生物芯片技术

《生物芯片技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物芯片技术（32页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2021/7/11生物芯片技术生物芯片技术2021/7/12生物芯片的定义生物芯片的定义l生物芯片(biochip) 是将大量的生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、组织切片和细胞等生物样品制成探针，以预先设计的方式有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，构成二维分子阵列，然后与已标记的待测生物样品靶分子杂交，通过检测杂交信号实现对样品的检测，因此该技术一次能检测大量的目标分子，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性的技术要求;并且芯片技术的研究成果具有高度的特异性、敏感性和可重复性。因常用玻片/硅片等材料作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片

2、技术。2021/7/13特点特点l高通量l效率高，成本也低并能防污染 l大量的生命活动信息以及许多不连续的分析过程集成在一小片载体片上，从而实现对DNA、蛋白质、细胞以及其他生物组分的准确、快速、并行和大信息量的检测和分析。能在秒计时间内并行完成成千上万次的生物化学反应，众多基因的探针的标记、杂交等过程是在一次实验过程中完成的，自动化程度高，数据客观可靠。2021/7/14发展历史发展历史l1991年Affymatrix公司福德（Fodor）组织半导体专家和分子生物学专家共同研制出利用光蚀刻光导合成多肽； l1992年运用半导体照相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报道，这是世界上第

3、一块基因芯片； l1993年设计了一种寡核苷酸生物芯片； l1994年又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析； l1995年，斯坦福大学布朗（PBrown）实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。 l1996年灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片； 2021/7/15发展历史发展历史l2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元； l2000-2004年的五年内，在应用生物芯片的市场销售达到2

4、00亿美元左右。2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元，这还不包括用于疾病预防及诊治及其它领域中的基因芯片，部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为21世纪最大的产业。l2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特沙利文(Frost & Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告世界DNA芯片市场的战略分析。报告认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年将达到93.7亿美元。纳侬市场（NanoMarkets）调研公司预测，以纳

5、米器械作为解决方案的医疗技术将在2009年达到13亿美元，并在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。2021/7/16分类分类l生物芯片技术是一种高通量检测技术，其主要类型包括基因芯片( genechip)、蛋白质芯片(proteinchip)、组织芯片(tissuechip)和芯片实验室(labonchip)等。2021/7/17基因芯片基因芯片l基因芯片又称为DNA芯片(DNAchip)，是基于核酸探针互补杂交技术原理研制的。它是将大量的寡核苷酸片段按预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片或玻片上，并以此为探针，在一定的条件下与样品中待测的靶基因片段

6、杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来实现对靶基因信息的快速检测和分析。2021/7/18蛋白质芯片蛋白质芯片 l蛋白质芯片与基因芯片的原理类似，它是将大量预先设计的蛋白质分子( 如抗原或抗体等) 或检测探针固定在芯片上组成密集的阵列，利用抗原与抗体、受体与配体、蛋白与其它分子的相互作用进行检测。 2021/7/19组织芯片组织芯片l组织芯片技术则是一种不同于基因芯片和蛋白芯片的新型生物芯片。它是将许多不同个体小组织整齐地排布于一张载玻片上而制成的微缩组织切片，从而进行同一指标( 基因、蛋白) 的原位组织学的研究。2021/7/110芯片实验室芯片实验室l所谓实验室就是一种功能的集成。在普通实验

7、室，检侧、分析等是分成不同步骤进行的，芯片实验室就是把所有的步骤聚在一起，也是有形的，只是把这些功能微缩到一个小的平台上。生物检测三大步骤:样品的处理、生物反应、反应的检测，在以前，是由不同的机器做，最后才得出结果。芯片实验室则是把这三大步骤浓缩到一个平台上做，对用户来说无需知道中间步骤，是一个微型的自动化过程。2021/7/111生物芯片技术主要环节生物芯片技术主要环节l芯片制备:微点阵l样品制备：DNA提纯、扩增、标记l杂交：样本与互补模板形成双链l检测：共聚焦扫描、双色激光l数据处理:定量软件、数据库检索、RNA印迹等l结果2021/7/112生物芯片的技术环节2021/7/113芯片制

8、备芯片制备l原位合成法（in situ synthesis):有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，适用光引导化学原位合成技术。是目前制造高目睹寡核苷酸最为成功的方法l合成后交联（post-synthetic attachment):利用手工活自动点样装置将预先制备好的寡核苷酸或cDNA样品在经特殊处理过的玻片或其它材料上。主要用于诊断、检测病原体及其它特殊要求的中、低密度芯片的制备。2021/7/114两种制备方法比较两种制备方法比较l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、不能测定位置DNA序列l合成后交联:比较分析 制备方

9、式直接和简单，点样的样品课事先纯化，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。2021/7/115杂交杂交l是芯片技术中除方阵构建外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。适合长度的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。最后在封闭循环条件下杂交。2021/7/116样品制备样品制备l制备高质量样本是困难的但是又是极其重要的。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

10、、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。l用于基因类型分析的样本是DNA，用于表达研究的样本是cRNA。l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。2021/7/117结果分析结果分析 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，可采取下列分析处理数据：l共聚焦扫描仪：应用最广，重复性好但灵敏度较低。l质谱法：快速、准确，可准确判断是否存在基因突变和精确判断基因的序列位置。探针合成较复杂。l化学发光、光导纤维、二极管方阵检测、直接电荷变化检测等2021/7/118基因组研究医学研究药学研究新药开发疾病诊断健康预测疾病治疗司法鉴定军事防护食品卫生

11、生物计算机农林牧渔环境保护商 检 生物芯片生物芯片 生物芯片的应用前景生物芯片的应用前景2021/7/1191.生物芯片在环境生物学中的应生物芯片在环境生物学中的应用用l环境生物学主要研究环境污染引起的生态效应、生物或生态系统对污染的净化功能, 从而利用生物对环境进行监测、评价的原理和方法以及自然保护等。如今, 生物芯片在环境微生物检测中应用较多。环境微生物是反映环境质量的重要物质, 微生物广泛存在于水、大气和土壤中。生物芯片可用于进行土壤及水中的微生物检测及研究环境微生物与宿主的关系, 及分析蛋白质表达情况等。2021/7/1201.1检测土壤微生物及鉴定微生物群落检测土壤微生物及鉴定微生物

12、群落l美国橡树岭国家实验室的Jizhong Zhou等分别构建了世界上第一块用于土壤环境检测的功能基因芯片和用于微生物群落鉴定的群落基因组芯片(http: / www.ora1.gov)。张于光等与Jizhong Zhou等进行合作,利用Zhou等研制的环境检测功能基因芯片, 对青藏高原和秦岭地区的土壤微生物相关功能基因的多态性和在全球气候变化中的响应进行了研究, 该芯片含有固氮、硝化、去硝化等2704个基因, 这是我国首次利用基因芯片进行此类研究。Jack等则通过使用通用引物扩增细菌核糖体16SrRNA, 并将扩增产物与含有探针的低密度芯片进行杂交, 从而直接检测鉴定土壤中的微生物。2021

13、/7/1211.2研究微生物和宿主的关系研究微生物和宿主的关系 lBelcher等用cRNA芯片研究了被感染呼吸道上皮细胞及细胞百日咳杆菌基因表达变化, 这开辟了研究环境微生物与宿主的关系的新道路。2021/7/1221.3检测水中的微生物检测水中的微生物l德国一家主要的水管理企业现投资850万欧元与芯片公司共同开发用生物芯片检测公共饮用水中的微生物。生物芯片可以提供的信息量十分巨大, 可以比常规方法检测更多种的微生物并可检测微生物的遗传指纹, 精确可靠, 可以在4h内得出结果, 费用比常规方法低10倍。可以形成一种比现有水质控制更有效, 快速和价廉的检测技术。Taroncher- Olden

14、burg利用70mer长的寡核苷酸作为探针来检测河水、海湾等环境中氮循环基因的多样性, 这些基因包括amoA,nifH, nirK 和nirS等。2021/7/1232.生物芯片在环境毒理学中的应生物芯片在环境毒理学中的应用用l生物芯片中的基因芯片在环境毒理学领域的应 用较多。已问世的专门用于环境毒理学检测的毒理学芯片可以快速大规模检测污染源及环境毒物、研究环境毒物对人体的影响以及进行低剂量毒物实验等。其可靠性高, 使用简单, 有很好的应用前景。2021/7/1242.1用于环境毒物的检测用于环境毒物的检测l美国国立环境卫生研究院( VIEHS) 已开发了出检测环境有毒物的毒理芯片。Barto

15、siewicz等则利用DNA芯片对环境毒物进行了检测。Pennie 等构建了毒理芯片, 对基因芯片技术应用于毒性机制和毒性预测进行了研究。2021/7/1252.2用于环境毒物对人体影响的研用于环境毒物对人体影响的研究究l美国国家环境健康研究所毒理芯片研究小组拟计划将生物芯片技术用于测定暴露于人类的天然和合成化合物及化学混合物的相对安全性。Amundson等应用cDNA微辨别技术研究了放射性照射及有机毒剂对人骨髓细胞基因表达谱的影响。Gene Logic公司的芯片Flow- thru Chip已经试投入商业运用, 可用以检测药物和毒物对生物体的影响, 他们还建立了庞大的基因表达数据库, 可以用

16、于药物靶点确认和毒性预测( http: / ; Syngenta 公司和AstraZeneca Pharmaceuticals公司的科学家设计制作了被称为ToxBlotarrays的DNA芯片, 其第代产品ToxBlot含有大约13000人的基因, 包含了所有毒理学家感兴趣的基因家族和信号通路; 美国化学工业毒物研究所( Chemical Industry Institute of Toxicology) 中专门有一个工作小组用微阵列技术研究一些致癌毒物对人体的作用( http: /www.ciit.org/toxicogenomics/c onstruction.html) 。2021/7/

17、1263.生物芯片在分子生态学中的应生物芯片在分子生态学中的应用用l分子生态学是应用分子生物学的原理和方法来研究生命系统与环境系统相互作用的生态机理及其分子机制的科学。目前, 基因芯片已应用到该领域中,用于研究植被在生理适应、形态分化方面的分子基础, 以及植被等在逆境条件下基因表达的变化。l2003年瑞士Syngenta公司以自己开发的水稻20k单色水稻芯片为基础, 对水稻灌浆期的基因表达进行了研究。发现水稻中与产量形成的碳水化台物积累、蛋白储存、脂肪代谢等关键代谢途径中基因表达具有协调一致性。Kawasaki等就用cDNA芯片对水稻在盐胁迫的最初时相内的表达谱做了研究。杨传平等以柽柳(T.a

18、ndrossowii)为研究对象, 通过基因芯片技术研究了NaHCO3胁迫前后柽柳基因的差异表达情况, 为深入研究其抗盐机理奠定了基础。2021/7/1273.1生物芯片在环境医学中的应用生物芯片在环境医学中的应用l环境医学是研究环境与人群健康的关系, 特别是研究环境污染对人群健康的有害影响及其预防的一门科学。如今, 生物芯片技术已在环境流行病学、职业病研究和环境医学监测等领域得到了应用。2021/7/1283.2应用于环境流行病学应用于环境流行病学l周琦等以SARS冠状病毒TOR2株序列为设计标准, 研制出用于检测SARS病毒的全基因芯片, 芯片探针长度为70nt, 相邻探针序列重复25nt

19、, 共660条病毒探针, 覆盖了SARS冠状病毒的全部序列, 应用该基因芯片对病人、出人境食品、动植物及其产品进行检测,结果表明基因芯片技术检测SARS冠状病毒灵敏度高、特异性强, 而且准确、快速。吴海等以HBV、HVC高度保守的片段为探针成功制作了乙、丙型肝炎病毒双检基因芯片, 可望应用于临床。赵伟等将PCR产物用点样仪点于玻片介质上, 制成芯片, 检测40例乙肝患者血清的乙肝病毒, 准确率达80%。2021/7/1293.3应用于环境医学监测应用于环境医学监测l孟紫强等探讨了SO2的分子毒作用机制, 通过采用Affmetrix 公司的大鼠基因表达谱芯片(RAE230A)研究了短期动态吸入S

20、O2的大鼠肺组织基因表达谱的变化, 并揭示了高浓度SO2短期暴露对基因表达的影响。杨磊等用基因芯片分析急慢性砷染毒时人正常肝细胞(L一02细胞)基因表达谱的变化, 得出了长期染砷后与肿瘤发生及氧化还原有关的基因表达量升高的结论。2021/7/130环境芯片的在环境科学领域应用环境芯片的在环境科学领域应用前景展望前景展望l生物芯片技术是21世纪的朝阳产业, 有很好的发展前景。它克服了传统生物学技术操作繁杂、自动化程度低, 检测效率低等不足, 充分利用了生物科学、信息学等当今前沿领域的研究成果, 现在已越来越广泛的被应用到多个领域中。环境科学研究的主要是环境中的物质, 尤其是人类活动产生的污染物,

21、 及其在环境中的产生、迁移、转变、归宿等过程和运动规律, 因此, 将生物芯片技术引入环境科学研究中有重大意义。生物芯片高信息量、快速、微型化、自动化、成本低、污染少、用途广等优点, 很适应环境学研究中的技术需求, 使其在环境科学领域有很好的应用前景。虽然生物芯片技术在环境领域的应用实例还较少, 且其自身还有许多问题亟待解决( 如提高芯片的特异性、简化样品制备和标记操作程序、增加信号检测的灵敏度等等) , 但随着技术的发展与完善, 生物芯片技术必将会越来越广泛的应用到环境科学研究的各个领域, 给21世纪人类对环境的保护和治理带来一场“革命”。2021/7/131 谢谢！ 若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！