1、生物芯片技术生物芯片技术l了解生物芯片的功能，及其医学研究领域中的作用，了解生物芯片的功能，及其医学研究领域中的作用，以及生物芯片技术的最新进展。以及生物芯片技术的最新进展。l熟悉生物芯片的种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片熟悉生物芯片的种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片和微缩芯片实验室的原理及其制备方法。和微缩芯片实验室的原理及其制备方法。l掌握基因芯片的工作原理、制备方法及其在临床诊断掌握基因芯片的工作原理、制备方法及其在临床诊断中的意义。中的意义。第一节第一节 生物芯片概述生物芯片概述第二节第二节 基因芯片基因芯片第三节第三节 蛋白芯片蛋白芯片第四节第四节 芯片实验室芯片实验室第一节第一节
2、生物芯片概述生物芯片概述一、生物芯片的定义一、生物芯片的定义二、生物芯片的特点及分类二、生物芯片的特点及分类三、生物芯片在医学中的应用概况与前景三、生物芯片在医学中的应用概况与前景一、生物芯片的定义一、生物芯片的定义 指在一块大不上不等（一般约指在一块大不上不等（一般约1 12cm2cm2 2）的载体材）的载体材料上，以大规模阵列的形式排布了不同的生物分子探针，料上，以大规模阵列的形式排布了不同的生物分子探针，形成可与目的靶分子相互作用，并行反应的固相表面。形成可与目的靶分子相互作用，并行反应的固相表面。将芯片与荧光标记的靶分子进行化学反应（如杂交、免将芯片与荧光标记的靶分子进行化学反应（如杂
3、交、免疫反应等），经过激发光扫描后，不同反应强度的标记疫反应等），经过激发光扫描后，不同反应强度的标记荧光将呈现不同的荧光发射谱征。用激光共聚焦显微扫荧光将呈现不同的荧光发射谱征。用激光共聚焦显微扫描仪或描仪或CCDCCD相机收集信号后，经计算机分析数据结果，相机收集信号后，经计算机分析数据结果，从而获得相关的生物信息。从而获得相关的生物信息。二、生物芯片的特点l高通量、集成化、并行化和微型化高通量、集成化、并行化和微型化生物芯片的分类生物芯片的分类生物芯片生物芯片点阵型芯片点阵型芯片实验室芯片实验室芯片DNADNA芯片芯片蛋白芯片蛋白芯片细胞芯片细胞芯片反应器芯片反应器芯片流体芯片流体芯片纯
4、化芯片纯化芯片三、生物芯片在医学中的应用三、生物芯片在医学中的应用l分子生物学、生物进化分子生物学、生物进化（生物起源及新物种鉴定）（生物起源及新物种鉴定）l生物医学生物医学（新药的筛选与合成，疾病诊断和治疗，如癌症、（新药的筛选与合成，疾病诊断和治疗，如癌症、早年性痴呆症等的病因研究）早年性痴呆症等的病因研究）l农林科学农林科学（农作物育种改良、食品卫生监督、微生物检测）（农作物育种改良、食品卫生监督、微生物检测）l环境科学环境科学l生化武器侦检生化武器侦检l司法鉴定等司法鉴定等第二节第二节 基因芯片基因芯片一、基因芯片的原理一、基因芯片的原理二、基因芯片技术二、基因芯片技术三、基因芯片的应
5、用三、基因芯片的应用 基因芯片基因芯片(gene chip)(gene chip)又称又称DNADNA芯片芯片(DNA(DNA chip)chip)或或DNADNA微阵列微阵列(DNA micro-array)(DNA micro-array)。基因。基因是载有生物体遗传信息的基本单位，存在于是载有生物体遗传信息的基本单位，存在于细胞的染色体上。将大量的基因片段有序地、细胞的染色体上。将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称之为基因芯片。称之为基因芯片。基因芯片发展历史基因芯片发展历史一、基因芯片的原理l基因芯片技术是建立在基因探针
6、和杂交测序技术基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。l基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。基因芯片研制的总体蓝图基因芯片研制的总体蓝图 图图11-1 11-1 基因芯片技术主要步骤基因芯片技术主要步骤二、基因芯片技术二、基因芯片技术（一）芯片制备（一）芯片制备 1.1.合成探针合成探针 基因组探针基因组探针 cDNAcDNA探针探针 寡核苷酸探针寡核苷酸探针 2.2.探针在载体表面
7、的固定探针在载体表面的固定 固相载体固相载体固体片状：固体片状：主要有玻片、硅片和瓷片等；主要有玻片、硅片和瓷片等；薄膜状：薄膜状：有硝酸纤维素膜、尼龙膜以及聚丙烯膜等。有硝酸纤维素膜、尼龙膜以及聚丙烯膜等。探针在载体表面的固定可分为两大类方法：探针在载体表面的固定可分为两大类方法：合成后点样，多用于大片段合成后点样，多用于大片段DNADNA，有时也用，有时也用于寡核苷酸，甚至于寡核苷酸，甚至mRNAmRNA。原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探针），适用于寡核苷酸。酸探针），适用于寡核苷酸。合成后点样合成后点样l接触式点样接触式点样l非接触式点样非
8、接触式点样Cartesian-PixSys SeriesCartesian-PixSys Series合成后点样板合成后点样板 -Cartesian Tech.-Cartesian Tech.原位合成有三种途径：原位合成有三种途径：原位光刻合成原位光刻合成压电打印法压电打印法分子印章原位合成法。分子印章原位合成法。原位光刻合成技术的原理示意图原位光刻合成技术的原理示意图 压电打印原位合成法工作方式压电打印原位合成法工作方式 （二）样品制备（二）样品制备 常见的基因芯片实验样品有常见的基因芯片实验样品有DNADNA、mRNA(cDNA)mRNA(cDNA)两种。根据样品来源、基因含两种。根据样品
9、来源、基因含量及检测方法和分析目的不同，采用的基量及检测方法和分析目的不同，采用的基因分离、扩增及标记方法各异。因分离、扩增及标记方法各异。（三）杂交反应（三）杂交反应 杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。进行的反应产生一系列信息的过程。l过程类似于一般的杂交法。过程类似于一般的杂交法。l把要杂交的分子的溶液覆盖芯片的探针，用盖把要杂交的分子的溶液覆盖芯片的探针，用盖玻片覆盖，即可杂交。玻片覆盖，即可杂交。（四）（四）信号检测信号检测和分析和分析 在杂交反应完成后，将矩阵插入扫描仪中。在杂交反应完成后，将矩阵插入扫描仪中。
10、主要为荧光法，其重复性较好，不足的是灵主要为荧光法，其重复性较好，不足的是灵敏度仍较低。敏度仍较低。目前正在发展的方法有质谱法、化学发光法、目前正在发展的方法有质谱法、化学发光法、光导纤维法等。光导纤维法等。基因芯片杂交结果要用专用的扫描系基因芯片杂交结果要用专用的扫描系统读取。统读取。B BB BA AC CD DE E放大器放大器数模转数模转换器换器计算机计算机A:A:激光器激光器 B:B:滤光片滤光片 C:C:二色镜二色镜 D:D:反光镜反光镜 E:E:关栅关栅 基因芯片扫描结果基因芯片扫描结果不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记的核酸分子
11、数的差异。红黄绿兰紫的核酸分子数的差异。红黄绿兰紫GENERAL SCANNING三、基因芯片的应用三、基因芯片的应用（一）寻找和发现新基因（一）寻找和发现新基因（二）基因表达分析（二）基因表达分析（三）（三）DNADNA序列测定与序列间比较序列测定与序列间比较（四）突变体和多态性的检测（四）突变体和多态性的检测l表达谱芯片实例表达谱芯片实例PCRPCR法从外周血淋巴细法从外周血淋巴细胞胞cDNAcDNA文库扩增产物文库扩增产物扩增产物点样于扩增产物点样于包被的玻片上包被的玻片上DNADNA芯片芯片热击热击T T细胞细胞cDNAcDNA未处理的未处理的细胞细胞cDNAcDNA 杂交杂交 杂交杂
12、交激光共聚焦扫描激光共聚焦扫描发现发现1717个差异表达基因个差异表达基因,11,11个被热诱导个被热诱导,6,6个个被热抑制被热抑制,发现其中发现其中3 3个为未发现的新基因个为未发现的新基因（五）在疾病诊断的应用（五）在疾病诊断的应用（1 1）感染性疾病的诊断）感染性疾病的诊断 性传播疾病、肝炎等。性传播疾病、肝炎等。（2 2）遗传性疾病的诊断）遗传性疾病的诊断 地中海贫血、婚前检查等。地中海贫血、婚前检查等。（3 3）耐药性检测）耐药性检测 结核分支杆菌耐药性检测芯片等。结核分支杆菌耐药性检测芯片等。生物芯片的优、缺点生物芯片的优、缺点优点：优点：1 1）高通量性：可同时并行分析成千上万
13、种分子。）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。节省时间。节省时间。2 2）微型化，实验所需试剂用量少。）微型化，实验所需试剂用量少。3 3）高度自动化。）高度自动化。缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。生物芯片于一般分子杂交比较生物芯片于一般分子杂交比较生物芯片生物芯片SouthernSouthern等等信息通量信息通量高，几千高，几千-几十万点几十万点/cm/cm2 2低低自动化程度自动化程度高高低低研究的速度研究的速度快快慢慢实验结果的实验结果的平行性平行性好好低低存在问题存在问题l基因芯片的缺点在于其不能对待检测基因在多细基因芯
14、片的缺点在于其不能对待检测基因在多细胞类型组织中的精确定位进行判断胞类型组织中的精确定位进行判断,在这点上，在这点上，NorthernNorthern也一样，而原位杂交技术可以克服此缺也一样，而原位杂交技术可以克服此缺点。另外很多蛋白质调节其功能不主要是依赖其点。另外很多蛋白质调节其功能不主要是依赖其是否表达或表达量高低，而是依赖蛋白质磷酸化是否表达或表达量高低，而是依赖蛋白质磷酸化-去磷酸化等方式。在这种情况下，用核酸类生物去磷酸化等方式。在这种情况下，用核酸类生物芯片就没有什么意义了，正在研究开发中的蛋白芯片就没有什么意义了，正在研究开发中的蛋白类芯片可能会有所作为的。类芯片可能会有所作为
15、的。l基因芯片技术本身有一些关键问题亟待解决：基因芯片技术本身有一些关键问题亟待解决：(1)(1)基因芯片的特异性的提高基因芯片的特异性的提高(2)(2)样品制备和标记操作的简化样品制备和标记操作的简化(3)(3)增加信号检测的灵敏度增加信号检测的灵敏度(4)(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测仪器的研制和开发。及检测仪器的研制和开发。制约基因芯片技术发展及应用的最主要的因素是制约基因芯片技术发展及应用的最主要的因素是这种技术的成本较为昂贵，目前只有制药公司和少数这种技术的成本较为昂贵，目前只有制药公司和少数研究所才能承受。研究所才能承受。
16、第三节第三节 蛋白芯片蛋白芯片一、蛋白芯片的原理与分类一、蛋白芯片的原理与分类二、蛋白质芯片制作和检测的基本流程二、蛋白质芯片制作和检测的基本流程三、蛋白质芯片的应用三、蛋白质芯片的应用 蛋白质芯片（蛋白质芯片（protein chipprotein chip），又称蛋白质），又称蛋白质微阵列微阵列(protein microarray)(protein microarray)，是用于蛋白质功，是用于蛋白质功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、机械点样或共价结合的等方法将多肽、蛋白、成、机械点样或共价结合的等方法将多肽、蛋白、酶、抗原、抗体固
17、定于硅片、玻璃片、塑料片、酶、抗原、抗体固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵。凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵。蛋白芯片的原理与分类蛋白芯片的原理与分类 在待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探在待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后，针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量检测和分析，从而实现对多肽、蛋白质及其他生物检测和分析，从而实现对多肽、蛋白质及其他生物成份进行高通量检测。成份进行高通量检测。蛋白质芯片的特
18、点蛋白质芯片的特点 蛋白质芯片技术是一种快捷、高效、高通量、蛋白质芯片技术是一种快捷、高效、高通量、并行、微型化和自动化的蛋白质分析技术，适用并行、微型化和自动化的蛋白质分析技术，适用于分析包括组织、细胞系、体液在内的多种生物于分析包括组织、细胞系、体液在内的多种生物样品能分析包含针对信号传导、癌症、细胞周期样品能分析包含针对信号传导、癌症、细胞周期调控、细胞结构、凋亡和神经生物学等广泛的生调控、细胞结构、凋亡和神经生物学等广泛的生物功能的相关蛋白，灵敏度高达物功能的相关蛋白，灵敏度高达pg/mlpg/ml。蛋白质芯片的分类蛋白质芯片的分类1.1.按样品结合方式分为：化学型和生物化学型按样品结
19、合方式分为：化学型和生物化学型2.2.按点样蛋白质有无活性功能分为：无活性芯片和活按点样蛋白质有无活性功能分为：无活性芯片和活性芯片性芯片3.3.按工作原理分为：探针型和凝胶电泳型芯片。按工作原理分为：探针型和凝胶电泳型芯片。4.4.按作用分为：蛋白质表达芯片和蛋白质功能芯片按作用分为：蛋白质表达芯片和蛋白质功能芯片二、蛋白质芯片制作和检测的基本流程二、蛋白质芯片制作和检测的基本流程制备抗体文库制备抗体文库选择固相载体片基选择固相载体片基制备探针蛋白质，点样制备探针蛋白质，点样 制备待检样品制备待检样品(蛋白质、多肽、酶等蛋白质、多肽、酶等)对样品进行标记对样品进行标记与芯片进行抗原抗体反应与
20、芯片进行抗原抗体反应检测分析检测分析u蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用u发现新的疾病标志物作为临床诊断的指标发现新的疾病标志物作为临床诊断的指标u对疾病病理分子机制的研究对疾病病理分子机制的研究u筛选药物靶，发现新药物，研究药理学筛选药物靶，发现新药物，研究药理学三、蛋白质芯片的应用三、蛋白质芯片的应用第四节第四节 芯片实验室芯片实验室一、缩微芯片实验室特点一、缩微芯片实验室特点二、缩微芯片实验室的基本组成二、缩微芯片实验室的基本组成三、缩微芯片实验室的应用研究三、缩微芯片实验室的应用研究l芯片实验室是将样品制备、生化反应和检芯片实验室是将样品制备、生化反应和检测分析的全过程集约化，并缩微到一
21、张芯测分析的全过程集约化，并缩微到一张芯片上自动完成，形成的所谓微型全分析系片上自动完成，形成的所谓微型全分析系统（统（micro total analysis systen,-micro total analysis systen,-TASTAS）,或称或称“缩微芯片实验室缩微芯片实验室”（lab-on-lab-on-a-chipa-chip）。）。一、缩微芯片实验室特点一、缩微芯片实验室特点 分析全过程自动化、生产成本低、防污染、分析全过程自动化、生产成本低、防污染、分析速度快、所需样品少、极高的样品并行处分析速度快、所需样品少、极高的样品并行处理能力、体积小、重量轻、便于携带。缩微芯理能
22、力、体积小、重量轻、便于携带。缩微芯片实验室将来发展的趋势甚至可以成为个人生片实验室将来发展的趋势甚至可以成为个人生物信息分析卡或微型分子生物实验室之类的器物信息分析卡或微型分子生物实验室之类的器件件 。二、缩微芯片实验室的基本组成二、缩微芯片实验室的基本组成 生物样品的分析通常包括样品制备、生物样品的分析通常包括样品制备、生物化学和分子生物学反应、结果检测和生物化学和分子生物学反应、结果检测和数据处理等过程。数据处理等过程。三、缩微芯片实验室的应用研究三、缩微芯片实验室的应用研究l目前，含有加热器、微泵微阀、微流量控制器、目前，含有加热器、微泵微阀、微流量控制器、电子化学和电子发光探测器的芯
23、片已经研制出电子化学和电子发光探测器的芯片已经研制出来，同时也出现了将样品制备、化学反应和分来，同时也出现了将样品制备、化学反应和分析检测部分结合的芯片。析检测部分结合的芯片。l高通量、一体化、移植性的高通量、一体化、移植性的“未来型掌上实验未来型掌上实验室室”的构想。的构想。缩微芯片实验室应用新进展缩微芯片实验室应用新进展lNanogenNanogen公司、公司、AffymitrixAffymitrix公司。宾夕法尼亚大公司。宾夕法尼亚大学医学院和密歇根大学的科学家们利用在微缩学医学院和密歇根大学的科学家们利用在微缩芯片上刻出的加热器、泵、阀门、微量分析器、芯片上刻出的加热器、泵、阀门、微量
24、分析器、电化学检测器以及其他光电子检测器等，已经电化学检测器以及其他光电子检测器等，已经先后制作出了结构不同的微缩芯片实验室样机，先后制作出了结构不同的微缩芯片实验室样机，向人们展示了制作微缩芯片实验室的可能性。向人们展示了制作微缩芯片实验室的可能性。l在意大利，研究人员利用微机电系统技术开发在意大利，研究人员利用微机电系统技术开发出一种芯片实验室原型，这种芯片有非常优秀出一种芯片实验室原型，这种芯片有非常优秀的热特性，是分析的热特性，是分析DNADNA的理想工具，如聚合物连的理想工具，如聚合物连锁反应。在瑞典，研究人员开发出一种纳米实锁反应。在瑞典，研究人员开发出一种纳米实验室，能在验室，能在1 1小时内同时处理小时内同时处理480480种蛋白质样本。种蛋白质样本。l芯片实验室的另一应用是制成一次性的用品，芯片实验室的另一应用是制成一次性的用品，如检验卡等，可以用于医院，也可以作为消费如检验卡等，可以用于医院，也可以作为消费者用品，用途很广泛，市场潜力巨大。者用品，用途很广泛，市场潜力巨大。THE END
