生物芯片技术 沈瑞琪1807130259(组4“生”) 、技术原理 生物芯片技术是通过微加工工艺将大量生物识别分子如核酸片段、多肽分 子,甚至组织切片、细胞等按照预先设置的排列方式固定在厘米见方的芯片片 基(基质或载体)上,在固定芯片表面构建一个微型的生物化学系统;然后利 用生物分子之问的特异性亲和反应,将支持物上固定的大量DNA杂交探针分子 与带荧光标记DNA或其他样品分子进行杂交,最后就可以通过探针分子杂交信 号的强度,分析监测信息和结果,得出基因、配体、抗原等生物活性物质(样 品分子)的数量和序列的一种生物技术。 生物芯片 待测样品 制备过程 处理过程 采用原位合成或点 将样品进行取,扩 到体上 用光标记,以提高 反应或杂交 的安全性 生物分子样品 检测扫描 由于生物芯片采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念,因此可同 时并行分析成千上万种生物分子,具有高通量、高灵敏度和并行检测的特点 生物芯片分类方式很多:根据载体材料,可分为硅芯片、玻璃芯片、陶瓷芯 片、塑料芯片;根据芯片点样方式,可分为原位合成芯片和微矩阵点样芯片; 根据生物芯片固定探针,可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片 等;按功能和用途,又可分为诊断芯片、测序芯片、表达谱芯片和基因差异表 达分析芯片等。 二、技术应用 生物芯片根据生物芯片固定探针,一般可以归为基因芯片、蛋白芯片及芯片 实验室这三大类,并被广泛地应用到临床检验医学中。基因芯片能够同时、快速、 准确地对大量的基因组信息进行检测和分析。蛋白质芯片更接近生命活动的物质 层面,它是以蛋白质代替DNA作为检测目的物,利用蛋白芯片加入与之特异性结 合的带有特殊标记的蛋白质分子,通过对标记物的检测达到对抗原抗体的互检 在检测的过程中需要极少量的蛋白质,稳定性好,灵敏度高,反应很快,所以拥 有比基因芯片更广阔的应用前景。芯片实验室是系统集成和微刻技术结合与发展 的产物,是生物芯片发展的最高阶段。它能够将样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测融为一体,从而实现生化分析全过程。它的应用减少样本和试剂的消耗, 排除人为干扰,提高了分析速度和分析效率,还能够防止污染和实现自动化,并 成为重点研究方向
生物芯片技术 沈瑞琪 1807130259 （组 4 “生”） 一、技术原理 生物芯片技术是通过微加工工艺将大量生物识别分子如核酸片段、多肽分 子，甚至组织切片、细胞等按照预先设置的排列方式固定在厘米见方的芯片片 基（基质或载体）上，在固定芯片表面构建一个微型的生物化学系统；然后利 用生物分子之问的特异性亲和反应，将支持物上固定的大量 DNA 杂交探针分子 与带荧光标记 DNA 或其他样品分子进行杂交，最后就可以通过探针分子杂交信 号的强度，分析监测信息和结果，得出基因、配体、抗原等生物活性物质（样 品分子）的数量和序列的一种生物技术。 生物芯片示意图 由于生物芯片采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，因此可同 时并行分析成千上万种生物分子，具有高通量、高灵敏度和并行检测的特点。 生物芯片分类方式很多：根据载体材料，可分为硅芯片、玻璃芯片、陶瓷芯 片、塑料芯片；根据芯片点样方式，可分为原位合成芯片和微矩阵点样芯片； 根据生物芯片固定探针，可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片 等；按功能和用途，又可分为诊断芯片、测序芯片、表达谱芯片和基因差异表 达分析芯片等。 二、技术应用 生物芯片根据生物芯片固定探针，一般可以归为基因芯片、蛋白芯片及芯片 实验室这三大类，并被广泛地应用到临床检验医学中。基因芯片能够同时、快速、 准确地对大量的基因组信息进行检测和分析。蛋白质芯片更接近生命活动的物质 层面，它是以蛋白质代替 DNA 作为检测目的物，利用蛋白芯片加入与之特异性结 合的带有特殊标记的蛋白质分子，通过对标记物的检测达到对抗原抗体的互检。 在检测的过程中需要极少量的蛋白质，稳定性好，灵敏度高，反应很快，所以拥 有比基因芯片更广阔的应用前景。芯片实验室是系统集成和微刻技术结合与发展 的产物，是生物芯片发展的最高阶段。它能够将样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测融为一体，从而实现生化分析全过程。它的应用减少样本和试剂的消耗， 排除人为干扰，提高了分析速度和分析效率，还能够防止污染和实现自动化，并 成为重点研究方向
基因芯片荧光扫描分析图 生物芯片技术是目前较为先进的现代医学检验技术,在短时间内快速的测 试和分析出基因、配体、抗原等生物活性物质并准确地获取样品中的生物信 息,提高检验效率,降低成本。以下是具体的应用于医学检验的四个方面: ·遗传病监测 随着医学技术的进步,许多遗传病的相关基因已被定位,这为从基因状况诊 断遗传病奠定了基础。生物学家经过对患有遗传病或者传染病史的家族进行一系 列研究,将某一遗传病基因和一种或多种多样性联系在一起,相应的遗传病基因 的染色体的合适位点就能够通过这种联系具体定位出来,这不仅为基因治疗提供 了有力的支撑,同时更为推动医疗事业的发展做出巨大的贡献。例如:目前已能 通过生物芯片技术高度准确和自动化地诊断出患者是否患有地中海贫血,并成为 地中海贫血的常规诊断技术。 ·肿瘤检测 肿瘤一直以来是医学界关注的焦点,肿瘤标志物是检测患者是否患有癌症的 主要依据,传统的临床肿瘤检测方法需要对多个肿瘤标志物项目进行检测,不仅 会给患者增添较大的经济压力,由于时间较长还可能延误最佳治疗时期。而生物 芯片的出现为检测肿瘤的发生、发展的相关基因及表达程度提供了便利,因为由 肿瘤标志物构建的蛋白芯片能够同时准确而髙效的检测多种标志物,为肿瘤患者 带来了福音,让他们能够早发现早治疗,而且能节省大量的资金,减轻就医的压 力 ·病毒性疾病检测 病毒或细菌的感染是引起感染性疾病的主要原因。临床上对病毒或细菌的免 疫标志物以及病毒的核酸结构和体液病毒核酸的含量进行检测是诊断病因及采 取针对性治疗的关键,但传统的 ELISA检测技术费用高且费时,而DNA测序 PCR等检测方法技术难度大和成本高,也难以广泛使用。生物芯片技术的引入, 提髙了检测效率和准确性。例如:极大地提高对乙肝病毒(HBV)、丙肝病毒(HCV) 引起的病毒性肝炎的检测效率。目前主要是使用一些抗病毒(菌)药物对于病毒 感染性疾病进行治疗,生物芯片技术的使用也为分析抗病毒(菌)药物的作用机 理、作用靶位和耐药性提供了基因学角度的解释,进一步解决病毒(菌)产生耐 药性问题 ·自身免疫性疾病诊断应用 现阶段,医学界对于自身免疫性疾病的发病机理尚未完全明确,部分研究结 果表明其可能与遗传、免疫、环境、病毒感染等诸多因素有关,生物芯片技术能 够根据基因和蛋白的变化情况对各种自身免疫疾病进行分析,为自身免疫性疾病 的临床诊断提供了新的方向,并且为开发新的治疗药物提供了研究思路
基因芯片荧光扫描分析图 生物芯片技术是目前较为先进的现代医学检验技术，在短时间内快速的测 试和分析出基因、配体、抗原等生物活性物质并准确地获取样品中的生物信 息，提高检验效率，降低成本。以下是具体的应用于医学检验的四个方面： ·遗传病监测 随着医学技术的进步，许多遗传病的相关基因已被定位，这为从基因状况诊 断遗传病奠定了基础。生物学家经过对患有遗传病或者传染病史的家族进行一系 列研究，将某一遗传病基因和一种或多种多样性联系在一起，相应的遗传病基因 的染色体的合适位点就能够通过这种联系具体定位出来，这不仅为基因治疗提供 了有力的支撑，同时更为推动医疗事业的发展做出巨大的贡献。例如：目前已能 通过生物芯片技术高度准确和自动化地诊断出患者是否患有地中海贫血，并成为 地中海贫血的常规诊断技术。 ·肿瘤检测 肿瘤一直以来是医学界关注的焦点，肿瘤标志物是检测患者是否患有癌症的 主要依据，传统的临床肿瘤检测方法需要对多个肿瘤标志物项目进行检测，不仅 会给患者增添较大的经济压力，由于时间较长还可能延误最佳治疗时期。而生物 芯片的出现为检测肿瘤的发生、发展的相关基因及表达程度提供了便利，因为由 肿瘤标志物构建的蛋白芯片能够同时准确而高效的检测多种标志物，为肿瘤患者 带来了福音，让他们能够早发现早治疗，而且能节省大量的资金，减轻就医的压 力。 ·病毒性疾病检测 病毒或细菌的感染是引起感染性疾病的主要原因。临床上对病毒或细菌的免 疫标志物以及病毒的核酸结构和体液病毒核酸的含量进行检测是诊断病因及采 取针对性治疗的关键，但传统的 ELISA 检测技术费用高且费时，而 DNA 测序、 PCR 等检测方法技术难度大和成本高，也难以广泛使用。生物芯片技术的引入， 提高了检测效率和准确性。例如：极大地提高对乙肝病毒（HBV）、丙肝病毒（HCV） 引起的病毒性肝炎的检测效率。目前主要是使用一些抗病毒（菌）药物对于病毒 感染性疾病进行治疗，生物芯片技术的使用也为分析抗病毒（菌）药物的作用机 理、作用靶位和耐药性提供了基因学角度的解释，进一步解决病毒（菌）产生耐 药性问题。 ·自身免疫性疾病诊断应用 现阶段，医学界对于自身免疫性疾病的发病机理尚未完全明确，部分研究结 果表明其可能与遗传、免疫、环境、病毒感染等诸多因素有关，生物芯片技术能 够根据基因和蛋白的变化情况对各种自身免疫疾病进行分析，为自身免疫性疾病 的临床诊断提供了新的方向，并且为开发新的治疗药物提供了研究思路
●●●●● ●●0●● 生物芯片技术在医学检验方面的广泛应用 国际、国内发展现状 目前,最成功的生物芯片形式是以基因序列为分析对象的“微阵列”,即基 因芯片或DNA芯片。1998年6月美国宣布正式启动基因芯片计划,联合私人投 资机构投入了20亿美元以上的研究经费。世界各国也开始加大投入,以基因芯 片为核心的相关产业正在全球崛起,目前美国已有8家生物芯片公司股票上市, 平均每年股票上涨75%,据统计全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右, 预计今后5年之内,生物芯片的市场销售可达到200亿美元以上。 我国生物芯片研究始于1997-1998年间,从2000年开始,国家就陆续投入 了大笔资金对生物芯片的系统研发给予了支持,建立了北京国家芯片工程中心、 上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯 片实验室等研发机构,为我国在这一新型高科技领域的自主创新和产业化能力奠 定了坚实的基础。尽管起步较晚,但是技术和产业发展迅速,实现了从无到有的 阶段性突破,并逐步发展壮大,生物芯片已经从技术研究和产品开发阶段走向技 术应用和产品销售阶段,在表达谱芯片、重大疾病诊断芯片和生物芯片的相关设 备研制上取得了较大成就。200年我国生物芯片市场约为1亿美元,并正以20% 以上的速度增长,至2020年生物芯片市场将达到9亿美元。目前,国内生物芯 片销售利润率都维持在较高水平 、技术优缺点 ·优点 在医学诊断方面,生物芯片技术是目前较为先进的现代医学检验技术,在短 时间内快速的测试和分析出基因、配体、抗原等生物活性物质并准确地获取样品 中的生物信息。再以三种生物芯片为例,基因芯片能够同时、快速、准确地对大 量的基因组信息进行检测和分析:蛋白质芯片稳定性好、灵敏度高、反应很快, 拥有比基因芯片更广阔的应用前景;芯片实验室能够将样品制备、基因扩增、核 酸标记及检测融为一体,从而实现生化分析全过程,其应用减少样本和试剂的消 耗,排除人为干扰,提高了分析速度和分析效率,还能够防止污染和实现自动化, 并成为重点研究方向。生物芯片技术提高检验效率,降低成本,对医疗事业产生 了积极的影响 在商业方面,目前由于技术壁垒的限制,国内生物芯片销售利润率都维持在 较高水平,并且竞争性企业少。预计未来几年,中国生物芯片市场盈利能力依然 处在较高水平
生物芯片技术在医学检验方面的广泛应用 *国际、国内发展现状 目前，最成功的生物芯片形式是以基因序列为分析对象的“微阵列”，即基 因芯片或 DNA 芯片。1998 年 6 月美国宣布正式启动基因芯片计划，联合私人投 资机构投入了 20 亿美元以上的研究经费。世界各国也开始加大投入，以基因芯 片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国已有 8 家生物芯片公司股票上市， 平均每年股票上涨 75％，据统计全球目前生物芯片工业产值为 10 亿美元左右， 预计今后 5 年之内，生物芯片的市场销售可达到 200 亿美元以上。 我国生物芯片研究始于 1997-1998 年间，从 2000 年开始，国家就陆续投入 了大笔资金对生物芯片的系统研发给予了支持，建立了北京国家芯片工程中心、 上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯 片实验室等研发机构，为我国在这一新型高科技领域的自主创新和产业化能力奠 定了坚实的基础。尽管起步较晚，但是技术和产业发展迅速，实现了从无到有的 阶段性突破，并逐步发展壮大，生物芯片已经从技术研究和产品开发阶段走向技 术应用和产品销售阶段，在表达谱芯片、重大疾病诊断芯片和生物芯片的相关设 备研制上取得了较大成就。200 年我国生物芯片市场约为 1 亿美元，并正以 20% 以上的速度增长，至 2020 年生物芯片市场将达到 9 亿美元。目前，国内生物芯 片销售利润率都维持在较高水平。 三、技术优缺点 ·优点 在医学诊断方面，生物芯片技术是目前较为先进的现代医学检验技术，在短 时间内快速的测试和分析出基因、配体、抗原等生物活性物质并准确地获取样品 中的生物信息。再以三种生物芯片为例，基因芯片能够同时、快速、准确地对大 量的基因组信息进行检测和分析；蛋白质芯片稳定性好、灵敏度高、反应很快， 拥有比基因芯片更广阔的应用前景；芯片实验室能够将样品制备、基因扩增、核 酸标记及检测融为一体，从而实现生化分析全过程，其应用减少样本和试剂的消 耗，排除人为干扰，提高了分析速度和分析效率，还能够防止污染和实现自动化， 并成为重点研究方向。生物芯片技术提高检验效率，降低成本，对医疗事业产生 了积极的影响。 在商业方面，目前由于技术壁垒的限制，国内生物芯片销售利润率都维持在 较高水平，并且竞争性企业少。预计未来几年，中国生物芯片市场盈利能力依然 处在较高水平
·缺 点 由于生物芯片技术并没有得到完善也没有得到大面积推广,还存在一些问题 需要我们解决。例如:目前还有很多相关技术的发展不成熟、发展缓慢会制约着 生物芯片技术的快速发展;该技术的研发和投入需要以昂贵的设备为基础;而且 随着研发应用急剧增加,结论数据和过程数据越来越泛滥等相关问题亟待我们去 解决。 在商业方面,也有一些企业连续几年处于亏损状态,主要是由于技术商业化 程度比较低或者存在困难。 相信随着生物芯片技术在不断地改进和完善,加上科学技术水平的不断提高, 其必将被广泛地应用,成为人类认识与探索生命、疾病的重要手段
·缺点 由于生物芯片技术并没有得到完善也没有得到大面积推广，还存在一些问题 需要我们解决。例如：目前还有很多相关技术的发展不成熟、发展缓慢会制约着 生物芯片技术的快速发展；该技术的研发和投入需要以昂贵的设备为基础；而且 随着研发应用急剧增加，结论数据和过程数据越来越泛滥等相关问题亟待我们去 解决。 在商业方面，也有一些企业连续几年处于亏损状态，主要是由于技术商业化 程度比较低或者存在困难。 相信随着生物芯片技术在不断地改进和完善，加上科学技术水平的不断提高， 其必将被广泛地应用，成为人类认识与探索生命、疾病的重要手段