宗亮.利用基因芯片技术检测P53基因突变[J].生物工程进展,2000,20(4):40～43.
[5] Stingley SW,GarciaRamirezJJ,AguilarSA,etal.Globalanalysis of herpes simplexvirus type 1 transcription using an oligonucleoti-debasedDNA microarray [J].J Virology,2000,74:9916.■
[关键词] 基因芯片 疾病诊断 药物开发
基因芯片又称为DNA芯片,是生物芯片的一种,是利用点样技术、现代探针固相原位合成技术、照相平板技术、高分子合成技术等微电子技术在有限的空间内,有序的集成一系列的可寻址识别的基因片段,同时综合了分子生物学、材料科学、信息科学和计算机技术等多门学科,以用于高通量、高速度、多样本、低成本、微量的一种分子生物学工具。自1995年问世以来,短短十几年时间,该技术已显示出了巨大的商业价值,备受世界各国政界、科技界及各大企业的关注,其发展前景尤为广阔。根据芯片的制作原理,可以分为很多类,但是当前真正成熟,得以广泛使用的仍然只有点样或原位合成技术的微阵列。
一、基因芯片技术简介
1、原理
经过标记的待测样本DNA通过与芯片上特定位置的探针杂交,可根据碱基互补配对的原则确定靶DNA序列,经激光共聚集显微镜扫描,以计算机系统对荧光信号进行比较和检测,并迅速得出所需的信息。基因芯片技术比常规方法效率高几十到几千倍,可在一次试验中间平行分析成千上万个基因,是一种进行DNA序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。
2、基因芯片分类
根据其制造方法可分原位合成法和合成后点样法;根据所用载体材料不同分为玻璃芯片、硅芯片等;根据载体上所固定的DNA种类可分为cDNA和寡核苷酸芯片两种;根据其用途可分测序芯片、表达谱芯片、诊断芯片等。近年来,已研究开发出以各种结构微阵列芯片,如生物电子芯片、药物控释芯片;通道型微阵列芯片、基因扩增芯片、集成DNA芯片、生物传感器芯片等。
二、基因芯片技术在医学中的应用
基因芯片技术近年来广泛应用于医学研究领域,在疾病研究、临床疾病诊断、药学研究、基因诊断等方面得到了较广应用。
1、疾病研究
疾病的发生常常伴随着基因图谱的改变,表现为基因的上调或下调,基因芯片技术可以同时检测一种疾病状态所影响的数千条基因表达的精度变化,同时鉴别体内感染的所有基因,从而深入了解疾病发生的基因机制。据研究表明,人类恶性肿瘤约有60%与人类的P53抑癌基因突变有关,P53基因的缺失还能导致早期肿瘤的发生。目前研究人员已成功研制出可以检测这类突变的基因芯片。Stingley等使用75寡核苷酸芯片对单纯疱疹病毒在不同感染条件下病毒基因表达情况的研究,有助于探讨单纯疱疹病毒转录机制。
2、临床疾病诊断
随着病原微生物基因组计划的进展,使基因诊断病原微生物成为可能,基因芯片技术可以弥补原有病原微生物检测技术的种种缺陷。可以预测在不久的将来,人们可望在一张基因芯片上检测所有的病原微生物基因。现在,肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性监测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步进入市场,基因诊断成为基因芯片中最具有商业价值的应用。另外通过制作基因定位型基因芯片检测,可以在染色体上合适位点定位相关疾病基因,如肥胖病、老年痴呆症、精神病等。而基因组多态性研究对阐明不同人群和个体在疾病的易感性和抵抗性方面表现出的差异有重要意义。
3、药物开发、研究和应用
利用芯片技术具有高通量、大规模、平行性等特点可以进行新药的筛选,特别是对我国传统的中药有效成分进行筛选。随着后基因组计划药物基因组学的发展,可利用基因芯片技术来寻找药物靶标,评价药物的毒副作用,在基因组药学领域进行新药的研究和开发。如利用基因芯片来研究感染性疾病的发病机理、病原体的遗传多态性和病原体与宿主的相互作用,来进行相应的药物设计和开发。药物的代谢酶和靶分子的多态性和突变性与药物的安全性和有效性密切相关。患者对药物的反应存在个体差异药物的靶分子通常是酶和受体等,这些蛋白质的基因多态性也与个体对药物反应的差异性有关。基因芯片技术的应用将极大地推进用药个体化这一临床用药目标。另外,基因芯片技术还广泛应用于新基因的识别、基因表达和调控分析、突变体和多态性分析、比较基因组学、细胞凋亡、药物安全性评价等许多研究方面。
三、基因芯片技术存在的问题与前景
基因芯片技术在短短的几年内的迅速发展已引起了世界各国的广泛关注和重视,特别是在人类基因组计划中的作用,使人类基因图谱提前完成。我国生物芯片研究和产业化运作从1997—1998年起步,现至少60家单位投入科学研究和产品开发,已有基因表达谱芯片,转基因农产品检测芯片,新生儿基因检测芯片,肝炎病毒、艾滋病毒基因检测芯片,肿瘤检测、肝病检测、自身免疫疾病诊断即将或已经进入临床应用和商业化运作。基因芯片尽管有许多其它检测方法难以比拟的优越性,但目前还存在一些缺点,比如样品的制备与标记比较繁琐,芯片的制备比较复杂,杂交反应的敏感性和特异性以及信号检测的灵敏度有待于提高,所用仪器昂贵,费用较高等。但鉴于基因芯片拥有巨大的理论价值和实际功能,其发展前景十分广阔,在未来几年内这些不足将得以解决,人类所有的约3万个基因有望集成在一块1cm的芯片上,那时基因芯片技术将在生命科学领域发挥更大的作用。
参 考 文 献
[1] Bryant PA,Venter D,Robins Browne R,et al.Lancet Infect Dts,2004,4(2):100～111.
[2] Chang JC, Hilsenbeck SG,Fuqua SA.Genomic approches in themanagement andtreatmentof breast cancer[J].BrJ Cancer,2005,92(4):618～624.
[3] 瞿鹏,童坦君.基因科学的革命—基因芯片技术[J].生理科学进展,2000,31(2):135～139.
[4] 吴水清,邹宗亮.利用基因芯片技术检测P53基因突变[J].生物工程进展,2000,20(4):40～43.
[5] Stingley SW,GarciaRamirezJJ,AguilarSA,etal.Globalanalysis of herpes simplexvirus type 1 transcription using an oligonucleoti-debasedDNA microarray [J].J Virology,2000,74:9916.■