生物芯片研究进展摘要生物芯片是切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器是便携式生物化学分析器的核心技术。
通过对微加工获得的微米结构作生物化学处理能使成千上万个与生命相关的信息集成在一块厘米见方的芯片上。
生物芯片发展的最终目标是将从样品制备、化学反应到检测的整个生化分析过程集成化以获得所谓的微型全分析系统或称缩微芯片实验室。
生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品和环境卫生监督等领域带来一场革命。
本文主要阐述了生物芯片技术种类和应用方面的近期研究进展。
关键词生物芯片，疾病诊断，研究运用，基因表达基因芯片的种类基因芯片产生的基础则是分子生物学、微电子技术、高分子化学合成技术、激光技术和计算机科学的发展及其有机结合。
根据基因芯片制造过程中主要技术的区别，下面主要介绍四类基因芯片。
一、光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列开发并掌握这一技术的是Affymetrix公司，Affymetrix采用了照相平板印刷技术技术结合光引导原位寡聚核苷酸合成技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。
采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。
原位合成法主要为光引导聚合技术（Light-directed synthesis），它不仅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。
光引导聚合技术是照相平板印刷技术（photolithography）与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。
半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。
固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。
二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽列阵提供了一条快捷的途径。
Affymetrix公司已有诊断用基因芯片成品上市，根据用途可以分为三大类，分别为基因表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片，基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片主要用于研究机构和生物制药公司，可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因制药研究、新药筛选等许多领域，Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片；疾病诊断芯片则主要用于医学临床诊断，包括各种遗传病和肿瘤等，目前Affymetrix公司生产三种商品化诊断芯片，分别为p53基因突变诊断芯片、艾滋病病毒基因基因突变诊断芯片和细胞色素P450基因突变诊断芯片。
二、微电子芯片Nanogen开发了多位点电控阵列并含独立可寻址检测区域的微电子基因芯片，其基质全部以硅、锗与基础的半导体材料，在其上构建25-400个微铂电极位点，各位点可由计算机独立或组合控制。
无论在芯片制造或成品芯片检测，均可通过相似微电极的电场变化来使核酸结合，引入“电子严谨度”参数使芯片检测通过靶、探针序列特征和使用者要求来控制杂交过程中的严格性。
这种微电子基因芯片具有以下优点：1．电场定位过程能选择性地转运带电荷DNA分子，通过每个微电极位点的电场正负、强弱变化，能准确有效地随意调控芯片表面的核酸，既可将核酸结合在微电极位点上，也可以使核酸转运出来。
2．通过电场变化能加快DNA杂交速率，通过导入正电场后，可以大大加快待测核酸同已知探针的结合速率，减少了杂交反应时间，同普通的“被动”杂交反应的几小时相比，这种“主动”杂交反应仅仅几秒钟就可完成。
另外电场变化又可有效地去除未结合游离分子，减少未结合荧光信号干扰。
3．通过电子严谨度可有效地控制杂交过程中的错配度，杂交错配的程度，对不同的要求上要给以不同的电场就可以符合不同的电子严谨度，这对核酸杂交严格度可以非常灵活地控制，这可以非常准确地进行SNP检测。
三、微量点样技术目前大部分生产基因芯片的公司都是使用这一方法，采用了先进更加微量的点样技术，可以点更加微量的探针。
这种方法生产的芯片上探针不受探针分子大小种类的限制，能够灵活机动地根据使用者的要求制作出符合目的的芯片。
由于同时有生产和检测仪器出售，使拥护能够根据自己的需要制作相应的芯片，并且价格较低，所以近期内国内将会有一定的市场。
生产这种设备的公司有很多，象美国的Genomicsolutions公司、英国的BioRobotics公司、美国的Cartesian公司和加拿大的Engineering公司等。
对于微量点样技术生产的基因芯片来说从仪器组成上可以分为点样仪器、杂交装置、检测仪器和分析仪器，点样仪器是否先进决定芯片上的探针密度和结合牢固程度，虽然芯片的探针密度是一个很重要的指标，达到极高密度的探针阵列是许多芯片生产公司梦寐以求的目标，但是具体的点样密度根据使用者的目的来决定，而且还要考虑到随后的杂交和检测过程。
衡量点样装置有几个比较重要的指标，如仪器整体设计、功能多样性、芯片基质多样性、点样稳定性、点样速度、点样密度等等。
点阵器一般采用实心或空心点样针，点样方式有非接触喷点（inkjet printing）和接触点样（Contact printing）两种方式。
目前，有两种非接触喷点技术用于DNA点样，一种是用压电晶体将液体从孔中喷出的压电技术（piezoelectric technology），喷滴大小一般为50-500pl；另一种为注射器螺线管技术（syringe-solenoid technology），这种技术是通过高分辨率注射器泵和微螺线管阀门有机结合起来精确控制滴液的。
检测仪器也是一个重要的限制条件，如果检测仪器的分辨率不高，那么即使点样仪器制造出了很高密度的芯片也没有用，对高密度的芯片通常使用激光共聚焦显微镜和高性能的冷却CCD，二者各有利弊，须根据要求综合衡量。
显色和分析测定方法主要为荧光法，目前正在发展的方法有质谱法、化学发光法、光导纤维法等。
以荧光法为例，当前主要的检测手段是激光共聚焦显微扫描技术和高性能的冷却CCD，以便于对高密度探针阵列每个位点的荧光强度进行定量分析。
因为探针与样品完全正常配对时所产生的荧光信号强度是具有单个或两个错配碱基探针的5-35倍，所以对荧光信号强度精确测定是实现检测特异性的基础。
分析仪器从硬件上说只是一部高性能的计算机，但其中最重要的是分析软件，如果只是进行简单的检测或科学实验，待测样品所要分析的基因很少很简单，采用直观的观察就可以得出结论，但对于大量的基因分析或是临床检验人员使用就需要有全面智能化的分析软件辅助，这样还需要考虑到软件的升级。
四、其他技术主要是美国NIH、Caliper公司和Orchidbio公司等，Orchidbio公司研制了一种毛细管微流泵芯片，在边长2英寸的芯片上集成了144个微室，分别由流入孔、反应室、循环管和废液流出孔组成，这种芯片不但可以用于基因诊断和分析，还可用于合成化学，利用芯片的微指结构，Caliper公司的芯片可以用作细胞分选器，能够利用血细胞体积和变形性等特点可以很容易地把红细胞和白细胞分开，NIH研制微型芯片反应器可以很快地完成一系列生化反应应用方面一、生物制药领域各大药厂和生物技术公司将会使用基因芯片发现筛选新药等。
采用基因芯片技术，可以大大加快人类基因组计划的工作进度，例如用于基因测序、基因表达检测和新的遗传标志如SNP定位等，这对寻找新的功能基因、寻找新的药物作用靶点和开发新的基因药物具有重要意义。
采用基因芯片可以进行超乎以前想象的工作量来检测不同物种、不同组织、不同病种、不同处理条件下的基因表达改变，从而知道开发具有不同用途的的诊断试剂盒。
新药在实验阶段必须通过人体安全性实验，就必须观察药物对人基因表达的影响，由于并不知道药物对那一种基因起作用，就必须对已知所有或一定范围内的基因表达都进行检测，采用基因芯片可以迅速而准确地完成这一任务，美国Tularick公司曾开发出一种用于新药，能够显著地降低低密度脂蛋白-一种能引起血管硬化的物质，随后Tularick公司的科研人员采用Syntini公司的基因芯片研究了这种新药对人体细胞基因表达的影响，发现它能显著地改变细胞的基因表达图谱，十分类似有又一种毒性反应，Tularick公司只好终止了这种药物的研发，由此公司节省了大量的投资。
二、医学诊断1、在优生方面，目前知道有600多种遗传疾病与基因有关。
妇女在妊娠早期用DNA芯片做基因诊断，可以避免许多遗传疾病的发生。
2、在疾病诊断方面，由于大部分疾病与基因有关，而且往往与多基因有关，因而，利用DNA芯片可以寻找基因与疾病的相关性，从而研制出相应的药物和提出新的治疗方法。
DNA 芯片的高密度信息量和并行处理器的优点不仅使多基因分析成为可能，而且保证了诊断的高效、廉价、快速和简便。
3、应用于器官移植、组织移植、细胞移植方面的基因配型，如HLA分型。
4、病原体诊断，如细菌和病毒鉴定、耐药基因的鉴定。
5、在环境对人体的影响方面，已知花粉过敏等人体对环境的反应都与基因有关。
若对与环境污染相关的200多个基因进行全面监测，将对生态环境控制及人类健康有重要意义。
6、在法医学方面，DNA芯片比早先的DNA指纹鉴定更进一步，它不仅可做基因鉴定，而且可以通过DNA中包含的生命信息描绘生命体的脸型长相外貌特征。
这种检验常用于灾难事故后鉴定尸体身份以及鉴定父母和子女之间的血缘关系。
三、最新研究进展1、Nat.Biotech.：开发出单芯片基因合成新法新的基因合成方法可使蛋白质表达最优化。
在合成生物学与生物技术中，定制基因序列的可靠性和成本效益对于相关应用是至关重要的。
尽管脱氧核糖核酸（DNA）微阵列对于基因合成的短寡核苷酸池也是一个划算的来源，但是这些复杂混合物必须经过放大和正确的组装。
一项最近的研究描述了一种方法，即将30个基因（或基因变异池）合成在一个单芯片上。
美国科学家报告说，一轮的合成与选择能够成功鉴别出那些具有人们所渴望的属性的基因变异，例如最佳的表达水平。
在这项新的研究中，美国北卡罗来纳州杜克大学的Jiayuan Quan和同事进行了等温的基因巧合以及链置换扩增反应，以同时扩大和释放60-mer的寡核苷酸，随后他们利用聚合酶循环组装在0.5kb～1kb的基因中建立了重叠产物。
为了方便，这些反应都在芯片上以及相同的反应混合物中进行；假性的寡核苷酸杂化通过将芯片细分为针对每个基因的单独的阱而得到最小化。
其产物随后通过芯片外聚合酶链反应（PCR）而进一步被放大。
研究人员还开发出了一种质量控制程序，从而使错误合成基因（在一次变性复性循环后形成错配的双链单位）的亚族群能够被错配特定内切酶所分开。
然而，由于变异的错配可能性，这一程序的一个局限在于它只适用于合成单一基因，而不是一组密切相关的基因变异的混合库。
这种基因合成方法随后被应用到优化转基因表达，除了强启动子序列外，这还要求适当的密码子使用。