生物芯片技术与缩微实验室
作者：许俊泉 万妮 程京
单位：许俊泉(清华大学 生物芯片研究与开发中心，北京 100084)；万妮(清华大学 生物芯片研究与开发中心，北京 100084)；程京(清华大学 生物芯片研究与开发中心，北京 100084)
关键词：
医学与哲学000203摘要：基于微加工技术发展起来的生物芯片，可以把成千上万乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上，对基因、抗原和活体细胞等进行分析和检测。用这些生物芯片制作的各种生化分析仪和传统仪器相比较具有体积小、重量轻、便于携带、无污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等诸多优点。这类仪器的出现将给生命科学研究、疾病诊断和治疗、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天等领域带来一场革命。
中图分类号：R318 文献标识码：A
, http://www.100md.com
文章编号：1002-0772(2000)02-0008-03
Biochip Technology and lab-on-a-chip
XU Jun-quan WAN Ni CHENG Jing
(Biochip Research & Development Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Abstract：Biochip as a new research field has enjoyed its rapid development in the past 10 years.Using microfabrication technology,thousands or hundred thousands of biological molecules can be assembled on a microchip.Those chip-based devices can be used to analyze mutations,antigens,cells,etc.Compared to the traditional analytical instruments,chip-based micro total analytical systems have many advantages,such as reduced size,lower consumption of both reagents and energy,contamination-free,etc.Biochip technology is believed to revolutionize the future research in life sciences,disease diagnosis,drug discovery,forensic sciences and outer space exploitation.
, 百拇医药
Key Words：biochip;lab-on-a-chip;disease diagnosis
1 生物芯片的微加工制备
生物芯片的加工所依赖的是微电子工业中应用十分成熟的一些微细加工工艺。但目前用的最多的仍还是超大规模集成电路生产中应用较为广泛的一种被称之为光学光刻的技术，采用这种技术对硅片进行加工的过程与扩印像片的原理是相似的。所不同的只是硅片取代了印象纸，具有微细结构的掩模板取代了底片。光学光刻的第一步是通过光学制板照相制备掩模，制备好的掩模通常是镀有铬层的石英玻璃板，该铬层事先已按微细结构的图形被刻蚀成了透光和不透光两个部分。第二步是光刻，该过程中，让掩模与表面涂有光刻胶的硅片接触，然后让光源通过掩摸照射到硅片上，通过显影光刻胶中的图形，使其上未被掩模遮掩的部分被溶解除去。上述工作完成之后，通过对无胶保护的硅片用腐蚀剂蚀剂，再去除剩余的光刻胶便可获得所需生物芯片的微细结构。这种方法主要用于加工下述用于生物样品处理、化学反应以及毛细管电泳的芯片。在DNA芯片的制作过程中，比较典型的方法有四种：一个是Affymetrix公司开发的光引导原位合成法。这种方法是上述光学光刻法与光化学合成法结合的结晶。第二种方法是Incyte Pharmaceutical公司所采用的化学喷射法。该方法是将合成好的寡核苷酸探针定点喷射到芯片上来制作DNA芯片的。第三种是Synteni公司所使用的接触式点涂法，它在DNA芯片制备中使用的是高速精密机械手通过让移液头与玻璃芯片接触而将探针定位点滴到芯片上的。第四种方法是通过使用四支分别装有A、T、G、C核苷的压电喷头在芯片上并行合成出DNA探针的。
, http://www.100md.com
2 生物芯片三个组成部分的功用
DNA分析的生物芯片大致由三个部分组成。这三个部分的功能分别是核酸样品的制备、DNA片段的化学反应制备、DNA片段的毛细管电泳检测或杂交分析。
以下论述这三个方面的基本工作原理和研究现状。
2.1 核酸样品的制备细胞的过滤分离
针对人白细胞的分离，宾夕法尼亚大学的研究小组研究出了一种芯片微过滤法。采用这种方法，首先就必须制作出微过滤用的芯片。加工芯片过滤器是通过在硅片上刻出各种形状的过滤通道大小为几个微米的几何结构，然后，再在硅芯片上烧结上一块玻璃盖片而完成。芯片微过滤法的工作原理是根据人白细胞的尺寸比红细胞大的特点，使人外周血流过微过滤器时只让血浆和尺寸较小的红血细胞及血小板通过，而截住尺寸较大的白细胞。通过反复试验和设计，微芯片过滤器已从最初的竖式Z形结构，通过过渡改型成为竖式条状梳式结构，到最后定型为横坝式结构。采用横坝式结构的优点是人白细胞的回收率高，过滤器不容易被堵塞。横坝式过滤通道的尺寸为3.5微米。微芯片过滤器的另一应用是它可将孕妇外周血中的极少量的胎儿细胞过滤出来，供下一步作产前诊断之用。
, 百拇医药
细胞的介电电泳分离和电子胞解
为了把不同的癌细胞、细菌或病毒从血样、水样或其他液体样品中分离出来，人们设计加工出了用作介电电泳的生物电子芯片。通过在硅芯片上制作一系列各种排列的金属电极和在这些电极上施加高频电场，就可在不同的细胞内感应出偶电极，而这些偶电极的出现又反过来使得不同的细胞要么承受正介电力，要么承受负介电力，而能够让它们从各种液体样品中分离出来。
2.2 芯片中的核酸扩增反应
目前，在芯片中进行核酸扩增反应获得成功的有宾夕法尼亚大学研究小组，美国劳伦斯。利物国家实验室和PE公司。宾夕法尼亚大学研究小组所做的扩增反应都是在12微升的硅—玻璃芯片中进行的，芯片的外部加热和冷却采用的是计算机控制的帕尔贴电热器。在对芯片表面进行惰性处理后，亦即在硅片表面生长一层2 000埃的氧化硅之后，他们成功地在硅—玻璃芯片中完成一系列不同的核酸扩增反应，例如RT-PCR、LCR、多重PCR和DOP-PCR。由劳伦斯。利物国家实验室所加工的硅芯片体积为20～40微升，他们所采用的加热方式是芯片内置的薄膜多晶硅加热套，所完成的扩增反应是多重PCR。PE公司的PCR反应则是在单个反应器体积小至0.5微升的塑料芯片上完成的。上述所有工作都是用事先提纯了的DNA或RNA作为扩增反应的底物来完成的。为了将样品制备和扩增反应集成为一体，宾夕法尼亚大学研究小组最近成功地在坝式微过滤芯片中直接对分离所得的人白细胞胞解后的DNA进行了扩增，得到了与人肌萎缩基因中的外显子6个对应的大小为202bp的DNA片段，该产物经毛细管电泳分析获得了确认，这是世界上首例将样品制备和扩增反应集成为一体的研究成果。
, http://www.100md.com
2.3 DNA的芯片毛细管电泳检测和杂交分析突变检测
芯片毛细管电泳是1983年由杜邦公司的Pace开发出来的。随后，瑞士的Ciba-Geigy公司和加拿大的Alberta大学合作利用玻璃芯片毛细管电泳完成对寡核苷酸的分离。首次用芯片毛细管阵列电泳检测DNA突变的工作是由加利福尼亚大学伯格利分校Mathies领导的研究小组完成的。通过在芯片上加上很高的直流电压，他们在近两分钟的时间内完成了从118bp到1 353bp的许多DNA片段的快速分离。此外，Mathies的小组与劳伦斯。利物国家实验室Nothrup的研究小组合作，报道了首例将核酸扩增反应与芯片毛细管电泳集成为一体所作的多重PCR检测工作。另外，美国橡树岭国家实验室的Ramsey研究小组成功地在玻璃芯片中对DNA先作限制性内切酶酶切，然后再进行毛细管电泳检测。宾夕法尼亚大学Wilding的小组与Ramsey的小组一道用芯片毛细管电泳对芯片中扩增得到的用于杜鑫—贝克肌萎缩诊断的多条DNA片段进行分离也获得了成功。其他用芯片毛细管电泳检测突变的外国公司的学术机构有PE公司、Caliper Technologies公司、Aclara Biosciences公司、麻省理工等。
, http://www.100md.com
DNA之所以能进行杂交是因为核苷A和T、G和C可同时以氢键结合互补成对。许多经典的分子生物学方法如桑格DNA测序法和PCR等都是以此为基础的。最近出现的几项技术，如用光刻掩膜技术合成DNA、电子杂交技术、高灵敏度自动共焦荧光显微镜扫描技术等，使以杂交为基础的应用有了长足的改善。最近的一些英文权威刊物对应用芯片杂交技术检测突变作了报道。Hacia等人采用由96000个寡核苷酸探针所组成的杂交芯片，完成了对遗传性乳腺癌和卵巢肿瘤基因BRCA1中外显子上的24个异合突变(单核苷突变多态性)的检测。他们通过引入参照信号和被检测信号之间的色差分析使得杂交的特异性和检测灵敏度获得了提高。另外，Kozal等人用高密度HIV寡核苷酸探针芯片对HIV病株的多态性作了分析。Cronin等人用固化有428个探针的芯片对导致肺部囊性纤维化的突变基因进行了检测。用生物芯片从事检测突变的美国公司有贝克曼仪器公司、惠普公司、Abbot Laboratory公司、Affymetrix、Nanogen、David Sarnoff、Genometrix、Vysis、Hyseq、Molecular、Tool、Molecular Dynamics等；英美学术机构有宾夕法尼亚大学、贝勒医学院、牛津大学、Whitehead Institute for Biomedical Research,Houston Advanced Research Center,Naval Research Laboratory,Argonne National Laboratory。
, http://www.100md.com
DNA测序
芯片毛细管电泳测序的原理与普通毛细管电泳测序的原理相同。目前世界上唯一报道芯片毛细管电泳测序结果的是Mathies领导的研究小组。他们利用芯片变性毛细管电泳在10分钟之内就完成了对433个碱基序列的测定。该测序芯片中通过光刻加工出的毛细管长度为3.5cm，横切面尺寸50μm×8μm。此外，从事芯片毛细管电泳测序的其他美国公司和学术机构为CuraGen公司和普林斯顿大学。
用芯片分析DNA的另一应用技术是杂交测序。多么，杂交测序是怎么工作的呢?首先，人们将长度为8～20个核苷的探针合成出来，然后将它们按照象围棋盘那样的布置固定化到指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上。当含有与探针序列互补的DNA与其他无关DNA的混合物被置于联有探针的芯片上之后，固化探针就会通过与其序列互补的DNA片段杂交而将其从很复杂的混合样品分离出来。通过使用带有计算机的荧光检测系统对“棋盘”每个格子上的荧光强弱及根据每个格子上已知探针的序列进行分析与组合就可得知样品DNA所含有的碱基序列。最近的美国Science杂志对应用芯片杂交技术测序作了报道。Chee等人在一块固化有135 000个寡核苷酸探针(每个探针长度为25个核苷)的硅芯片上对长度为166kbp的整个人线粒体基因组作了序列测定。每个探针之间的空间间隔为35μm，测序精度为99°。此外，通过对11个非洲人个体样品进行分析，他们发现在这些样品的线粒体DNA中所存在的突变多态性多达505个。用生物芯片从事杂交测序的美国公司有Affymetrix和Hsysen.
, 百拇医药
基因表达分析
随着人类基因组计划的顺利进行，越来越多的能够表达的人基因序列以及引发疾病和能预测疾病的各种突变正在为人们逐渐认识。为了能够同时对多个可能的遗传突变进行搜寻，加快功能基因组学研究的进程，人们现已把越来越多的注意力放到了能同时提供有关多个基因及其序列的所谓并行分子遗传学分析方法上。功能基因组学所研究的是在特定组织中，发育的不同阶段或者是疾病的不同时期基因的表达情况。因此它的要求是要能在同一时刻获得多个分子遗传学分析的结果。譬如，许多疾病引发基因可能会有数以百计的与表征有关的特定突变。因而，要求能有同时筛检这些突变的有效方法。另外，任何一个细胞中都会有上千个基因在表达。而细胞间基因表达的差异往往能反映出这些细胞是发育正常还是在朝恶性肿瘤细胞方向发展。采用芯片利用杂交对基因表达进行分析的好处是它能用很少的细胞物质便能提供有关多基因差异表达的信息，从而给疾病诊断和药物筛选带来了巨大冲击。Lockhart等人采用基其上固化有由65 000个不同序列的长度为20个核苷的探针芯片，定量地分析了一个小鼠T细胞线中整个RNA群体中21个各不相同的信使RNA。这些专门设计的探针能与114个已知的小鼠基因杂交。分析发现在诱发生成细胞分裂后，另有20个信使RNA的表达也发生了改变。检测结果表明该系统对RNA的检出率为1∶300 000，对信使RNA的定量基准为1∶300。DeRisi等人将一个恶性肿瘤细胞线中得到的870个不同的cDNA探针通过机械手“刷印”到载玻片上以观察癌基因的表达情况，在比较两个标有不同荧光标记的细胞信使RNA群的杂交结果之后，他们对引入正常人染色体后肿瘤基因受到抑制的细胞中的基因表达结果进行了分析。另外，Shoemaker等人报道了一种利用生物芯片来确定许多新近发现的酵母基因的生物功能的所谓分子条形编码技术。这种技术的好处是它能让我们以并行的方式定量地分析很复杂的核酸混合物。
, http://www.100md.com
3 结尾
以生物芯片技术为基础的另外一个很有应用价值的研究方向是用生物芯片技术所具有的高集成度与组合化学相结合，为新药研究的初筛提供超高通量筛选(Ultra-High Throughput Screening)。另外，用生物芯片技术还可以对中药的真伪和有效成分进行快速鉴定和分析。在材料上，除了用硅作生物芯片的加工之外，有的研究单位现已开始采用塑料成模工艺和弹性体来加工制作生物芯片。采用塑料或弹性体的好处是生产成本可进一步降低，用过的芯片更便于丢弃处置，样品和试剂所面临的表面化学问题更容易得到解决。
作者简介：许俊泉(1975～)，男，福建莆田人，硕士。清华大学生物芯片研究与开发中心。
收稿日期：1999-12-06, 百拇医药
单位：许俊泉(清华大学 生物芯片研究与开发中心，北京 100084)；万妮(清华大学 生物芯片研究与开发中心，北京 100084)；程京(清华大学 生物芯片研究与开发中心，北京 100084)
关键词：
医学与哲学000203摘要：基于微加工技术发展起来的生物芯片，可以把成千上万乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上，对基因、抗原和活体细胞等进行分析和检测。用这些生物芯片制作的各种生化分析仪和传统仪器相比较具有体积小、重量轻、便于携带、无污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等诸多优点。这类仪器的出现将给生命科学研究、疾病诊断和治疗、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天等领域带来一场革命。
中图分类号：R318 文献标识码：A
, http://www.100md.com
文章编号：1002-0772(2000)02-0008-03
Biochip Technology and lab-on-a-chip
XU Jun-quan WAN Ni CHENG Jing
(Biochip Research & Development Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Abstract：Biochip as a new research field has enjoyed its rapid development in the past 10 years.Using microfabrication technology,thousands or hundred thousands of biological molecules can be assembled on a microchip.Those chip-based devices can be used to analyze mutations,antigens,cells,etc.Compared to the traditional analytical instruments,chip-based micro total analytical systems have many advantages,such as reduced size,lower consumption of both reagents and energy,contamination-free,etc.Biochip technology is believed to revolutionize the future research in life sciences,disease diagnosis,drug discovery,forensic sciences and outer space exploitation.
, 百拇医药
Key Words：biochip;lab-on-a-chip;disease diagnosis
1 生物芯片的微加工制备
生物芯片的加工所依赖的是微电子工业中应用十分成熟的一些微细加工工艺。但目前用的最多的仍还是超大规模集成电路生产中应用较为广泛的一种被称之为光学光刻的技术，采用这种技术对硅片进行加工的过程与扩印像片的原理是相似的。所不同的只是硅片取代了印象纸，具有微细结构的掩模板取代了底片。光学光刻的第一步是通过光学制板照相制备掩模，制备好的掩模通常是镀有铬层的石英玻璃板，该铬层事先已按微细结构的图形被刻蚀成了透光和不透光两个部分。第二步是光刻，该过程中，让掩模与表面涂有光刻胶的硅片接触，然后让光源通过掩摸照射到硅片上，通过显影光刻胶中的图形，使其上未被掩模遮掩的部分被溶解除去。上述工作完成之后，通过对无胶保护的硅片用腐蚀剂蚀剂，再去除剩余的光刻胶便可获得所需生物芯片的微细结构。这种方法主要用于加工下述用于生物样品处理、化学反应以及毛细管电泳的芯片。在DNA芯片的制作过程中，比较典型的方法有四种：一个是Affymetrix公司开发的光引导原位合成法。这种方法是上述光学光刻法与光化学合成法结合的结晶。第二种方法是Incyte Pharmaceutical公司所采用的化学喷射法。该方法是将合成好的寡核苷酸探针定点喷射到芯片上来制作DNA芯片的。第三种是Synteni公司所使用的接触式点涂法，它在DNA芯片制备中使用的是高速精密机械手通过让移液头与玻璃芯片接触而将探针定位点滴到芯片上的。第四种方法是通过使用四支分别装有A、T、G、C核苷的压电喷头在芯片上并行合成出DNA探针的。
, http://www.100md.com
2 生物芯片三个组成部分的功用
DNA分析的生物芯片大致由三个部分组成。这三个部分的功能分别是核酸样品的制备、DNA片段的化学反应制备、DNA片段的毛细管电泳检测或杂交分析。
以下论述这三个方面的基本工作原理和研究现状。
2.1 核酸样品的制备细胞的过滤分离
针对人白细胞的分离，宾夕法尼亚大学的研究小组研究出了一种芯片微过滤法。采用这种方法，首先就必须制作出微过滤用的芯片。加工芯片过滤器是通过在硅片上刻出各种形状的过滤通道大小为几个微米的几何结构，然后，再在硅芯片上烧结上一块玻璃盖片而完成。芯片微过滤法的工作原理是根据人白细胞的尺寸比红细胞大的特点，使人外周血流过微过滤器时只让血浆和尺寸较小的红血细胞及血小板通过，而截住尺寸较大的白细胞。通过反复试验和设计，微芯片过滤器已从最初的竖式Z形结构，通过过渡改型成为竖式条状梳式结构，到最后定型为横坝式结构。采用横坝式结构的优点是人白细胞的回收率高，过滤器不容易被堵塞。横坝式过滤通道的尺寸为3.5微米。微芯片过滤器的另一应用是它可将孕妇外周血中的极少量的胎儿细胞过滤出来，供下一步作产前诊断之用。
, 百拇医药
细胞的介电电泳分离和电子胞解
为了把不同的癌细胞、细菌或病毒从血样、水样或其他液体样品中分离出来，人们设计加工出了用作介电电泳的生物电子芯片。通过在硅芯片上制作一系列各种排列的金属电极和在这些电极上施加高频电场，就可在不同的细胞内感应出偶电极，而这些偶电极的出现又反过来使得不同的细胞要么承受正介电力，要么承受负介电力，而能够让它们从各种液体样品中分离出来。
2.2 芯片中的核酸扩增反应
目前，在芯片中进行核酸扩增反应获得成功的有宾夕法尼亚大学研究小组，美国劳伦斯。利物国家实验室和PE公司。宾夕法尼亚大学研究小组所做的扩增反应都是在12微升的硅—玻璃芯片中进行的，芯片的外部加热和冷却采用的是计算机控制的帕尔贴电热器。在对芯片表面进行惰性处理后，亦即在硅片表面生长一层2 000埃的氧化硅之后，他们成功地在硅—玻璃芯片中完成一系列不同的核酸扩增反应，例如RT-PCR、LCR、多重PCR和DOP-PCR。由劳伦斯。利物国家实验室所加工的硅芯片体积为20～40微升，他们所采用的加热方式是芯片内置的薄膜多晶硅加热套，所完成的扩增反应是多重PCR。PE公司的PCR反应则是在单个反应器体积小至0.5微升的塑料芯片上完成的。上述所有工作都是用事先提纯了的DNA或RNA作为扩增反应的底物来完成的。为了将样品制备和扩增反应集成为一体，宾夕法尼亚大学研究小组最近成功地在坝式微过滤芯片中直接对分离所得的人白细胞胞解后的DNA进行了扩增，得到了与人肌萎缩基因中的外显子6个对应的大小为202bp的DNA片段，该产物经毛细管电泳分析获得了确认，这是世界上首例将样品制备和扩增反应集成为一体的研究成果。
, http://www.100md.com
2.3 DNA的芯片毛细管电泳检测和杂交分析突变检测
芯片毛细管电泳是1983年由杜邦公司的Pace开发出来的。随后，瑞士的Ciba-Geigy公司和加拿大的Alberta大学合作利用玻璃芯片毛细管电泳完成对寡核苷酸的分离。首次用芯片毛细管阵列电泳检测DNA突变的工作是由加利福尼亚大学伯格利分校Mathies领导的研究小组完成的。通过在芯片上加上很高的直流电压，他们在近两分钟的时间内完成了从118bp到1 353bp的许多DNA片段的快速分离。此外，Mathies的小组与劳伦斯。利物国家实验室Nothrup的研究小组合作，报道了首例将核酸扩增反应与芯片毛细管电泳集成为一体所作的多重PCR检测工作。另外，美国橡树岭国家实验室的Ramsey研究小组成功地在玻璃芯片中对DNA先作限制性内切酶酶切，然后再进行毛细管电泳检测。宾夕法尼亚大学Wilding的小组与Ramsey的小组一道用芯片毛细管电泳对芯片中扩增得到的用于杜鑫—贝克肌萎缩诊断的多条DNA片段进行分离也获得了成功。其他用芯片毛细管电泳检测突变的外国公司的学术机构有PE公司、Caliper Technologies公司、Aclara Biosciences公司、麻省理工等。
, http://www.100md.com
DNA之所以能进行杂交是因为核苷A和T、G和C可同时以氢键结合互补成对。许多经典的分子生物学方法如桑格DNA测序法和PCR等都是以此为基础的。最近出现的几项技术，如用光刻掩膜技术合成DNA、电子杂交技术、高灵敏度自动共焦荧光显微镜扫描技术等，使以杂交为基础的应用有了长足的改善。最近的一些英文权威刊物对应用芯片杂交技术检测突变作了报道。Hacia等人采用由96000个寡核苷酸探针所组成的杂交芯片，完成了对遗传性乳腺癌和卵巢肿瘤基因BRCA1中外显子上的24个异合突变(单核苷突变多态性)的检测。他们通过引入参照信号和被检测信号之间的色差分析使得杂交的特异性和检测灵敏度获得了提高。另外，Kozal等人用高密度HIV寡核苷酸探针芯片对HIV病株的多态性作了分析。Cronin等人用固化有428个探针的芯片对导致肺部囊性纤维化的突变基因进行了检测。用生物芯片从事检测突变的美国公司有贝克曼仪器公司、惠普公司、Abbot Laboratory公司、Affymetrix、Nanogen、David Sarnoff、Genometrix、Vysis、Hyseq、Molecular、Tool、Molecular Dynamics等；英美学术机构有宾夕法尼亚大学、贝勒医学院、牛津大学、Whitehead Institute for Biomedical Research,Houston Advanced Research Center,Naval Research Laboratory,Argonne National Laboratory。
, http://www.100md.com
DNA测序
芯片毛细管电泳测序的原理与普通毛细管电泳测序的原理相同。目前世界上唯一报道芯片毛细管电泳测序结果的是Mathies领导的研究小组。他们利用芯片变性毛细管电泳在10分钟之内就完成了对433个碱基序列的测定。该测序芯片中通过光刻加工出的毛细管长度为3.5cm，横切面尺寸50μm×8μm。此外，从事芯片毛细管电泳测序的其他美国公司和学术机构为CuraGen公司和普林斯顿大学。
用芯片分析DNA的另一应用技术是杂交测序。多么，杂交测序是怎么工作的呢?首先，人们将长度为8～20个核苷的探针合成出来，然后将它们按照象围棋盘那样的布置固定化到指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上。当含有与探针序列互补的DNA与其他无关DNA的混合物被置于联有探针的芯片上之后，固化探针就会通过与其序列互补的DNA片段杂交而将其从很复杂的混合样品分离出来。通过使用带有计算机的荧光检测系统对“棋盘”每个格子上的荧光强弱及根据每个格子上已知探针的序列进行分析与组合就可得知样品DNA所含有的碱基序列。最近的美国Science杂志对应用芯片杂交技术测序作了报道。Chee等人在一块固化有135 000个寡核苷酸探针(每个探针长度为25个核苷)的硅芯片上对长度为166kbp的整个人线粒体基因组作了序列测定。每个探针之间的空间间隔为35μm，测序精度为99°。此外，通过对11个非洲人个体样品进行分析，他们发现在这些样品的线粒体DNA中所存在的突变多态性多达505个。用生物芯片从事杂交测序的美国公司有Affymetrix和Hsysen.
, 百拇医药
基因表达分析
随着人类基因组计划的顺利进行，越来越多的能够表达的人基因序列以及引发疾病和能预测疾病的各种突变正在为人们逐渐认识。为了能够同时对多个可能的遗传突变进行搜寻，加快功能基因组学研究的进程，人们现已把越来越多的注意力放到了能同时提供有关多个基因及其序列的所谓并行分子遗传学分析方法上。功能基因组学所研究的是在特定组织中，发育的不同阶段或者是疾病的不同时期基因的表达情况。因此它的要求是要能在同一时刻获得多个分子遗传学分析的结果。譬如，许多疾病引发基因可能会有数以百计的与表征有关的特定突变。因而，要求能有同时筛检这些突变的有效方法。另外，任何一个细胞中都会有上千个基因在表达。而细胞间基因表达的差异往往能反映出这些细胞是发育正常还是在朝恶性肿瘤细胞方向发展。采用芯片利用杂交对基因表达进行分析的好处是它能用很少的细胞物质便能提供有关多基因差异表达的信息，从而给疾病诊断和药物筛选带来了巨大冲击。Lockhart等人采用基其上固化有由65 000个不同序列的长度为20个核苷的探针芯片，定量地分析了一个小鼠T细胞线中整个RNA群体中21个各不相同的信使RNA。这些专门设计的探针能与114个已知的小鼠基因杂交。分析发现在诱发生成细胞分裂后，另有20个信使RNA的表达也发生了改变。检测结果表明该系统对RNA的检出率为1∶300 000，对信使RNA的定量基准为1∶300。DeRisi等人将一个恶性肿瘤细胞线中得到的870个不同的cDNA探针通过机械手“刷印”到载玻片上以观察癌基因的表达情况，在比较两个标有不同荧光标记的细胞信使RNA群的杂交结果之后，他们对引入正常人染色体后肿瘤基因受到抑制的细胞中的基因表达结果进行了分析。另外，Shoemaker等人报道了一种利用生物芯片来确定许多新近发现的酵母基因的生物功能的所谓分子条形编码技术。这种技术的好处是它能让我们以并行的方式定量地分析很复杂的核酸混合物。
, http://www.100md.com
3 结尾
以生物芯片技术为基础的另外一个很有应用价值的研究方向是用生物芯片技术所具有的高集成度与组合化学相结合，为新药研究的初筛提供超高通量筛选(Ultra-High Throughput Screening)。另外，用生物芯片技术还可以对中药的真伪和有效成分进行快速鉴定和分析。在材料上，除了用硅作生物芯片的加工之外，有的研究单位现已开始采用塑料成模工艺和弹性体来加工制作生物芯片。采用塑料或弹性体的好处是生产成本可进一步降低，用过的芯片更便于丢弃处置，样品和试剂所面临的表面化学问题更容易得到解决。
作者简介：许俊泉(1975～)，男，福建莆田人，硕士。清华大学生物芯片研究与开发中心。
收稿日期：1999-12-06, 百拇医药