學術(shù)園地
編輯：郭敏
1.基因芯片的技術(shù)原理
基因芯片(gene chip)是生物芯片的一種，又稱DNA芯片、DNA微陣列、寡核苷酸陣列�；蛐酒�的原型是80年代中期提出的，是把成千上萬個不同序列的核酸探針分子以點陣的形式固定在芯片表面，然后和經(jīng)過熒光標記的樣品（DNA、RNA或cDNA）進行雜交反應。在雜交后的清洗步驟中，沒有和探針結(jié)合上的核酸分子將被去除，而結(jié)合到探針上的目標核酸分子，其熒光標記在特定波長下會發(fā)出熒光信號，信號強度表征了樣品中被檢測到的目標核酸分子或基因的總量或濃度。借助熒光共聚焦顯微鏡掃描得到一張各探針點亮度不相同的雜交圖譜，利用計算機對雜交信號作分析處理，便可獲得樣品中基因的分析結(jié)果，從而指導與基因有關(guān)的一系列研究。
基因芯片的測序原理是雜交測序方法，即通過與一組已知序列的核酸探針雜交進行核酸序列測定的方法（如圖1）。在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當溶液中帶有熒光標記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應位置的核酸探針產(chǎn)生互補匹配時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列完全互補的探針序列。據(jù)此可重組出靶核酸的序列。
2.基因芯片的特點及類型
2.1基因芯片的特點
基因芯片作為一種新型技術(shù)，在疾病的臨床診斷中發(fā)揮了重要的作用。特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是高通量檢測，即可一次性同時檢測出多種疾��；二是靈敏度高,即在病原體含量較低的感染初期就可被檢出；三是特異性強且準確度高，即從基因?qū)用骅b別發(fā)病原因；四是自動化程度高，檢測效率高。
圖1 基因芯片的測序原理圖
2.2基因芯片的主要類型
2.2.1根據(jù)載體機制不同
分為無機片基和有機片基基因芯片，前者主要有半導體硅片和玻璃片等，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先合成后通過特殊的微量點樣裝置或儀器滴加到片基上。
2.2.2 根據(jù)探針合成順序不同
分為原位合成基因芯片和預先合成后點樣的基因芯片，前者通過聚乙二醇或硅烷類化學試劑在不同位點合成不同的探針；后者比較簡單，先制備好cDNA或寡核苷酸然后在經(jīng)特殊處理的玻片、硅片或膜上點樣。
2.2.3 根據(jù)芯片功能不同
分為基因表達芯片和DNA測序芯片兩類。前者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、細胞周期、發(fā)育階段、分化階段、病變、刺激(包括不同誘導、不同治療手段)下的細胞內(nèi)mRNA或反轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的cDNA進行檢測，從而對這些基因表達的個體特異性、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、刺激特異性進行綜合的分析和判斷，將某個或幾個基因與疾病聯(lián)系起來，極大地確定這些基因的功能，可進一步研究基因與基因間相互作用的關(guān)系；后者則是對大量基因進行序列分析。
3.基因芯片在疾病診斷方面的應用
3.1 感染性疾病的診斷
伴隨病原微生物基因組計劃的逐步完成，利用基因芯片技術(shù)診斷病原微生物感染成為其最主要的應用之一�；蛐酒夹g(shù)不僅避免了繁瑣而費時的病原微生物培養(yǎng)，而且不需要等到抗體的出現(xiàn)，能夠快速對病原微生物進行檢測，從而為病原微生物診斷，預防提供了強有力的技術(shù)手段。
2003 年 SARS 席卷全球，在確定其病原體為冠狀病毒變異體后，Affymetrix 公司迅速研發(fā)出診斷該病毒的基因芯片，并大量投入使用。隨著基因芯片技術(shù)的日漸成熟，各類疾病的診斷芯片相繼被推出，這將大大降低疾病的誤診率，提高早期診斷率。基因芯片在感染性疾病診斷上的價值在于,可以對多種乃至全部病原體以及這些病原體的耐藥性、變異型等情況，通過一張芯片同時診斷出來。
3.2腫瘤的診斷
腫瘤是由于人體中被抑制表達的原癌基因受到理化因素的誘發(fā)而產(chǎn)生�，F(xiàn)階段可通過基因芯片技術(shù)對各種導致腫瘤產(chǎn)生的基因進行檢測，從而能篩查健康人群中的潛在腫瘤發(fā)病基因，以達到早期診斷預防的目的。
Ito 等提取食管活組織的 DNA，使其與一種不依賴 RNA 擴增的超靈敏的 DNA 芯片進行雜交，將該雜交圖譜分別與來自正常食管組織 DNA 的雜交圖譜和患者食管組織DNA 的雜交圖譜進行對比分析，根據(jù)是否發(fā)出病變的 DNA 信號，診斷待檢者是否患有食管癌。
3.3 遺傳性疾病的診斷
人體的遺傳性狀是由基因決定的。當基因有缺陷而影響其行使正常功能時，就會引起遺傳病�；蛐酒沁z傳病的分子診斷的最佳手段，對疾病的早期診斷甚至產(chǎn)前診斷具有重要意義。通過制作基因芯片，對遺傳病家譜進行研究，將某一遺傳病和基因的一種或多種多態(tài)性聯(lián)系在一起，從而對遺傳性疾病進行診斷。
基因芯片用于產(chǎn)前遺傳性疾病診斷，可同時檢測數(shù)百種疾病，抽取少量羊水檢測即可判別胎兒是否患有遺傳性疾病，從而確保優(yōu)生優(yōu)育。
3.4免疫性疾病的診斷
免疫性疾病是自身免疫系統(tǒng)紊亂所導致的一種疾病，其對機體的危害十分巨大，且由于其屬于自身免疫亢奮導致的疾病，非常難以治療。現(xiàn)階段人們正嘗試使用基因芯片技術(shù)定位導致免疫性疾病的相關(guān)基因，以便對免疫性疾病進行深層次的研究。
自身免疫性疾病發(fā)病過程中涉及的細胞因子、趨化因子、細胞表面分子、信號傳導與轉(zhuǎn)錄分子、受體及粘附分子，基因芯片可以同時檢測與疾病相關(guān)的所有基因表達，研究表達異常的基因的功能，揭示上調(diào)和下調(diào)的基因，在自身免疫性疾病的病因研究和疾病治療中發(fā)揮巨大作用。
3.5 心血管疾病的診斷
目前心血管疾病已成為人類健康的第一大殺手，基因芯片技術(shù)在心血管疾病中的研究可以同時快速地分析大量的基因信息，方便心血管疾病的檢測，在探索心血管疾病的確切分子機制、發(fā)現(xiàn)與心血管疾病相關(guān)的新生物標志物以及在心血管疾病診斷和治療等方面都具有重要的價值。
例如選擇原發(fā)性高血壓病人及對照者，采用基因芯片技術(shù)檢測ACEI/D、NPRC-55、eNOS298基因多態(tài)性，并比較其基因型及等位基因頻率，發(fā)現(xiàn)ACEI/D基因可能是原發(fā)性高血壓的易感基因，NPRC-55和eNOS298基因與原發(fā)性高血壓不具有相關(guān)性。
參考文獻
1.霍金龍，苗永旺，基因芯片技術(shù)及其應用，生物技術(shù)通訊，2007，18（2）：329-332
2.裘敏燕，李瑤，基因芯片技術(shù)及其應用，第二軍醫(yī)大學學報，2001，22（6）：534-537
3.劉占通，文英會，基因芯片技術(shù)及其應用，生物學通報，2005,40(2):10-12
4.連冬生，趙樹進，基因芯片技術(shù)及其在醫(yī)藥領域的應用，2008，22（12）：1097-1104
5.楊光，王躍建，一種能夠平行研究大量基因的新技術(shù)-基因芯片技術(shù)的原理與應用，2001，10（2）：176-181
6.宋懷東，基因芯片技術(shù)及其應用現(xiàn)狀的淺思，2004，20（6）：487-489
7.杜麗，周蘇寧，基因芯片在心血管疾病與中醫(yī)藥研究中的應用，2012，10（5）：603-605
8.李富榮，葉志中，基因芯片與自身免疫性疾病，2002，6（1）：51-53
9.戴克勝，阮長耿，基因芯片技術(shù)及其在疾病診斷上的應用，2001，27（4）：292-294
