新版生物芯片技术省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

生物芯片技术宋艳斌第1页了解生物芯片功效，及其医学研究领域中作用，以及生物芯片技术最新进展。熟悉生物芯片种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片和微缩芯片试验室原理及其制备方法。掌握基因芯片工作原理、制备方法及其在临床诊疗中意义。第2页第一节生物芯片概述第二节基因芯片第三节蛋白芯片第四节芯片试验室第3页第一节生物芯片概述一、生物芯片定义二、生物芯片特点及分类三、生物芯片在医学中应用概况与前景第4页一、生物芯片定义

指在一块大不上不等（普通约1－2cm2）载体材料上，以大规模阵列形式排布了不一样生物分子探针，形成可与目标靶分子相互作用，并行反应固相表面。将芯片与荧光标识靶分子进行化学反应（如杂交、免疫反应等），经过激发光扫描后，不一样反应强度标识荧光将展现不一样荧光发射谱征。用激光共聚焦显微扫描仪或CCD相机搜集信号后，经计算机分析数据结果，从而取得相关生物信息。第5页二、生物芯片特点高通量、集成化、并行化和微型化第6页生物芯片分类第7页三、生物芯片在医学中应用分子生物学、生物进化（生物起源及新物种判定）生物医学（新药筛选与合成，疾病诊疗和治疗，如癌症、早年性痴呆症等病因研究）农林科学（农作物育种改良、食品卫生监督、微生物检测）环境科学生化武器侦检司法判定等第8页第二节基因芯片一、基因芯片原理二、基因芯片技术三、基因芯片应用第9页

基因芯片(genechip)又称DNA芯片(DNAchip)或DNA微阵列(DNAmicro-array)。基因是载有生物体遗传信息基本单位，存在于细胞染色体上。将大量基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称之为基因芯片。第10页基因芯片发展历史Southern&NorthernBlotDotBlotMacroarrayMicroarray第11页一、基因芯片原理基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上一个高效、快速核酸序列分析伎俩。基因芯片技术主要包含四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。第12页基因芯片研制总体蓝图

第13页图11-1基因芯片技术主要步骤第14页二、基因芯片技术（一）芯片制备1.合成探针基因组探针cDNA探针寡核苷酸探针第15页2.探针在载体表面固定固相载体固体片状：主要有玻片、硅片和瓷片等；薄膜状：有硝酸纤维素膜、尼龙膜以及聚丙烯膜等。第16页探针在载体表面固定可分为两大类方法：合成后点样，多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸，甚至mRNA。原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探针），适合用于寡核苷酸。第17页合成后点样接触式点样非接触式点样第18页Cartesian-PixSysSeries第19页合成后点样板-CartesianTech.第20页

原位合成有三种路径：原位光刻合成压电打印法分子印章原位合成法。第21页原位光刻合成技术原理示意图

第22页压电打印原位合成法工作方式

第23页（二）样品制备

常见基因芯片试验样品有DNA、mRNA(cDNA)两种。依据样品起源、基因含量及检测方法和分析目标不一样，采取基因分离、扩增及标识方法各异。

第24页（三）杂交反应

杂交反应是荧光标识样品与芯片上探针进行反应产生一系列信息过程。过程类似于普通杂交法。把要杂交分子溶液覆盖芯片探针，用盖玻片覆盖，即可杂交。

第25页（四）信号检测和分析在杂交反应完成后，将矩阵插入扫描仪中。主要为荧光法，其重复性很好，不足是灵敏度仍较低。当前正在发展方法有质谱法、化学发光法、光导纤维法等。第26页基因芯片杂交结果要用专用扫描系统读取。BBACDE放大器数模转换器计算机A:激光器B:滤光片C:二色镜D:反光镜E:关栅第27页基因芯片扫描结果不一样颜色代表一个探针点杂交上带荧光标识核酸分子数差异。红〉黄〉绿〉兰〉紫第28页GENERALSCANNING-ScanArraySystem第29页三、基因芯片应用（一）寻找和发觉新基因（二）基因表示分析（三）DNA序列测定与序列间比较（四）突变体和多态性检测第30页表示谱芯片实例PCR法从外周血淋巴细胞cDNA文库扩增产物扩增产物点样于包被玻片上DNA芯片热击T细胞cDNA未处理细胞cDNA杂交杂交激光共聚焦扫描发觉17个差异表示基因,11个被热诱导,6个被热抑制,发觉其中3个为未发觉新基因第31页（五）在疾病诊疗应用（1）感染性疾病诊疗性传输疾病、肝炎等。（2）遗传性疾病诊疗地中海贫血、婚前检验等。（3）耐药性检测结核分支杆菌耐药性检测芯片等。第32页生物芯片优、缺点优点：1）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。节约时间。2）微型化，试验所需试剂用量少。3）高度自动化。缺点：在同一温度下杂交，不一样探针杂交效率不一样。第33页生物芯片于普通分子杂交比较生物芯片Southern等信息通量高，几千-几十万点/cm2低自动化程度高低研究速度快慢试验结果平行性好低第34页存在问题基因芯片缺点在于其不能对待检测基因在多细胞类型组织中准确定位进行判断,在这点上，Northern也一样，而原位杂交技术能够克服此缺点。另外很多蛋白质调整其功效不主要是依赖其是否表示或表示量高低，而是依赖蛋白质磷酸化-去磷酸化等方式。在这种情况下，用核酸类生物芯片就没有什么意义了，正在研究开发中蛋白类芯片可能会有所作为。第35页基因芯片技术本身有一些关键问题亟待处理：(1)基因芯片特异性提升(2)样品制备和标识操作简化(3)增加信号检测灵敏度(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标识及检测仪器研制和开发。制约基因芯片技术发展及应用最主要原因是这种技术成本较为昂贵，当前只有制药企业和少数研究所才能承受。第36页第三节蛋白芯片

一、蛋白芯片原理与分类二、蛋白质芯片制作和检测基本流程三、蛋白质芯片应用第37页

蛋白质芯片（proteinchip），又称蛋白质微阵列(proteinmicroarray)，是用于蛋白质功效研究及相互作用分析生物芯片，采取原位合成、机械点样或共价结合等方法将多肽、蛋白、酶、抗原、抗体固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成生物分子点阵。

第38页蛋白芯片原理与分类在待分析样品中生物分子与蛋白质芯片探针分子发生杂交或相互作用或其它分离方式分离后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量检测和分析，从而实现对多肽、蛋白质及其它生物成份进行高通量检测。第39页蛋白质芯片特点蛋白质芯片技术是一个快捷、高效、高通量、并行、微型化和自动化蛋白质分析技术，适合用于分析包含组织、细胞系、体液在内各种生物样品能分析包含针对信号传导、癌症、细胞周期调控、细胞结构、凋亡和神经生物学等广泛生物功效相关蛋白，灵敏度高达pg/ml。第40页蛋白质芯片分类1.按样品结合方式分为：化学型和生物化学型2.按点样蛋白质有没有活性功效分为：无活性芯片和活性芯片3.按工作原理分为：探针型和凝胶电泳型芯片。4.按作用分为：蛋白质表示芯片和蛋白质功效芯片第41页二、蛋白质芯片制作和检测基本流程第42页制备抗体文库选择固相载体片基制备探针蛋白质，点样制备待检样品(蛋白质、多肽、酶等)对样品进行标识与芯片进行抗原抗体反应检测分析第43页第44页蛋白质相互作用发觉新疾病标志物作为临床诊疗指标对疾病病理分子机制研究筛选药品靶，发觉新药品，研究药理学三、蛋白质芯片应用第45页第四节芯片试验室一、缩微芯片试验室特点二、缩微芯片试验室基本组成三、缩微芯片试验室应用研究第46页芯片试验室是将样品制备、生化反应和检测分析全过程集约化，并缩微到一张芯片上自动完成，形成所谓微型全分析系统（micrototalanalysissysten,μ-TAS）,或称“缩微芯片试验室”（lab-on-a-chip）。第47页一、缩微芯片试验室特点

分析全过程自动化、生产成本低、防污染、分析速度快、所需样品少、极高样品并行处理能力、体积小、重量轻、便于携带。缩微芯片试验室未来发展趋势甚至能够成为个人生物信息分析卡或微型分子生物试验室之类器件。第48页二、缩微芯片试验室基本组成

生物样品分析通常包含样品制备、生物化学和分子生物学反应、结果检测和数据处理等过程。第49页三、缩微芯片试验室应用研究当前，含有加热器、微泵微阀、微流量控制器、电子化学和电子发光探测器芯片已经研制出来，同时也出现了将样品制备、化学反应和分析检测部分结合芯片。高通量、一体化、移植性“未来型掌上试验室”构想。第50页缩微芯片试验室应用新进展Nanogen企业、Affymitrix企业。宾夕法尼亚大学医学院和密歇根大学科学家们利用在微缩芯片上刻出加热器、泵、阀门、微量分析器、电化学检测器以及其它光电子检测器等，已经先后制作出了结构不一样