生物芯片

生物芯片又稱蛋白質芯片或基因芯片，起源于DNA雜交探針技術和半導體工業技術的結合。該技術是指將大量探針分子固定在支持物上，然后與DNA或其他帶有熒光標記的樣品分子混合（如蛋白質因子或小分子）進行雜交，通過檢測每個探針分子的雜交信號強度，獲得樣品分子的數目和序列信息。

生物芯片技術起源于核酸分子雜交。所謂生物芯片，一般是指固定在相互支撐的介質上的高密度生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白質、糖分子、組織等）微陣列混合芯片基于（micro-arrays）陣列中每個分子的序列和位置是已知的，它是一個預設的序列點陣。微流控芯片（Microfluidic   chip）而液體生物芯片是繼微陣列之后發展起來的新型生物芯片技術，生物芯片技術是系統生物技術的基礎內容。

生物芯片（Biochip or biological array）根據生物分子間特異性相互作用的原理，將生化分析過程集成在芯片表面，從而實現對DNA的分析、RNA、多肽、蛋白質和其他生物成分的高通量快速檢測。從狹義上講，生物芯片的概念是指通過不同的方法轉移生物分子（寡核苷酸、cDNA、Genome  DNA、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）塑料片（珠）凝膠、在固相傳輸體如尼龍膜上形成的生物分子晶格。因此，生物芯片技術也被稱為微型顯示器（Microarray）技術，含有大量生物信息的固體基質被稱為微陣列，也稱為生物芯片。生物芯片是在這種芯片的基礎上發展起來的微流控芯片（Microfluidic   chip），也稱為微電子芯片（Microelectronics   chip），即微型實驗室芯片。

什么是生物芯片？簡單來說，生物芯片在一塊玻璃上、硅片、將一個生物樣本放在尼龍膜等材料上，然后用儀器采集信號，數據結果由計算機進行分析。

人們可能很容易將生物芯片與電子芯片聯系起來。事實上，這兩者有一個基本的共同點：在一個小尺寸中有大量的數據信息。但這是兩碼事半導體電子單元設置在電子芯片上，而生物探針分子設置在生物芯片上。

芯片的概念取自集成的概念比如電子芯片，就是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物芯片也是集成，但它是生物材料的集成。像實驗室測試一樣在生物芯片上檢查血糖、蛋白、酶活性等，都是基于同樣的生物反應原理。所以生物芯片是一個載體平臺。這個平臺的材料有很多種，比如硅玻璃薄膜（纖維素膜）等等，還有一些三維結構的聚合物，平臺上密密麻麻的填充著各種生物材料。芯片只是一個載體。做什么東西、測試什么還是生物學家來做。換句話說，過去需要在大型實驗室中使用許多試管的反應現在已經轉移到一個芯片上，并同時發生。

21世紀，隨著生物技術的飛速發展，電子技術與生物技術相結合，誕生了半導體芯片的兄弟——生物芯片，這將給我們的生活帶來一場深刻的革命。這場革命將對整個世界的可持續發展做出不可估量的貢獻。

生物芯片技術的發展最初得益于埃德溫·邁勒·薩瑟恩（Edwin   Mailer   South）提出了核酸雜交理論，即被標記的核酸分子可以與與之互補的固化核酸分子雜交。從這個角度來說，Southern雜交可以看作是生物芯片的雛形。弗雷德里克·桑格（Fred   Sanger）和吉爾伯特（Walter   Gilbert）發明了廣泛使用的DNA測序方法，并于1980年獲得諾貝爾獎。另一位諾貝爾獎得主凱里·穆利斯（Kary Mullis）1983年，PCR首次被發明，隨后基于它的一系列研究使得少量的DNA被放大，并通過實驗方法檢測。

生物芯片一詞最早是在20世紀80年代初提出的，當時主要指分子電子器件。它是在生命科學領域迅速發展起來的高新技術，主要是指通過微加工技術和微電子技術在固體芯片表面構建的微型生化分析系統，實現對細胞的分析、蛋白質、DNA和其他生物成分的準確性、快速、大信息量的檢測。美國海軍實驗室研究員卡特說（Carter）還有的嘗試組裝有機功能分子或生物活性分子，想構建微功能單元實現信息獲取、貯存、處理和傳輸功能。用于開發仿生信息處理系統和生物計算機，從而產生'分子電子學'與此同時，已經取得了一些重要進展：如分子開關、分子貯存器、分子導線分子神經元等分子器件吸引了科學界更多的關注，基于DNA或蛋白質等分子計算的實驗室模型已經建立。

在20世紀90年代，人類基因組計劃(HGP Human Genome   Project)分子生物學的發展也為基因芯片技術的產生和發展提供了有利條件。與此同時，另一種'生物芯片'它吸引了人們的關注，并通過機器人自動打印或光導化學合成技術，將其應用到硅片上、玻璃、在凝膠或尼龍膜上制作的生物分子微陣列可以實現化合物的分離、蛋白質、核酸、細胞或其他生物成分是準確的、快速、大量信息的篩選或檢測。

1991年福特Affymatrix公司（Fodor）組織半導體專家和分子生物學專家共同開發了一種通過光刻技術合成的光導多肽；

1992年，利用半導體照相制版技術首次報道了原位合成制備的DNA芯片，這是世界上第一個基因芯片；

寡核苷酸生物芯片設計于1993年；

1994年，有人提出用光電導合成的寡核苷酸芯片進行快速DNA序列分析；

1996年靈活運用了光刻技術、計算機、半導體、激光共聚焦掃描、多學科技術，如寡核苷酸合成和熒光標記探針雜交，創造了世界 的第一個商業生物芯片；

斯坦福大學的布朗，1995年（P．Brown）實驗室發明了第一個以玻璃為載體的基因微陣列芯片。

2001年，世界生物芯片市場已達到170億美元，每年用生物芯片進行藥物遺傳學和藥物基因組學研究所涉及的世界藥物市場約為1800億美元；

2000-在2004年的五年中，應用生物芯片的市場銷售額達到了大約200億美元。

2005年，僅在美國用于基因組研究的芯片銷售額就達到50億美元，2010年很可能上升到400億美元這還不包括用于疾病預防診斷和治療等領域的基因芯片，其中一些芯片預計比基因組研究的消耗量大幾百倍。因此，基因芯片及相關產品產業將取代微電子芯片產業，成為21世紀最大的產業。

2004年3月，英國著名咨詢公司F Jost·沙利文(Frost Sullivan)公司發布全球芯片市場分析報告《世界DNA芯片市場的戰略分析》。報告稱，全球DNA生物芯片市場正以年均6.7%2003年的總市值為5.96億美元，2010年將達到93億美元.7億美元。納儂市場（Nano market）研究公司預測，以納米儀器為解決方案的醫療技術在2009年將達到13億美元，2012年將增加到250億美元，其中芯片上的實驗室發展潛力最大，市場增長速度最快。

2012年12月，三名美國科學家被授予美國專利商標局（US PTO）授予量子級神經動態計算芯片專利，功能強大，可以通過高速非標準運算模擬解決問題，對未來量子計算的發展將起到極大的推動作用。這個電腦芯片是生物過程和物理過程的結合通過模仿生物系統，利用突觸神經元在接口處進行連接和反饋學習，具有賦予計算機超強計算能力和超快的速度的潛力，可廣泛應用于軍事和民用領域這項專利涉及生產這種計算機芯片的幾種不同方法。

最大的用途是疾病檢測

基因表達水平的檢測基因芯片對基因表達水平的檢測可以是自動的、快速檢測成千上萬個基因的表達。謝納(M.Schena)從人外周血淋巴細胞cDNA文庫中構建了代表1046個基因的cDNA微陣列，檢測了熱休克反應后體外培養的T細胞中不同基因表達的差異發現處理后5個基因高表達，11個基因中度表達，6個基因明顯抑制。熒光素交換標記對照組和治療組以及RNA印跡也證實了該結果。HGP完成后，它被用來檢測不同生理和生理上的變化、病理條件下人類所有基因表達變化的基因組芯片已經不遠了。

基因診斷從正常人類基因組中提取的DNA可以與DNA芯片雜交，得到標準圖譜。從病人身上分離出的DNAs基因組可以與DNA芯片雜交得到病斑圖譜。通過比較、通過分析這兩張圖譜，我們可以得到病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術速度快、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等，將成為一種新的現代診斷技術。如Affymetrix公司將p53基因的全長序列和已知突變的探針整合在芯片上，制成p53基因芯片，將在癌癥的早期診斷中發揮作用。另一個例子，Heller等人構建了96個基因的cDNA微陣列，用于檢測和分析類風濕性關節炎（RA）探討DNA芯片在感染性疾病診斷中的應用。

使用基因芯片分析用藥前后身體不同組織的藥物篩選、器官中基因表達的差異。如果將從cDNA表達文庫中獲得的肽庫用于制作肽芯片，可以從許多藥物成分中篩選出一些有效物質。同樣，使用RNA、單鏈DNA具有很大的靈活性，可以形成復雜的空間結構，更有利于與靶分子結合可以將核酸文庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與目標蛋白一起孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA復合物可以篩選特定的藥物蛋白質或核酸，因此芯片技術與RNA文庫的結合將在藥物篩選中得到廣泛應用。在尋找HIV藥物的過程中，Jellis等人通過組合化學合成和DNA芯片技術篩選了654536種硫代磷酸八核苷酸，并從中鑒定出具有XXG4XX類結構的抑制劑實驗表明，這種篩選對HIV感染細胞有明顯的阻斷作用。生物芯片技術大大提高了藥物篩選目標基因識別和新藥試驗的速度，大大降低了成本。

個體化醫療臨床上，同一種藥物的劑量對患者A有效，對患者B不一定有效，但對患者c可能有副作用。就藥物療效和副作用而言，患者 反應大相徑庭。這主要是由于患者之間的基因差異（單核苷酸多態性），導致對藥物的不同反應。如果通過基因芯片技術對患者進行先診斷后處方，就可以對患者實施個體化的最優治療。另一方面，在治療上，很多相同疾病的具體病因因人而異，用藥也要因人而異。比如乙肝有很多種亞型，HBV基因的多個位點比如s、p和C基因區容易變異。如果用HBV基因多態性檢測芯片每隔一段時間檢測一次，對指導用藥和預防HBV耐藥具有重要意義。

測序

基因芯片利用固定探針和樣品之間分子雜交產生的雜交圖譜排列待測樣品的序列這種方法速度快，有很好的應用前景。研究人員使用包含135，000個寡核苷酸探針的陣列來確定16.6kb人類線粒體基因組序列，準確率為99%用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人類BRCA1基因的序列差異結果表明，BRCA1基因大約有3個外顯子.4kb長度范圍內核酸序列的同源性為98.2%到83.5%這表明它們在進化上有高度的相似性。

生物信息學是人類認識自身的一個偉大而深遠的研究項目。目前的問題是如何研究大量基因或基因片段序列的功能只有了解它們的功能，才能真正體現HGP計劃的價值-破譯人類基因的天書。后基因組計劃、蛋白組計劃、疾病基因組計劃等概念就是為實現這一目標而提出的。生物信息學將在其中發揮至關重要的作用。生物芯片技術的建立就是為了實現這一環節，使個體的生物信息得以高速處理、并行收集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學研究中重要的信息收集和處理平臺，成為基因組信息學研究的主要技術支撐。生物芯片作為生物信息學的主要技術支撐和操作平臺，具有廣闊的發展空間。

在實際應用中，生物芯片技術可以廣泛應用于疾病的診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、作物優化育種、司法鑒定、食品衛生監督、環境檢測、國防等許多領域。它將幫助我們了解生命的起源、遺傳、發育與進化、用于人類疾病的診斷、治療和預防開辟了新的途徑，為生物大分子的新設計藥物開發中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學研究提供了技術支撐平臺，這一點從1999年3月我國科技部剛剛起草的《醫藥生物技術“十五”及2015年規劃》就可以看出：在計劃中列出的十五個關鍵技術項目中，有八個項目（基因組學技術、重大疾病相關基因的分離和功能研究、基因藥物工程、基因治療技術、生物信息學技術、組合生物合成技術、新型診斷技術、蛋白質組學與生物芯片技術）要使用生物芯片。生物芯片技術被規劃為單列的專項。簡而言之，醫學中的生物芯片技術、生命科學、藥業、農業、環境科學等與生命活動相關的領域有很大的應用前景。

高通量

改進實驗過程有利于顯示圖譜的快速比對和閱讀

微型化

減少試劑用量和反應液體積，提高樣品濃度和反應速度

自動化

降低成本，保證質量

載體材料及要求

作為載體，它必須是固體薄片或薄膜、表面帶有活性基因，便于連接和有效固定各種生物分子。目前制備芯片的固體材料是載玻片、硅片、金屬片、尼龍膜等。目前常用的支撐材料是載玻片，因為載玻片適用于多種合成方法，制備芯片前的載玻片預處理相對簡單易行。

載體種類

玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝膠、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

生物樣品的制備

分離純化、壙增、從中獲取蛋白質或DNA、RNA用熒光標記，與芯片反應。使用DNA芯片研究表達譜時，通常是從樣本中提取MRNA，然后反轉錄成CDNA。同時摻雜帶有熒光標記的dCTP或dUTP。

芯片制備方法

包括原位合成和預合成后點樣。

原位合成：適用于寡核苷酸，通過光導蝕刻技術。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2等基因突變的基因芯片。

預合成后點樣：是提取或合成多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因組丹和其他人被一個特定的高速點樣機器人直接點在芯片上。這種技術的優點是相對簡單便宜，國內外應用廣泛。

接觸式點樣：意味著打印針從多孔板中取出樣品，直接打印在芯片上。打印時針與芯片接觸。優點是探針密度高，一般一平方厘米可以打印2500個探針。缺點是定量的準確性和重現性不是很好。

非接觸式點樣：針與芯片保持一定的距離。優點是定量準確，重現性好，缺點是噴印斑點大，密度低。通常一平方厘米只有400個點。但是日本佳能公司可以把噴印點的直徑從150-100μm到30 μm-25μm。在一個芯片上點陣化哺乳動物的全基因組DNA是可能的。