分子标记和生物芯片技术和应用续省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

生物芯片陈全家新疆农业大学农学院1/69生物芯片生物芯片是近年来在生命科学研究领域中崭露头角一项新技术。它经过使用半导体工业中微加工和微电子技术，和其它相关技术，将现在庞大分立式生物化学分析系统缩微到半导体硅芯片中。从而含有高速度、分析自动化、和高并行处理能力。生物芯片技术大浪潮在本世纪末已成为研究HIV、癌症、新药开发、疾病诊疗、基因治疗、新食品开发及生命科学一条光芒大道，它与PCR技术相媲美，成为二十一世纪主流。DNA微点阵芯片是生物芯片中最常见一个，这一技术使点、线、面展现在一起，它可将成千上万个生物讯息密码储存在一片固相基质上，与电脑芯片相比被称为生物芯片。新疆农业大学农学院2/69生物芯片生物芯片诞生划时代意义国内外生物芯片研究进展生物芯片研究开发目标新疆农业大学农学院3/69生物芯片诞生划时代意义世界普遍认为：“二十一世纪将是生命科学世纪”，“生物芯片将象计算机芯片一样成为新世纪即未降临又一次高新科技革命奠基石”。计算机芯片诞生给人类带来冲击生物芯片给医学和生命科学带来革命即未降临国际医学网生物芯片科学价值新疆农业大学农学院4/69计算机芯片诞生给人类带来冲击1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学问世1947年美国电报电话企业贝尔试验室三位科学家巴丁、布莱顿和肖克莱研制出世界上第一只半导体晶体管（Transister）1958年美国硅谷快捷半导体企业（FairchildSemiconductorCorp.)研制出世界上第一块集成电路IC1971年英特尔企业研制出了世界上第一块将运算器和控制器集成一体微处理器芯片1994年国际因特网问世，为人类生活开辟了崭新空间新疆农业大学农学院5/69生物芯片给医学和生命科学带来革命1991年美国Affymax企业开始研制生物芯片1992年美国Affymetrix宣告成立——世界上第一个生物芯片专业制造厂家1996年Affymetrix企业基因芯(检测p53、p450、RCA1/BRCA2等基因突变)片产品首次投放市场1998年美国Nanogen企业程京博士领导研究小组在世界权威学术刊物《NatureBiotechnology》报道了世界上首例缩微生物芯片试验室1999年美国Motorola企业推出生物芯片系统本世纪三大计划最终一项计划――“人类基因组计划”将在提前完成新疆农业大学农学院6/69什么是生物芯片(Biochips)？生物芯片是将大量生物识别分子按预先设置排列固定于一个载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来分析各种生物分子存在量一个技术。新疆农业大学农学院7/69新疆农业大学农学院生物芯片分类8/69生物芯片分类依据用途还能够把生物芯片分为两类：信息生物芯片（information-biochip）和功效生物芯片（function-biochip）。新疆农业大学农学院9/69生物芯片分类芯片：reversenorthern-dotblots基因芯片：检测基因突变基因表示谱芯片：检测基因表示水平蛋白质芯片：蛋白质在载体上有序排列，依据蛋白质分子、蛋白质与核酸相互作用原理进行杂交、检测和分析。组织芯片：从不一样组织内进行活体解剖后取出圆柱状组织，然后包埋在受体区组内新疆农业大学农学院10/69生物芯片分类寡核苷酸芯片、cDNA芯片、Genomic芯片

模式一：是将靶DNA固定于支持物上，适合于大量不一样靶DNA分析，模式二：将大量探针分子固定于支持物上，适合对同一靶DNA进行不一样探针序列分析。

新疆农业大学农学院11/69生物芯片应用基因表示水平检测基因诊疗药品筛选个体化医疗测序生物信息学研究新疆农业大学农学院12/69生物芯片制作说了那么多了，生物芯片到底怎么做呢？新疆农业大学农学院13/69生物芯片制作载体材料

在制作生物芯片时，载体材料很多，大致可分为四类：

1．无机材料

2．天然有机聚合物

3．人工合成有机高分子聚合物

4．各种高分子聚合物制成各种膜

新疆农业大学农学院14/69生物芯片制作点样设备Telechem企业全新SpotBotPersonalMicroarrayer一台台式普通离心机大小(30cmx30cmx22cm)个人芯片点样机功效相当完备。新疆农业大学农学院15/69生物芯片制作新疆农业大学农学院16/69生物芯片优点基因芯片最大优点在于其高通量。传统方法检测众多基因要经历屡次试验而且自动化程度低，因而每次试验之间是存在系统误差。基因芯片能够克服这个缺点，众多基因探针标识、杂交等过程是在一次试验过程中完成，而且自动化程度高，数据客观可靠。

新疆农业大学农学院17/69生物芯片缺点

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。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。

新疆农业大学农学院18/69介绍几个生物芯片产品生物芯片多孔反应覆膜生物芯片多孔反应覆膜可用于全部使用96孔酶标板自动化仪器上，使生物芯片加样，洗涤过程自动化。产品宽度与生物芯片基片（载玻片）相同，贴在基片上后，形成多个分离小孔，能够分析多个样品。膜上孔间距与酶标板上孔间距相同，与本企业ChipHolder配合能够使用在全部使用96孔酶标板自动化仪器上，使生物芯片加样，洗涤过程自动化。新疆农业大学农学院19/69介绍几个生物芯片产品SCAN-I是中国科学院---中科百奥科技有限企业新近研制开发产品，全自动检测及分析系统适合用于对应波长范围内生物芯片图像扫描和信号分析，是光、机、电、数字技术和生物学技术相结合产物，实现了生物芯片图像摄取、处理、分析一体化。新疆农业大学农学院20/69我国生物芯片行业发展现实状况

生物芯片北京国家工程研究中心（16#地、总建筑面积30224平方米位于中关村生命科学园）

北京博奥生物芯片有限责任企业承建。该项目是建设生物芯片微加工相关条件、分子生物学、化学、光学等试验室分析条件及相关辅助设施，形成年产生物芯片分析系统120台、应用型生物芯片90万片生产能力。新疆农业大学农学院21/69我国生物芯片行业发展现实状况生物芯片技术在中国还是空白，而到当前，中国生物芯片产值就到达了2亿多元人民币，生物芯片研究已经从试验室进入应用阶段。新疆农业大学农学院22/69即未降临国际医学网将缩微生物芯片试验室、远程手术、多语言病历档案和医疗保险登记与环球通讯系统有机地结合到一起，使人们能够在远离自己居住地地方旅游、出差，而同时又能够随时接收医疗、保健服务。这将使我们生活空间再次得到拓展。新疆农业大学农学院23/69生物芯片科学价值利用基因芯片技术，能够寻找基因与疾病相关性能够实现对待测基因群和相关疾病快速、准确和简便诊疗开展基因表示活性和大规模基因变异多态性研究，能够同时监测千百个基因，甚至全部基因可对与环境污染原因相关基因全方面监测，对生态环境控制及人口健康有着十分重大意义生物芯片技术还可不停延伸、创新，开发出相关药品芯片、蛋白质芯片、细胞芯片等生物芯片生物芯片系统与国际医学网结合将使远程治疗术走向实用化、大众化新疆农业大学农学院24/69国内外生物芯片研究进展96年以来，美国、俄罗斯、英国、德国、日本、荷兰、加拿大等国家政府、著名企业和大学已先后投资二十多亿美元用于生物芯片研究开发。新疆农业大学农学院25/69国内外生物芯片研究进展新疆农业大学农学院企业名称建阵方式及材料标识方式应用领域Affymetrix(SantaClara,US)单片摄影平板印刷法，合成20～25mer寡核苷酸，硅片荧光表示检测、多态性分析、诊疗Brax(Cambridge,UK)短合成寡核苷酸，离片合成质谱分析、表示检测、新基因识别Hyseq(Sunnyvale,US)寡核苷酸、cDNA，玻璃、薄膜荧光同位素表示检测、新基因识别、测序IncytePharmaceeuticals(Palo,AltoUS)喷墨式打印PCR片段和在片合成荧光同位素表示检测、多态性分析、诊疗MolecularDynamics(Sunnyvale,US)笔式打印,cDNA,玻璃荧光表示检测、新基因识别26/69国内外生物芯片研究进展新疆农业大学农学院企业名称建阵方式及材料标识方式应用领域Nanogen(SanDiegoUS)电活性捕捉，寡核苷酸，硅片荧光诊疗、短序列重复识别RoPtogeneLaboratories(Palo,Alto,CA)打印，在片合成，寡核苷酸，玻璃荧光表示检测、多态性分析Sequenom(Hamdurg,GermanyandSanDiego,US)后面胶印质谱新基因识别、诊疗Synteni(Fremont,US)CDNA，打印玻璃荧光表示检测、新基因识别GermanCancerInstitute(Hedelberg,Germany)在片合成，PNA荧光/质谱表示检测、诊疗27/69国内外生物芯片研究进展

3月，国务院决定：由国家计委和国家科技部直接领导、详细组织，由中央政府投入巨款(首期投资2.8亿元)，由技术优势单位：清华大学、华中科技大学、中国医学科学院、中国军事医学科学院等四家作为发起人和董事单位，联合创建了生物芯片国家工程研究中心、北京博奥生物芯片有限企业,主要负担国家级生物芯片研究开发项目。新疆农业大学农学院28/69

生物芯片本质是进行生物信号平行分析，采取了微电子学并行处理和高密度集成概念，经过微加工工艺在厘米见方芯片上集成有成千上万个与生命相关信息分子，能够对生命科学与医学中各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷测试和分析。20世纪80年代，传统生物试验室中手工测定十几个DNA片断序列需要最少一天时间。当前利用价格达数十万美元自动化DNA序列分析仪，能够在一天内测定近个DNA序列）。

走近生物芯片新疆农业大学农学院29/69基因芯片（Genechip）是最早出现一个生物芯片。基因芯片是指将大量探针分子固定于支持物(substrate)上，然后与标识样品进行杂交，经过检测杂交信号强弱进而判断样品中分子数量。基因芯片上固定着很多核苷酸序列，它们作为探针与样品中目标基因杂交。探针底部有一个荧光酶，只有当探针与目标基因发生杂交反应后才会发光。经过扫描仪将探针发出来信号转变成可能分析图像数据，在经过软件分析处理，就能够知道样品中被检测目标基因是什么了。生物芯片一个——基因芯片新疆农业大学农学院30/69基因芯片理论基础传统Southernblot和Northernblot是将受检测样本固定在尼龙膜上，再利用特定已知探针来检测样本中是否存在互补DNA序列。基因芯片关键原理与Southernblot和Northernblot相同，只是相反将各种探针固化到基质上，用以检测受检样品中与各种探针互补核酸物质改变。新疆农业大学农学院31/69基因芯片理论基础基因芯片（genechip）又称DNA芯片、DNA微阵列（DNAmicroarray），它是指采取原位合成（insitusynthesis）或显微印刷技术，将数以万计DNA探针分子固定于支持物表面上产生二维DNA探针阵列。基因芯片与标识样品进行杂交后，可经过检测杂交信号来实现对生物样品快速、高效地检测或诊疗。基因芯片技术应用了三种关键技术：即微阵列制作技术、探针杂交技术和扫描分析处理技术。新疆农业大学农学院32/69基因芯片理论基础将大量探针分子固定于支持物(substrate)上，然后与标识样品进行杂交，经过检测杂交信号强弱进而判断样品中靶分子数量。新疆农业大学农学院33/69基因芯片流程新疆农业大学农学院样品制备芯片制备杂交杂交信号检测数据分析34/69新疆农业大学农学院35/69新疆农业大学农学院酵母整个基因组基因芯片36/69新疆农业大学农学院37/69基因芯片制作方法基因芯片载体探针DNA或RNA分子生物芯片制作方法点接触法喷墨法光刻合成法基因芯片杂交基因芯片扫读与分析新疆农业大学农学院38/69基因芯片载体用于制作基因芯片载体材料可分为四类：无机材料、天然有机材料、人工合成有机高分子聚合物以及各种高分子聚合物制成膜。当前适合于制作基因芯片载体材料有硅片、玻璃片、瓷片、聚丙烯膜和尼龙膜等。制作生物芯片材料必需满足以下要求：（1）载体表面含有可进行化学反应活性基团，便于与生物分子进行偶联。（2）载体为惰性并有足够稳定性。（3）单位载体结合DNA分子能到达最正确容量。（4）载体含有良好生物兼容性。新疆农业大学农学院39/69基因芯片载体薄膜型如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。这种类型“芯片”点阵是经过“点膜”形式制作，并经过一定方法使探针能够牢靠地结合于其上，整个过程类似于斑点杂交技术（如CloneTech企业）。玻片型这种芯片点阵是经过原位合成技术制作，点阵密度很高，所以必须借助于特殊仪器对测定结果进行解读和分析。当前含有这类产品研制能力企业极少（如Affimetrix企业）。新疆农业大学农学院40/69微板型这种芯片实质上是一个含有高密度、小容量测试孔小型酶联免疫检测板（如PE企业等）。基因芯片载体新疆农业大学农学院41/69集成电路型将杂交技术与微电子技术结合于一体有目标地经过电子装置检测或控制DNA等生物大分子作用过程（如Nanogen企业）基因芯片载体新疆农业大学农学院42/69制作基因芯片DNA样品主要起源于从细胞中提取mRNA反转录后cDNA文库。另外还利用PCR扩增技术和DNA固相合成技术取得所需要各种基因序列。探针DNA或RNA分子新疆农业大学农学院43/69DNA探针

ElectronicConcentrationandHybridization新疆农业大学农学院44/69DNA

探针

ElectronicAddressing新疆农业大学农学院45/69DNA

探针

ElectronicStringencyControl新疆农业大学农学院46/69生物芯片制作方法点接触法由Shalon和Brrown等建立，由点样机将DNA探针分子直接点接到载体上，该方法经济、快速，可在1cm2面积内点上3000个点探针分子，该方法不足是每个探针分子必须预先合成好并纯化。喷墨法是经过压电晶体或其它推进方式将生物分子从微小喷嘴喷射到载体上，喷嘴不与芯片直接接触，在1cm2面积上可喷上10000个点。光刻合成法由Fodor和Colleagues等建立，它将半导体工业中光刻技术与DNA化学合成方法结合起来，将光不稳定保护基团四种DNA模块固定在玻片上，经过光脱保护，以少许保护寡核苷酸和试剂按照设计序列合成DNA。利用该方法合成芯片密度和精度都比较高，能在1cm2面积合成250000组寡核苷酸探针分子。新疆农业大学农学院47/69在芯片点阵上直接合成寡核苷酸1经过光刻掩膜曝光2去保护区域被激活3固相化合成1个碱基4经过另一个光刻掩膜曝光5引入另一个碱基6重复这一步骤新疆农业大学农学院48/69新疆农业大学农学院基因芯片微点阵制备系统49/69基因芯片杂交分子杂交是基因芯片技术基础。两条互补核酸分子在一定条件下经过氢键作用而相互结合，形成双链DNA分子。当其中一条核酸分子带有可检测标识时，能形成特异性结合分子就被检测出来。基因芯片中探针被有序地固定在固相支持物上，当基因芯片与带标识待检测分子在一定条件下发生反应后，发生特异性结合探针位置就被确定，依据探针分子种类就可确定待测样品中是否含有某种特异分子。在进行分子杂交前须对靶DNA分子进行扩增以提升反应灵敏度，然后对靶DNA进行标识。样品标识方法有荧光标识法、生物素标识法、同位素标识法等。新疆农业大学农学院50/69分子杂交系统新疆农业大学农学院基因芯片自动杂交仪51/69基因芯片扫读与分析基因芯片杂交后必须用扫读装置将芯片反应结果转变为可供分析处理图像数据，该扫读装置就是芯片扫描仪。当前商业化芯片扫描仪有激光共聚焦芯片扫描仪、CCD芯片扫描仪等。在取得图像数据后借助计算机对结果进行分析和处理。新疆农业大学农学院52/69高密度微点阵检测扫描系统新疆农业大学农学院基因芯片荧光侦测仪53/69基因芯片扫读与分析对生物芯片扫描数据采集、处理、分析和汇报是生物芯片技术中一个主要步骤，它由复杂计算机来完成。生物芯片是在一块载体上集成了数千或数万个点识别分子，每个点相对应于一段特异核苷酸序列和杂交测定光密度值。对芯片数据处理包含芯片图像分析和数据提取、芯片数据统计学分析和生物学分析等。扫描得到图像文件已经是数字文件，但还没有得到各样品点光密度值、面积和光密度比等数据，必须经过图像处理提取各样品点数据。扫描取得信号包含样品信号和背景信号。新疆农业大学农学院54/69图象分析系统新疆农业大学农学院高密度微点阵分析软件55/69生物芯片对未来生活影响

生物芯片应用正处于快速发展中，并将在生活和生产各个方面发挥越来越主要作用。比如：芯片测序、基因图谱绘制、基因表示分析、克隆选择、基因突变检测、遗传病和肿瘤诊疗、微生物菌种判定及治病机制、药品研究、农林业、军事医学等。

那么，详细有哪一些应用呢？新疆农业大学农学院56/69科学体检

很快未来，传统繁复身体检验可能将被基因芯片全方面取代。在操作中，只要在人体上取一滴血，放到拇指甲大小一块芯片上，便能够由计算机快速自动诊疗出被检者是否患有遗传病，以及其它可能存在遗传缺点，预测到你未来若干年健康回收到哪些威胁，方便采取对应对策加以预防。

芯片基因检测推广将更有效降低出生缺点发生率。利用这种芯片对育龄男女及3个月以上胎儿进行检测，能够准确、快速地检测出被测对象是否带有乙肝病毒、丙肝病毒和艾滋病。

新疆农业大学农学院57/69自测健康

一分钟取血样，两分钟检测，三分钟出诊疗结果！听起来就像是神化一样。然而有了生物芯片，这个神话就将变成现实，未来任何人随时随地都能自测健康情况，这就是它神奇之处。

检测时，只需把血液滴在芯片上，其中疾病基因就会和芯片上对应基因发生化学反应而结合，用特制电脑扫描仪已进行扫描后，计算机很快就能识别发生反应是哪一个疾病基因，从而判断被检测者是患了哪种病。新疆农业大学农学院58/69个性化治疗

基因芯片能查出人与人遗传基因特征。这意味着将不再对全部患者采取千篇一律治疗方法，而是针对个人，分别投以最有效治疗药品或方法。经过基因芯片人们能够快速取得基因表示模型改变，获知哪些基因、哪些蛋白参加了哪些