生物芯片技术

生物芯片技术第1页，共43页，2023年，2月20日，星期一一、何为生物芯片?生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。他是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。第2页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、原理利用特异性的分子间相互作用，将待检测样品标记后与生物芯片反应，得到信号值。信号值代表了结合在探针上的待测样本中的特定大分子的信息。第3页，共43页，2023年，2月20日，星期一三、分类1.根据芯片上交联固定的识别分子分类。2.根据生物芯片的结构特征及分析过程分类。3.根据芯片的功能分类。4.根据芯片的用途分类。第4页，共43页，2023年，2月20日，星期一第5页，共43页，2023年，2月20日，星期一cDNA芯片图像第6页，共43页，2023年，2月20日，星期一ABO血型基因芯片分型结果

第7页，共43页，2023年，2月20日，星期一四、特点高度并行性：提高实验进程、利于显示图谱的快速对照和阅读。多样性：可进行样品的多方面分析，提高精确性，减少误差。微型化：减少试剂用量和反应液体积，提高样品浓度和反应速率。自动化：降低成本，保证质量。第8页，共43页，2023年，2月20日，星期一第二节基因芯片一、概念和原理

基因芯片（DNA芯片）技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。在一块1cm2大小的基因芯片上，根据需要可固定数以千计甚至万计的基因，以此形成一个密集的基因方阵，实现对千万个基因的同步检测。第9页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、

基因芯片技术的主要特点技术操作简单自动化程高序列数量大检测效率高应用范围广成本相对低第10页，共43页，2023年，2月20日，星期一三、基因芯片的主要类型（一）从点阵的制备方法来分主要有两类：原位合成型与“点膜”型。1.原位合成型指根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。聚合之后芯片片基的制作即告结束。该方法有两类：光引导原位聚合技术与压电打印原位聚合技术。

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（1）光引导原位聚合技术简要过程为：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将其保护起来，选取择适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的部位透光，其它部们不透光。这样，光通过蔽光膜照射到支持物上，受光部位的羟基解保护，进而与单体分子共价结合。因为合成所用的单体分子一端按传统固相合成方法活化，另一端受光敏保护基的保护，所以发生偶联的部位反应后仍旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制蔽光膜的图案（透光与不透光）决定哪些区域应被活化，以及所用单体的种类和反应次序就可以实现在待定位点合成大量预定序列寡聚体的目的。

优点：合成效率高，点阵密度高缺点：设备昂贵，技术复杂，反应产率低第12页，共43页，2023年，2月20日，星期一第13页，共43页，2023年，2月20日，星期一（2）压电打印原位聚合技术其装置与普通的彩色喷墨打印机并无两样，所用技术也是常规的固相合成方法。即，将墨盒中的墨汁分别用四种碱基合成试剂替代，支持物经过包被后，通过计算机控制喷墨打印机将特定种类的试剂喷洒到预定的区域上。冲洗、去保护、偶联等则同于一般的固相原位合成技术。如此类推，可以合成出长度为40到50个碱基的探针。优点：设备廉价，技术相对简单，反应产率高缺点：点阵密度低，易产生交叉污染第14页，共43页，2023年，2月20日，星期一2.“点膜”型合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是合成后用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物应事先进行特定处理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷，以便能够牢固地结合寡核苷酸分子。该方法是目前大多数中小型公司所采用的方法。优点：设备廉价，技术简便，研制周期短，灵活性高缺点：点阵密度低第15页，共43页，2023年，2月20日，星期一（二）从支持物来分主要有：

1.薄膜型如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。这种类型“芯片”的点阵是通过“点膜”形式制作的，并通过一定的方法使探针能够牢固地结合于其上，整个过程类似于斑点杂交技术（如CloneTech公司）。

2.玻片型这种芯片的点阵是通过原位合成技术制作的，点阵密度很高，所以必须借助于特殊的仪器对测定结果进行解读和分析。当前具有此类产品研制能力的公司很少（如Affimetrix公司）。

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3.微板型这种芯片实质上是一种具有高密度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板（如PE公司等）。

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4.集成电路型将杂交技术与微电子技术结合于一体有目的地通过电子装置检测或控制DNA等生物大分子的作用过程（如Nanogen公司）第18页，共43页，2023年，2月20日，星期一四、基因芯片研制的总体蓝图

研制方向的确定基因组序列分析与待检基因探针序列的确定检测样品的制备探针阵列的准备检测设备的研制杂交检测与数据分析第19页，共43页，2023年，2月20日，星期一基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。第20页，共43页，2023年，2月20日，星期一（一）芯片制备基因芯片制备主要包括两个方面探针的设计：根据应用目的不同，设计不同的固定于芯片上的探针。探针在芯片上的布局：选择合适的方式将探针排布在芯片上。第21页，共43页，2023年，2月20日，星期一1.探针的设计确定芯片所要检测的目标对象查询生物分子数据库取得相应的DNA序列数据序列对比分析找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。数据库搜索得到关于序列突变的信息及其它信息。第22页，共43页，2023年，2月20日，星期一第23页，共43页，2023年，2月20日，星期一（1）载体选择与预处理载体：用于连接、吸附或包埋各种生物分子并使其以固相化状态进行反应的固相材料。载体材料：玻片、硅片、硝酸纤维素膜、尼龙膜和聚丙烯膜等。载体的化学处理：活化剂——多聚赖氨酸氨基硅烷偶联剂2.探针在芯片上的布局第24页，共43页，2023年，2月20日，星期一（2）基因芯片制备原位合成（insitusynthesis）①光导原位合成法

②原位喷印合成③分子印章多次压印合成点样法第25页，共43页，2023年，2月20日，星期一（二）样品的制备样品的制备过程包括核酸分子的纯化、扩增和标记第26页，共43页，2023年，2月20日，星期一制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。制备细胞、组织或整个器官样本应特别小心。温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成分等轻微改变都会使基因表达的结果发生明显变化。用于基因类型分析的样本是DNA，用于表达研究的样本是cDNA。样本制备后应进行标记，通常为酶标记、荧光标记和核素标记。第27页，共43页，2023年，2月20日，星期一（三）杂交与结果分析1.杂交反应：与传统的杂交方法类似2.杂交信号的检测：最常用荧光法3.数据分析：芯片杂交图谱的处理与存储由专门设计的软件来完成。第28页，共43页，2023年，2月20日，星期一第29页，共43页，2023年，2月20日，星期一五、基因芯片的主要应用1基因表达检测拟南芥、酵母基因表达研究等2突变检测BRCAⅠ基因外显子11]、CFTR基因、β-地中海贫血、酵母突变菌株、HIV-1逆转录酶及蛋白酶基因等的突变检测等3基因组多态性分析人类基因组单核苷酸多态性的鉴定及分型，人线粒体16.6kb基因组多态性的研究等4基因文库作图通过确定重叠克隆的次序从而对酵母基因组进行作图5杂交测序第30页，共43页，2023年，2月20日，星期一第三节蛋白质芯片

一、概念利用抗体与抗原特异性结合即免疫反应的原理，将蛋白质分子（抗原或抗体）结合到固相支持物上，形成蛋白质微阵列，即蛋白质芯片。

第31页，共43页，2023年，2月20日，星期一蛋白质芯片

第32页，共43页，2023年，2月20日，星期一蛋白质芯片检测流程第33页，共43页，2023年，2月20日，星期一二、分类根据制作方法和应用的不同，蛋白质芯片分为两种1.蛋白质功能芯片细胞中的每一种蛋白质占据芯片上一个确定的点，主要是高度平行地检测天然蛋白质活性。2.蛋白质检测芯片将能够识别复杂生物溶液（如细胞提取液）中靶多肽的高度特异性配体进行点阵。这种芯片能够高度并行的检测生物样品中的蛋白质。第34页，共43页，2023年，2月20日，星期一第35页，共43页，2023年，2月20日，星期一三、应用特异性抗原抗体的检测生化反应的检测疾病诊断对疾病分子机制的研究药物筛选及新药的研制开发第36页，共43页，2023年，2月20日，星期一第四节生物芯片应用前景第37页，共43页，2023年，2月20日，星期一生物芯片实用化的若干关键问题1.资源缺乏等米下锅2.相关研究和技术有待提升3.基因专利的限制4.造价居高不下，难以市场推广5.急需投资基金的注入6.平衡发展，寻求突破

第38页，共43页，2023年，2月20日，星期一生物芯片的应用前景分析由于人类基因只是地球上几十万种生物基因资源中的一份子，在今后的几十年内，人类将测出所有物种的"基因图谱"。因此，类似如人类基因组计划的基因研究和生物信息产业，还仅仅是一个起步，其将来的发展前景是无法估量的。生物芯片作为生物信息学的主要技术支撑和操作平台，其广阔的发展空间就不言而喻第39页，共43页，2023年，2月20日，星期一生物芯片的应用前景分析生物芯片的研究开发及产业化，将对疾病诊断、药物筛选、农作物优选优育、司法鉴定、食品卫生监督、环境监测与治理、乃至于国防、航天等众多的领域带来革命性的影响生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景第40页，共43页，2023年，2月20日，星期一生物芯片的应用前景分析从世界范围来看,每年用于疾病诊断的费用支出约1800亿美元,在今后的五年里，生物芯片的市场销售将达到200亿美元左右。据预测,全美20-25%的市场将被微分析技术芯片所占领(约15亿美元).

更乐观的预测还有，2005年全球基因芯片总营业额将从1998年的180亿美元增长到400亿美元，诊断的疾病种类可望从目前的100多种扩大到5000种。第41页，共43页，2023年，2月20日，星期一生物芯片应用前景分析由于统计口径不一致，这些预测数据难免存在一定的矛盾，但关于生物芯片市场的发展趋势是一致的，在市场需求、协同工作、技术改良和品牌战略的推动下，生物芯片的产业化市场发展迅猛，世界基因芯