生物芯片技术 黄子菁17307130266 生物芯片技术原理介绍 生物芯片通过微加工技术和微电子技术将样品制备、化学反应和分析检测这些不连续的 分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面,并且可以对核酸、蛋白质、细胞、组织等生物组分 进行快速并行的分析。与传统的PR技术相比,生物芯片最大的特点是高密度、高通量 通过机械点制、原位合成等制备技术,一张芯片上可以包含成千上万甚至上百万个探针。因 此,在一张芯片上可以同时对多份样品的多种参数进行分析,在出生检测、优生优育等方面 有着广泛的应用 以微阵列芯片技术为例。微阵列芯片又称DNA阵列芯片,是目前开发产品最多、应用最 为广泛的一种新片。DNA微阵列芯片平台是一项准确性强、检测结果可重复且易于标准化的 检测平台:蛋白质微阵列芯片可以用于方便快捷地检测小分子药物、样品中的蛋白质分子, 如自身抗体。 Prepare Microarray Genomic DNA PCR Uorescent Dy www.aceessexeellence,org/ SCAN Microarray Technology 、生物芯片技术临床应用 在遗传病与出生缺陷检测领域,生物芯片的临床应用目前主要有两种技术形式,一种是 基于单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphism,SNP)分型的基因芯片,另一种是 基于微阵列的比较基因组杂交( array-based comparative genomic hybridization,aCGH) 其中,SNP分型芯片主要应用于致病基因多态性和突变位点的检测,尤其是对于不同基因多 个突变位点进行检测。 生物芯片技术的临床应用十分广泛,主要有以下几类: 1、基于SNP分型芯片技术在遗传性疾病中的应用 前,临床上基于SNP分型芯片的遗传病检测以遗传性耳聋基因为主。据报道,50% 的儿童期耳聋被认为与遗传因素有关,而其中70%的遗传性耳聋表现为非综合征性耳 聋。非综合征性耳聋涉及的基因以及突变位点较多,具有较高的遗传异质性。迄今为止, 至少已有25个常染色体隐性基因、21个常染色体显性基因、1个x连锁基因被发现与 非综合征耳聋有关 据此,解放军总医院与博奥生物集团合作开发了一款基因芯片,可同时检测中国人 群中最常见的4个遗传性耳聋致病基因上的9个突变位点。目前,这款芯片已经被北京
生物芯片技术 黄子菁 17307130266 一、生物芯片技术原理介绍 生物芯片通过微加工技术和微电子技术将样品制备、化学反应和分析检测这些不连续的 分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面，并且可以对核酸、蛋白质、细胞、组织等生物组分 进行快速并行的分析。与传统的 PCR 技术相比，生物芯片最大的特点是高密度、高通量。 通过机械点制、原位合成等制备技术，一张芯片上可以包含成千上万甚至上百万个探针。因 此，在一张芯片上可以同时对多份样品的多种参数进行分析，在出生检测、优生优育等方面 有着广泛的应用。 以微阵列芯片技术为例。微阵列芯片又称 DNA 阵列芯片，是目前开发产品最多、应用最 为广泛的一种新片。DNA 微阵列芯片平台是一项准确性强、检测结果可重复且易于标准化的 检测平台；蛋白质微阵列芯片可以用于方便快捷地检测小分子药物、样品中的蛋白质分子， 如自身抗体。 二、生物芯片技术临床应用 在遗传病与出生缺陷检测领域，生物芯片的临床应用目前主要有两种技术形式，一种是 基于单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)分型的基因芯片，另一种是 基于微阵列的比较基因组杂交(array—based comparative genomic hybridization，aCGH)。 其中，SNP 分型芯片主要应用于致病基因多态性和突变位点的检测，尤其是对于不同基因多 个突变位点进行检测。 生物芯片技术的临床应用十分广泛，主要有以下几类： 1、基于 SNP 分型芯片技术在遗传性疾病中的应用 目前，临床上基于 SNP 分型芯片的遗传病检测以遗传性耳聋基因为主。据报道，50% 的儿童期耳聋被认为与遗传因素有关，而其中 70%的遗传性耳聋表现为非综合征性耳 聋。非综合征性耳聋涉及的基因以及突变位点较多，具有较高的遗传异质性。迄今为止， 至少已有 25 个常染色体隐性基因、21 个常染色体显性基因、1 个 x 连锁基因被发现与 非综合征耳聋有关。 据此，解放军总医院与博奥生物集团合作开发了一款基因芯片，可同时检测中国人 群中最常见的 4 个遗传性耳聋致病基因上的 9 个突变位点。目前，这款芯片已经被北京
成都等地的多家医院用于新生儿耳聋基因临床筛查。 2、SNP分型芯片在疾病预测及肿瘤个体化治疗中的应用 在针对患者的个体化治疗中,SNP的具有重要作用。通过不同的检测技术,发现我 们身体中存在哪些SNP位点,进而通过大规模的数据信息分析这些位点与疾病的相关 性,并及时把与疾病相关的这些危险因素从生活中排除。 Research genetics公司新近 开发了1个集成有1500个SNP的DNA芯片,它涵盖了人类基因组全部24条染色体 所提供的信息量至少等于或优于目前常用的300~400个微卫星标记的图谱,检测时只需 0.5g的DNA样品就可进行1次全基因组的扫描 3、比较基因组杂交技术在胚胎植入前诊断中的应用 随着体外受精和胚胎移植即试管婴儿技术的兴起,胚胎植入前遗传学诊断 ( preimplantation genetic diagnosis,pω)和胚胎植入前遗传学筛查 ( preimplantation genetic screening,PGS)也越来越受到关注。临床上传统的PGD/PGS 技术以FISH为主,但是FISH需要事前知道待测片段的序列,并且检测周期较长。而生 物芯片凭借高密度、高通量的特点,可以以全基因组的覆盖率进行快速并行的检测。根 据国内新近的一项临床研究显示,基于SNP芯片的PG检测可以显著提高怀孕成功率, 并且可以降低流产率。随着将来技术成本的下降,生物芯片有望成为遗传病与出生缺陷 分子诊断领域中的主要技术手段之 4、基于PCR结合DNA芯片杂交技术检测地中海贫血 地中海贫血是我国南方各省,如广东、广西、海南等地最常见的遗传病之一,重型 地中海贫血患儿的出生给家庭带来沉重的经济和精神负担,并且目前未有根治方法。深 圳亚能生物技术有限公司开发的a地中海贫血检测试剂盒基于PCR结合DNA芯片杂交 技术,可检测中国人群最常见的a地中海贫血3种点突变类型,提高地中海贫血的检 出率,有望在出生筛查这一步减少地中海贫血的发病率。 三、生物芯片技术的优缺点分析 1、优点 生物芯片技术能微型化、高能量、低成本地在短时间内分析大量的生物分子,实现快速 准确地获取样本的生物信息,效率是传统检测手段的数百甚至数千倍,更是满足了用一份血 样检测多个系统功能的需求。举例来说,作为生物芯片技术之一的染色体芯片,与临床常规 的核型分析、FISH等传统细胞遗传学检测手段相比,在染色体异常检出率、分辨率、全基 因组的覆盖度以及检测周期等方面都具有明显的优势。 2、缺点 上文中提到的染色体芯片技术也具有一定的局限性,它无法检测染色体多倍体异常、平 衡易位、倒位、低水平嵌合及致病基因点突变。 生物芯片技术之一的组织芯片技术也存在一些问题。首先,组织标本的来源尤其是少见 或罕见并且组织标本的收集十分困难,组织固定和处理时间的不同也会影响组织芯片的质 量,组织取材的大小对某一病变组织的代表性是芯片设计中经常遇到的问题,尤其是对有明 显异质性的肿瘤常常会导致诊断结果的差异;无效组织、组织片脱落及对供体石蜡块的破坏 等均是不利因素。其次,组织芯片的制作仍然以手工制作为主,大大限制了生产数量。最后, 组织芯片虽然解决了许多问题,但结果的判读和分析仍然是一项较为复杂的任务,所以自动 阅读分析系统的建立对这一技术尤显重要。 综上,生物芯片技术是一种非常有价值的工具,有着广泛的应用前景,而目前遇到的困 难也有待一一克服
成都等地的多家医院用于新生儿耳聋基因临床筛查。 2、SNP 分型芯片在疾病预测及肿瘤个体化治疗中的应用 在针对患者的个体化治疗中，SNP 的具有重要作用。通过不同的检测技术，发现我 们身体中存在哪些 SNP 位点，进而通过大规模的数据信息分析这些位点与疾病的相关 性，并及时把与疾病相关的这些危险因素从生活中排除。Research Genetics 公司新近 开发了 1 个集成有 1 500 个 SNP 的 DNA 芯片，它涵盖了人类基因组全部 24 条染色体， 所提供的信息量至少等于或优于目前常用的 300~400 个微卫星标记的图谱，检测时只需 0.5g 的 DNA 样品就可进行 1 次全基因组的扫描。 3、比较基因组杂交技术在胚胎植入前诊断中的应用 随着体外受精和胚胎移植即试管婴儿技术的兴起，胚胎植入前遗传学诊断 (preimplantation genetic diagnosis ， PGD) 和 胚 胎 植 入 前 遗 传 学 筛 查 (preimplantation genetic screening，PGS)也越来越受到关注。临床上传统的 PGD/PGS 技术以 FISH 为主，但是 FISH 需要事前知道待测片段的序列，并且检测周期较长。而生 物芯片凭借高密度、高通量的特点，可以以全基因组的覆盖率进行快速并行的检测。根 据国内新近的一项临床研究显示，基于 SNP 芯片的 PGD 检测可以显著提高怀孕成功率， 并且可以降低流产率。随着将来技术成本的下降，生物芯片有望成为遗传病与出生缺陷 分子诊断领域中的主要技术手段之一。 4、基于 PCR 结合 DNA 芯片杂交技术检测地中海贫血 地中海贫血是我国南方各省，如广东、广西、海南等地最常见的遗传病之一，重型 地中海贫血患儿的出生给家庭带来沉重的经济和精神负担，并且目前未有根治方法。深 圳亚能生物技术有限公司开发的 α 地中海贫血检测试剂盒基于 PCR 结合 DNA 芯片杂交 技术，可检测中国人群最常见的 α 地中海贫血 3 种点突变类型，提高地中海贫血的检 出率，有望在出生筛查这一步减少地中海贫血的发病率。 三、生物芯片技术的优缺点分析 1、优点 生物芯片技术能微型化、高能量、低成本地在短时间内分析大量的生物分子，实现快速 准确地获取样本的生物信息，效率是传统检测手段的数百甚至数千倍，更是满足了用一份血 样检测多个系统功能的需求。举例来说，作为生物芯片技术之一的染色体芯片，与临床常规 的核型分析、FISH 等传统细胞遗传学检测手段相比，在染色体异常检出率、分辨率、全基 因组的覆盖度以及检测周期等方面都具有明显的优势。 2、缺点 上文中提到的染色体芯片技术也具有一定的局限性，它无法检测染色体多倍体异常、平 衡易位、倒位、低水平嵌合及致病基因点突变。 生物芯片技术之一的组织芯片技术也存在一些问题。首先，组织标本的来源尤其是少见 或罕见并且组织标本的收集十分困难，组织固定和处理时间的不同也会影响组织芯片的质 量，组织取材的大小对某一病变组织的代表性是芯片设计中经常遇到的问题，尤其是对有明 显异质性的肿瘤常常会导致诊断结果的差异；无效组织、组织片脱落及对供体石蜡块的破坏 等均是不利因素。其次，组织芯片的制作仍然以手工制作为主，大大限制了生产数量。最后， 组织芯片虽然解决了许多问题，但结果的判读和分析仍然是一项较为复杂的任务，所以自动 阅读分析系统的建立对这一技术尤显重要。 综上，生物芯片技术是一种非常有价值的工具，有着广泛的应用前景，而目前遇到的困 难也有待一一克服
参考文献 [1]孙成铭,栾材富.基因诊断技术在出生缺陷与遗传病检测领域中的应用[J].中华检验医学 杂志,2014,37(4):252-255.D0OI:10.3760/cma.j.issn.1009-9158.2014.04.004 [2]农朝赞.生物芯片技术在医学检验中的应用进展[J].广西医学,2011,33(8):1038-1042. DOI:10.3969/j.issn.0253-4304.2011.08.041 [3]李军,刘镭,李青.组织芯片技术及其在医学研究中的应用[J].肿瘤防治杂 志,2003,10(2):207-211.DOI:10.3969/j.issn.1673-5269.2003.02.042
参考文献 [1]孙成铭,栾材富.基因诊断技术在出生缺陷与遗传病检测领域中的应用[J].中华检验医学 杂志,2014,37(4):252-255. DOI:10.3760/cma.j.issn.1009-9158.2014.04.004. [2]农朝赞.生物芯片技术在医学检验中的应用进展[J].广西医学,2011,33(8):1038-1042. DOI:10.3969/j.issn.0253-4304.2011.08.041. [3]李军,刘镭,李青.组织芯片技术及其在医学研究中的应用[J].肿瘤防治杂 志,2003,10(2):207-211. DOI:10.3969/j.issn.1673-5269.2003.02.042