生物芯片綜述報告

Biochip

生物芯片藥學院CompanyLogo定義廣義的生物芯片指一切采用生物技術制備或應用于生物技術的微處理器。包括用于研制生物計算機的生物芯片、將健康細胞與電子集成電路結合起來的仿生芯片、縮微化的實驗室即芯片實驗室以及利用生物分子相互間的特異識別作用進行生物信號處理的基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片等。狹義的生物芯片就是微陣列，包括基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片等。特點高通量:提高實驗進程，利于顯示圖譜的快速對照和閱讀微型化:減少試劑用量和反應液體積，提高樣品濃度和反應速度自動化:減低成本和保證質量CompanyLogo分類根據固定在載體上的物質成分分類

(1)基因芯片(genechip)：又稱DNA芯片(DNAchip)或DNA微陣列(DNAmicroarray)，是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。

(2)蛋白質芯片(proteinchip或proteinmicroarray)：是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。芯片上的探針構成為蛋白質或芯片作用對象為蛋白質者統(tǒng)稱為蛋白質芯片。

(3)細胞芯片(cellchip)：是將細胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細胞間相互影響或相互作用。

(4)組織芯片(tissuechip)：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進行免疫組織化學等組織內成分差異研究。(5)芯片實驗室CompanyLogo歷史簡介生物芯片技術起源于核酸分子雜交。生物芯片（biochip或bioarray）是根據生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對DNA、RNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomicDNA、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝膠、尼龍膜等固相遞質上形成的生物分子點陣。CompanyLogo歷史簡介因此生物芯片技術又稱微陳列（microarray）技術，含有大量生物信息的固相基質稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎上又發(fā)展出微流體芯片（microfluidicschip），亦稱微電子芯片（microelectronicchip），也就是縮微實驗室芯片。CompanyLogo研究歷史1991年Affymatrix公司福德（Fodor）組織半導體專家和分子生物學專家共同研制出利用光蝕刻光導合成多肽；●1992年運用半導體照相平板技術，對原位合成制備的DNA芯片作了首次報道，這是世界上第一塊基因芯片；●1993年設計了一種寡核苷酸生物芯片；●1994年又提出用光導合成的寡核苷酸芯片進行DNA序列快速分析；●1996年靈活運用了照相平板印刷、計算機、半導體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒光標記探針雜交等多學科技術創(chuàng)造了世界上第一塊商業(yè)化的生物芯片；●1995年，斯坦福大學布朗（P．Brown）實驗室發(fā)明了第一塊以玻璃為載體的基因微矩陣芯片?！?001年，全世界生物芯片市場已達170億美元，用生物芯片進行藥理遺傳學和藥理基因組學研究所涉及的世界藥物市場每年約1800億美元；生物芯片巨頭-affymetrix

CompanyLogo研究歷史●2000-2004年的五年內，在應用生物芯片的市場銷售達到200億美元左右。2005年，僅美國用于基因組研究的芯片銷售額即達50億美元，2010年有可能上升為400億美元，這還不包括用于疾病預防及診治及其它領域中的基因芯片，部分預計比基因組研究用量還要大上百倍。因此，基因芯片及相關產品產業(yè)將取代微電子芯片產業(yè)，成為21世紀最大的產業(yè)?！?004年3月，英國著名咨詢公司弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)公司出版了關于全球芯片市場的分析報告《世界DNA芯片市場的戰(zhàn)略分析》。報告認為，全球DNA生物芯片市場每年平均增長6.7%，2003年的市場總值是5.96億美元，2010年將達到93.7億美元。納儂市場（NanoMarkets）調研公司預測，以納米器械作為解決方案的醫(yī)療技術將在2009年達到13億美元，并在2012年增加到250億美元，而其中以芯片實驗室最具發(fā)展?jié)摿?，市場增長率最快。CompanyLogo研究價值藥物篩選個體化醫(yī)療測序生物信息學研究CompanyLogo制造方法簡述光引導原位合成原位合成適于制造寡核苷酸和寡肽微點陣芯片，具有合成速度快、相對成本低、便于規(guī)?；a等優(yōu)點。照相平板印刷技術是平板印刷技術與DNA和多肽固相化學合成技術相結合的產物，可以在預設位點按照預定的序列方便快捷地合成大量寡核苷酸或多肽分子。在生物芯片研制方面享有盛譽的美國Affymetrix公司運用該技術制造大規(guī)模集成Genechip。原位合成后的寡核苷酸或多肽分子與玻片共價連接。它用預先制作的蔽光板和經過修飾的4種堿基，通過光進行活化從而以固相方式合成微點陣。合成前，預先將玻片氨基化，并用光不穩(wěn)定保護劑將活化的氨基保護起來。聚合用單體分子一端活化另一端受光敏保護劑的保護。選擇適當?shù)膿豕獍迨剐枰酆系牟课煌腹?，不需要發(fā)生聚合的位點蔽光。這樣，光通過擋光板照射到支持物上，受光部分的氨基解保護，從而與單體分子發(fā)生偶聯(lián)反應。每次反應在成千上萬個位點上添加一個特定的堿基。由于發(fā)生反應后的部位依然接受保護劑的保護，所以可以通過控制擋光板透光與蔽光圖案以及每次參與反應單體分子的種類，就可以實現(xiàn)在特定位點合成大量預定序列寡核苷酸或寡肽的目的。由于照相平板印刷技術每步的合成效率較低（95%）[2]，合成30nt的終產率僅為20%，所以該技術只能合成30nt左右長度的寡核苷酸。在此基礎上，有人將光引導合成技術與半導體工業(yè)所用的光敏抗蝕技術相結合，以酸作為去保護劑，將每步合成產率提高到99%，但制造工藝復雜程度增加了許多[3]。所以如何簡便地提高合成產率是光引導原位合成技術有待解決的問題。CompanyLogo制造方法簡述打印原位合成壓電打印原位合成的方式類似于噴墨打印機，合成原理與傳統(tǒng)的核酸或寡肽固相合成技術相同。合成過程為：合成前以與光引導原位合成類似的方式對芯片片基進行預處理，使其帶有反應活性基團，例如伯氨基。同時，將合成用前體分子（DNA合成堿基、cDNA和其它分子）放入打印墨盒內，由電腦依據預定的程序在xyz方向自動控制打印噴頭在芯片支持物上移動，并根據芯片不同位點探針序列需要將特定的堿基合成前體試劑（不足納升）噴印到特定位點。噴印上去的試劑即以固相合成原理與該處支持物發(fā)生偶聯(lián)反應。由于脫保護方式為酸去保護，所以每步延伸的合成產率可以高達99%，合成的探針長度可以達到40~50nt。以后每輪偶聯(lián)反應依據同樣的方式將需要連接的分子噴印到預定位點進行后續(xù)的偶聯(lián)反應。類似地重復此操作可以在特定位點按照每個位點預定的序列合成出大量的寡核苷酸探針。CompanyLogo制造方法簡述點樣法點樣法在多聚物的設計方面與原位合成技術相似。只是合成工作用傳統(tǒng)的DNA、多肽合成儀或PCR擴增或體內克隆等方法完成。大量制備好的核酸探針、多肽、蛋白等生物大分子再用特殊的自動化微量點樣裝置將其以較高密度互不干擾地印點于經過特殊處理的玻片、尼龍膜、硝酸纖維素膜上，并使其與支持物牢固結合。支持物需預先經過特殊處理，例如多聚賴氨酸或氨基硅烷等。亦可用其它共價結合的方法將這些生物大分子牢牢地附著于支持物上?，F(xiàn)在已經有比較成型的點樣裝置出售，例如美國Biodot公司的“噴印”儀以及CartesianTechnologies公司的Pix-SysNQ/PA系列“打印”儀。這些自動化儀器依據所配備的“打印”或“噴印”針將生物大分子從多孔板吸出直接“打印”或“噴印”于芯片片基上?！按蛴　睍r針頭與芯片片基表面發(fā)生接觸而“噴印”時針頭與片基表面保持一定的距離。所以，“打印”儀適宜制作較高密度的微陣列（例如2500點/cm2），“噴印”法由于“噴印”的斑點較大，所以只能形成較低密度的探針陣列，通常400點/cm2。點樣法制作芯片的工藝比較簡單便于掌握、分析設備易于獲取，適宜用戶按照自己的需要靈活機動地設計微點陣，用于科研和實踐工作。CompanyLogo我國研究現(xiàn)狀●“十五”期間，中國生物芯片研究共申請國內專利356項，國外專利62項。

2005年4月，由科技部組織實施的國家重大科技專項“功能基因組和生物芯片”在生物芯片產業(yè)取得階段成果，診斷檢測芯片產品、高密度基因芯片產品、食品安全檢測芯片、擁有自主知識產權的生物芯片創(chuàng)新技術創(chuàng)建等一系列成果蜂擁而出。CompanyLogo我國研究現(xiàn)狀2006年7月，中國科學院力學研究所國家微重力實驗室靳剛課題組在中科院知識創(chuàng)新工程和國家自然科學基金的資助下，主持研究的“蛋白質芯片生物傳感器系統(tǒng)”實現(xiàn)實驗室樣機，目前已實現(xiàn)乙肝五項指標同時檢測、腫瘤標志物檢測、微量抗原抗體檢測、S