基 因 芯 片 刘 琴 7 号 03 生物科学

当夜深人静时我们会沉思 我是谁? 自己的家庭遗传了什么? 将来的癌症的危险有多大? 哪些环境因素对自己影响最大? 或许 当夜深人静时我们会沉思 我是谁? 自己的家庭遗传了什么? 将来的癌症的危险有多大? 哪些环境因素对自己影响最大? 体内生理代谢的 总体状况如何? 基因芯片技术将会帮助人类很好的回答

生物芯片 概念: 生物芯片是将大量生物识别分子按预先设 置的排列固定于一种载体(如硅片,载玻片及高 聚物等)表面,利用生物分子的特异性亲和反应, 如核酸杂交反应,抗原抗体反应等来分析各种 生物分子存在的一种技术. 类型: 芯片实验室、基因芯片、蛋白芯片 特点：高通量、微型化、自动化

基因芯片 概念：基因芯片又称DNA芯片，是最重要的一种 生物芯片。它是指将大量基因探针分子固定于支 持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过杂交 信号的强弱判断靶分子的数量。 意义：用该技术可将大量的基因探针同时固定于 支持物上，所以一次可对大量核酸分子进行检测 分析，从而解决了传统核酸印迹杂交技术操作复 杂、自动化程度低、检测目的分子数少、效率低 等不足。 应用：基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、 基因组文库作图及杂交测序、

基因芯片研制的主要关键技术包括： 合适基因载体的选择、 高精密度点样仪器的研制 靶基因扩增、 基因与载体的偶联和固定技术、 杂交探针的制备与高效标记、 杂交动力学研究 基因芯片的工作原理：芯片上集成的成千上万的 密集排列的分子微阵列，也就是许多已知碱基顺 序的DNA片段，根据碱基互补序列的单链DNA片 段相结合，能够在短时间内分析大量的生物分子， 使人们快速准确地获取样品中的生物信息。

意义：基因的结构或种类决定物种，基因的功能 或表达则决定生命，即生物的生、老、病、死。 通过基因芯片技术可准确识别异常蛋白等，可以 在短时间内观察病变细胞并分析出数十种由于基 因异常引发的疾病。 特点： A高度并行性：有利于基因芯片所示图谱的快速 对照和阅读，效率大为提高。 B多样性：提供了样品的多指标测定。 C微型化：对样品的需要量非常少，而且还能节省 试剂用量，降低成本 D自动化：减少人力投入，并保证了质量。

基因芯片的优点： 1采用了平面微细加工技术，可实现大批量生产。 通过提高集成度，降低单个芯片的成本。 2结合微机械技术，可把生物样品的预处理，基因 物质的提取、扩增，以及杂交后的信息检测集成为 芯片实验室，制备成微型、自动化、无污染、可用 于微量试样检测的高度集成的智能化基因芯片。

基因芯片的应用: 一、基因芯片在临床医学方面的应用 二、基因芯片在药物研究中的应用 三、芯片在测序及基因绘图方面的应用 四、基因芯片在军事、司法方面的应用 五、基因芯片在农林业中的应用 六、基因芯片在其他方面的应用

用途：生物芯片具有可同时并行分析各种生物分 子的优点，非常适合于基因表达分析和基 因分型分析。 生物芯片是一项高新技术，主要是指通过微 加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的 微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、 DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息的 检测。 芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微 阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使 人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是 传统检测手段的成百上千倍。

历史： 基因芯片的创意来自于计算机芯片，是在 美国硅谷开始出现的另一种芯片。它和计算机芯 片一样，具有超微化、高度集成、信息贮存量大 等特点，所不同的是，计算机芯片采用的是半导 体集成电路，而基因芯片是以基因片段作为“探 针”进行工作。 基因芯片将改变生命科学的研究方式，革新 医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水 平。

中国基因芯片的研究现状与发展策略 中国生物芯片主要研究生产单位情况 1清华大学生物芯片研发中心（北京）程京博士 研究方向：胎儿脑发育基因表达系统的生物芯片和 关于水稻器官发育的基因芯片。 2第四军医大学与陕西超群科技股份有限公司 （西安） 研究方向：肽芯片和基因芯片，用于胃病、 性病、 肝病等常见病和多发病的临床检验健康人群检查。 3联合基因科技公司与第一军医大（上海） 是中国目前规模最大的基因组研究、应用和产品 开发企业。

中国在生物芯片领域取得成就 1开展了多种方法玻片修饰技术、固定技术的研究， 以满足cDNA在不同修饰玻片上的高效率固定、杂 交的需要，成功地制作了每平方厘米超过25000点 的DNA芯片。 2多病毒基因检测芯片的研究，主要完成了4﹣6种 病毒基因的PCR共扩增、DNA探针的固化和简易 信号检测技术研究。 3高灵敏度的DNA芯片检测系统研究，现已初步建 立了DNA芯片检测仪，包括成像系统、软件和样品 平台等

4完成了光敏保护试剂的全合成、对胸腺核苷 （T）5′﹣羟基的光敏保护N﹣酰基化和2′﹣脱 氧核苷的制备。 5开展了微型PCR装置、毛细血管电泳微芯片等方 面的研究工作，包括毛细血管制作、光学检测系统 温度控制系统等方面的研究工作。

中国的基因芯片的发展方向 1发展具有自主知识产权的高密度基因芯片制备的 关键技术，发展一个可进行高密度基因芯片加工基因芯片的加工设备和工艺。 2发展和研制的基因芯片设计和分析软件。 3发展出高集成度的生物活性单元微阵列芯片，包括DNA、PNA、多肽、蛋白质、病毒、细胞组和细胞以及微小生物组织等生物活性微阵列芯片。

中国的基因芯片发展规划 1成为国际上最大的cDNA阵列制造者。 2成为一个cDNA阵列的研究和服务中心。 3把生物芯片技术产业化。

中国生物芯片计划上市公司 （一）上海医药和张江高技 （二）复星实业 （三）哈高科 （四）河池化工 （五）友好集团和上海实业联合公司 （六）星湖科技

中国发展生物芯片产业具有的优势与存在的问题 优势： 1丰富的基因资源储备。 2中国生物芯片的市场空间巨大。 问题： 1目前国内的生物芯片产品技术壁垒偏低，尚未 体现基因芯片高通量检测的主要技术优势。 2基因芯片本身在加工工艺、技术要求方面仍不 完善。 3由于基因研究水平限制，国内诊断芯片存在重复 开发的问题。

存在问题： 4受成本的限制，目前国内在研的针对肝炎等疾病 的诊断芯片的市场空间有限。 5国内生物芯片开发的政策性风险。 6生物芯片的产业化基础仍很薄弱。

人类所有疾病都直接、间接与基因有关 人类疾病可分为 一、单基因病：其主要病因是某一特定基因的结构 发生改变，如白发病、多指病、早老症。 二、多基因病：这类疾病的发生涉及两个以上基因 或表达调控的改变，如高血压、冠心病、糖尿病。 三、获得性基因病：这类疾病由病原微生物通过感 染将其基因入侵到宿主基因引起。 随着越来越多的遗传病和其他疾病的相关致病 基因的发现，通过生物芯片进行疾病的诊断、预防 和设计针对性的治疗方案将越来越明显。

一、疾病预防 A：利用基因芯片对结婚的男女双方和怀孕三个月 以上的胎儿进行检测，能非常准确而有效地诊断 出各种传染疾病和遗传疾病，从而有效地预防新 生儿的出生缺陷，保护母婴健康。 B：利用基因芯片对婴儿进行DNA检验，这样可以 确定这个婴儿将来最可能得什么病，发病期在什 么时间，可能对什么药物过敏。有了这些信息， 就可以根据这个新生命的具体情况进行一系列的 预防措施，从而达到使之健康长寿的目的。 C：微芯片技术能帮助人类检查和预防癌症

二、临床诊断 基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤 等疾病疾病的临床诊断上有着巨大应用前景和市 场。基因诊断芯片是进行高通量、大规模、灵敏 准确的诊断和检测技术 基本运作过程：将基因片段固定于载体上制 成基因芯片，然后将其与荧光标记产物一起放入 自动杂交系统，让两者按碱基配对的原则进行固 相杂交，然后通过激光共聚焦扫描仪对芯片上的 荧光信号进行扫描，最后用计算机系统对每一探 针上的荧光信号作比较和检测，并显示出有关的 信息。在这个过程中，基因芯片就犹如一面超高 倍率放大镜，映射出被测患者基因结构与正常人 基因结构上的细微差异，从而诊断出疾病。

一药物筛选 A 通过基因芯片的筛选，可以了解中药在基因水平 的调控机制，为中药的应用奠定坚实的理论基础。 B 通过基因芯片的筛选，能为中药的进一步开发和 设计提供理论指导，有利于研制单位重新组织中 药复方中的有效组分，得到专一性更强、疗效更 显著、毒性更低的新药。 C 基因芯片技术可以筛选药物的毒副作用和致畸 致突变作用。 意义：应用生物芯片来进行药物筛选寻找，查检药 物的毒性或副作用，用芯片做大规模的筛选研究可 以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用的时间 从而带动创新药物的研究和开发。

二 靶标的确立 人体是一个复杂的网络，疾病的发生发展必 然牵涉到网络中很多环节。很多疾病都是多因素 作用的结果，往往不能归结于单一因素变化的结 果上来。选择合适的靶标是基于机理药物筛选乃 至定向合成的关键因素之一。 基因芯片可以从疾病及药物两个角度对生物 体的参量同时进行研究以发掘筛选靶标即疾病相 关分子并同时获取大量其他相关信息。 利用基因芯片可比较正常组织（细胞）及病变 组织（细胞）中大量相关基因表达的变化，从而发 现一组疾病相关基因作为药物筛选靶标。

三 合理用药 临床用药中常可见到这样的现象：患同种疾病 的患者对同一种药物产生不同的反应。如药物在某 些患者身上产生应有的疗效，有的则发生各种形式 的变态反应、药物耐受及不良反应。 缘由：生命演化过程中基因的趋异进化和遗传多态 性为药物的临床应用添加了复杂性。一方面，小分 子药物在体内作用的靶分子不可能具有绝对专一性， 另一方面，不同个体内所含结合药物的载体蛋白、 代谢药物的酶存在差异，因而机体对药物的处理也 会不同。 因此，根据基因型为病人选择特定的药物将是 药物治疗上一次质的飞跃。

过程：因人施治 a 合理用药的基础是对病原菌有明确的诊断。 基因芯片检测技术不仅能够迅速报告是何种病原 体感染,而且能测定病原体是否产生耐药性、对 哪种抗生素产生抗性，医生可以据此有的放矢制 定科学治疗 方案。 b为减少由于个体差异对治疗带来的不良反应， 利用基因芯片，通过研究与药物相对应的特殊靶向 基因，寻找能够预示个体对于药物敏感性的基因， 从而制定出个人药物敏感谱。 c影响药物体内效应的一个重要因素是肝脏的代 谢酶系统，而造成酶功能差异的则是决定其结构几

及功能的DNA序列。如果将与药物代谢有关的主 人之间肝代谢酶的基因学差异，从而有助于临床 新药的开发和临床指导用药，因人施治。 四在微生物菌种鉴定及致病机制中的作用 a用于研究感染病毒基因组。如分析感染病毒的 多态性，了解病毒抗药基因机制 b监测感染宿主基因表达改变，研究病毒致病机制， 进行细菌基因分型与菌种鉴定，筛选监测细菌抗药 性基因等。

一杂交测序 A 未知序列的DNA与大量的寡核苷酸集合的杂交、 B 形成完整的双链体（具有目标DNA）的寡聚物的 鉴定与分析。 C 重建DNA序列 二基因绘制 基因组的物理性图谱有助于建立基因座与克隆文 库中运载它们的DNA片段的关系。通过测定基因与 基因连接图谱和它们相关的染色体界标，如带型、 染色体重排间的物理性关系，生物上相关的基因和 它们的产物能够快速地被分离用于进一步研究。

a在军事方面的应用： 在战场上对人体的残骸的鉴定 b在司法领域的应用： DNA指纹鉴定——破案 亲子鉴定

利用基因芯片技术，对有重要经济价值的农作 物和水果等的基因组进行大规模高通量的研究，筛 选农作物的基因突变，并寻找高产量、抗病虫、抗 干旱、抗冷冻的相关基因，以开发高科技含量，高 附加值的新品种。也可利用基因芯片技术筛选、开 发高效低毒的生物农药。 a基因表达的检测 b发现新基因 c基因多态性的检测 d作物杂交优势预测 e鉴别假冒伪劣种子

a在空间科学上的用途 采用生物芯片技术,许多研究工作就可以在太空 中进行,成本低,研究效果却非常好. b商品检验、检疫 针对商检的内容和对象的不同，检验、检疫基 因芯片可分为四种：食品卫生检验芯片、植物检验 芯片、动物检验芯片、转基因植物检测芯片。 c环境保护 检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、 动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的 筛选寻找保护基因、制备防治危害的基因工程药品 或能够治理污染源的基因产品。 d基因表达分析 e寻找新基因和基因功能研究

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