作者:赵智贤 来源:《中国医疗器械信息》2008年第14卷第3期 发布时间:2010-5-14 17:20:08
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生物芯片在聋病分子检测中的应用

赵智贤(博奥生物有限公司暨生物芯片北京国家工程研究中心)
 
1. 什么是生物芯片?
 
在20世纪科技史上有两件事影响深远:一是微电子芯片,它是计算机和许多家电的“心脏”,它改变了我们的经济和文化生活,并已进入每一个家庭;另一件事就是生物芯片,它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。这是美国《财富》杂志对生物芯片的评价。什么是生物芯片,它为何一诞生就被赋予如此高的评价?它是如何制作的?它又是如何走进千家万户,走近聋病患者的身边?
 
简单地说,生物芯片就是在一块指甲大小的玻片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品,然后由一种仪器收集信号,用计算机分析数据结果。1995年,Schena等人在Science上发表了第一个基因芯片的实验数据,揭开了生物芯片发展的序幕。随着该项技术的发展,生物芯片的种类也逐渐增多,主要包括微阵列芯片和微流控芯片两类。微阵列芯片是目前应用最广泛的一类芯片,它主要包括基因芯片,蛋白芯片,细胞芯片及组织芯片等。
 
生物芯片的体积往往非常小,但是由于其特殊的制备方法和检测方法,使得在一张载玻片大小的芯片上却可以检测多至成千上万个基因,从而达到高通量,快速,简便的进行检测的目的,使得“方寸之地,生机无限”。
 
下面就以基因芯片为例简单介绍一下它的制作过程,揭开生物芯片神秘面纱的一角。
 

 
1.1 基片处理
 
生物芯片的基质材料可以多种多样,选择平整、洁净、均一且自发荧光低的材料作为基片后,需要用化学试剂对表面进行表面修饰或表面涂覆,使得基片表面富含活性基团,从而具有良好的吸附和固定能力,还有很好的匹配能力,找到相应的需要连接的生物分子。这也是生物芯片制作过程中十分关键的一个步骤。
 

1.2 芯片制作
 
芯片制作的过程就是将生物分子放到芯片的表面上,非常类似于农民插秧的方法,只是对位置的准确性要求非常高。接触式点样是应用最广泛的一种方法,在点样过程中,运动控制系统上装有夹具或点样头以及一根或多根微点样针,根据需要点制出各种芯片。点样针的头部有一个样品通道,用来存放一定体积的样品。由于生物芯片的特殊性,它所需要的样品极其微量,往往10μl样品就可以点制上千张芯片,大大节约了样品的需求。
 
芯片点制完成后,尚需特殊的过程进行固定。固定的方式则根据上一步“基片处理”后基片上保留的不同基团有很大不同。
 

1.3 芯片杂交
 
芯片杂交从根本上说是分子之间的相互作用。在基因芯片的样品制备过程中,将待测样品中的模板DNA 提取出来后,通过PCR 可以得到足以进行杂交的靶标分子,还可以对靶标分子进行荧光标记。杂交反应就是将扩增好的产物,加在用前面方法制备好的基因芯片上,芯片上的DNA 探针与扩增好的产物充分接触,进行生物化学反应的过程。
 
杂交完成后,需要进行清洗,主要是将样品中因与探针序列不匹配而不能结合的核酸分子除去,然后就可以进行下一步的信号检测了。
 

1.4 芯片检测
 
前文说到,待测样品中的靶标分子一般采用荧光标记,其作用是使生物分子能够发光而被检测。由于生物芯片上的点样直径往往只有100-200μm,因此杂交并清洗后的芯片需要专用的芯片扫描仪器才能进行信号检测。在仪器特定波长激发下,结合在相应探针点上的靶标DNA 就会产生信号,检测这些信号就可以判断样品中存在对应的靶标序列,同时还可以根据信号强弱来判断样品中靶标分子的多少。
 
2. 生物芯片如何用于聋病分子检测?
 
导致耳聋的原因很多,包括遗传和环境、药物、外伤等多方面原因,但是其中60% 与遗传因素有关,称为遗传性耳聋。人们发现多种基因突变参与了该病的发病机制,与聋病相关的基因很多,需要检测的位点更多,传统的检测技术如测序往往价格昂贵,操作复杂耗时长,难以满足大规模筛查诊断的需求。生物芯片具有集成化,高通量,快速简便等特点,可以很好的帮助临床医生解决这个问题。
 

博奥生物有限公司的研发团队,利用通用芯片建立了一种新技术,命名为多重等位基因特异性PCR通用芯片(allele-specific PCR-based universal array ,ASPUA),并已申请专利保护。该技术将等位基因辨别反应通过多重等位基因特异性PCR 在液相中实现,然后利用标记了不同标签探针的固相通用芯片作为一种解码工具将PCR 结果展现出来。
 
采用该技术的遗传性耳聋基因检测芯片将分子诊断与基因芯片技术相结合,从而达到通量高、成本低、检测快的要求,可在5 小时之内完成导致遗传性耳聋的4 种常见基因(GJB2,GJB3,SLC26A4和线粒体基因)的检测。这些基因是通过大量流行病学调研,选择在中国人群中最常见的基因,所选择的突变热点占这些基因突变的80%-98%。
 
通过这个芯片,可以帮助临床医生从病因学角度辅助耳聋诊断,帮助耳聋患者寻找确切的病因,同时也可以指导患者用药,评价电子耳蜗疗效,指导生活注意事项,指导生育等等。同时,ASPUA作为一种通用基因芯片技术,除了以上提到几个基因,或我们关注的突变位点,对于类似的已知耳聋相关基因或突变,都可以用基因芯片的方法进行科学研究或临床检测,从而使更多人远离无声世界。
 
 
 
 
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