生物芯片是指通過表面微機-�-化加工技�(shù)和生物技�(shù)在玻�、硅片或是尼龍膜等各種固體支持物上以點陣的形式有序固定而構(gòu)建的多功能微型全分析系統(tǒng),可以實�(xiàn)對細�、蛋白質(zhì)、核算及其他生物組分的高�、高效(大信息量�、低耗費的集成分析。生物芯片的出現(xiàn),改變了生命科學(xué)的研究方�,革新醫(yī)�(xué)診斷和治療,極大的提高了人口素質(zhì)和健康水��
載體表面必須具有可進行化學(xué)反應(yīng)的活性基�,以便于生物分子進行偶聯(lián)。使單位載體上結(jié)合的生物分子達到容量,載體應(yīng)當是惰性的和有足夠的穩(wěn)定�,載體具有良好的生物兼容�,以利于制作不同種類的芯��
載體類型:玻片、硅�、硝酸纖維素�、尼龍膜�
膜:�(yōu)點:有孔性三維結(jié)�(gòu),與核酸親和力強,雜交技�(shù)成熟,通常無需另外包被。缺點:膜的表面性質(zhì)不是很均一;單位面積上點樣密度低,需要更多的樣本�;背景較�;容易卷曲等。所以限制了膜的�(yīng)用范��
玻璃:持久的載體,耐受高溫和高離子強度;具有不浸潤性,使雜交體積降低到最??;疏水表面克服了樣點容易擴散的缺�,提高了樣點的密�;熒光信號低,不會造成很強的背景干��
�:除了具有玻片的性質(zhì)外,還有良好的導(dǎo)熱�。缺點:不透明,不利于光學(xué)檢測;具有比較強的表面非特異性吸�;不容易進行表面修飾�
基片處理
目的:要使得要使得基片表面富含活性基�,這種活性基團具有吸附能力和固定能力,能很好的連接生物分子� 方法:表面修� 表面涂敷
點樣
目的:將生物分子放到芯片表面指定的位�� 方法:接觸式點樣 非接觸式點樣 點樣元件
固定
定義:處理好的基片結(jié)合各種生物分子的過程。目的:加強生物分子與基片表面的�(jié)合方法:室溫放置、紫外交�(lián)、烘�
封閉
定義:固定完以后,用一些試劑將基片表面沒有固定生物分子的活性基團反�(yīng)�,這一過程稱為封閉。目的:降低芯片在使用過程中表面的非特異性結(jié)�,提高芯片的靈敏度。封閉試劑:指進行封閉所采用的試�。常用的封閉試劑:硼氫化�、三乙醇�、BSA�
根據(jù)作用方式分類
(1)主動式芯片:是指把生物實驗中的樣本處理純�、反�(yīng)標記及檢測等多個實驗步驟集�,通過一步反�(yīng)就可主動完成。其特點是快�、操作簡�,因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)和縮微芯片實驗室(lab on chip,也叫“芯片實驗室”,是生物芯片技�(shù)的高境界)�
(2)被動式芯片:即各種微陣列芯片,是指把生物實驗中的多個實驗集�,但操作步驟不變。其特點是高度的并行�,目前的大部分芯片屬于此�。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信�,最終通過生物信息�(xué)進行�(shù)�(jù)挖掘分析,因此這類芯片又稱為信息生物芯片。包括基因芯�、蛋白芯�、細胞芯片和組織芯片�
根據(jù)用途分�
(1)生物電子芯片:用于生物計算機等生物電子產(chǎn)品的制��
(2)生物分析芯片:用于各種生物大分子、細�、組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢��
前一類目前在技�(shù)和應(yīng)用上很不成熟,一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片�
根據(jù)固定在載體上的物�(zhì)成分分類
(1)基因芯片(gene chip):又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣�(DNA microarray),是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制��
(2)蛋白�(zhì)芯片(protein chip或protein microarray):是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體上獲得�
(3)細胞芯片(cell chip):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��
(4)組織芯片(tissue chip):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(xué)等組織內(nèi)成分差異研究�
(5)芯片實驗�(Lab on chip):用于生命物�(zhì)的分雀檢測的微型化芯�?,F(xiàn)�,已�(jīng)有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到芯片�,形成所謂的“芯片實驗室�(Lab on chip�。芯片實驗室是生物芯片技�(shù)�(fā)展的最終目標。它將樣品的制備、生化反�(yīng)到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統(tǒng)。由加熱器、微�、微閥、微流量控制�、微電極、電子化�(xué)和電子發(fā)光探測器等組成的芯片實驗室已�(jīng)問世,并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測和分析等部分集成的芯片�?!靶酒瑢嶒炇摇笨梢酝瓿芍T如樣品制�、試劑輸送、生化反�(yīng)、結(jié)果檢�、信息處理和傳遞等一系列�(fù)雜工作。這些微型集成化分析系�(tǒng)攜帶方便,可用于緊急場�、野外操作甚至放在航天器�� 例如可以將樣品的制備和PCR擴增反應(yīng)同時完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司�(shè)計制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA,并對其進行熒光標記,然后當樣品流過固定于柵欄狀微通道�(nèi)的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應(yīng)用其自己開發(fā)的檢測設(shè)備即可實�(xiàn)對雜交結(jié)果的檢測與分�。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積,所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同�,由于該芯片�(shè)計的微通道具有濃縮和富集作�,所以可以加速雜交反�(yīng),縮短測試時�,從而降低了測試成本�
樣品制備芯片
生物樣品往往是復(fù)雜的混合�,在大多�(shù)情況下需要先對生物樣品進行�(yù)處理,即樣品制備。以核酸樣品制備為例,它包括了細胞分雀破�、脫蛋白、提?。模危恋榷嗖焦ぷ?。這些工作可以在樣品制備芯片上完成。目前在細胞分離方法上較突出的有過濾分離和介電電泳分離等;芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、高壓脈沖破胞以及化�(xué)破胞��
過濾分離芯片
過濾分離即根�(jù)生物顆粒的尺寸差異進行分離。針對人白細胞的分離,1998年美國賓夕法尼亞大�(xué)的研究小組研究出了一種芯片微過濾�。芯片微過濾器的工作原理是根�(jù)人白細胞的尺寸比紅細胞大的特�,使人外周血流過微過濾器時只讓血漿和尺寸較小的紅血細胞及血小板通過,而截住尺寸較大的白細�。加工微過濾用芯片是通過在硅片上刻出各種形狀的過濾通道,通道直徑為幾個微�,然后再在硅芯片上鍵合上一塊玻璃蓋片而完�。通過反復(fù)試驗和設(shè)�,微芯片過濾器已從最初的豎式Z形�(jié)�(gòu),通過豎式條狀梳式�(jié)�(gòu)過渡定型為橫壩式�(jié)�(gòu)。采用橫壩式�(jié)�(gòu)的優(yōu)點是人白細胞的回收率�,過濾器不易被堵�。微芯片過濾器的另一�(yīng)用是它可將孕婦外周血中極少量的胎兒細胞過濾出�,供下一步作�(chǎn)前診斷之��
介電電泳分離芯片
介電電泳分離的原理是細胞在高頻不均勻電場作用下產(chǎn)生極化,不同的細胞由于介電特�、電�(dǎo)率、形狀不同而感�(yīng)出不同的偶電�,因此受到不同介電力的作�。利用介電電泳方法制備樣品的�(yōu)點是:通過測量細胞的運動速度,可以得到細胞的介電特�;可以對細胞進行無物理接觸的選擇性操縱、定�、分雀�
生化反應(yīng)芯片
生化反應(yīng)芯片的目的是把在實驗室試管中進行的生化實驗縮微到一塊小小的芯片�。目前較典型的生化反�(yīng)芯片包括聚合酶鏈反應(yīng)(polymeriz� chai� reac-tion,PCR)芯�、藥物合成芯片等,其中PCR擴增芯片是生化反�(yīng)芯片的典型代��
在芯片上進行PCR擴增反�(yīng)的背景是,目前在生物芯片�(lǐng)域中所用的檢測儀器靈敏度還不夠高,所以從血液或活體組織中提取的DNA在標記或應(yīng)用前都需要擴增復(fù)制。例�,在對一個腫瘤的活體解剖樣品進行檢測�,需要在幾千個正?;蛑姓业揭粋€異常的癌基因,顯然這需要對樣品DNA進行必要的擴增復(fù)制才易于檢測。PCR作為生物�(xué)中最常用的DNA擴增手段,由變�、延�、退火三個步驟所�(gòu)�,其每個步驟的工作溫度大約分別為95℃、72℃、60℃。通過該反�(yīng)可將極微量的DNA成千上萬倍地擴增,以滿足實驗需��
除了上述方法�,另一個更簡易的方法是將帕爾帖器件(一種可通過改變器件兩端電壓的極性而產(chǎn)生加熱或致冷效果的半�(dǎo)體器件),直接貼在PCR擴增芯片的背面,人們只需控制帕爾帖器件的溫度在三個恒溫區(qū)之間變化,就能在芯片上實�(xiàn)PCR擴增�
對DNA芯片上所包含的信息進行準確檢測是一項至�(guān)重要的工�。早期的方法是同位素標記�,應(yīng)用時需�(jīng)過曝�、顯�,然后用具有尋址功能的掃描儀掃讀。目前在生物芯片信息采集中使用最多最成功的是熒光標記�,這種方法不受同位素的使用限制,用激光作為激�(fā)光源的共焦掃描裝置具有極高的靈敏度、分辨能力和定位功能,并能定量地輸出�(jié)果�
最近納馬西瓦亞姆(V. Namasivayam)等人�(gòu)建了一種將熒光檢測裝置直接集成在生物芯片上的方�,這更加提高了生物芯片的集成度。他們在硅上加工出光電二極管,并與芯片上的微流體系統(tǒng)相結(jié)合,可以實現(xiàn)0.9納克/微升的DNA檢測精度,信噪比為100∶1�
由于利用生物芯片可以一次性地得到大量實驗�(shù)�(jù),因此需要一個專用的軟件系統(tǒng)來處理數(shù)�(jù)。完整的生物芯片�(shù)�(jù)處理系統(tǒng),應(yīng)該包括芯片圖像分析和�(shù)�(jù)提取,芯片數(shù)�(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析和生物學(xué)分析,芯片的�(shù)�(jù)庫積累和管理,芯片表達基因的國際互聯(lián)�(wǎng)檢索,表達基因數(shù)�(jù)庫分析和積累等功��
在功能基因組�(xué)中的�(yīng)�
研究表明,在不同的組織中表達基因的數(shù)目差別非常大,腦中基因表達的�(shù)目最�,約有3~4萬�,而有的組織中只有幾十個基因表達。不能準確知道每種組織中表達基因的數(shù)目以及每個基因的表達�,就無法從分子水平上了解這一組織在生命活動中的功能。另外同一組織在不同的生長�(fā)育階段中基因表達的種�、數(shù)量也不同,有些基因是在幼年期表達的,而有些基因是在老年期表達的。因此人們不但需要了解基因的序列,還要了解基因在不同組織、不同時間中基因的表達譜,這引�(fā)了功能基因組�(xué)的誕生�
功能基因組學(xué)研究的是在特定組織中、發(fā)育的不同階段或者是疾病的不同時期基因的表達情況,因此它要求能在同一時刻獲得多個分子遺傳學(xué)分析的結(jié)果;另外,任何一個細胞中都會有上千個基因在表達。而細胞間基因表達的差異往往能反�(yīng)出這些細胞是正常發(fā)育還是在朝惡性腫瘤細胞方向發(fā)�。采用生物芯片技�(shù)利用核酸雜交對基因表達進行并行分析的好處是,它用很少的細胞物質(zhì)便能提供有關(guān)多基因差異表達的信息,從而給功能基因組學(xué)研究提供前所未有的信息量�
作為超高通量藥物篩選平臺的應(yīng)�
在過去的十多年中,隨著科技的不斷進步以及在巨大的�(jīng)濟利益驅(qū)使下,藥物篩選技�(shù)得到了很大的�(fā)�。在1980年代中期,每天只能篩選30種化合�,到了1990年代中�,每天可篩選1500種化合物,而如今每天可篩選超過10萬個化合物。高速、低成本的高通量篩選已經(jīng)成為當今藥物篩選的主�,并逐漸向超高通量方向�(fā)�。要進一步提高篩選效�,目前的高通量篩選技�(shù)在各方面均需要技�(shù)�(chuàng)新,這為生物芯片技�(shù)進入藥物篩選�(lǐng)域提供了寶貴的契��
實現(xiàn)超高通量篩選有兩條途徑:微型化和自動化。生物芯片作為一種新型技�(shù)平臺,正可滿足超高通量篩選的微型化、自動化需��
在毒理學(xué)研究中的�(yīng)�
對藥物進行毒性評�,是藥物篩選過程中十分重要的一個環(huán)節(jié)?,F(xiàn)在毒理學(xué)家多采用小鼠作為模型,通過動物實驗來確定藥物的潛在毒性。這些方法需要使用大劑量的藥�,花幾年的時�,代價巨�。DNA芯片技�(shù)可將藥物毒性與基因表達特征�(lián)系起來,通過對基因表達情況的分析來確定藥物毒�,使得藥物毒性或其他不希望出�(xiàn)的效�(yīng)在臨床實驗前得以確認。用DNA芯片可以在一個實驗中同時對成千上萬個基因的表達情況進行分析,從而可為研究化�(xué)分子或藥物分子對生物系統(tǒng)的作用提供全新的線索�
該技�(shù)可對單個或多個有害物�(zhì)進行分析,確定化�(xué)物質(zhì)在低劑量條件下的毒性,分析推斷有毒物質(zhì)對不同生物的毒性可比�。如果不同類型的有毒物質(zhì)所對應(yīng)的基因表達譜有特征性的�(guī)�,那么通過比較對照樣品和有毒物�(zhì)的基因表達譜,就可以對各種有毒物�(zhì)進行分類。在此基�(chǔ)上通過進一步建立合適的生物模型系統(tǒng),便可通過基因表達譜的變化來反映藥物對人體的毒性�
雖然生物芯片技�(shù)是一項新興的技�(shù),但是由于其巨大的�(yīng)用前�,它已經(jīng)成為各國工業(yè)界和�(xué)�(shù)界競相研究的熱點。隨著生物芯片制作工藝和檢測分析手段的不斷進步,可以預(yù)期在不遠的將�,生物芯片技�(shù)將滲透到生命科學(xué)研究、疾病診斷與治療、新藥開�(fā)、國防、司法鑒�、食品衛(wèi)生檢�、航空航天等各個領(lǐng)域中�,成為科�(xué)家探索未知世界奧秘的有力武器�
維庫電子�,電子知�,一查百通!
已收錄詞�168127�