生物芯片技術(shù)77222課件

生物芯片技術(shù)了解生物芯片的功能，及其醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的作用，以及生物芯片技術(shù)的最新進(jìn)展。熟悉生物芯片的種類及其作用，基因芯片、蛋白芯片和微縮芯片實(shí)驗(yàn)室的原理及其制備方法。掌握基因芯片的工作原理、制備方法及其在臨床診斷中的意義。第一節(jié)生物芯片概述第二節(jié)基因芯片第三節(jié)蛋白芯片第四節(jié)芯片實(shí)驗(yàn)室一、生物芯片的定義

指在一塊大不上不等（一般約1－2cm2）的載體材料上，以大規(guī)模陣列的形式排布了不同的生物分子探針，形成可與目的靶分子相互作用，并行反應(yīng)的固相表面。將芯片與熒光標(biāo)記的靶分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)（如雜交、免疫反應(yīng)等），經(jīng)過激發(fā)光掃描后，不同反應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)記熒光將呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射譜征。用激光共聚焦顯微掃描儀或CCD相機(jī)收集信號(hào)后，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)結(jié)果，從而獲得相關(guān)的生物信息。二、生物芯片的特點(diǎn)高通量、集成化、并行化和微型化生物芯片的分類生物芯片點(diǎn)陣型芯片實(shí)驗(yàn)室芯片DNA芯片蛋白芯片細(xì)胞芯片反應(yīng)器芯片流體芯片純化芯片……第二節(jié)基因芯片一、基因芯片的原理二、基因芯片技術(shù)三、基因芯片的應(yīng)用

基因芯片(genechip)又稱DNA芯片(DNAchip)或DNA微陣列(DNAmicro-array)。基因是載有生物體遺傳信息的基本單位，存在于細(xì)胞的染色體上。將大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纖維膜等載體上，稱之為基因芯片?；蛐酒l(fā)展歷史Southern&NorthernBlotDotBlotMacroarrayMicroarray基因芯片研制的總體藍(lán)圖

圖11-1基因芯片技術(shù)主要步驟二、基因芯片技術(shù)（一）芯片制備1.合成探針基因組探針cDNA探針寡核苷酸探針探針在載體表面的固定可分為兩大類方法：合成后點(diǎn)樣，多用于大片段DNA，有時(shí)也用于寡核苷酸，甚至mRNA。原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探針），適用于寡核苷酸。合成后點(diǎn)樣接觸式點(diǎn)樣非接觸式點(diǎn)樣Cartesian-PixSysSeries

原位合成有三種途徑：原位光刻合成壓電打印法分子印章原位合成法。原位光刻合成技術(shù)的原理示意圖

壓電打印原位合成法工作方式

（三）雜交反應(yīng)

雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品與芯片上的探針進(jìn)行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過程。過程類似于一般的雜交法。把要雜交的分子的溶液覆蓋芯片的探針，用蓋玻片覆蓋，即可雜交。

（四）信號(hào)檢測(cè)和分析在雜交反應(yīng)完成后，將矩陣插入掃描儀中。主要為熒光法，其重復(fù)性較好，不足的是靈敏度仍較低。目前正在發(fā)展的方法有質(zhì)譜法、化學(xué)發(fā)光法、光導(dǎo)纖維法等?；蛐酒s交結(jié)果要用專用的掃描系統(tǒng)讀取。BBACDE放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)A:激光器B:濾光片C:二色鏡D:反光鏡E:關(guān)柵GENERALSCANNING-ScanArraySystem三、基因芯片的應(yīng)用（一）尋找和發(fā)現(xiàn)新基因（二）基因表達(dá)分析（三）DNA序列測(cè)定與序列間比較（四）突變體和多態(tài)性的檢測(cè)表達(dá)譜芯片實(shí)例PCR法從外周血淋巴細(xì)胞cDNA文庫(kù)擴(kuò)增產(chǎn)物擴(kuò)增產(chǎn)物點(diǎn)樣于包被的玻片上DNA芯片熱擊T細(xì)胞cDNA未處理的細(xì)胞cDNA雜交雜交激光共聚焦掃描發(fā)現(xiàn)17個(gè)差異表達(dá)基因,11個(gè)被熱誘導(dǎo),6個(gè)被熱抑制,發(fā)現(xiàn)其中3個(gè)為未發(fā)現(xiàn)的新基因（五）在疾病診斷的應(yīng)用（1）感染性疾病的診斷性傳播疾病、肝炎等。（2）遺傳性疾病的診斷地中海貧血、婚前檢查等。（3）耐藥性檢測(cè)結(jié)核分支桿菌耐藥性檢測(cè)芯片等。生物芯片的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）高通量性：可同時(shí)并行分析成千上萬種分子。節(jié)省時(shí)間。2）微型化，實(shí)驗(yàn)所需試劑用量少。3）高度自動(dòng)化。缺點(diǎn)：在同一溫度下雜交，不同探針雜交效率不同。生物芯片于一般分子雜交比較生物芯片Southern等信息通量高，幾千-幾十萬點(diǎn)/cm2低自動(dòng)化程度高低研究的速度快慢實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平行性好低存在問題基因芯片的缺點(diǎn)在于其不能對(duì)待檢測(cè)基因在多細(xì)胞類型組織中的精確定位進(jìn)行判斷,在這點(diǎn)上，Northern也一樣，而原位雜交技術(shù)可以克服此缺點(diǎn)。另外很多蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)其功能不主要是依賴其是否表達(dá)或表達(dá)量高低，而是依賴蛋白質(zhì)磷酸化-去磷酸化等方式。在這種情況下，用核酸類生物芯片就沒有什么意義了，正在研究開發(fā)中的蛋白類芯片可能會(huì)有所作為的?；蛐酒夹g(shù)本身有一些關(guān)鍵問題亟待解決：(1)基因芯片的特異性的提高(2)樣品制備和標(biāo)記操作的簡(jiǎn)化(3)增加信號(hào)檢測(cè)的靈敏度(4)高度集成化樣品制備、基因擴(kuò)增、核酸標(biāo)記及檢測(cè)儀器的研制和開發(fā)。制約基因芯片技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的最主要的因素是這種技術(shù)的成本較為昂貴，目前只有制藥公司和少數(shù)研究所才能承受。第三節(jié)蛋白芯片

一、蛋白芯片的原理與分類二、蛋白質(zhì)芯片制作和檢測(cè)的基本流程三、蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用

蛋白質(zhì)芯片（proteinchip），又稱蛋白質(zhì)微陣列(proteinmicroarray)，是用于蛋白質(zhì)功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、機(jī)械點(diǎn)樣或共價(jià)結(jié)合的等方法將多肽、蛋白、酶、抗原、抗體固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝膠、尼龍膜等固相介質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣。

蛋白芯片的原理與分類在待分析樣品中的生物分子與蛋白質(zhì)芯片的探針分子發(fā)生雜交或相互作用或其他分離方式分離后，利用激光共聚焦顯微掃描儀對(duì)雜交信號(hào)進(jìn)行高通量檢測(cè)和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多肽、蛋白質(zhì)及其他生物成份進(jìn)行高通量檢測(cè)。蛋白質(zhì)芯片的特點(diǎn)蛋白質(zhì)芯片技術(shù)是一種快捷、高效、高通量、并行、微型化和自動(dòng)化的蛋白質(zhì)分析技術(shù)，適用于分析包括組織、細(xì)胞系、體液在內(nèi)的多種生物樣品能分析包含針對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)、癌癥、細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、凋亡和神經(jīng)生物學(xué)等廣泛的生物功能的相關(guān)蛋白，靈敏度高達(dá)pg/ml。蛋白質(zhì)芯片的分類1.按樣品結(jié)合方式分為：化學(xué)型和生物化學(xué)型2.按點(diǎn)樣蛋白質(zhì)有無活性功能分為：無活性芯片和活性芯片3.按工作原理分為：探針型和凝膠電泳型芯片。4.按作用分為：蛋白質(zhì)表達(dá)芯片和蛋白質(zhì)功能芯片二、蛋白質(zhì)芯片制作和檢測(cè)的基本流程制備抗體文庫(kù)選擇固相載體片基制備探針蛋白質(zhì)，點(diǎn)樣制備待檢樣品(蛋白質(zhì)、多肽、酶等)對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記與芯片進(jìn)行抗原抗體反應(yīng)檢測(cè)分析蛋白質(zhì)的相互作用發(fā)現(xiàn)新的疾病標(biāo)志物作為臨床診斷的指標(biāo)對(duì)疾病病理分子機(jī)制的研究篩選藥物靶，發(fā)現(xiàn)新藥物，研究藥理學(xué)三、蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用第四節(jié)芯片實(shí)驗(yàn)室一、縮微芯片實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)二、縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的基本組成三、縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究芯片實(shí)驗(yàn)室是將樣品制備、生化反應(yīng)和檢測(cè)分析的全過程集約化，并縮微到一張芯片上自動(dòng)完成，形成的所謂微型全分析系統(tǒng)（micrototalanalysissysten,μ-TAS）,或稱“縮微芯片實(shí)驗(yàn)室”（lab-on-a-chip）。一、縮微芯片實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

分析全過程自動(dòng)化、生產(chǎn)成本低、防污染、分析速度快、所需樣品少、極高的樣品并行處理能力、體積小、重量輕、便于攜帶?？s微芯片實(shí)驗(yàn)室將來發(fā)展的趨勢(shì)甚至可以成為個(gè)人生物信息分析卡或微型分子生物實(shí)驗(yàn)室之類的器件。二、縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的基本組成

生物樣品的分析通常包括樣品制備、生物化學(xué)和分子生物學(xué)反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理等過程。三、縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究目前，含有加熱器、微泵微閥、微流量控制器、電子化學(xué)和電子發(fā)光探測(cè)器的芯片已經(jīng)研制出來，同時(shí)也出現(xiàn)了將樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和分析檢測(cè)部分結(jié)合的芯片。高通量、一體化、移植性的“未來型掌上實(shí)驗(yàn)室”的構(gòu)想?？s微芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用新進(jìn)展Nanogen公司、Affymitrix公司。賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院和密歇根大學(xué)的科學(xué)家們利用在微縮芯片上刻出的加熱器、泵、閥門、微量分析器、電化學(xué)檢測(cè)器以及其他光電子檢測(cè)器等，已經(jīng)先后制作出了結(jié)構(gòu)不同的微縮芯片實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，向人們展示了制作微縮