基因芯片技術(shù)及其研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景
陳華友,，崔振玲（上海200062華東師范大學(xué)生物系分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室）
摘要：基因芯片技術(shù)是90年代中期以來快速發(fā)展起來的分子生物學(xué)高新技術(shù),，是各學(xué)科交叉綜合的嶄新科學(xué)。其原理是采用光導(dǎo)原位合成或顯微印刷等方法,，將大量DNA探針片段有序地固化予支持物的表面,，然后與已標(biāo)記的生物樣品中DNA分子雜交，再對雜交信號進(jìn)行檢測分析,，就可得出該樣品的遺傳信息,。基因芯片技術(shù)目前國內(nèi)外都取得了較大的進(jìn)展,，該技術(shù)可用于DNA測序,，基因表達(dá)及基因組圖的研究，基因診斷,，新基因的發(fā)現(xiàn),，藥物篩選，給藥個性化等等,，所以為二十一世紀(jì)生物醫(yī)藥鋪平道路,，將為整個人類社會帶來深刻廣泛的變革，促進(jìn)人類早日進(jìn)入生物信息時代,。
關(guān)鍵詞：基因芯片,；微陣列；基因診斷,；藥物篩選
生物芯片技術(shù)是隨著"人類基因組計(jì)劃"（human genome project, HGP）的進(jìn)展而發(fā)展起來的,，它是90年代中期以來影響最深遠(yuǎn)的重大科技進(jìn)展之一，它融微電子學(xué),、生物學(xué),、物理學(xué)、化學(xué),、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的高度交叉的新技術(shù),，具有重大的基礎(chǔ)研究價(jià)值，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景,。生物芯片技術(shù)包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片,、細(xì)胞芯片,、組織芯片、以及元件型微陣列芯片,、通道型微陣列芯片,、生物傳感芯片等新型生物芯片（1）。本文主要討論基因芯片技術(shù),，它為"后基因組計(jì)劃"時期基因功能的研究提供了強(qiáng)有力的工具,，將會使基因診斷,、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破,，該技術(shù)被評為1998年度世界十大科技進(jìn)展之一,。
1 基本概念
基因芯片（gene chip）也叫DNA芯片、DNA微陣列（DNA microarray）,、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array）,，是指采用原位合成（in situ synthesis）或顯微打印手段，將數(shù)以萬計(jì)的DNA探針固化于支持物表面上,，產(chǎn)生二維DNA探針陣列,，然后與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過檢測雜交信號來實(shí)現(xiàn)對生物樣品快速,、并行,、高效地檢測或醫(yī)學(xué)診斷，由于常用硅芯片作為固相支持物,，且在制備過程運(yùn)用了計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù),，所以稱之為基因芯片技術(shù)。
2 技術(shù)基本過程
2．1 DNA方陣的構(gòu)建
選擇硅片,、玻璃片,、瓷片或聚丙烯膜、尼龍膜等支持物,，并作相應(yīng)處理,，然后采用光導(dǎo)化學(xué)合成和照相平板印刷技術(shù)可在硅片等表面合成寡核苷酸探針;（2）或者通過液相化學(xué)合成寡核苷酸鏈探針，或PCR技術(shù)擴(kuò)增基因序列,，再純化,、定量分析，由陣列復(fù)制器（arraying and replicating device ARD）,，或陣列機(jī)（arrayer）及電腦控制的機(jī)器人,，準(zhǔn)確、快速地將不同探針樣品定量點(diǎn)樣于帶正電荷的尼龍膜或硅片等相應(yīng)位置上,，再由紫外線交聯(lián)固定后即得到DNA微陣列或芯片（3）,。
2．2 樣品DNA或mRNA的準(zhǔn)備。
從血液或活組織中獲取的DNA/mRNA樣品在標(biāo)記成為探針以前必須進(jìn)行擴(kuò)增提高閱讀靈敏度,。Mosaic Technologies公司發(fā)展了一種固相PCR系統(tǒng),，好于傳統(tǒng)PCR技術(shù)，他們在靶DNA上設(shè)計(jì)一對雙向引物,，將其排列在丙烯酰胺薄膜上,，這種方法無交叉污染且省去液相處理的繁鎖；Lynx Therapeutics公司提出另一個革新的方法，即大規(guī)模平行固相克?。╩assively parallel solid-phase cloning）這個方法可以對一個樣品中數(shù)以萬計(jì)的DNA片段同時進(jìn)行克隆,，且不必分離和單獨(dú)處理每個克隆，使樣品擴(kuò)增更為有效快速（4）,。
在PCR擴(kuò)增過程中,，必須同時進(jìn)行樣品標(biāo)記，標(biāo)記方法有熒光標(biāo)記法,、生物素標(biāo)記法,、同位素標(biāo)記法等。
2．3 分子雜交
樣品DNA與探針DNA互補(bǔ)雜交要根據(jù)探針的類型和長度以及芯片的應(yīng)用來選擇,、優(yōu)化雜交條件,。如用于基因表達(dá)監(jiān)測，雜交的嚴(yán)格性較低,、低溫,、時間長、鹽濃度高,；若用于突變檢測,，則雜交條件相反（5）。芯片分子雜交的特點(diǎn)是探針固化,，樣品熒光標(biāo)記,，一次可以對大量生物樣品進(jìn)行檢測分析，雜交過程只要30min,。美國Nangon公司采用控制電場的方式,，使分子雜交速度縮到1min，甚至幾秒鐘（6）,。德國癌癥研究院的Jorg Hoheisel等認(rèn)為以肽核酸（PNA）為探針效果更好,。
2．4 雜交圖譜的檢測和分析
用激光激發(fā)芯片上的樣品發(fā)射熒光，嚴(yán)格配對的雜交分子,，其熱力學(xué)穩(wěn)定性較高,，熒光強(qiáng)；不完全雜交的雙鍵分子熱力學(xué)穩(wěn)定性低,，熒光信號弱（不到前者的1/35~1/5）（2）,，不雜交的無熒光。不同位點(diǎn)信號被激光共焦顯微鏡,，或落射熒光顯微鏡等檢測到,，由計(jì)算機(jī)軟件處理分析，得到有關(guān)基因圖譜,。目前，如質(zhì)譜法、化學(xué)發(fā)光法,、光導(dǎo)纖維法等更靈敏`,、快速，有取代熒光法的趨勢,。
3 應(yīng)用
3．1 測序
基因芯片利用固定探針與樣品進(jìn)行分子雜交產(chǎn)生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列,，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列,，準(zhǔn)確率達(dá)99%（7）,。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外顯子11約3.4kb長度范圍內(nèi)的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間,，提示了二者在進(jìn)化上的高度相似性（8）,。
3．2 基因表達(dá)水平的檢測。
用基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測可自動,、快速地檢測出成千上萬個基因的表達(dá)情況,。Schena等采用擬南芥基因組內(nèi)共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列，31個為EST）,，檢測該植物的根,、葉組織內(nèi)這些基因的表達(dá)水平，用不同顏色的熒光素標(biāo)記逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后分別與該微陣列雜交,，經(jīng)激光共聚焦顯微掃描,，發(fā)現(xiàn)該植物根和葉組織中存在26個基因的表達(dá)差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達(dá)高500倍,。（9）Schena等用人外周血淋巴細(xì)胞的cDNA文庫構(gòu)建一個代表1046個基因的cDNA微陣列,，來檢測體外培養(yǎng)的T細(xì)胞對熱休克反應(yīng)后不同基因表達(dá)的差異，發(fā)現(xiàn)有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達(dá),，11個基因中度表達(dá)增加和6個基因表達(dá)明顯抑制,。該結(jié)果還用熒光素交換標(biāo)記對照和處理組及RNA印跡方法證實(shí)（10）。在HGP完成之后,，用于檢測在不同生理,、病理?xiàng)l件下的人類所有基因表達(dá)變化的基因組芯片為期不遠(yuǎn)了（11）。
3．3 基因診斷
從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜,。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜,。通過比較、分析這兩種圖譜,，就可以得出病變的DNA信息,。這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速、高效,、敏感,、經(jīng)濟(jì),、平行化、自動化等特點(diǎn),，將成為一項(xiàng)現(xiàn)代化診斷新技術(shù),。例如，Affymetrix公司,，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上,，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用,。又如,，Heller等構(gòu)建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）相關(guān)的基因,，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應(yīng)用（12）?，F(xiàn)在，肝炎病毒檢測診斷芯片,、結(jié)核桿菌耐藥性檢測芯片,、多種惡性腫瘤相關(guān)病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進(jìn)入市場?；蛟\斷是基因芯片中最具有商業(yè)化價(jià)值的應(yīng)用,。
3．4 藥物篩選
如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)的西藥開發(fā)遇到的重大障礙，基因芯片技術(shù)是解決這一障礙的有效手段,，它能夠大規(guī)模地篩選,、通用性強(qiáng)，能夠從基因水平解釋藥物的作用機(jī)理,，即可以利用基因芯片分析用藥前后機(jī)體的不同組織,、器官基因表達(dá)的差異。如果再用m RNA 構(gòu)建c DNA表達(dá)文庫,然后用得到的肽庫制作肽芯片,則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質(zhì),?；蛘?利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性,，能形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),，更有利與靶分子相結(jié)合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上,，然后與靶蛋白孵育,，形成蛋白質(zhì)-RNA或蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸,，因此芯片技術(shù)和RNA庫的結(jié)合在藥物篩選中將得到廣泛應(yīng)用,。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學(xué)合成及DNA芯片技術(shù)篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸,，并從中確定了具有XXG4XX樣結(jié)構(gòu)的抑制物,，實(shí)驗(yàn)表明,，這種篩選物對HIV感染細(xì)胞有明顯阻斷作用。（13）生物芯片技術(shù)使得藥物篩選,，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高,，成本大大降低?；蛐酒幬锖Y選技術(shù)工作目前剛剛起步，美國很多制藥公司已開始前期工作,，即正在建立表達(dá)譜數(shù)據(jù)庫,，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術(shù)具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值,。
3．5 給藥個性化
臨床上,，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用,。在藥物療效與副作用方面,，病人的反應(yīng)差異很大。這主要是由于病人遺傳學(xué)上存在差異,，如藥物應(yīng)答基因,，導(dǎo)致對藥物產(chǎn)生不同的反應(yīng)。例如細(xì)胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的藥物的代謝有關(guān),，如果病人該酶的基因發(fā)生突變就會對降壓藥異喹胍產(chǎn)生明顯的副作用,，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性。現(xiàn)已弄清楚這類基因存在廣泛變異,，這些變異除對藥物產(chǎn)生不同反應(yīng)外,，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關(guān),。如果利用基因芯片技術(shù)對患者先進(jìn)行診斷,，再開處方，就可對病人實(shí)施個體優(yōu)化治療,。另一方面,，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的,，用藥也應(yīng)因人而異,。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點(diǎn)如S,P及C基因區(qū)易發(fā)生變異,。若用乙肝病毒基因多態(tài)性檢測芯片每隔一段時間就檢測一次,，這對指導(dǎo)用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。又如,，現(xiàn)用于治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉(zhuǎn)錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑,，但在用藥3-12月后常出現(xiàn)耐藥,，其原因是rt、pro基因產(chǎn)生一個或多個點(diǎn)突變,。Rt基因四個常見突變位點(diǎn)是Asp67→Asn,、Lys70→Arg、Thr215→Phe,、Tyr和Lys219→Glu,四個位點(diǎn)均突變較單一位點(diǎn)突變后對藥物的耐受能力成百倍增加（14）,。如將這些基因突變部位的全部序列構(gòu)建為DNA芯片，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發(fā)生突變,，從而可對癥下藥,，所以對指導(dǎo)治療和預(yù)后有很大的意義。
此外,，基因芯片在新基因發(fā)現(xiàn),、藥物基因組圖、中藥物種鑒定,、DNA計(jì)算機(jī)研究等方面都有巨大應(yīng)用價(jià)值,。
4 基因芯片國內(nèi)外現(xiàn)狀和前景
自從1996年美國Affymetrix公司成功地制作出世界上首批用于藥物篩選和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的生物芯片，并制作出芯片系統(tǒng)（15）,，此后世界各國在芯片研究方面快速前進(jìn),，不斷有新的突破。美國的Hyseq公司,、Syntexi公司,、Nanogen公司、Incyte公司及日本,、歐洲各國都積極開展DNA芯片研究工作,；摩托羅拉、惠普,、IBM等跨國公司也相繼投以巨資開展芯片研究,。98年12月Affymefrix公司和Molecular Dynamics公司宣布成立基因分析協(xié)會（Genetic Analysis Technology Consortium）以制定一個統(tǒng)一的技術(shù)平臺生產(chǎn)更有效而價(jià)謙的設(shè)備，與此相呼應(yīng),，英國的Amershcem Pharmacia Biotechnology公司也在同一天宣布將提供部分掌握的技術(shù)以推動這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用（16）,。美國關(guān)于芯片技術(shù)召開了兩次會議，克林頓總統(tǒng)在會上高度贊賞和肯定該技術(shù),，將基因芯片看作是保證一生健康的指南針（17）,。預(yù)計(jì)在今后五年內(nèi)生物芯片銷售可達(dá)200-300億美元；據(jù)《財(cái)富》雜志預(yù)測（97.3）,，在21世紀(jì),，生物芯片對人類的影響將可能超過微電子芯片。
我國在生物芯片研究方面剛剛起步,，以97香山會議以來,，我國對生物芯片高度重視,，98年10月，中科院將基因芯片列為"九五"特別支持項(xiàng)目,，利用中科院在微電子技術(shù),、生化技術(shù)、物理檢測技術(shù)方面的優(yōu)勢,，組織跨所,、跨學(xué)科合作。現(xiàn)在以中科院上海冶金所為龍頭,，與上海原子核所,、有機(jī)所、生化所,、遺傳所、腫瘤所,、武漢病毒所,、上海醫(yī)科大學(xué)、上海市疾病檢測中心,、華東師大等單位組成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,，在微陣列芯片和基于MEBS的芯片方面有大的突破，在DNA芯片設(shè)計(jì),、基片修飾,、探針固定、樣品標(biāo)記,、雜交和檢測等方面的技術(shù)都有較大的進(jìn)展,，已研制出肝癌基因差異表達(dá)芯片、乙肝病毒多態(tài)性檢測芯片,、多種惡性腫瘤病毒基因芯片等有一定實(shí)用意義的基因芯片和DNA芯片檢測儀樣機(jī),。中科院上海冶金所等又將在徐元森院士、趙建龍博士等帶領(lǐng)下,，決心開發(fā)重大傳染性疾病的診斷芯片及檢測設(shè)備,，如HBV、HCV,、TB三種基因診斷芯片,。上海細(xì)胞所正在進(jìn)行人類全套基因組的cDNA陣列和微陣列制備，為我國科研和開發(fā)提供一個技術(shù)平臺,，并使之產(chǎn)業(yè)化,。同時，清華,、復(fù)旦,、東南大學(xué),、北京軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、華東理工大學(xué),、第一軍醫(yī)大學(xué)等單位都在積極進(jìn)行芯片研究,。2000年國際生物芯片技術(shù)大會于10月11-14在北京召開，這又是對我國生物芯片技術(shù)有很大的促進(jìn)作用,。
總之,，我國基因芯片研究也緊跟國際前沿，力爭在此高新技術(shù)領(lǐng)域里有一席之地,，它將對我國生命科學(xué)研究,，醫(yī)學(xué)診斷，新藥篩選具有革命性的推動作用,，也將對我國人口素質(zhì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展,、環(huán)境保護(hù)等作出具大的貢獻(xiàn),，同時帶動我國科學(xué)整體進(jìn)步，為各相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造機(jī)會,?；蛐酒瑢⒊蔀?1世紀(jì)最令人注目的高新技術(shù)領(lǐng)域之一,，將使人類早日進(jìn)入生物信息時代,。
[參考文獻(xiàn)]
1. 徐炳森、邵健忠 幾種新型生物芯片的研究進(jìn)展。生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展,。2000.27(3):251-253.
2. Pease AN, Solas D, sullivan EJ,et al. Light-generated oligonucleotide arrays for rapid DNA sequecences analysis. Proc Natl Acad sci USA, 1994, 91(11):5022-5026
3. Schena M, Heller KA, Theriault TP, et al. Microarrays: biotechnology's discovery platform for functional genomics. TIB Tech, 1998, 16(3):301-306
4. Marshall A, Hodgson J. DNA chips: An array of possibilities. Nat Biotechnol, 1998, 16(1):27-31.
5. Shohe pinov MS. Nucleic Acids Res.1997, 25:1155-1161
6. Cheng J, Sheldom EL, Wu L. Preparation and hybridization analysis of DNA/RNA from E, coli on microfabricated bioelectronic chips. Nat Biotechnol, 1998, 16(6):541-546
7. Chee M, Yang R, Hubbell E,et al.. Accessing genetic information with high-density DNA arrays.Science, 1996, 274:610-613
8. Hacia JG, Makalowski W, Edgemon k, et al. Evolutionary sequence comparisons using high-density oligonucleotide arrays. Nature Genetics, 1998, 18(3):155-158.
9. Schena M, Shalon D, Davis RW, et al. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray. Science, 1995, 270(5235):467-470.
10. Schena M shalon D, Heller R, et al. Parallel human genome analysis: microarray-based expression monitoring of 1000 genes. Pro Natl Acad sci USA, 1996, 93(20):457-460.
11. Goffeau A, Molecular fish on chips. Nature, 1997, 385(6613):202-203
12. Heller RA,Schena M,Chai A et al.Discovery and analysis of inflammatory disease-related genes using cDNA microarrays.Proc Natl Acad Sci USA,1997,94:2150-2155
13. Jells CL.Defining critical residues in the epitope for HIV-neutralizing monoclonal antibody using phage display and peptide array technologies [J].Gene ,1993,137910:63-68
14. Lipshutz D,Morris D,Chee M et al.Using oligonucleotide probe array to access genetic diversity. Biotechniques,1995,19(3):422-447
15. Editorial. To affinity……and beyond! Nat Genet, 1996, 14(4):367.
16. Andrew M. Nat Biotechnal, 1998,16
17. Editorial: Getting hip to the chip. Nature Genetics, 1998, 18(3):195-197.
基因芯片在臨床應(yīng)用中的前景
中華基因網(wǎng)技術(shù)部 王嘉嘉
基因芯片及其技術(shù)是融微電子學(xué)、生物學(xué),、物理學(xué),、化學(xué),、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的高度交叉的新科技,，一旦被廣泛應(yīng)用與臨床,，它將在一些重癥傳染病,、惡性腫瘤,、自身免疫性疾病,、神經(jīng)性疾病等方面,，發(fā)生巨大的革命性的變革,，基因技術(shù)在疾病的診斷、檢測及治療用藥等方面有廣闊的應(yīng)用,、研究價(jià)值,。
一、基本概念
基因芯片(gene chip),，又稱DNA芯片,，是指將許多特定的寡核苷酸片段或基因片段作為探針，有規(guī)律地排列固定于支持物上,，樣品DNA/RNA通過PCR擴(kuò)增,、體外轉(zhuǎn)錄等技術(shù)摻入熒光標(biāo)記分子,，然后按堿基配對原理進(jìn)行雜交,，再通過熒光檢測系統(tǒng)等對芯片進(jìn)行掃描，并配以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對每一探針上的熒光信號作出比較和檢測,，從而迅速得出所要的信息[1]。基因芯片技術(shù)具有多樣品并行處理能力,、分析速度快,、所需樣品量少、污染少等優(yōu)點(diǎn)，近年來在臨床診斷、藥物篩選、指導(dǎo)臨床用藥及治療等研究領(lǐng)域帶來革新性的影響,。
二、基因芯片的主要類型
基因芯片的類型按分類方法不同可分為不同的類型[2]
1、無機(jī)片基和有機(jī)合成物片基的基因芯片
以基因芯片的片基或支持物的不同可以分為無機(jī)片基和有機(jī)合成物片基,，前者主要有半導(dǎo)體硅片和玻璃片等,，其上的探針主要以原位聚合的方法合成；后者主要有特定孔徑的硝酸纖維膜和尼龍膜,，其上的探針主要是預(yù)先合成后通過特殊的微量點(diǎn)樣裝置或儀器滴加到片基上,。另有以聚丙烯膜支持物用傳統(tǒng)的亞磷酰胺固相法原位合成高密度探針序列。
2,、原位合成和預(yù)先合成然后點(diǎn)樣的基因芯片
以探針陣列的形式分為原位合成與預(yù)先合成然后點(diǎn)樣兩種,。芯片制備的原理是利用照相平板印刷技術(shù)將探針排列的序列即陣列圖"印"到支持物上，在這些陣列點(diǎn)上結(jié)合上專一的化學(xué)基因,。原位合成主要是指光引導(dǎo)合成技術(shù),，該技術(shù)是照相平板印刷技術(shù)與固相合成技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及分子生物學(xué)等多學(xué)科相互滲透的結(jié)果,。預(yù)先合成然后點(diǎn)樣法在多聚物的設(shè)計(jì)方面與前者相似,，合成工作用傳統(tǒng)的DNA 合成儀進(jìn)行,。合成后再用特殊的點(diǎn)樣裝置將其以較高密度分布于硝酸纖維膜或經(jīng)過處理的玻片上。
3,、基因表達(dá)芯片和DNA測序芯片
根據(jù)芯片的功能可分為基因表達(dá)譜芯片和DNA測序芯片兩類,。基因表達(dá)芯片可以將克隆到的成千上萬個基因特異的探針或其cDNA片段固定在一塊DNA芯片上,，對來源于不同的個體(正常人與患者),、組織、細(xì)胞周期,、發(fā)育階段,、分化階段、病變,、刺激(包括不同誘導(dǎo),、不同治療手段)下的細(xì)胞內(nèi)mRNA或反轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的cDNA進(jìn)行檢測，從而對這些基因表達(dá)的個體特異性,、組織特異性,、發(fā)育階段特異性、分化階段特異性,、病變特異性,、刺激特異性進(jìn)行綜合的分析和判斷，迅速將某個或幾個基因與疾病聯(lián)系起來,，極大地加快這些基因功能的確定,，同時可進(jìn)一步研究基因與基因間相互作用的關(guān)系。DNA 測序芯片則是基于雜交測序發(fā)展起來的,。其原理是,，任何線狀的單鏈DNA或RNA序列均可分解成 一系列堿基數(shù)固定、錯落而重疊的寡核苷酸,，又稱亞序列(subsequence),，假如我們能把原序列所有這些錯落重疊的亞序列全部檢測出來，就可據(jù)此重新組建出原序列,?！ ?/p>
另外也可根據(jù)所用探針的類型不同分為cDNA微陣列(或cDNA微陣列芯片)和寡核苷酸陣列(或芯片)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同而制備的專用芯片如毒理學(xué)芯片(Toxchip),、病毒檢測芯片(如肝炎病毒檢測芯片),、P53基因檢測芯片等。
又可以按生物化學(xué)反應(yīng)過程分：
通常的生物化學(xué)反應(yīng)過程包括三步,，即樣品的制備,，生化反應(yīng)、結(jié)果的檢測和分析,?？蓪⑦@三步不同步驟集成為不同用途的生物芯片，所以據(jù)此可將生物芯片分為不同的類型,。例如用于樣品制備的生物芯片,，生化反應(yīng)生物芯片及各種檢測用生物芯片等。
三,、臨床上的應(yīng)用前景
1,、疾病診斷
基因芯片在感染性疾病、遺傳性疾病,、重癥傳染病和惡性腫瘤等疾病的臨床診斷方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,。與傳統(tǒng)檢測方法相比，它可以在一張芯片同時對多個病人進(jìn)行多種疾病的檢測,，無需機(jī)體免疫應(yīng)答反應(yīng)期,，能及早診斷，待測樣品用量??；能特異性檢測病原微生物的亞型及變異；可幫助醫(yī)生及患者從"系統(tǒng),、血管,、組織和細(xì)胞層次（通常稱之為'第二階段醫(yī)學(xué)'）"轉(zhuǎn)變到"DNA、RNA,、蛋白質(zhì)及其相互作用層次（第三階段醫(yī)學(xué)）"上了解疾病的發(fā)生,、發(fā)展過程，這些特點(diǎn)使得醫(yī)務(wù)人員在短時間內(nèi),，可以掌握大量的疾病診斷信息,，這些信息有助于醫(yī)生在短時間內(nèi)找到正確的治療措施。眾所周知,，腫瘤和遺傳疾病發(fā)生的根本原因是由于遺傳物質(zhì)發(fā)生了改變,，檢測基因突變對于闡明腫瘤及遺傳病的分子機(jī)制、疾病的早期診斷具有重要意義,。目前,，Affymetrix公司已開發(fā)出P53基因芯片，是將已知P53基因全長序列和已知突變的探針固定在芯片上,，這將有助于惡性腫瘤的早期診斷,。華盛頓大學(xué)的分子生物學(xué)系與病理系聯(lián)合研究了卵巢癌中基因表達(dá)譜的變化[3]，他們將5766個基因探針固定于芯片上,，其中5376個分別選自卵巢癌,、卵巢表面上皮細(xì)胞及正常卵巢的cDNA文庫，另外還有342個來自EST克隆,，包括一些已知確定的管家基因,、細(xì)胞因子和因子受體基因,、生長因子和受體基因、與細(xì)胞分裂相關(guān)的基因以及新近確定的腫瘤相關(guān)基因,，找出在卵巢癌組織中過度表達(dá)的30個有GenBank收錄的基因,，如高表達(dá)的有CD9(GenBank錄入號：M38690)、Epithelial glycoprotein (GenBank錄入號：M32306),、P27（GenBank錄入號：X67325）等,，這證明了利用基因芯片分析復(fù)雜生物體系中分子變化的可行性。又如,，Hacia等［4］在1.28 cm×1.28 cm的芯片上固定了9.66×104個長度為20 nt的寡核苷酸探針,，用于檢測乳腺癌基因BRCA1的exon11 (3.45 kb)中所有可能的堿基置換、插入和缺失(1～5 bp)突變,。在15例患者樣品中,，發(fā)現(xiàn)有14例有基因突變，類型包括點(diǎn)突變,、插入及缺失等,；在20例對照樣品中均未檢出假陽性結(jié)果。又如,，Heller等[5]采用基因表達(dá)譜芯片研究了類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎,、腸炎基因的特征性表達(dá)活性，發(fā)現(xiàn)已知炎癥相關(guān)基因,，如腫瘤壞死因子,、白介素和粒細(xì)胞集落刺激因子在組織中有表達(dá)。還發(fā)現(xiàn)一些以前未知的與炎癥相關(guān)基因的表達(dá),，如人基質(zhì)金屬彈性蛋白酶(human matrix metallo-elastase)和黑素瘤生長刺激因子(melanoma growth stimulatory factor),。同時，與一個來自外周血基因文庫的1046個cDNA克隆的陣列作這兩種病變狀態(tài)基因差異表達(dá)的比較,，發(fā)現(xiàn)在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎組織中金屬蛋白酶組織抑制物1,，鐵蛋白輕鏈和錳超氧化物歧化酶表達(dá)明顯升高 。通過該研究,，確定了許多基因與這兩種病變的關(guān)系,，為探討基因芯片在診斷感染性疾病方面提供了新的思路。現(xiàn)在,，肝炎病毒檢測芯片,、多種惡性腫瘤相關(guān)病毒基因芯片等多種芯片已面市，相信不久的將來,，會有更多的基因芯片用于臨床,。
2、藥物篩選
芯片技術(shù)具有高通量、大規(guī)模,、平行性等特點(diǎn)可以進(jìn)行新藥的篩選,，尤其對我國傳統(tǒng)的中藥有效成分進(jìn)行篩選?；蛐酒瑢τ谒幬锇袠?biāo)的發(fā)現(xiàn),、多靶位同步高通量藥物篩選、藥物作用的分子機(jī)理,、藥物活性及毒性評價(jià)方面都有其它方法無可比擬的優(yōu)越性，能夠從基因水平解釋藥物的作用機(jī)理,，可以用基因芯片分析用藥前后機(jī)體的不同組織,、器官基因表達(dá)的差異，國外幾乎所有的主要制藥公司都不同程度地采用了基因芯片技術(shù)來尋找藥物靶標(biāo),，查檢藥物的毒性或副作用,。例如，Kapp U等[6]用包含950個基因探針的基因芯片比較何杰金氏病細(xì)胞系L428及KMH2與EB病的B淋巴細(xì)胞系LGL-GK的基因表達(dá)譜,，發(fā)現(xiàn)何杰金氏病源的細(xì)胞系中白細(xì)胞介素-13（IL-13）及白細(xì)胞介素-5（IL-5）表達(dá)異常增高,，用IL-13抗體處理何杰金氏病院源細(xì)胞系可顯著抑制其增殖，此發(fā)現(xiàn)提示,，IL-13可能以自分泌形式促進(jìn)何杰金氏相關(guān)細(xì)胞增殖,IL-13及其信號傳導(dǎo)途徑可能成為何杰金氏病治療及藥物篩選的新靶點(diǎn),。芯片用于大規(guī)模的藥物篩選研究可以省略大量的動物試驗(yàn)，縮短藥物篩選所用時間,，這可大大節(jié)省新藥開發(fā)經(jīng)費(fèi),，并且可對由于不良反應(yīng)而放棄的藥物進(jìn)行重新評價(jià)，選取可適用的患者群,，實(shí)現(xiàn)個性化治療,。Michael Wilson 等[7]使用包含有肺結(jié)核桿菌基因組PRF的97%的序列的基因芯片，對應(yīng)用抗結(jié)核桿菌藥物異煙肼誘導(dǎo)前后表達(dá)的變化,，結(jié)果證明肺結(jié)核桿菌中脂肪酸合成酶Ⅱ,、FbpC、efpA,、fadE23,、fadE24和 基因發(fā)生改變與耐藥性有關(guān)，并為新藥物作用的靶目標(biāo)研究及指導(dǎo)抑制這些靶目標(biāo)試劑和藥物的合成提供指導(dǎo),。研究各種藥物對不同基因的作用,，從而在劑量和成分搭配上做到精確無誤。相信在不久的將來,，藥品說明書上的適用癥和禁忌癥都會改為適用基因型和禁忌基因型,，使得藥品更加針對不同個體的不同疾病，達(dá)到療效更佳、副作用更小的目的,。
3,、指導(dǎo)用藥及治療方案
種族、個體等因素都會導(dǎo)致遺傳背景的差異,，臨床上,，同樣劑量的藥物對于不同患者在藥物療效與副作用方面會有很大差異，如果利用基因芯片技術(shù)對患者進(jìn)行診斷再開處方,，就可以對患者實(shí)施個體化治療,。疾病一般不是由單個基因引起的， 在治療中很多同種疾病的具體病因是因人而異的,，所以用藥也因人而異,，例如，現(xiàn)用于治療ADIS的藥物[8]主要是病毒逆轉(zhuǎn)錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑,，但在用藥3-12個月后常出現(xiàn)耐藥,，其原因是rt、pro基因產(chǎn)生一個或多個點(diǎn)突變,，對藥物的耐受能力成倍增加,，如果將這些基因突變部位的全部序列構(gòu)建為DNA芯片,，則可快速地檢測患者是哪些基因發(fā)生突變，從而可對癥施藥,，指導(dǎo)臨床治療和預(yù)后,。傳統(tǒng)的中醫(yī)藥講究的是整體治療觀,，在中藥基因組學(xué)和中藥化學(xué)組學(xué)中,，多成分,、多靶點(diǎn)治療是基點(diǎn),，關(guān)鍵就是分析出成分譜與活性譜，實(shí)現(xiàn)精確篩選和配置，?quot;復(fù)方"的形式作用于致病基因組,。
4,、預(yù)防醫(yī)學(xué)
在嬰兒出生前，可用生物芯片進(jìn)行有效的產(chǎn)前篩查和診斷，防止患有先天性疾病的嬰兒出生,。而在嬰兒出生后,，即可采用基因芯片技術(shù)來分析其基因圖譜，不僅可預(yù)測出他日后可以長多高,，還可預(yù)測其患某些疾病的潛在可能性有多大,，以便采取預(yù)防措施。
四,、前景展望
盡管基因芯片發(fā)展時間不長，迄今在醫(yī)學(xué)研究實(shí)際應(yīng)用中的例子還不多，但由于芯片技術(shù)與傳統(tǒng)的雜交技術(shù)相比，有檢測系統(tǒng)微型化,，對樣品的需要量非常少,，效率高，能高通量檢測DNA序列,，更好地解釋基因之間表達(dá)的相互關(guān)系及檢測基因表達(dá)變化的靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，基因芯片在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景無疑是非常廣闊的,。但目前基因芯片還處在研究階段，要成為臨床可以普遍采用的技術(shù)仍有一些問題急待解決，隨著研究的不斷深入和技術(shù)的更加完善，基因芯片一定會在生命科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮出其非凡的作用?；蛐酒夹g(shù)將為我們提供一條認(rèn)識生命本質(zhì)的捷徑,。
參考文獻(xiàn)
1. Stipp D. Gene chip breakthrough［J］. Fortune,1997, 31(3): 56-73.
2. ZHANG Tian-Bao Gene chip and its significance in medical research. Acad J Sec Mil Med Univ, 2000, 21(1): 91-94,，98
3. Wang K, Gan, L,Jeffery E, et al. Gene,1999,229(1-2):101～108
4. Hacia JG, Brody LC, Chee MS, et al. Detection of heterozygous mutation in BRCA1 using high density oligonucleotide arrays and two-color fluorescence analysis［J］. Nat Genet, 1996, 14(4): 441-447.
5. Heller RA, Schena M, Chai A, et al. Discovery and analysis of inflammatory disease-related genes using cDNA microarray［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 1997, 94(6): 2150-2155.
6. Kapp U,Yeh WC,Patterson B,et al,Interleukin 13 is secreted by and atimulates the growth of Hodgkin and Reed-Sternberg cells.J Exp Med 1999 Jun 21;189(12):1939-46
7. Michael W,Joseph D,et al. Exploring drug-insuced alterations in gene express in My cobacterium tuberculosis by microarray hybridization, Issue 22, 12833-12838,October 26,1999
8. Lipshutz D, Morris D, Chee M et al. Using oligonucleotide pribe array to access genetic diversity. Biotechniques,1995,19(3):422-447
生物芯片技術(shù)診斷病毒性肝炎研究現(xiàn)狀
生物芯片是指通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù),，在固體芯片表面構(gòu)建微型生化分析系統(tǒng),，將大量特定序列和核酸片斷或蛋白有序地固定在載體上,，與標(biāo)記好地待檢核酸或蛋白分子進(jìn)行反應(yīng),，通過檢測熒光信號的強(qiáng)弱而判斷樣本中的靶分子數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對化合物,、核酸,、蛋白質(zhì)、細(xì)胞及其他生物組分的準(zhǔn)確,、快速和大信息量的篩檢,。它具有高度平行性、多樣性,、微型化和自動化的特性,，以往常用的任何方法都難以與之相比較。 自1996年世界第一塊商品化的生物芯片問世以來,，短短數(shù)年間即得到迅猛發(fā)展,，目前常用的有生物芯片、蛋白質(zhì)芯片和芯片實(shí)驗(yàn)室三大類,，主要應(yīng)用于蛋白質(zhì)組分研究,、藥物篩選,、疾病診斷與預(yù)測,、基因表達(dá)譜分析、新基因的發(fā)現(xiàn),、基因突變檢測及多態(tài)分析,、基因組文庫作圖及基因測序等。這一技術(shù)在病毒性疾病的診斷及療效評價(jià)中也得到了廣泛的應(yīng)用,，為臨床診斷,、用藥、療效判定及疾病的發(fā)生,、發(fā)展與轉(zhuǎn)歸提供可靠依據(jù),。由此可以更深入地認(rèn)識病毒的分子致病基礎(chǔ)機(jī)制,，發(fā)現(xiàn)更多的、更有效的阻斷病毒感染途徑和抗病毒作用靶標(biāo),，以便從分子水平制定實(shí)驗(yàn)診斷與臨床治療方案,。茲以肝炎病毒為例就近年的研究進(jìn)展簡介如下:
用于病毒免疫標(biāo)志物的平行檢測與血清學(xué)分型。
目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)十種病毒可引起肝炎性損害,，檢測其相應(yīng)的免疫標(biāo)志物在人體中的存在及含量,，對病因診斷與治療意義重大。最新發(fā)展的蛋白質(zhì)芯片技術(shù)原理類似于常規(guī)的酶聯(lián)免疫反應(yīng)原理,，即將特異性抗原或抗體固定于載體,，待測樣本按比例稀釋后與其上的抗原或抗體進(jìn)行反應(yīng)，在加上熒光標(biāo)記的抗原或抗體,，用計(jì)算機(jī)軟件對熒光信號進(jìn)行分析,，即可獲得準(zhǔn)確的定性或定量結(jié)果。一張芯片上可分布上千甚至數(shù)萬個抗原或抗體,，并能標(biāo)記多種載光素,，使之能同時倍快速檢測，且可進(jìn)行病毒的血清學(xué)分型,。
用于肝炎病毒的分類,、分型、變異和定量檢測
為遴選抗病毒藥物,，評價(jià)臨床療效,，除生化、免疫和病理指標(biāo)外,，還應(yīng)明確病毒的核酸結(jié)構(gòu)和體液病毒核酸的含量,，用DNA測序、PCR等法雖可達(dá)到目的,，但技術(shù)難度和實(shí)驗(yàn)成本限制了其應(yīng)用,。基因芯片則可對所有的肝炎病毒的分型,、變異,、突變和病毒核酸含量進(jìn)行高通量、平行檢測,。它將待測病毒基因（DNA或是mRNA）經(jīng)體外轉(zhuǎn)錄,、PCR、逆轉(zhuǎn)錄,、末端標(biāo)記等處理成標(biāo)記有熒光分子的核酸分子,，然后與芯片上的探針進(jìn)行雜交，用計(jì)算機(jī)對雜交信號進(jìn)行處理,，依信號和強(qiáng)度即可得出核酸含量,。這一方法簡便易行,，實(shí)驗(yàn)成本低，可為臨床的準(zhǔn)確診斷,、合理用藥,、判定預(yù)后提供切實(shí)可信的依據(jù)。
用于病毒的耐藥性突變檢測
目前在肝炎的抗病毒治療中產(chǎn)生的病毒耐藥突變,，最典型者為拉米夫定（3TC）抗HBV治療中出現(xiàn)的YMDD變異,。此變異發(fā)生于應(yīng)用3TC半年后，作用靶位為病毒的DNA聚合酶（DNAP）通過與底物競爭結(jié)合位點(diǎn)以抑制HBV底逆轉(zhuǎn)錄和復(fù)制,，同時易引起DNAP的多位點(diǎn)突變,。基因芯片的高通量,、平行檢測技術(shù)針對引起YMDD變異的眾多基因突變位點(diǎn)設(shè)計(jì)探針,，將之結(jié)合于同一張芯片或與上述分型基因芯片合并，從血清樣本中抽取病毒DNA,，經(jīng)體外擴(kuò)增后與芯片探針雜交,，依據(jù)雜交信號判定HBV的YMDD變異，得出是否產(chǎn)生耐藥性的結(jié)論,。
結(jié)合核酸類抗體配基篩選技術(shù)（SELEX）,，實(shí)現(xiàn)基因芯片技術(shù)對肝炎免疫應(yīng)答中特異性標(biāo)志物及相關(guān)蛋白質(zhì)的分析
隨著DNA結(jié)合蛋白研究的深入，受組合化學(xué),、抗體庫和隨機(jī)噬菌體肽庫技術(shù)的啟發(fā),，人們構(gòu)建了隨機(jī)核酸庫并從中篩選出與靶蛋白特異結(jié)合的核酸配基，此技術(shù)稱為SELEX,。與蛋白類抗體相比,，此配基具有許多有點(diǎn)：作用的靶分子范圍更廣，配基與靶分子的結(jié)合能力與特異性更強(qiáng),，動力學(xué)參數(shù)可依體外診斷條件的要求而改變,，不受抗原毒性和免疫原性的限制，特異性和親和力不受組織或樣本中非靶抗原的干擾,，體外人工合成實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),，合成時可隨意連接其他功能基因和分子等。目前已從核酸庫中篩選出各種與蛋白,、核酸,、小分子肽,、氨基酸,、有機(jī)物、金屬離子等特異性結(jié)合配基,，并應(yīng)用于臨床治療和診斷,。凡涉及抗體的診斷領(lǐng)域,，幾乎均可用核酸配基替代。選擇針對肝炎免疫應(yīng)答過程中特異性標(biāo)志物及相關(guān)反應(yīng)蛋白篩選核酸配基,，人工合成后結(jié)合于固相載體,，制作基因芯片，即可實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)的病毒免疫標(biāo)記物及免疫應(yīng)答過程中的細(xì)胞因子,、細(xì)胞周期,、細(xì)胞凋亡等免疫學(xué)檢測。
基因芯片技術(shù)雖有諸多優(yōu)點(diǎn),，但要成為實(shí)驗(yàn)室或臨床可以普遍采用的技術(shù)目前尚有一些關(guān)鍵問題亟待解決,，如如何提高芯片的特異性，簡化樣本制備和標(biāo)記操作程序,，增加信號檢測的靈敏度和高度集成化樣本的制備,，基因擴(kuò)增，核酸標(biāo)記及檢測儀器的研制和開發(fā)等,，已成為當(dāng)今國內(nèi)外研究的熱點(diǎn),。
摘自：《中華基因網(wǎng)》
生物芯片技術(shù)在藥物R&D中的應(yīng)用
1946年世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC在美國Pennsylvania大學(xué)問。在隨后的50年里,，以美國的硅谷為搖籃,，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷飛速發(fā)展，給我們的生活帶來了巨大的變革,。無獨(dú)有偶,，1991年又是在美國硅谷，Affymax公司開始了生物芯片的研制,，他們將芯片光刻技術(shù)與光化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合制作了寡核苷酸陣列芯片,。近年來，以DNA芯片為代表的生物芯片技術(shù),，得到了迅猛發(fā)展,，已有多種不同功能的生物芯片問世。目前生物芯片技術(shù)已應(yīng)用于分子生物學(xué),、疾病的預(yù)防,、診斷和治療、新藥開發(fā),、生物武器的研制,、司法鑒定、環(huán)境污染監(jiān)測和食品衛(wèi)生監(jiān)督等諸多領(lǐng)域,，已成為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目并研究的一個熱點(diǎn),。
生物芯片的概念源自于計(jì)算機(jī)芯片，狹義的生物芯片即微陣列芯片，主要包括cDNA微陣列,、寡核苷酸微陣列,、蛋白質(zhì)微陣列和小分子化合物微陣列。分析的基本單位是在一定尺寸的基片（如硅片,、玻璃,、塑料等）表面以點(diǎn)陣方式固定的一系列可尋址的識別分子，點(diǎn)陣中每一個點(diǎn)都可以視為一個傳感器的探頭,。芯片表面固定的分子在一定的條件下與被檢測物進(jìn)行反應(yīng),，其結(jié)果利用化學(xué)熒光法、酶標(biāo)法,。同位素法或電化學(xué)法顯示,，再用掃描儀等儀器記錄，最后通過專門的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析,。廣義的生物芯片是指能對生物成分或生物分子進(jìn)行快速并行處理和分析的厘米見方的固體薄型器件,，其主要種類有微陣列芯片、過濾分離芯片,、介電電泳分離芯片,、生化反應(yīng)芯片和毛細(xì)管電泳芯片等。
隨著21世紀(jì)的到來,，制藥公司正面臨著一次嚴(yán)峻的市場挑戰(zhàn),。這些公司為了保持或增強(qiáng)在市場上的競爭力，不得不尋求發(fā)展新的藥物開發(fā)技術(shù)以提高藥物發(fā)現(xiàn)的速度,，縮短新藥上市的時間,，減少藥物開發(fā)的成本。近年來生物芯片技術(shù)的飛速發(fā)展,，引起了制藥業(yè)的極大興趣,，使得生物芯片技術(shù)在藥物研究與開發(fā)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，已逐漸滲入到藥物研發(fā)過程中的各個步驟,。本文將主要討論生物芯片技術(shù)在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究,、超高通量藥物篩選、毒理學(xué)研究,、藥物基因組學(xué)研究以及藥物分析中的應(yīng)用,。
1 生物芯片在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究中的應(yīng)用
藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究是生物芯片技術(shù)在藥物研發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的一個領(lǐng)域。在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和藥物作用機(jī)制研究中所使用的生物芯片主要是指DNA芯片,。在DNA芯片的表面,，以微陣列的方式固定有寡核苷酸或cDNA。使用DNA 芯片可以對研究者感興趣的基因或生物體整個基因組的基因表達(dá)進(jìn)行測定,。在當(dāng)代藥物開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)和選擇合適的藥物靶點(diǎn)是藥物開發(fā)的第一步,，也是藥物篩選及藥物定向合成的關(guān)鍵因素之一,。人體是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，疾病的發(fā)生和發(fā)展必然牽涉到網(wǎng)絡(luò)中的諸多環(huán)節(jié),。當(dāng)今嚴(yán)重威脅人類健康的心腦血管疾病,、惡性腫瘤,、老年性癡呆癥和一些代謝紊亂疾病都是多因素作用的結(jié)果,，往往不能歸結(jié)于單一因素的變化。應(yīng)用一些基因?qū)ふ也呗匀鏒D PCR等雖然為發(fā)現(xiàn)新的功能基因提供了一些線索,，但還是有相當(dāng)?shù)木窒扌?。而DNA芯片可以從疾病及藥物2個角度對生物體的多個參量同時進(jìn)行研究以發(fā)掘藥物靶點(diǎn)并同時獲取大量其他相關(guān)信息。因此可以說,，在這種情況下,，任何一元化的分析方法均不及 DNA芯片這種集成化的分析手段更具有優(yōu)勢。
DNA芯片在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究中的應(yīng)用具體表現(xiàn)在以下幾個方面,。
比較正常不同組織細(xì)胞中基因的表達(dá)模式
基因的表達(dá)模式給它的功能提供了間接的信息,。例如只在腎臟中表達(dá)的基因就不大可能與精神分裂癥有關(guān)。一些藥物的靶點(diǎn)是在整個身體中分布廣泛的蛋白質(zhì),，這類藥物的不良反應(yīng)往往比較大,。而選擇只在特異組織中才表達(dá)的蛋白作為藥物篩選的靶點(diǎn)，可以減少藥物對整體產(chǎn)生的不良反應(yīng),，因而更引起人們的關(guān)注,。例如骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis）與破骨細(xì)胞（osteoclasts）的功能有關(guān)，破骨細(xì)胞可以破壞并吸收骨質(zhì),，當(dāng)骨質(zhì)的形成與破壞出現(xiàn)不平衡的時候,，就會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。如果破骨細(xì)胞的功能得到抑制,，那么就可以控制骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生和發(fā)展,。利用已有的人類EST序列和DNA芯片技術(shù)，可以容易地得到只在破骨細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)的基因如 cathepsink基因,，它編碼半胱氨酸蛋白酶,。以 cathepsink基因作為靶標(biāo)，篩選對它有抑制作用的藥物,，就有可能得到治療骨質(zhì)疏松癥的藥物,。但是這種方法也有其局限性，它只能得到mRNA水平的表達(dá)譜,，另外組織一般由多種細(xì)胞組成,，而要將這些細(xì)胞分離很困難。
研究正常組織與病理組織基因表達(dá)差異
正常組織在病變的過程中,，往往伴隨著基因表達(dá)模式的變化,。基因表達(dá)水平的升高或降低，可能是病變的原因,，也可能是病變的結(jié)果,。若基因表達(dá)的變化是病變的原因，則以此基因?yàn)榘悬c(diǎn)的藥物就可能逆轉(zhuǎn)病變,；若基因表達(dá)的變化是病變的結(jié)果,，則以此基因?yàn)榘悬c(diǎn)的藥物就可能減輕病變的癥狀。DNA芯片技術(shù)可以在病理組織與正常組織之間一次比較成千上萬個基因的表達(dá)變化,，找出病理組織中表達(dá)異常的基因,。Heller等提取正常及誘發(fā)病變的巨噬細(xì)胞、軟骨細(xì)胞系,、原代軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞的 mRNA,，用包含細(xì)胞因子、趨化因子,、DNA結(jié)合蛋白及基質(zhì)降解金屬蛋白酶等幾大類基因的cDNA芯片進(jìn)行篩選,，發(fā)現(xiàn)了數(shù)種變化明顯的基因。其中除了有已知與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎有關(guān)的TNF,，IL－1,，IL－6，IL－ 8,，G－CSF,，RANTES，VCAM的基因外,，還有編碼基質(zhì)金屬彈性蛋白酶HME,，IL-3，ICE,，趨化因子Groα 等的基因,。而以前認(rèn)為金屬彈性蛋白酶只存在于肺泡巨噬細(xì)胞和胎盤細(xì)胞中。彈性蛋白酶可以破壞膠原纖維及組織基底膜層,，它在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病理組織中的出現(xiàn),，為治療該病提供了新的藥物靶點(diǎn)。
利用DNA芯片來尋找疾病相關(guān)基因的策略尤其適用于病因復(fù)雜的情況,。例如,，惡性腫瘤的發(fā)生常常是多基因共同作用的結(jié)果，DNA芯片技術(shù)在腫瘤細(xì)胞基因表達(dá)模式及腫瘤相關(guān)基因發(fā)掘中具有重要的作用,。Wang等將一些看家基因,、細(xì)胞因子及受體基因、細(xì)胞分裂相關(guān)基因及其他一些癌基因共5766個基因的cDNA探針固定在芯片上,，對正常卵巢組織及卵巢癌組織的mRNA進(jìn)行分析,，發(fā)現(xiàn)二者之間30％基因表達(dá)相差2倍以上,，9％相差3倍以上，其中上調(diào)較為明顯的有CD9．上皮糖蛋白（ep ithelial glycoprotein）,、p27及HE蛋白激酶抑制物等,。這些結(jié)果不僅進(jìn)一步證實(shí)了以前用其他方法獲得的結(jié)果，還提供了一些新的信息,。再如,，Kapp 等用包含950個DNA探針的DNA芯片分析比較霍奇金病細(xì)胞系L428及KMH2與EB病毒永生化的B淋巴細(xì)胞系LGL－GK的基因表達(dá)港，發(fā)現(xiàn)霍奇金病源的細(xì)胞系中白細(xì)胞介素-13（IL－13）及白細(xì)胞介素-5（IL－5）表達(dá)異常增高,；用IL－13抗體處理霍奇金病源的細(xì)胞系可顯著抑制其增殖,。此發(fā)現(xiàn)提示,，IL-13可能以自分泌形式促進(jìn)霍奇金病相關(guān)細(xì)胞增殖,。IL-13及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可能成為霍奇金病治療及藥
物篩選的新靶點(diǎn)。
建立模式生物細(xì)胞中的基因表達(dá)模型
采用模式生物細(xì)胞進(jìn)行試驗(yàn),，條件容易控制,，對模式生物基因表達(dá)的研究將啟發(fā)人們發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)新的藥物作用靶點(diǎn)。目前,，已有多種模式生物（如酵母）的基因組計(jì)劃已經(jīng)完成,。釀酒酵母（saccharomvces cerevisi ae）就是一種可用來進(jìn)行藥物篩選的較為理想的模式生物。它是真核生物而且基因組已全部測序,，細(xì)胞繁殖快,，易于培養(yǎng)，與哺乳動物細(xì)胞有許多共同的生化機(jī)制?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn),，在酵母細(xì)胞中存在許多與人類疾病相關(guān)的基因。如人類Werner's綜合征表現(xiàn)出早熟的特征,，其細(xì)胞的生活周期變短,。人類與此疾病相關(guān)的基因與酵母中編碼DNA解旋酶的 SGS1基因極為相似。Botstein等得到了SGS1基因突變的酵母菌株,，此突變菌株生活周期變短,，細(xì)胞的表型特征與患有Werner's綜合征入細(xì)胞相似。已有一些研究小組根據(jù)公布的酵母基因組序列,，用PCR方法擴(kuò)增了酵母6000多個開放閱讀框（open reading frame,，ORF）片段，制成DNA芯片,，在整個基因組的范圍內(nèi)對酵母的基因表達(dá)進(jìn)行檢測,。
建立病原作基因的表達(dá)模型
由于病原體的基因組規(guī)模相對較小，可用包含其全部基因的DNA 芯片鑒定那些對人產(chǎn)生毒害作用的基因,。異煙肼（isoniazid,，INH）是治療肺結(jié)核的常用藥物,，其治療結(jié)核病的機(jī)制是它阻斷了分枝茵酸的生物合成途徑。Wilson等根據(jù)已測序的肺結(jié)核桿菌基因組序列,，用PCR方法擴(kuò)增了3834個ORF（占全部 ORF的97％）,，固化在玻片上，制成檢測肺結(jié)核桿菌基因表達(dá)的DNA芯片,。用INH處理敏感菌株,，發(fā)現(xiàn)除了生化途徑已清楚的與分枝菌酸合成相關(guān)的一些基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化外，還發(fā)現(xiàn)EfpA基因的表達(dá)也被誘導(dǎo)發(fā)生了變化,，推測EfpA基因也參與了分枝菌酸的生物合成,，而EfpA基因只在分枝菌屬中一些致病的種類中才存在，故EfpA基因可以作為治療結(jié)核病的新靶點(diǎn),。另外,，分別用INH和 Ethionamide處理敏感菌株，獲得了相似的基因表達(dá)譜,，證實(shí)了兩者具有相同的作用機(jī)制,。
研究藥物處理細(xì)胞后基因未達(dá)變化
藥物與細(xì)胞（特別是敏感細(xì)胞）相互作用，將引起細(xì)胞外部形態(tài)及內(nèi)部正常代謝過程的一系列變化,。其內(nèi)部生理活動的變化可集中表現(xiàn)在其基因表達(dá)的變化上,。通過測定分析藥物對細(xì)胞的基因表達(dá)的影響，可推測藥物的作用機(jī)制,，評價(jià)藥物活性及毒性,，進(jìn)而確證藥物靶點(diǎn)或者發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)。通過DNA芯片測定藥物誘導(dǎo)的細(xì)胞基因表達(dá)變化來進(jìn)行藥物篩選與研究,，對那些用常規(guī)方法很難追蹤監(jiān)測的藥物或需要很長時間才能得到藥物臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果時,，顯得尤為有用。
通過監(jiān)測陽性藥物處理前后組織細(xì)胞基因表達(dá)變化情況可以獲得許多十分有價(jià)值的信息,。首先,，經(jīng)藥物處理后表達(dá)明顯改變的基因往往與發(fā)病過程及藥物作用途徑密切相關(guān)，很可能是藥物作用的靶點(diǎn)或繼發(fā)事件,，可作為進(jìn)一步藥物篩選的靶點(diǎn)或?qū)σ延械陌悬c(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,；其次，藥物處理后基因表達(dá)的改變對藥物作用機(jī)制研究有一定的提示作用,。
理論上講,，藥物作用誘導(dǎo)的細(xì)胞基因表達(dá)變化應(yīng)與缺失編碼該藥物作用靶點(diǎn)的基因引起的基因表達(dá)變化相似。Marton等使用含有6065個釀酒酵母的ORF的DNA芯片檢測發(fā)現(xiàn),，由免疫抑制劑 FK506誘導(dǎo)的的基因表達(dá)變化在缺失編碼被 FK506抑制的蛋白的基因變種中未觀察到,，但在缺失與FK506作用無關(guān)的基因變種中卻視察到了。于是推測FK506除了與親免蛋白（immunophilins）結(jié)合外還有其他被忽略的作用靶（off－target）,。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,，他們提出了所謂的解碼器戰(zhàn)略（decoder strategy）,，即首先比較經(jīng)過藥物作用的野生株和缺失某些基因的變種株的基因表達(dá)譜，若二者相似,，則將這種變種挑選出來,，并將其與藥物作用。如果突變基因所編碼的蛋白質(zhì)參與的生物途徑受藥物的影響,，則藥物誘導(dǎo)該變種的基因表達(dá)變化與藥物誘導(dǎo)野生株基因表達(dá)變化將不同,。用這種策略不僅可以確證藥物作用靶，還可以發(fā)現(xiàn)未曾引起人們注意的作用靶,，并可從這些被忽略掉的靶中推測藥物的毒副作用,。Cyclin依賴型激酶（cyclin－dependent kinas es，CDKs）在細(xì)胞增殖中有著重要的作用,，是一種抗腫瘤藥物的靶點(diǎn),。Gray等從2，6,，9,，-三取代嘌呤化合物庫中篩選CDKs的抑制劑,。他們將體外有活性的2種化合物flavopiridol和52（化合物代號）與酵母作用,，然后用共含有260000個長度為25個堿基的一組寡聚核苷酸芯片檢測酵母基因表達(dá)變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,，幾乎所有的已知與細(xì)胞周期相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào),。雖然flavopiridol和52體外活性相似，但他們引起的酵母基因表達(dá)的變化卻有顯著的差異,，表明二者對酵母的作用途徑是不一樣的,。
鬼臼亞乙苷（etoposide）是p53活化拓?fù)洚悩?gòu)酶 Ⅱ的抑制劑，在臨床上作為一種抗腫瘤藥物,。Wang 等經(jīng)用鬼臼亞已苷作用人成骨肉瘤細(xì)胞系U2－ OS后,，根據(jù)不同的時間間隔分別提取細(xì)胞mRNA，用寡核苷酸芯片測定6591條mRNA表達(dá)百的變化,，發(fā)現(xiàn)62條mRNA表達(dá)縣有變化,。通過選取其中12條基因做進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)有2條是已知的 p53調(diào)控基因（WAF1／p21和PCNA）,，有兩條是新的p53靶基因,，其余的與p53無關(guān)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,，他們提出了介導(dǎo)鬼臼亞乙苷誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的信號傳導(dǎo)途徑,。此項(xiàng)研究工作使人們又多獲得一種抗腫痛藥物的靶點(diǎn)。
應(yīng)用DNA芯片還可直接篩選特定的基因文庫以尋找藥物的作用靶點(diǎn),。如給酵母某一特定的呈單倍體狀態(tài)的基因?qū)?yīng)的位置上放置一個遺傳標(biāo)記,，該標(biāo)記可被DNA芯片所識別,，那么通過比較藥物作用前后用芯片檢測整個文庫的結(jié)果，便有可能獲得藥物作用的靶基因,。研究者稱此種篩選方式為 haploinsufficiency drug screen,。
用DNA微陣列芯片進(jìn)行藥物研究還存在如下一些缺點(diǎn)：①由于雜交樣品制備復(fù)雜，采用DNA微陣列芯片很難實(shí)現(xiàn)高通量,。②DNA微陣列芯片只能用于檢測已知序列的基因,。③由于靈敏度的限制，采用現(xiàn)存的DNA微陣列芯片難以檢測到表達(dá)水平很低的基因,。
除了DNA芯片外,，組織芯片、蛋白質(zhì)芯片和細(xì)胞芯片也在藥物研究中嶄露頭角,。最近,，耶魯大學(xué)的研究小組首次報(bào)道了真核生物蛋白質(zhì)組水平的蛋白質(zhì)微陣列芯片。他們表達(dá)和純化了酵母的 5800種蛋白質(zhì),，并將這些蛋白質(zhì)點(diǎn)樣固定在載玻片上,，制作了酵母蛋白質(zhì)組微陣列芯片。他們使用這種芯片篩選能與特定蛋白質(zhì)和磷脂相互作用蛋白質(zhì),，發(fā)現(xiàn)了新的能與鈣調(diào)蛋白和磷脂相互作用的蛋白質(zhì),。這種蛋白質(zhì)微陣列芯片可以用于篩選與蛋白質(zhì)相互作用的藥物，還可以用于檢測蛋白質(zhì)翻譯后的修飾,。他們的研究成果證實(shí)了制作和使用蛋白質(zhì)組微陣列芯片進(jìn)行功能分析檢測的可行性,，并向人們預(yù)示了蛋白質(zhì)微陣列芯片在藥物開發(fā)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
Zlauddin和Sabatinl發(fā)明了一種細(xì)胞微陣列芯片,。他們首先將不同的質(zhì)粒DNA點(diǎn)在玻璃片上,，做成質(zhì)粒DNA做陣列芯片。接著用脂質(zhì)轉(zhuǎn)染試劑處理該質(zhì)粒DNA微陣列芯片,，然后在處理好的質(zhì)粒DNA微陣列上培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞,。點(diǎn)在芯片上的質(zhì)粒DNA在轉(zhuǎn)染試劑的幫助下原位轉(zhuǎn)染哺乳動物細(xì)胞，在質(zhì)粒DNA微陣列的每一個質(zhì)粒樣品點(diǎn)的相同位置形成了轉(zhuǎn)染了該質(zhì)粒的細(xì)胞群,。細(xì)胞因獲得了外源DNA而獲得了新的性狀,。這樣，由質(zhì)粒DNA芯片制成了由不同性狀細(xì)胞組成的細(xì)胞做陣列芯片,。他們嘗試用這種細(xì)胞芯片來確證藥物作用靶點(diǎn),，尋找能改變細(xì)胞生理狀態(tài)的基因產(chǎn)物。這種新型細(xì)胞芯片可以用來在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)高通量篩選有可能成為候選先導(dǎo)分子的化合物,、蛋白質(zhì)或寡核苷酸,。在功能基因組研究和藥物開發(fā)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。
2 生物芯片作為超高通量篩選平臺的應(yīng)用
在過去的十幾年里,，隨著科學(xué)的進(jìn)步以及在巨大的經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下,，藥物篩選技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,。在80年代中期（高通量篩選形成之初），每天只能篩選30種化合物,，到90年代中期,，每天可篩選1，500種化合物,，而如今每天可篩選超過 100,，000個化合物。高速,、低成本的高通量篩選已成為當(dāng)今藥物篩選的主流,，并逐漸向超高通量方向發(fā)展。在過去的幾年中,，世界上著名的制藥公司紛紛與以高通量藥物篩選技術(shù)為核心的中小型生物科技公司結(jié)盟或合作,，采用高通量或超高通量藥物篩選技術(shù)進(jìn)行先導(dǎo)物分子的篩選。要進(jìn)一步提高篩選率,，高通量篩選技術(shù)的各個方面均需要技術(shù)創(chuàng)新,，這為生物芯片技術(shù)進(jìn)入藥物篩選領(lǐng)域提供了寶貴的契機(jī)。
提高藥物篩選的通量,，實(shí)現(xiàn)超高通量篩選有2 條途徑：一是微型化,，一是自動化。生物芯片作為一種新型技術(shù)平臺,，正可滿足超高通量篩選微型化和自動化的需要,。生物芯片技術(shù)應(yīng)用于超高通量篩選有2個發(fā)展方向：一是微孔板/微陣列技術(shù)，一是微流體芯片技術(shù),。
微孔板/微陳列技術(shù)
微孔板技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在板孔數(shù)的增加。目前,，使用最多的是96孔及384孔板,，也有人使用1536孔、3456孔,、甚至 9600孔板,。如Oldenburg等報(bào)道了用9600孔板（0.2μL/孔）分析系統(tǒng)，以金屬蛋白酶為靶,，對組合及分離純化的化合物庫進(jìn)行篩選的結(jié)果,。雖然隨著材料科學(xué)和加工技術(shù)的發(fā)展，微孔板技術(shù)有了長足的進(jìn)步,，但其發(fā)展面臨著一些不易解決的困難,，主要有：微量液體極易蒸發(fā)，不適于那些不能用二甲亞砜（DMSO）作溶劑的篩選方法以及受限于當(dāng)今還不夠完善的微量液體分配技術(shù),。
微陣列技術(shù)是將微孔板技術(shù)進(jìn)一步微型化,。最近,，哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)了化合物微陣列芯片，主要用于篩選能與特定蛋白質(zhì)特異性結(jié)合的化合物,。他們將玻片表面進(jìn)行化學(xué)處理,，使其衍生化產(chǎn)生活性基團(tuán)，然后將溶于有機(jī)溶劑中的化合物用機(jī)械手點(diǎn)在經(jīng)處理的玻片表面,，化合物與玻片表面的活性基團(tuán)反應(yīng)而被固定于玻片表面,，這樣就將不同的化合物排布成微陣列，固定在玻片表面,，制成化合物微陣列芯片,。隨后將感興趣的蛋白質(zhì)進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后與微陣列芯片上的化合物反應(yīng),，經(jīng)清洗后,，再進(jìn)行熒光檢測就可以篩到能與這種蛋白質(zhì)特異性結(jié)合的化合物。他們用化合物微陣列芯片進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn),，其結(jié)果表明,，使用這種化合物微陣列芯片可以并行、快速地進(jìn)行大規(guī)模的化合物與蛋白質(zhì)的結(jié)合篩選,。他們最先是將玻璃片表面進(jìn)行馬來酰亞胺衍生化處理,，后來采用亞硫酰氯處理，都獲得了成功,。他們還嘗試了使用這種化合物微陣列芯片進(jìn)行大規(guī)模對映異構(gòu)體的分型檢測,。加利福尼亞大學(xué)Davis分校的科學(xué)家們采用類似的方法也制造了一種化合物微陣列芯片。他們對玻琥載玻片表面進(jìn)行氨基化處理,，在氨基玻片上進(jìn)行乙醛酰衍生化,，然后將帶有連接臂的配體分子點(diǎn)在修飾過的玻片表面。在進(jìn)行化學(xué)連接反應(yīng)之后,，這種固定了不同小分子配體的微陣列芯片被用來進(jìn)行了3種生物學(xué)檢測：蛋白質(zhì)結(jié)合檢測,、功能磷酸化檢測和活細(xì)胞粘附檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了化合物微陣列芯片可以幫助我們對由組合合成方法獲得的大量化合物進(jìn)行快速的功能分析和篩選,?；衔镂㈥嚵行酒夹g(shù)與基于微珠體的固相組合會成技術(shù)相結(jié)合為高通量藥物篩選帶來了一條新的途徑，將對高通量藥物篩選技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響,。
最近,，出現(xiàn)了一種被稱為芯片膜片鉗（patch-on- a－chip）的新技術(shù)。在這種膜片鉗芯片上加工有檢測電信號的點(diǎn)陣,，點(diǎn)陣中的每一個點(diǎn)是一個電信號記錄單元,，同時每個點(diǎn)底部與負(fù)歷相通，可以吸位細(xì)胞。這樣膜片鉗芯片上的每一個點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)膜片鉗技術(shù)的功能,。膜片鉗芯片具有操作簡單,、快速和可實(shí)現(xiàn)高通量等優(yōu)點(diǎn)，可以用于電生理研究和高通量藥物篩選,。位于美國圣地亞哥的AVIVA公司正在致力于此項(xiàng)技術(shù)的開發(fā),。
微流體芯片技術(shù)
微流體裝置的發(fā)展已廣泛用于生化及細(xì)胞的分析。鑒于這項(xiàng)技術(shù)在超高通量篩選中的巨大應(yīng)用前景,，吸引了眾多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的實(shí)驗(yàn)室對該項(xiàng)技術(shù)的研究與開發(fā),。借用半導(dǎo)體工業(yè)中所用的光刻技術(shù)將內(nèi)徑在10～100μm的做通道加工在玻璃或硅片中，利用電動泵和流體的壓力來控制皮,、納升級液體的流動,。該技術(shù)可減少幾個數(shù)量級的試劑消耗量，并能提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,。它所采用的并行樣品處理程序可以獲得更高的篩選通量,。多種類型的篩選分析方法在微流體芯片上操作的可行性（包括結(jié)合分析、酶分析和細(xì)胞分析）已得到實(shí)驗(yàn)論證,。
Jiang等制造了2種可以用于高通量檢測食物污染物和進(jìn)行藥物篩選的微流體裝置,。他們以硅為模板，采用模壓和毛細(xì)管成形技術(shù)在聚酯和多聚硅氧烷二甲酯中加工激流體網(wǎng)絡(luò),。在第1種裝置的微通道中夾著一塊PVDF（polyvinylidene fluoride）膜可用來結(jié)合,、濃縮目標(biāo)化合物，然后再直接通過質(zhì)譜方法鑒定目標(biāo)化合物,。第2種裝置被用來超濾分離本巴比妥和苯巴比妥與抗體的復(fù)合物,。整個過程包括上樣、清洗和解離都是連續(xù)進(jìn)行的,。這些微流體裝置不僅可以顯著降低系統(tǒng)死體積和所需樣品量,，而且與先前報(bào)道的方法相比靈敏度至少可提高 1～2個數(shù)量級。
Capliper Technologies公司設(shè)計(jì)的芯片裝置,，將從微孔板中取樣與隨后進(jìn)行的酶抑制劑篩選結(jié)合在一起,。目前，該芯片裝置已制作完成,，并通過了測試。測試的化合物通過與芯片相連的硅毛細(xì)管注射入芯片中,，與酶及熒光酶底物混合以使它們在主反應(yīng)通道內(nèi)發(fā)生相互作用,。酶與熒光底物反應(yīng)產(chǎn)生基線熒光信號。如果測試化合物抑制酶的活性,，信號將會暫時性的降低,，通過檢測熒光信號的強(qiáng)度就可以測定化合物抑制酶的活性。這種裝置每次進(jìn)樣量 1～10nL，進(jìn)樣同期10～30s,。利用這個系統(tǒng),，每塊芯片可對幾千種化合物進(jìn)行篩選。目前對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的努力主要集中在提高系統(tǒng)的耐用性和將不同類型的篩選方法移植到這個平臺上來,。最新設(shè)計(jì)的微流體芯片將液體分發(fā),。化合物稀釋與篩選分析 3者集成起來,，由于減少了被視為瓶頸的芯片使用前的準(zhǔn)備步驟,，使得該系統(tǒng)更加方便實(shí)用。
目前,，致力于開發(fā)微流體芯片技術(shù)并將其應(yīng)用于藥物篩選的公司有：Caliper Technologies,，Orchid
BioSciences，ACLARA BioSciences,，Li－Cor等,。
3 生物芯片在毒理學(xué)研究中的應(yīng)用
對藥物進(jìn)行毒性評價(jià)，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)家多采用鼠為模型通過動物實(shí)驗(yàn)來確定藥物的潛在毒性,。這些方法需要使用大劑量的藥物，花上幾年時間,，花費(fèi)巨大,。 DNA芯片技術(shù)可將藥物毒性與基因表達(dá)特征聯(lián)系起來，通過基因表達(dá)分析便可確定藥物毒性,，使得藥物毒性或不期望出現(xiàn)的效應(yīng)在臨床實(shí)驗(yàn)前得以確認(rèn),。用DNA芯片可以在一個實(shí)驗(yàn)中同時對成千上萬個基因的表達(dá)情況進(jìn)行分析，為研究化學(xué)或藥物分子對生物系統(tǒng)的作用提供全新的線索,。該技術(shù)可對單個或多個有害物質(zhì)進(jìn)行分析,，確定化學(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性,。如果不同類型的有毒物質(zhì)所對應(yīng)的基因表達(dá)諾有特征性的規(guī)律，那么,，通過比較對照樣品和有毒物質(zhì)的基因表達(dá)譜,，便可對各種不同的有毒物質(zhì)進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步建立合適的生物模型系統(tǒng),，便可通過基因表達(dá)港變化來反映藥物對人體的毒性,。
已經(jīng)有不少研究工作表明，利用DNA芯片預(yù)測化合物毒性和對毒性物質(zhì)進(jìn)行分類是可行的,。 Waring等用15種已知的肝毒性化合物處理大鼠,。這些毒物將對肝細(xì)胞造成多種傷害,，如DNA 損傷、肝硬化,、肝壞死和誘發(fā)肝癌等,。從大鼠肝臟中提取RNA，用DNA芯片作基因表達(dá)分析,。通過將基因表達(dá)結(jié)果與組織病理分析和臨床化學(xué)分析的結(jié)果進(jìn)行比較,，發(fā)現(xiàn)兩者有很強(qiáng)的相關(guān)性。該結(jié)果表明,，DNA芯片分析是一種可以用來分析藥物安全性和對環(huán)境毒物進(jìn)行分類的靈敏度較高的方法,。在另一報(bào)道中他們用同樣的15種化合物作用大鼠的肝細(xì)胞，再用DNA芯片作基因表達(dá)分析,，結(jié)果顯示具有相似毒性機(jī)制的化合物所獲得基因表達(dá)譜具有相似性,。Gerhold等給大鼠服用苯巴比妥和地塞米松等藥物，使用寡核苷酸芯片,，檢測了大鼠肝組織中與藥物代謝,、毒性和能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)。最后,，通過分析基因表達(dá)變化的結(jié)果就可以推測藥物代謝與毒性的情況,。Bartosiewicz等則利用 DNA芯片對環(huán)境毒物進(jìn)行了檢測。
目前已有多種較為成熟的毒理學(xué)DNA芯片繼問世,。美國國立環(huán)境衛(wèi)生研究院分子致癌機(jī)制實(shí)驗(yàn)室的Barrett等人研制了一種名為ToxChip的 DNA芯片,，可以靈敏的檢測有害化學(xué)物質(zhì)對人體基因表達(dá)的作用（http：//dir，niehs．nih．gov/dirlmc/ lmcmain．htm）,；Gene Logic公司的產(chǎn)品Flow－thru Chip已經(jīng)試投入商業(yè)運(yùn)用,，可用以檢測藥物和毒物對生物體的影響，他們還建立了龐大的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫,，可以用于藥物靶點(diǎn)確認(rèn)和毒性預(yù)測（http：// www.genelogic．com/geneexp.asp）,；Syngenta公司和AstraZeneca Pharmaceuticals公司的科學(xué)家設(shè)計(jì)制作了被稱為ToxBlot arrays的DNA芯片，其第代產(chǎn)品ToxBlot Ⅱ含有大約13000人的基因,，包含了所有毒理學(xué)家感興趣的基因家族和信號通路,；美國化學(xué)工業(yè)毒物研究所（Chemical Industry Insti tute of Toxicology）中專門有一個工作小組用微陣列 技術(shù)研究一些致癌毒物對人體的作用（http；// www．ciit．org/toxicogenomics/construction．html）
4 生物芯片在藥物基因組學(xué)中的應(yīng)用
藥物基因組學(xué)是在基因組學(xué)的基礎(chǔ)上研究不個體對藥物反應(yīng)的差異以便針對不同的基因型"量身定做"藥物,，從而將藥物的藥效充分發(fā)揮而不良反應(yīng)減少到最小,。其優(yōu)點(diǎn)為：①在進(jìn)入臨床試驗(yàn)前，藥物基因組學(xué)可以通過化合物對基因多態(tài)性的影響挑選先導(dǎo)物,，從而降低由于藥效的不穩(wěn)定導(dǎo)致的失敗幾率,。②在Ⅰ期臨床試驗(yàn)中，個體基因型可以預(yù)見基因多態(tài)性造成的藥物代謝動力學(xué)差異,。③由于藥物作用靶蛋白的差異反映在基因多態(tài)性上，因此在Ⅱ期臨床試驗(yàn)中，由個體基因型可以預(yù)見基因多態(tài)性造成的藥效差異,，由此來指導(dǎo)Ⅲ期臨床試驗(yàn) ④一旦發(fā)現(xiàn)一種可以導(dǎo)致藥物作用差異的蛋白,，其他與之相關(guān)的蛋白可作為潛在的藥物作用靶。
將DNA芯片技術(shù)應(yīng)用于藥物基因組學(xué),，一方面可以加速藥物基因組學(xué)的發(fā)展,，主要是利用DNA 芯片進(jìn)行基因功能及其多態(tài)性的研究，以確認(rèn)與藥物效應(yīng)及藥物吸收,、代謝,、排泄等相關(guān)的基因，并查明這些基因的多態(tài)性,；另一方面DNA芯片利用藥物基因組學(xué)的研究成果,，根據(jù)基因型將人分群，以實(shí)現(xiàn)藥物基因組學(xué)研究的目的和價(jià)值,。從這兩方面足以看到DNA芯片技術(shù)對藥物基因組學(xué)研究的影響之大,。
DNA芯片可以自動、快速地檢測那些可以影響藥物效應(yīng)的基因（如藥物代謝酶,、藥物作用靶和致病因子的編碼基因）和決定個人對藥物毒性敏感性的基因,。Evans和Relling就設(shè)想了一種急性原淋巴細(xì)胞白血病藥物基因組芯片，這種芯片上包括了所有可能影響急性原淋巴細(xì)胞白血病病人對化學(xué)治療反應(yīng)的基因,，借助這種芯片可以根據(jù)病人的基因型對病人分群,，幫助醫(yī)生為每個病人選擇合適的治療藥物和藥物劑量。
5 生物芯片在藥物分析中的應(yīng)用
生物芯片在藥物分析中的應(yīng)用主要是指采用毛細(xì)管電泳芯片/質(zhì)譜系統(tǒng)對化合物庫,、血樣和尿樣中的藥物進(jìn)行分析鑒定,。毛細(xì)管電泳芯片/貢譜系統(tǒng)是指將毛細(xì)管電泳芯片和質(zhì)譜聯(lián)用的一套裝置。毛細(xì)管電泳芯片進(jìn)行樣品的分離,，而與芯片聯(lián)用的質(zhì)譜則有選擇性的對分離成分進(jìn)行檢測,。美國康奈爾大學(xué)的Wachs等發(fā)明了一種微型化的離子噴霧裝置。這種裝置適合于與基于芯片的分離裝置,、多孔板或帶有待測樣品殘?jiān)谋砻媛?lián)用,。這種裝置有兩種版本，一種稱為微型噴霧器,，主要與毛細(xì)管電泳芯片聯(lián)用,；另一種稱為小型噴霧器，它帶有伸長的吸樣毛細(xì)管,，可以插入多孔板孔的底部,，所以適合與多孔板聯(lián)用。這種裝置可以幫助人們對芯片分離所得樣品或多孔板中樣品進(jìn)行質(zhì)譜檢測,。來自康奈爾大學(xué)同一個實(shí)驗(yàn)室的Deng等將玻璃制成的毛細(xì)管電泳芯片與他們自己設(shè)計(jì)的微型離子噴霧裝置連接,，使用PE公司的質(zhì)譜系統(tǒng)做檢測,，對多種藥物的標(biāo)準(zhǔn)和血漿樣品進(jìn)行了分析檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，使用毛細(xì)管電泳芯片/質(zhì)譜系統(tǒng)對小分子化合物進(jìn)行快速（30s）的檢測是可行的,。這套裝置可以用來對合成的化合物庫和人血漿中重要成分進(jìn)行分析檢測。Ramseier等用芯片毛細(xì)管電泳和使膠毛細(xì)管電泳檢測尿中苯丙胺及其類似物,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示芯片毛細(xì)管電泳的方法具有更快的分高速度和更高的分離效率,。Chiem等則用毛細(xì)管電泳芯片檢測了血清中的茶堿。
6 結(jié)語
隨著一浪高過一浪的生物芯片技術(shù)研發(fā)熱潮,，生物芯片技術(shù)在藥物研究與開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用也將更廣泛更深入,。特別值得一提的是，在今天"回歸自然"思潮的影響下,，天然藥物的開發(fā)成為一股強(qiáng)大的潮流,，而中藥又以其豐富的資源、獨(dú)特的療效,、較小的不良反應(yīng)引起世界的關(guān)注,；同時人們也認(rèn)識到，從化學(xué)合成物中篩選新藥難度大,、費(fèi)用高,、周期長，于是中藥的研究與開發(fā)已成為新藥研發(fā)的熱點(diǎn),。中藥現(xiàn)代化研究的難點(diǎn)就在于中藥成分的復(fù)雜性和中藥作用機(jī)制的復(fù)雜性,。生物芯片由于具有高通量（或超高通量）、并行性,、低消耗,、微型化、自動化的特點(diǎn),，將尤其適合于中藥的研究與開發(fā),。例如香港城市大學(xué)的生物芯片研究小組就利用DNA微陣列芯片研究了中藥對腫瘤細(xì)胞基因表達(dá)的影響；他們還致力于開發(fā)能對中藥有效成分進(jìn)行分離和篩選的生物芯片系統(tǒng),。香港理工大學(xué)的的研究小組采用DNA芯片對中藥進(jìn)行基因分型,，從而鑒定中藥的品種。生物芯片北京國家工程研究中心采用自行研制的酵母全基因組DNA芯片,，與北京大學(xué)藥學(xué)院生物技術(shù)室合作研究了多種抗真菌中藥的作用機(jī)制,。可以預(yù)見,，生物芯片技術(shù)將在中藥現(xiàn)代化研究與開發(fā)中大顯身手,。
隨著中國加入WTO日程的日益臨近，我國的制藥工業(yè)面臨著知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的強(qiáng)大壓力,。加緊研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的藥物已迫在眉睫,。目前國外幾乎所有的大制藥公司都不約而同地采用了生物芯片技術(shù),。我國在該領(lǐng)域雖然起步較晚，但潛力較大,，以此作為突破口,，將生物芯片技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新藥物的研究與開發(fā)以及中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究將一定能夠取得令人矚目的成績。
（生物芯片北京國家工程研究中心,，鄧沱，程京）（清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系,，鄧沱,，周玉祥，程京）
