生物芯片技術及其進展

生物芯片技術及其進展 侯治富吉林大學白求恩醫(yī)學部中日聯(lián)誼醫(yī)院 houzf 生物芯片技術的主要內容 生物芯片的概念生物芯片的基本原理生物芯片的分類生物芯片的發(fā)展歷程生物芯片的技術方法生物芯片的應用 生物芯片的定義 生物芯片 Biochip或Bioarray 是指包被在固相載體上的高密度DNA 抗原 抗體 細胞或組織的微點陣 microarray 生物芯片的種類 包括DNA芯片 抗原芯片 抗體芯片 細胞芯片 組織芯片等 1998年世界十大科技突破之一 未來十年最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g 生物芯片的定義 Bio 詞素 生 生物 Chip 屑晶片 薄片 電子 集成電路片 英漢計算機名詞 芯片Array 陣 列 排列 配置 系 組 級數(shù) 芯片 生物芯片的概念 集成 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y OncogeneTargetsOntheAmpliOnc IBiochip PDGFB EGFR1 PDGFRA MET FGFR2 WNT1 MYB HER2 YES1 HRAS1 CND1 RAF1 GLI MYC MDM2 20q13 REL MYCL1 FGR FES ABL INT2 PIK3CA NMYC AKT2 FGFR1 JUNB AKT1 KRAS2 CDK4 AR 生物芯片基本原理 生物芯片的特點 高度并行性 提高實驗進程 利于顯示圖譜的快速對照和閱讀 多樣性 可進行樣品的多方面分析 提高精確性 減少誤差 微型化 減少試劑用量和反應液體積 提高樣品濃度和反應速率 自動化 降低成本 保證質量 高通量 生物芯片的分類 尚未統(tǒng)一 廣義上 矩陣型芯片 處理型芯片固化材料 基因芯片 蛋白質芯片 細胞芯片 組織芯片用途分類 生物芯片研究的歷史 1991Affymatrix公司StephenFodor 光刻與光化學技術 多肽和寡聚核苷酸微陣列 DNAChip概念Stanford大學Brown實驗室 預先合成 機械手陣列1995Schena等 基因表達譜1996Cheeetal DNA測序1996Croninetal 突變檢測1996Sapolsley Lipshutz 基因圖克隆1996Shalonetal 復雜DNA樣本分析1996Shoemakeretal 缺省突變定量表型分析 分類 根據(jù)應用 基因變異檢測芯片疾病檢測 如HIV P53基因 結核桿菌 法醫(yī)鑒定 如DNA指紋圖譜 表達譜芯片腫瘤相關基因 正常與腫瘤組織表達差異 藥物篩選 培養(yǎng)細胞藥物刺激前后表達差異 發(fā)育 同一組織不同發(fā)育時期基因表達差異 組織發(fā)生 不同組織或器官的基因表達差異 分類 根據(jù)工藝和載體 原位合成法 密集程度高 可合成任意序列的寡聚核苷酸 但特異性較差 寡聚核苷酸合成長度有限 且隨長度增加 合成錯誤率增高 成本較高 設計和制造較煩瑣費時 DNA微矩陣法 成本低 易操作 點樣密度通常能滿足需要 芯片的載體需表面緊質 光滑的固體 如硅 陶 玻璃等 DNA微矩陣芯片常用玻片為載體 分類 根據(jù)DNA成分 寡聚核苷酸或DNA片段 約20 25個核苷酸堿基 常用于基因類型的分析 如突變 正常變異 多態(tài)性 全部或部分cDNA 約500 5000個核苷酸堿基 通常用于兩種或以上樣本的相關基因表達分析 ComparisonofDNAChipTechnologies SensitivityofDNAchipbasedassaysisafunctionof ProbeandtargetDNA RNA Complexity Chipsurface autofluorescence non spec bkg Attachmentchemistry methodology hyb efficiency crosshyb Hybridizationefficiency lotsoffactors Detectiontechnology signaltype efficiency noise Oligo ChipcDNA ChipGenomicChip8nor20n50 000n sequencing expression expression genomicanalysis 基因芯片的種類 ScienceChip 生物分析和診斷 NutriChip 食物分析 轉基因 污染檢測 LeukoChip 血液分析 病毒分析 HLA分析 AquaChip 水質分析 SecureChip 含DNA的物質鑒定 ChromoChip 基因分析和染色體序列 ProkaryoChip 原核生物 獸醫(yī) 環(huán)保等 生物芯片技術主要環(huán)節(jié) 芯片制備 微點陣樣本制備 DNA提純 擴增 標記雜交 樣本與互補模板形成雙鏈檢測 共聚焦掃描 雙色激光數(shù)據(jù)處理 定量軟件 數(shù)據(jù)庫檢索 RNA印跡等 結果分析 細胞 對mRNA進行標記 雜交 基因表達資料 生物芯片的制作步驟 生物芯片分析 1 測定過程應包括五個基本步驟 需解決的生物學問題樣本制備生物化學反應檢測數(shù)據(jù)分析 NormalSample 2 生物學系統(tǒng)控制必須精確地與檢測目的相匹配 3 生物學樣本必須精確地與生物學種類相匹配 4 所有基因分析必須平行處理 5 基因分析技術必須適合微型化和自動化 6 平行格式必須精確的依據(jù)生物學樣本的次序 7 檢測系統(tǒng)必須能精確地獲得數(shù)據(jù) 8 檢測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)必須能被精確地控制和重復 9 兩種或以上平行數(shù)據(jù)組比較應受到單個實驗所固有特性的限制 10 絕對比例關系只存在于組合實驗的平行數(shù)據(jù)組內 11 平行格式包括內在和外部的整個系統(tǒng)誤差的分析因素 12 在每個系統(tǒng)模塊中采集到該系統(tǒng)所有變量的四維數(shù)據(jù)時 才能稱為完成生物系統(tǒng)平行基因分析 生物芯片技術的12條原則只是一個基本框架 其術語的詳細定義和有關理論可參見http cmgm stanford edu schena 芯片制備 原位合成法 insitusynthesis 又可分為原位光控合成法和原位標準試劑合成法 適用于寡核苷酸 使用光引導化學原位合成技術 是目前制造高密度寡核苷酸最為成功的方法 合成后交聯(lián) post syntheticattachment 利用手工或自動點樣裝置將預先制備好的寡核苷酸或cDNA樣品點在經特殊處理過的玻片或其他材料上 主要用于診斷 檢測病原體及其他特殊要求的中 低密度芯片的制備 兩種制備方法比較 原位合成 測序 查明點突變高密度 根據(jù)已知的DNA編制程序制作復雜 價格昂貴 不能測定未知DNA序列合成后交聯(lián) 比較分析制備方式直接和簡單 點樣的樣品可事先純化 交聯(lián)方式多樣 可設計和制備符合自己需要的芯片 中 低密度 樣品浪費較多且制備前需儲存大量樣品 雜交 是芯片技術中除方陣構建外最重要的一步液相中探針與DNA片段按堿基配對規(guī)則形成雙鏈反應 選擇雜交條件時 必須滿足檢測時的靈敏度和特異性 使能檢測到低豐度基因 且能保證每條探針都能與互補模板雜交 合適長度的DNA有利于與探針雜交 溫度 非特異性本底等均會影響雜交結果 最好在封閉循環(huán)條件下雜交 雜交爐 樣本制備 制備高質量樣本是困難的但又是極其重要的 制備細胞 組織或整個器官樣本應特別小心 溫度 激素和營養(yǎng)環(huán)境 遺傳背景 組織成分等輕微改變都會使基因表達的結果發(fā)生明顯變化 用于基因類型分析的樣本是DNA 用于表達研究的樣本是cDNA 樣本制備后應進行標記 通常為酶標記 熒光標記和核素標記 結果分析 芯片與標記的靶DNA或RNA雜交后 或與標記的靶抗原或抗體結合后 可采用下列方法分析處理數(shù)據(jù) 共聚焦掃描儀 應用最廣 重復性好但靈敏度較低 質譜法 快速 精確 可準確判斷是否存在基因突變和精確判斷突變基因的序列位置 探針合成較復雜 化學發(fā)光 光導纖維 二極管方陣檢測 直接電荷變化檢測等 芯片掃讀裝置 根據(jù)采用的光電偶合器件 分為光電倍增管型和CCD型 根據(jù)激光光源 可分為激光型和非激光型 應用最為廣泛的是激光光源的共聚焦掃描裝置 分辨率 靈敏度極高 有良好的定位功能 可定量 應用廣泛 圖象分析 復雜的雜交圖譜一般需由圖象分析軟件來完成 分析軟件的功能 鑒定每個點陣 最大限度消除本底熒光的干擾 解析多種顏色圖象 可標記或排除假陽性 識別和分析對照實驗是否成功 可將信號標準化等 圖象處理軟件必須具備提取基因庫和數(shù)據(jù)庫的能力 質量控制 實驗對照 體外轉錄從cDNA合成mRNA 參入標本中作為對照 此mRNA不與點陣的核酸雜交 將不同濃度的不同基因參入標本中 可作為標本間標準化的參照 用兩種不同吸收光譜的熒光素同時分析兩個標本 如果兩種熒光強度一致 可排除標本間變異因素 用單一堿基錯配的寡核苷酸做對照可排除交叉雜交 結果有效性的證實 在表達矩陣上 有時難于區(qū)分極其相似的序列 如基因族成員 亞類或異類的存在 比較兩種不同DNA序列表達水平時 有些參數(shù)如核苷酸的成分 二級結構的存在和矩陣上DNA的長度都會影響雜交 證實矩陣分析的結果可用RT PCR 區(qū)別基因族成員 比較不同DNA種系表達 證實基因變異或突變和精確測定DNA表達水平 NorthernBlot 證實某一基因的相對表達水平 WesternBlot RNA表達是否達到細胞中的蛋白水平 質譜儀 證實矩陣結果是否在蛋白水平 等 生物芯片技術的應用 基因表達分析 腫瘤基因突變檢測 遺傳性疾病測序 基因圖繪制和多態(tài)性分析 測序微生物菌種鑒定 毒力基因 抗藥基因藥物研究 新藥篩選 指導合理用藥克隆選擇及文庫篩選 生物芯片技術的發(fā)展 發(fā)展趨勢微型化 DNA矩陣越來越小 集成化 矩陣上的基因組越來越大 多樣化 測定范圍越來越廣 微量化 測定所需樣本越來越少 全自動化 樣品制備到結果顯示全部分析過程 定量化 如激光捕獲技術 顯微解剖技術等可精確測定一個細胞內的一個基因的表達 DNA矩陣數(shù)據(jù)信息庫的完善 生物芯片技術的發(fā)展 技術毛細管電泳芯片技術PCR芯片技術 PCR Chip 縮微芯片實驗室 lab on a chip 微珠芯片技術 beadArray 抗體和蛋白質陣列技術 Antibodyandprotein arraytechnology 自我定制芯片技術 makeyourownchip 血氣分析芯片 毛細管電泳芯片技術 Mathies最早報道毛細管電泳芯片測序結果 在10分鐘內完成了對433個堿基序列的測定 賓夕法尼亞大學Wilding等成功地利用毛細管電泳芯片分離了用于診斷杜鑫 貝克肌萎縮的多條DNA片段 瑞士Ciba Geigy公司和加拿大Alberta大學合作利用玻璃毛細管電泳芯片完成了對寡核苷酸的分離 縮微芯片實驗室 在一張芯片上完成樣品 如血液 組織等 制備 化學反應 檢測和數(shù)據(jù)分析 1998年程京博士首次應用LOC實現(xiàn)了從樣品制備到反應結果顯示的全部過程 成果地從混有大腸桿菌的血清中分離出了細菌 含有加熱器 微泵微閥 微流量控制器 電子化學和電子發(fā)光探測器的芯片已經問世 也已出現(xiàn)樣品制備 化學反應和分析檢測部分結合的芯片 LOC與衛(wèi)星傳輸和網絡生物信息學結合 將實現(xiàn)高通量 一體化和移動性的 未來型掌上實驗室 的構想 抗體和蛋白質陣列技術 蛋白質組學 protiomics 的興起 促進了抗體和蛋白質陣列技術的發(fā)展 PareickBrown使用特異性抗體微矩陣 測定了細胞和體液樣本中數(shù)千種不同的蛋白質 Leuking等采用蛋白質微陣列技術 測定了10pg的微量蛋白質 并證實假陽性極低 乳腺癌基因芯片 Stanford乳腺癌微矩陣 Perouetal 1999 每種基因的數(shù)據(jù)以行表示 每個實驗用列表示 顏色強度表示對照和實驗cDNA的比率 比率相同時為1 結果為紅色表示mRNA增加 綠色表示減少 灰白色表示缺乏 兩種基因的相似性用Pearson相關公式或Euclidian測距公式計算 DNA微矩陣分析軟組織肉瘤表達KavineMaillardetal 1999 cDNAs進行DNA表達矩陣 PCR產物包被在經賴氨酸處理的玻片上 用Cys3 和Cys5 標記的cDNA進行雜交 洗滌后用Scanarray3000掃描儀測定矩陣 表達數(shù)據(jù)儲存在ACeDB數(shù)據(jù)庫中 根據(jù)數(shù)據(jù)表達類型區(qū)分不同的基因 微矩陣分析DNA和蛋白表達HolgerEickhoffetal 1999 根據(jù)已有的序列數(shù)據(jù) 組合800000人類EST序列 已重矩陣了38000克隆用于RNA表達分析 克隆經PCR擴增后共價結合于玻片上 每張玻片固定19200個基因片段 標記人組織RNAs與被選的38000人基因片段的矩陣進行雜交 比較健康與疾病組織的圖象 用軟件分析點識別和點定量 使用寡聚核苷酸鑒定新的cDNA克隆 和進入表達載體 使相應蛋白能直接表達 矩陣后可分析蛋白 蛋白和蛋白 DNA的關系 生物芯片相關儀器 點陣儀 制備芯片 點樣針分為實心和空心兩種 點樣方式有非接觸噴點和接觸點樣兩種 雜交儀 全自動完成調節(jié) 加探針 漂洗和熱循環(huán)的雜交過程 掃描儀 激光共聚焦或CCD直接成像分析結果 QBot 超高解析基因篩選暨排列分析儀 基因菌落篩選 ColonyPicking 3500 h基因排列打點 Gridding 100000 h基因復制 Replication 96 96 96 384基因重新排列 Re Arraying 正確的基因置復制盤基因微矩陣排列 Micro Arraying 20000 片全自動液體分注系統(tǒng)