生物晶片技術論文

　　生物晶片是行動式生物化學分析器的核心技術。下面是小編精心推薦的，希望你能有所感觸!

　　篇一

　　生物晶片研究進展

　　摘要　生物晶片是行動式生物化學分析器的核心技術。通過對微加工獲得的微米結構作生物化學處理能使成千上萬個與生命相關的資訊整合在一塊釐米見方的晶片上。採用生物晶片可進行生命科學和醫學中所涉及的各種生物化學反應，從而達到對基因、抗原和活體細胞等進行測試分析的目的。生物晶片發展的最終目標是將從樣品製備、化學反應到檢測的整個生化分析過程整合化以獲得所謂的微型全分析系統***micro total analytical system***或稱縮微晶片實驗室***laboratory on a chip***。生物晶片技術的出現將會給生命科學、醫學、化學、新藥開發、生物武器戰爭、司法鑑定、食品和環境衛生監督等領域帶來一場革命。本文闡述了生物晶片技術在加工製備、功能和應用方面的近期研究進展。

　　關鍵詞：生物晶片，縮微晶片實驗室，疾病診斷，基因表達

　　人類基因組計劃的目標是在2005年完成對30億個人體基因組DNA鹼基的序列測定，現在通過使用更高階的毛細管陣列測序儀和商業操作，使該計劃有望提前完成。因此，人們現已開始利用人類基因組計劃中所發現的已知基因對其功能進行研究，亦即把已知基因的序列與功能聯絡在一起的功能基因組學研究。另外，與疾病相關的研究已從研究疾病的起因向探索發病機理方面轉移，並從疾病診斷向疾病易感性研究轉移。由於所有上述這些研究都與DNA結構、病理和生理等因素密切相關，因此許多國家現已開始考慮在後基因組時期，研究人員是否能用有效的硬體技術來對如此龐大的DNA資訊以及蛋白質資訊加以利用。為此，先後已有多種解決方案問世，如DNA的質譜分析法[1]、熒光單分子分析法[2]、陣列式毛細管電泳[3]、雜交分析[4]等。但到目前為止，在對DNA和蛋白質進行分析的各種技術中，發展最快和應用前景最好看的技術當數以生物晶片技術為基礎的親和結合分析、毛細管電泳分析法[5]和質譜分析法。此外，在此基礎上，通過與採用生物晶片技術和樣品製備方法 ***晶片細胞分離技術[6]和生化反應方法***如晶片免疫分析[7]和晶片核酸擴增[8]***相結合，許多研究機構和工業界都已開始構建所謂的縮微晶片實驗室。建立縮微晶片實驗室的最終目的是將生命科學研究中的許多不連續的分析過程，如樣品製備，化學反應和分離檢測等，通過採用象積體電路製作過程中的半導體光刻加工那樣的縮微技術，將其移植到晶片中並使其連續化和微型化。這些當年將數間房屋大小的分離元件計算機縮微成現在只有書本大小的筆記本式計算機有異曲同工之效。用這些生物晶片所製作的具有不同用途的生化分析儀具有下述一些主要優點，即分析全過程自動化、生產成本低、防汙染***晶片系一次性使用***、分析速度可獲得成千上萬倍的提高、同時，所需樣品及化學藥品的量可獲得成百上千倍的減少、極高的多樣品處理能力、儀器體積小、重量輕、便於攜帶。這類儀器的出現將會給生命科學、醫學、化學、新藥開發、生物武器戰爭、司法鑑定、食品和環境衛生監督等領域帶來一場革命。因此，它已廣為各國學術界和工業界所矚目[9]。

　　1 生物晶片的微加工製備

　　生物晶片的加工借用的是微電子工業和其他加工工業中比較成熟的一些微細加工***microfabrication***工藝***如：光學掩模光刻技術、反應離子刻蝕、微注入模塑和聚合膜澆注法***，在玻璃、塑料、矽片等基底材料上加工出用於生物樣品分離、反應的微米尺寸的微結構，如過濾器、反應室、微泵、微閥門等微結構。然後在微結構上施加必要的表面化學處理，再在微結構上進行所需的生物化學反應和分析。

　　生物晶片中目前發展最快的要算親和結合晶片***包括DNA和蛋白質微陣列晶片***。它的加工除了用到一些微加工工藝以外，還需要使用機器人技術。現在有四種比較典型的親和結合晶片加工方法。一種是Affymetrix公司開發出的光學光刻法與光化學合成法相結合的光引導原位合成法[10]。第二種方法是Incyte pharmaceutical公司所採用的化學噴射法，它的原理是將事先合成好的寡核苷酸探針噴射到晶片上指定的位置來製作DNA晶片的。第三種是斯坦福大學所使用的接觸式點塗法。該方法的實現是通過使用高速精密機械手所帶的移液頭與玻璃晶片表面接觸而將探針定位點滴到晶片上的[11]。第四種方法是通過使用四支分別裝有A、T、G、C核苷的壓電噴頭在晶片上作原位DNA探針合成的[12]。

　　2 生物晶片舉例

　　生物晶片是縮小了的生物化學分析器，通過晶片上微加工獲得的微米結構和生物化學處理結合，便可將成千上萬個與生命相關的資訊整合在一塊釐米見方的晶片上。採用晶片可進行生命科學和醫學中所涉及的各種生物化學反應，以達到對基因、抗原和活體細胞等進行測試分析的目的。通過分析可得到大量具有生物學、醫學意義的資訊。生物化學反應和分析過程通常包括三個步驟：1，樣品製備;2，生物化學反應;3，檢測和資料分析處理。將其中一個步驟或幾個步驟微型化整合到一塊晶片上就能獲得具有特殊功能的生物晶片，例如用於樣品製備的細胞過濾器晶片和介電電泳晶片、用於基因突變檢測和基因表達的DNA微陣列晶片和用於藥物篩選的高通量微米反應池晶片等。現在，世界各國的科學家們正致力於將生化分析的全過程通過不同晶片的使用最後達到全部功能的整合，以實現所謂的微型全分析系統或縮微晶片實驗室。使用縮微晶片實驗室，人們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。

　　2.1 樣品製備晶片

　　針對DNA分析，其製備過程通常要經過細胞分離、破胞、脫蛋白等多方面的工作，最後得到純度足夠高的待檢DNA。目前在細胞分離方法上較突出的有過濾分離***根據生物顆粒的尺寸差異進行分離***和介電電泳分離***利用在晶片上所施加的高頻非均勻電場使不同的細胞內誘匯出偶電極，導致細胞受不同的介電力作用，而從樣品中分離出來***等;晶片中的破胞方法有晶片升溫破胞、變壓脈衝破胞，以及化學破胞等。在捕獲DNA方面，CephEid公司應用溼法蝕刻和反應離子蝕刻/等離子蝕刻等工藝在矽片上加工出含有5000個高200微米直徑20微米的具有細柱式結構的DNA萃取晶片，專門用於DNA的萃取[13]。

　　2.2 生物化學反應晶片

　　由於目前所用檢測儀器的靈敏度還不夠高，因此從樣品中提取的DNA在標記和應用前仍需用PCR這樣的擴增複製技術複製幾十萬乃至上百萬個相同的DNA片段。

　　目前，在晶片中進行核酸擴增反應獲得成功的有賓夕法尼亞大學研究小組[8，14]，美國勞倫斯-利物摩國家實驗室[15]和Perkin-Elmer公司[16]。賓夕法尼亞大學研究小組所做的擴增反應都是在矽-玻璃晶片中進行的，晶片的外部加熱和冷卻採用的是計算機控制的帕爾帖電-熱器。在對晶片表面進行惰性處理後，亦即在矽片表面生長一層2000埃的氧化矽之後，他們成功地在矽-玻璃晶片中完成了一系列不同的核酸擴增反應，例如RT-PCR、LCR、多重PCR和DOP-PCR。由勞倫斯-利物摩國家實驗室加工的矽晶片所採用的加熱方式是晶片內建的薄膜多晶矽加熱套，其升降溫的速度很快。Perkin-Elmer公司的PCR反應則是在塑料晶片上完成的。倫敦帝國理工大學的研究者研製了一種樣品可在不同溫度的恆溫區間內連續流動的PCR晶片[17]。上述所有工作都是用事先提純了的DNA或RNA作為擴增反應的底物來完成的。為了將樣品製備和擴增反應整合為一體，賓夕法尼亞大學研究小組最近成功地在壩式微過濾晶片中直接對分離所得的人白細胞通過升溫方式胞解後所釋放的DNA進行了擴增，這是世界上首例將樣品製備和擴增反應整合為一體的研究成果[14]。

　　2.3 檢測晶片

　　2.3.1 毛細管電泳晶片

　　晶片毛細管電泳是1983年由杜邦公司的Pace開發出來的[18]。隨後，瑞士的Ciba-GEIgy公司和加拿大的Alberta大學合作利用玻璃晶片毛細管電泳完成了對寡核苷酸的分離[19]。首次用晶片毛陣列電泳檢測DNA突變和對DNA進行測序的是由加利福尼亞大學伯格利分校Mathies領導的研究小組完成的[20,21]。通過在晶片上加上高壓直流電，他們在近兩分鐘的時間內便完成了從118bp到1353bp的許多DNA片段的快速分離。此外，Mathies的小組與勞倫斯-利物摩國家實驗室Nothrup的研究小組合作，報道了首例將核酸擴增反應與晶片毛細管電泳整合為一體所作的多重PCR檢測工作[22]。賓夕法尼亞大學Wilding的小組與Ramsey的小組一道用晶片毛細管電泳對晶片中擴增得到的用於杜鑫-貝克肌萎縮診斷的多條DNA片段進行分離也獲得了成功[14]。其他用晶片毛細管電泳檢測突變的外國公司和學術機構有Perkin-Elmer公司、Caliper technologies公司、Aclara biosciences公司和麻省理工等。

　　2.3.2 DNA突變檢測晶片

　　dNA之所以能進行雜交是因為核苷A和T、G和C可同時以氫鍵結合互補成對。許多經典的分子生物學方法如桑格DNA測序法和PCR等都是以此為基礎的。最近出現的幾項技術，如用光刻掩膜技術作光引導原位DNA合成[23]、電子雜交技術[24]、高靈敏度鐳射掃描熒光檢測技術[25]等，使以雜交為基礎的應用有了長足的改善。最近的一些英文權威刊物對應用晶片雜交技術檢測突變作了報道。Hacia等人採用由96000個寡核苷酸探針所組成的雜交晶片，完成了對遺傳性乳腺癌和卵巢腫瘤基因BRCA1中外顯子上的24個異合突變***單核苷突變多型性***的檢測。他們通過引入參照訊號和被檢測訊號之間的色差分析使得雜交的特異性和檢測靈敏度獲得了提高[26]。另外，Kozal等人用高密度HIV寡核苷酸探針晶片對HIV病株的多型性作了分析[27]。Cronin等人用固化有428個探針的晶片對導致肺部囊性纖維化的突變基因進行了檢測[28]。用生物晶片作雜交突變檢測的美國公司有貝克曼儀器公司、Abbot laboratory、Affymetrix、Nanogen、Sarnoff、Genometrix、Vysis、Hyseq、Molecular dynamics等;英美學術機構有賓夕法尼亞大學、貝勒醫學院、牛津大學、Whitehead institute for Biomedical Research，海軍研究室，Argonne國家實驗室等。

　　通過雜交分析DNA的另一應用技術是重複測序。那麼，重複測序是怎麼工作的呢?首先，人們將長度為8-20個核苷的探針合成並固定到指甲蓋大小的矽晶片或玻璃晶片上。當含有與探針序列互補的DNA被置於聯有探針的晶片之後，固化探針就會通過與其序列互補的DNA片段雜交而結合[10]。通過使用帶有計算機的熒光檢測系統對“棋盤”每個格子上的熒光強弱及根據每個格子上已知探針的序列進行分析與組合就可得知樣品DNA所含有的鹼基序列。最近美國的Science雜誌對應用晶片雜交技術測序作了報道。Chee等人在一塊固化有135000個寡核苷酸探針***每個探針長度為25個核苷***的矽晶片上對長度為16.6kbp的整個人線粒體DNA作了序列重複測定。每個探針之間的空間間隔為35微米。測序精度為99%。另外Hacia還報道了一種微測序分析法***minisequencing-based assays***為檢測所有可能的鹼基序列變化提供了強有力的手段。此方法中需要將不同顏色熒光染料標記的四種ddNTP，加入到引物的酶促反應中，微陣列上固化的寡核苷酸用作酶促反應的引物，靶序列作為模板，可檢測到靶序列上的鹼基變化。用生物晶片從事雜交測序的美國公司有Affymetrix和Hyseq[29]。

　　2.3.3 用作基因表達分析的DNA晶片

　　隨著人類基因組計劃的順序進行，越來越多的能夠表達的人基因序列以及引發疾病和能預測疾病的各種突變正在為人們逐漸認識。為了能夠同時對多個可能的遺傳突變進行搜尋、加快功能基因組學研究的程序，人們現已把越來越多的注意力放到了能同時提供有關多個基因及其序列資訊的所謂並行分子遺傳學分析***parallel molecular genetic analysis***方法上。功能基因組學所研究的是在特定組織中、發育的不同階段或者是疾病的不同時期基因的表達情況。因此它的要求是要能在同一時刻獲得多個分子遺傳學分析的結果。譬如，許多疾病引發基因可能會有數以百計的與表徵有關的特定突變，因而，要求能有同時篩檢這些突變的有效方法。另外，任何一個細胞中都會有上千個基因在表達。而細胞間基因表達的差異往往能反應出這些細胞是發育正常還是在朝惡性腫瘤細胞方向發展。採用晶片技術利用雜交對基因表達進行分析的好處是它能用很少的細胞物質便能提供有關多基因差異表達的資訊，從而給疾病診斷和藥物篩選提供前所未有的資訊量[30]。Lockhart等人採用固化有65000個不同序列的長度為20個核苷的探針晶片，定量地分析了一個小鼠T細胞線中整個RNA群體內21個各不相同的信使RNA。這些專門設計的探針能與114個已知的小鼠基因雜交。分析發現在誘發生成細胞分裂後，另外有20個信使RNA的表達也發生了改變。檢測結果表明該系統對RNA的檢出率為1:300000，對信使RNA的定量基準為1:300[32]。Wang等人在研究表鬼臼毒素吡喃葡糖苷***etoposide***誘導的細胞程式性死亡時，利用DNA晶片技術，製備了一次可檢測6591種人細胞信使RNA的寡聚核苷酸微陣列，檢測到誘導後的細胞內有62種信使RNA的量發生了變化。通過挑選12個與誘導作用有關的基因作進一步研究，它們發現了2個新的p53靶基因[33]。DeRisi等人將一個惡性腫瘤細胞線中得到的870個不同的cDNA探針通過機械手“刷印”至載玻片上以觀察癌基因的表達情況。在比較兩個標有不同熒游標記的細胞信使RNA群的雜交結果之後，他們對引入正常人染色體後腫瘤基因受到抑制的細胞中的基因表達結果進行了分析[34]。另外，Shoemaker等人報道了一種利用生物晶片來確定許多新近發現的酶母基因的生物功能的所謂分子條形編碼技術。這種技術的好處是它能讓我們以並行的方式定量地分析很複雜的核酸混合物[35]。Lueking等人最近採用蛋白質微陣列技術，把作為探針的蛋白質高密度地固定在聚雙氟乙烯膜***polyvinylidene difluoride***上，並檢測到了10pg的微量蛋白質測試樣。對92個人cDNA克隆片段表達的產物進行檢測，用單克隆技術作平行分析，證實了假陽性的的檢出率低。由於蛋白質微陣列技術不受限於抗原-抗體系統，故能為高效篩選基因表達產物及研究受體-配體的相互作用提供一條新的有效途徑[36]。

　　2.4 縮微晶片實驗室

　　生物晶片發展的最終目標是將從樣品製備、化學反應到檢測的整個分析過程整合化以獲得所謂的微型全分析系統或稱縮微晶片實驗室。1998年6月，Nanogen公司的程京博士和他的同事們首次報道了用晶片實驗室所實現的從樣品製備到反應結果顯示的全部分析過程。他們用這個裝置從混有大腸桿菌的血液中成功地分離出了細菌，在高壓脈衝破胞之後用蛋白酶K孵化脫蛋白，製得純化的DNA，最後用另一塊電子增強的DNA雜交晶片分析證實提取物是大腸桿菌的DNA。這是向縮微實驗室邁進的一個成功的突破[37]。目前，含有加熱器、微泵微閥、微流量控制器、電子化學和電子發光探測器的晶片已經研製出來了，而且，也出現了將樣品製備、化學反應和分析檢測部分結合的晶片***例如，樣品製備和PCR[38];競爭免疫測定和毛細管電泳分離[39]***。相信不久的將來，包含所有步驟的縮微晶片實驗室將不斷湧現。

　　3 結尾

　　經過近十年的不懈努力，生物晶片技術發展至今已經開始對生命科學研究的許多領域帶來衝擊甚至革命。以美國為首的西方發達國家在該領域已經取得了令人眩目的成就。到現在，從樣品製備、化學反應到檢測的三個步驟已獲得了部分整合，三個部分的全部整合已初現端倪。中國在這方面尚未起步，如果各方面重視，投入一定的人力和物力，相信不久的將來在該領域中我們也會佔有一席之地的。

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