基因芯片的應用

　　1998 年底 美國科學促進會將基因芯片技術列為 1998 年度自然科學領域十大進展之一，足見其在科學史上的意義。現在，基因芯片這一時代的寵兒已被應用到 生物科學眾多的領域之中。它以其可同時、快速、準確地分析數以千計 基因組信息的本領而顯示出了巨大的威力。這些應用主要包括 基因表達檢測、突變檢測、基因組多態性分析和 基因文庫作圖以及 雜交測序等方面。在基因表達檢測的研究上人們已比較成功地對多種生物包括 擬南芥（ Arabidopsis thaliana ）、酵母(Saccharomyces cerevisiae)及人的基因組表達情況進行了研究，并且用該技術（共 157,112 個探針分子）一次性檢測了酵母幾種不同株間數千個 基因表達譜的差異 。實踐證明基因芯片技術也可用于核酸突變的檢測及基因組 多態性的分析，例如對人 BRCA Ⅰ基因 外顯子11、 CFTR 基因 、β  -地中海貧血 、酵母突變菌株間 、 HIV-1 逆轉錄酶及蛋白酶基因（與 Sanger 測序結果一致性達到 98% ） 等的突變檢測，對 人類基因組 單核苷酸多態性的鑒定、作圖和分型 ，人線粒體 16.6kb 基因組多態性的研究 [24] 等。將生物傳感器與芯片技術相結合，通過改變探針陣列區域的電場強度已經證明可以檢測到基因（ ras 等）的單 堿基突變 。此外，有人還曾通過確定重疊克隆的次序從而對酵母基因組進行作圖。 雜交測序是基因芯片技術的另一重要應用。該測序技術理論上不失為一種高效可行的測序方法，但需通過大量重疊序列探針與目的分子的雜交方可推導出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探針。基因芯片技術可以比較容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的問世無疑為雜交測序提供了實施的可能性，這已為實踐所證實。

　　在實際應用方面，生物芯片技術可廣泛應用于疾病診斷和治療、 藥物篩選、農作物的優育優選、司法鑒定、食品衛生監督、環境檢測、國防、航天等許多領域。它將為人類認識生命的起源、遺傳、發育與進化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為 生物大分子的全新設計和藥物開發中 先導化合物的快速篩選和 藥物基因組學研究提供技術支撐平臺。

　　藥物篩選和新藥開發

　　由于所有藥物（或獸藥）都是直接或間接地通過修飾、改變人類（或相關動物）基因的表達及表達產物的功能而生效，而芯片技術具有高通量、大規模、平行性地分析基因表達或蛋白質狀況（ 蛋白質芯片）的能力，在藥物篩選方面具有巨大的優勢。用芯片作大規模的篩選研究可以省略大量的動物試驗甚至臨床，縮短藥物篩選所用時間，提高效率，降低風險。

　　隨著 人類基因圖譜的繪就，基因工程藥物將進入一個大發展時期，在基因工程藥物的研制和生產中，生物芯片也有著較大的市場。以基因工程 胰島素為例，當我們把人的胰島素 基因轉移到大腸桿菌細胞后，我們就需要用某種方法對工程菌的 基因型進行分析，以便確證胰島素基因是否轉移成功。過去人們采取的方法叫做“ 限制性片段長度多態性”（簡稱RELP），這種方法非常地煩瑣復雜，在成本和效率方面都不如基因芯片，今后被芯片技術取代是必然的趨勢。通過使用基因芯片篩選藥物具有的巨大優勢決定它將成為本世紀藥物研究的趨勢。

　　疾病診斷

　　基因芯片作為一種先進的、大規模、高通量檢測技術，應用于疾病的診斷，其優點有以下幾個方面：一是高度的靈敏性和準確性；二是快速簡便；三是可同時檢測多種疾病。如應用于產前遺傳性疾病檢查，抽取少許羊水就可以檢測出胎兒是否患有遺傳性疾病，同時鑒別的疾病可以達到數十種甚至數百種，這是其他方法所無法替代的，非常有助于“優生優育”這一國策的實施。又如對病原微生物感染診斷，目前的實驗室診斷技術所需的時間比較長，檢查也不全面，醫生往往只能根據 臨床經驗做出診斷，降低了診斷的準確率，如果在檢查中應用基因芯片技術，醫生在短時間內就能知道病人是哪種病原微生物感染；而且能測定病原體是否產生耐藥性、對哪種抗生素產生耐藥性、對哪種抗生素敏感等等，這樣醫生就能有的放矢地制定科學的治療方案；再如對具有高血壓、 糖尿病等疾病家族史的高危人群普查、接觸毒化物質人群 惡性腫瘤普查等等，如采用了基因芯片技術，立即就能得到可靠的結果，其他對 心血管疾病、神經系統疾病、內分泌系統疾病、免疫性疾病、 代謝性疾病等，如采用了基因芯片技術，其早期診斷率將大大提高，而誤診率會大大降低，同時有利于醫生綜合地了解各個系統的疾病狀況。

　　環境保護

　　在環境保護上，基因芯片也廣泛的用途，一方面可以快速檢測污染微生物或有機化合物對環境、人體、動植物的污染和危害，同時也能夠通過大規模的篩選尋找保護基因，制備防治危害的基因工程藥品、或能夠治理污染源的基因產品。

　　司法

　　基因芯片還可用于司法，現階段可以通過DNA 指紋對比來鑒定罪犯，未來可以建立全國甚至全世界的DNA指紋庫，到那時以直接在 犯罪現場對可能是疑犯留下來的頭發、唾液、血液、精液等進行分析，并立刻與DNA罪犯指紋庫系統存儲的DNA“指紋”進行比較，以盡快、準確的破案。目前，科學家正著手于將生物芯片技術應用于 親子鑒定中，應用生物芯片后，鑒定精度將大幅提高。

　　現代農業

　　基因芯片技術可以用來篩選農作物的 基因突變，并尋找高產量、抗病蟲、抗干旱、抗冷凍的相關基因，也可以用于基因掃描及基因文庫作圖、商品檢驗檢疫等領域。目前該類市場尚待開發。

　　研究領域

　　包括 基因表達檢測、尋找新基因、 雜交測序、基因突變和多態性分析以及基因文庫作圖以及等方面。

　　1、基因表達檢測。

　　人類基因組編碼大約10萬個不同的基因，僅掌握基因序列信息資料，要理解其基因功能是遠遠不夠的，因此，具有監測大量mRNA（信使RNA，可簡單理解為基因表達的中介物）的實驗工具很重要。有關對芯片技術檢測基因表達及其敏感性、 特異性進行的研究實驗表明芯片技術易于監測非常大量的mRNAs并能敏感地反映基因表達中的微小變化。利用基因芯片技術人們已比較成功地對多種生物包括擬南芥、酵母及人的基因組表達情況進行了研究，并且用該技術（共157,112個探針分子）一次性檢測了酵母幾種不同株間數千個基因表達譜的差異。

　　2、尋找新基因。

　　有關實驗表明在缺乏任何序列信息的條件下，基因芯片也可用于基因發現，如HME基因和黑色素瘤生長刺激因子就是通過基因芯片技術發現的。

　　3、 DNA測序。

　　人類基因組計劃的實施促進了更高效率的、能夠自動化操作的 測序方法的發展，芯片技術中 雜交測序技術及鄰堆 雜交技術即是一種新的高效快速測序方法。如使用美國Affymetrix公司1998年生產出的帶有13.5萬個基因探針的芯片就可以使人類DNA解碼速度提高了25倍。

　　4、核酸突變的檢測及基因組多態性的分析。

　　有關實驗結果已經表明 DNA芯片技術可快速、準確地研究大量患者樣品中特定基因所有可能的雜合 變異。對人類基因組單核苷酸 多態性的鑒定、作圖和分型，人線粒體16.6kb基因組多態性的研究等。隨著遺傳病與癌癥相關基因發現數量的增加，變異與多態性分析必將越來越重要。

　　7研究方向及當前面臨的困難編輯

　　盡管基因芯片技術已經取得了長足的發展，得到世人的矚目，但仍然存在著許多難以解決的問題，例如技術成本昂貴、復雜、檢測靈敏度較低、重復性差、分析泛圍較狹窄等問題。這些問題主要表現在樣品的制備、探針合成與固定、分子的標記、數據的讀取與分析等幾個方面。

　　樣品制備上，當前多數公司在標記和測定前都要對樣品進行一定程度的擴增以便提高檢測的靈敏度，但仍有不少人在嘗試繞過該問題，這包括 Mosaic Technologies 公司的固相 PCR 擴增體系以及 Lynx Therapeutics 公司提出的大量并行固相克隆方法，兩種方法各有優缺點，但目前尚未取得實際應用。

　　探針的合成與固定比較復雜，特別是對于制作高密度的探針陣列。使用光導聚合技術每步產率不高（ 95% ），難于保證好的聚合效果。應運而生的其它很多方法，如壓電打壓、微量噴涂等多項技術，雖然技術難度較低方法也比較靈活，但存在的問題是難以形成高密度的探針陣列，所以只能在較小規模上使用。最近我國學者已成功地將分子印章技術應用于探針的 原位合成而且取得了比較滿意的結果（個人通訊）。

　　目標分子的標記也是一個重要的限速步驟，如何簡化或繞過這一步現在仍然是個問題。

　　目標分子與探針的雜交會出現一些問題：首先，由于雜交位于固相表面，所以有一定程度的空間阻礙作用，有必要設法減小這種不利因素的影響。 Southern 曾通過向探針中引入間隔分子而使雜交效率提高于了 150 倍。其次，探針分子的 GC 含量、長度以及濃度等都會對雜交產生一定的影響，因此需要分別進行分析和研究。

　　信號的獲取與分析上，當前多數方法使用熒光法進行檢測和分析，重復性較好，但靈敏仍然不高。正在發展的方法有多種，如質譜法、化學發光法等。基因芯片上成千上萬的寡核苷酸探針由于序列本身有一定程度的重疊因而產生了大量的豐余信息。這一方面可以為樣品的檢測提供大量的驗證機會，但同時，要對如此大量的信息進行解讀，目前仍是一個艱巨的技術問題。