《生物芯片技术》PPT课件.ppt

生物芯片在药物毒理学方面的应用,什么是生物芯片,生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集而为分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影相机对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从从而判断样品中把分子的数量。,生物芯片扫描仪,近年来 ,生物芯片技术在生物学领域中得到了飞速的发展 ,并已开始用于药物毒理学领域:包括基因芯片技术在药物毒理机制研究中的应用;发现毒理学中药物毒性的预测;化学物代谢特性分析与评价;化学致癌物筛选和识别 ,以及药物临床前安全性评价等。,一些研究表明 ,基因表达图谱能够正确区分不同的毒理现象 ,因此可以利用毒理芯片（ toxic chip ）技术研究和预测药物毒性 。,毒理芯片的工作原理,毒理芯片技术是在基因组技术和DNA微阵列技术基础上发展起来的分子生物学技术 ,它从基因组水平上研究药物与基因表达的相互影响 ,可使科学家在分子水平上评价药物的毒性状况 。其工作原理是根据cDNA微阵列可以测定基因表达,反过来特定的基因表达就可以作为被测试样品毒性信息的标记物。,通过构建大量模型化合物的毒理效应数据库 ,分析大量某类化学物质 ,可揭示出遭受特定暴露时开放或关闭的基因模式 。由于一类毒性终点的基因表达变化具有其共性的“标记”,故一旦建立起毒物标记库 ,研究人员就可以在同一模型系统下将未知药物所引起的基因表达与库中的数据相对比 ,通过这种对比匹配 ,就能获得未知药物的毒理作用机制。,每种化合物都有其基因指纹图谱,如果得到所有药物的基因指纹 ,就得到了轮廓或识别模式 ,有了这一模式 ,当对一个新药物进行测试时 ,通过微阵列芯片测定得到基因表现性轮廓 ,就能预测出该药物的毒理性质。,毒理芯片技术的应用简介,药物毒理机制研究,5,在发现毒理学中进行毒性筛选和预测,毒理基因组学技术的应用,药物毒理机制的研究,药物毒理学家在研究药物毒性时,其面临的重大问题就是了解药物的毒性作用机制。传统的方法是进行体内动物实验 ,该法既慢又难以确定毒性作用机制。现在使用微阵列技术分析检测基因表达的改变 ,可确定该药物的作用模式 ,更好地从机制上将基因效应和毒性反应联系起来。但重点是实验系统要符合生物体的变化过程 ,尽最大可能利用已经确定的毒性终点、合适的模型系统和利用合适的原代或已经建株的细胞系。这样最大的好处就是能够理解短期或体外分析难以解释清楚的毒性机制。,例如 ,非基因毒致癌剂的评价通常利用长期动物致癌生物分析 ,而芯片分析将有助于鉴定在这种表型发展过程中的基因变化 ,最后根据其基因表达的改变来说明其毒理机制 。,在发现毒理学中进行毒性筛选和预测,在发现毒理学中的应用是基于一组化合物或一类化合物（根据毒性终点、机制、结构和靶器官等划分） 能够引导出独特的基因表型或指纹图谱。因此 ,利用基因芯片技术在体内外分析mRNA表达的图谱将能预测与其相同毒性或生物终点的这一类药物相关的基因表达模型。随着单一毒性机制可参考化合物数据库的增加 ,基于同参考物基因转录模型对比 ,利用基因芯片技术鉴定特定毒性终点进行药物毒性筛选和预测成为可能。某些具有期望药理效应的新化合物实体 ,也可能同时干扰细胞组织代谢的其他环节而导致毒副作用。,在用化合物处理靶细胞前后分别检测分析基因表达图谱 ,就可以在动物实验和临床试验前预测该药物的毒性反应。除了更早和更有效地优选目标化合物外 ,毒理芯片技术分析所得结果还可用于选择合适的动物模型进行相应的临床前安全性评价 ,也可选择更好的“临床生物标志物进行临床试验 。,毒理基因组学技术的应用,由于具有大规模地快速检测基因表达的能力 ,基因芯片技术是目前毒理基因组研究的主要手段。cDNA可以从接触了药物的组织或细胞中获取。DNA 芯片中含有与特定的化学反应有关的DNA 片断 ,如与化学物代谢或DNA 修复有关的基因片断。这些片断的数量可以多达数千个甚至整个小鼠内的基因组 ,这就使得科学家们可以从整个基因组的范围研究基因的功能与特定毒性反应的关系。 例如 ,Incyte 公司将DNA 芯片技术与 Zooseq 数据库中存有的小鼠和猴等的基因组序列结合 ,在研究不同生物基因表达的同时 ,对新药物药理学和毒理学进行研究 ,推出了一种小鼠毒理学芯片 ,使研究者能定量研究外源性受试物对大鼠基因表达的影响。,但是 毒理芯片技术在药物毒理学研 究方面也具有一定的局限性,其一，毒理芯片技术仅能用于检测在mRNA水平上所发生的变化，不能检测由该基因翻译的功能蛋白质所发生的变化。另外，蛋白修饰（如磷酸化）也许更能够影响蛋白质的功能，还不能利用芯片技术直接分析。 其二，许多药物是通过与蛋白质的结合或改变大分子的结构来表现最初毒性的，而并不是直接有到基因表达或是基因表达发生改变。,其三，对于多机制作用药物的分析，利用基因表达图谱则很难描绘出药物最初的毒性作用。如有些药物能引起染色体畸变、DNA断裂、程序外DNA合成、氧化应激、钙平衡改变和抑制细胞增殖等。这么多的途径如果作用在同一基因产物上，将导致很难从基因表达上来鉴别出起作用的过程，并且单一机制在最初阶段是很难产生毒性的，多途径多机制共同作用将知识细胞受到损伤或死亡。因此，在利用基因表达图谱说明药物毒理作用机制时就有一定的困难,其四，虽然在单一因素下能够根据数据库和基因表达图谱预测出药物毒性，但如果试验条件不同则不能肯定其预测性。例如，不同种的细胞模型、体内和体外、动物和人的转录水平是不一样的。因此，基因表达图谱的预测能力将很大程度上依赖于其所使用的模型及其所依靠的典型药物所产生的基因表达图谱,尽管基因芯片技术发展的时间不长,迄今在药物毒理上的应用尚处在起步阶段 ,但由于基因芯片技术与传统的技术相比 ,具有效率高、灵敏、经济和低毒等优点 ,毒理芯片技术在药物毒理上的应用将越来越广泛。 目前 ,基因芯片技术还处在一个不断发展、完善的阶段 ,有待于进一步提高芯片检测系统的分辨率和灵敏度 ,同时基因芯片技术有待实现常规化和自动化。,对于基因芯片表达数据改变的解释 ,如何从中了解其内在的作用规律 ,还迫切需要新的分析模型和方法来确定基因表达的含义。并且还需要建立和制定基因芯片实验的标准 ,用标准统一的方法在不同数据库之间进行比较 ,从而可以更好地了解药物的毒理作用机制。 因此 ,相信毒理芯片