文章编号: 1007 - 4627 (2008) 01 - 0077 - 05

    基因芯片技术及其在放射治疗中的应用3

    胡凯骞1, 2

    , 党秉荣1

    , 邴 涛1

    , 李文建1

    , 王菊芳1

    (1中国科学院近代物理研究所 , 甘肃 兰州 730000;

    2中国科学院研究生院 , 北京 100049)

    摘 要: 基因芯片技术是建立在杂交序列基本理论上的分子生物学技术 , 它以一种全面、 综合和系

    统的思维方式研究生命现象。 基因芯片技术可以完整地研究整个细胞或器官全部基因变化, 可以通

    过基因分析发现对电离辐射的基因反应差异 , 从而建立一种新的分子放射生物学方法。 综述了基因

    芯片技术及应用领域 , 重点介绍了基因芯片技术在辐射治疗癌症中的应用。 概述了重离子治疗肿瘤

    优于其它射线的原因。 展望了利用基因芯片技术的优势探索肿瘤经重离子辐照前、 中、 后期的生物

    学效应。

    关 键 词: 基因芯片; 放射治疗; 重离子

    中图分类号: R815 文献标识码: A

    1 引言

    恶性肿瘤 (癌症 )是对人类生命健康危害极大

    的疾病 , 全世界的科学家采用了各种治疗方法 , 如

    外科手术、 化学治疗、 免疫治疗和放射治疗等来解

    决这一棘手的问题 (见图 1

    [ 1 ])。

    图 1 各种治疗肿瘤的方法

    放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段之一。 电

    离辐射能通过引起各种细胞的 DNA断裂抑制细胞

    的增生。 当细胞吸收任何形式的辐射能量后 , 射线

    都可能直接与细胞内的构成部分发生作用 , 直接或

    间接地损伤细胞 DNA, 导致细胞死亡。 近年来 , 随

    着科技的发展 , 放疗在肿瘤治疗中的地位愈显重

    要。 大约 60%—70%的肿瘤患者在病程的不同时期

    因不同的目的需要接受放射治疗。 放射治疗作为根

    治方法已在一些肿瘤治疗中获得成效 , 如皮肤癌、鼻咽癌、 精原细胞瘤等的治疗。 但由于细胞的自我

    防御机制 , 一些恶性肿瘤细胞可以逃避射线杀伤并

    产生辐射抗性 , 严重影响肿瘤的放疗效果。 所以目

    前依然不能达到较高和满意的治愈率。 基因芯片技

    术作为一个能够对组织内基因表达进行研究的高通

    量和高效率的技术平台, 随着自身技术的完善以及

    生物信息学的进展 , 在肿瘤的检测、诊断、治疗、预后和分类等方面的应用越来越广泛。 与目前的放

    疗技术相结合将会开辟肿瘤治疗研究的新途径。

    2 基因芯片技术的介绍

    基因芯片技术是以 20世纪 70年代的 Southern

    印迹法杂交技术为基础。 最早的设想是由俄罗斯科

    学院恩格尔哈得分子生物学研究所和美国阿贡国家

    实验室的科学家提出的, 其原理是利用杂交法测定

    核酸序列。 与此同时 , 英国牛津大学生化系的 Sou2

    then等也取得了在载体固定寡核苷酸及杂交测序的

    国际专利。1994年 , 用于检测地中海贫血症病人血

    样基因突变的第一个基因芯片诞生[ 2 ]。 随后基因芯

    片的制造技术迅速发展并不断完善 , 一些商业化的

    第 25卷 第 1期 原 子 核 物 理 评 论 Vol125, No . 1

    2008年 3月 Nuclear Physics Review Mar . , 2008

    3 收稿日期: 2007 2 05 2 21; 修改日期: 2007 2 07 2 04

    3 基金项目: 中国科学院西部之光人才培养计划资助项目 (O406020XB0) ; 甘肃青年科学基金资助项目

    作者简介: 胡凯骞 (1982—) , 男 (汉族) , 甘肃兰州人, 硕士生, 从事重离子辐射生物学研究;

    E2 mail : huxiangkai05@mails . gucas . ac . cn基因芯片产品也逐步投入实际使用。

    基因芯片技术通过把巨大数量的寡核苷酸、 肽

    核苷酸或 cDNA固定在一块面积很小的硅片、 玻片

    或尼龙膜上而构成基因芯片。根据 DNA序列片段

    的种类 , 基因芯片大致可以分为寡核苷酸芯片和

    cDNA芯片。 而按照制造工艺 , 基因芯片大致可以

    分为原位合成和点样法两种[ 3 ]。 基因芯片的工作原

    理与 Southern和 Northern是一致的 , 都是利用已知

    核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交 , 通

    过获得杂交信号对被检测靶基因进行定性和定量分

    析。 但基因芯片与传统方法的区别在于 , 基因芯片

    将大量的探针集成于一张微小的基片表面 , 从而能

    在同一时间对成千上万的大量基因进行平行分析 ,从而获取大量的生物信息[ 4 ]。 图 2给出了基因芯片

    杂交结果分析图 , 纵横两轴代表两种样品的荧光信

    号强度 I, 图中的每一个点代表一段基因杂交信号

    序列。 由图得出 , 在芯片上 5 705个基因中 , 有 40

    个基因的表达有明显差异[ 5 ]。

    图 2 杂交信号强度数据散点图

    目前 , 基因芯片技术的应用领域主要有: 基因

    表达谱分析、DNA测序、 新基因的发现、 基因多态

    性检验、 基因组文库作图、单碱基多态性、疾病的

    诊断和分型、 药物筛选、 基因突变及肿瘤相关基因

    的测定等。

    3 与辐射相关的基因芯片技术

    在 20世纪 80年代 , 有人猜测哺乳类细胞缺乏

    明显的电离辐射导致 DNA损伤的应激基因反应 ,虽然当时已经发现酵母菌有约 1%的辐射反应基

    因[ 6 ]。 后来陆续发现 , 电离辐射和其他 DNA损伤因

    子可以引起许多哺乳类细胞中多达数百种基因变

    化 , 其中有一些可能是特异性对辐射损伤反应 (如

    一些 DNA损伤修复基因和机体内隐伏病毒基因激

    活等 ) , 更多的则是电离辐射触发许多非特异性损

    伤的“ 共同通路 ” 反应基因 , 如生长因子、 细胞周期

    蛋白和许多原癌基因的活动等。 研究还发现 , 对电

    离辐射的基因反应是变化多端的, 来源于不同组织

    的细胞株、 同一组织来源而性状不一的细胞株 , 其

    基因辐射反应各异。 虽然可能存在许多信号反应通

    路被电离辐射所激活 , 但 p53仍是目前倍受关注的

    一个焦点。p53基因产物是调节细胞周期和细胞凋

    亡的重要因子。 致突变因子引起的 DNA损伤 , 能迅

    速诱导 p53产物的积累 , p53产物将细胞周期阻滞

    于 G1期 , 并结合增值细胞抗原 ( PCNA)而抑制 DNA

    复制 , 使被损伤的 DNA在复制之前有修复的时间。

    如果损伤得不到修复 , p53还可以引起细胞凋亡,清除带有突变的细胞。如果 p53基因发生突变 , 突

    变的 p53产物则丧失了诱导细胞周期阻滞的能力,导致细胞基因组的不稳定性。 在不同人类肿瘤细胞

    株受照后的基因反应中 , ATF3和 FRA1因其与 p53

    的特殊关系尤受关注 , 继续应用 p53野生型株以及

    裸鼠实验 , 证实了这两个基因的确受 p53调控 , 同

    样的方法也证实其他受 p53调控的基因存在 , 例如

    MDm2等[ 7 ]。 随着基因芯片技术的不断完善 , 利用

    基因芯片技术可以完整地研究整个细胞或器官全部

    基因变化 , 可以通过基因分析发现对电离辐射的基

    因反应差异, 从而建立一种新的分子放射生物学方

    法。 应用该技术已经初步发现一些新的辐射反应基

    因活动 , 对肿瘤治疗具有重要意义 ......