生物芯片技术-PPT课件

1、生物芯片技术了解生物芯片的功能，及其医学研究领域中的作用，以及生物芯片技术的最新进展。熟悉生物芯片的种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片和微缩芯片实验室的原理及其制备方法。掌握基因芯片的工作原理、制备方法及其在临床诊断中的意义。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 芯片实验室第一节 生物芯片概述一、生物芯片的定义二、生物芯片的特点及分类三、生物芯片在医学中的应用概况与前景一、生物芯片的定义 指在一块大不上不等（一般约12cm2）的载体材料上，以大规模阵列的形式排布了不同的生物分子探针，形成可与目的靶分子相互作用，并行反应的固相表面。将芯片与荧光标记的靶分子进行化学反应（如杂交

2、、免疫反应等），经过激发光扫描后，不同反应强度的标记荧光将呈现不同的荧光发射谱征。用激光共聚焦显微扫描仪或CCD相机收集信号后，经计算机分析数据结果，从而获得相关的生物信息。二、生物芯片的特点高通量、集成化、并行化和微型化生物芯片的分类生物芯片点阵型芯片实验室芯片DNA芯片蛋白芯片细胞芯片反应器芯片流体芯片纯化芯片三、生物芯片在医学中的应用分子生物学、生物进化（生物起源及新物种鉴定）生物医学（新药的筛选与合成，疾病诊断和治疗，如癌症、早年性痴呆症等的病因研究）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鉴定等第二节 基因芯片一、基因芯片的原理二、基因芯片技术三、

3、基因芯片的应用 基因芯片(gene chip)又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA micro-array)。基因是载有生物体遗传信息的基本单位，存在于细胞的染色体上。将大量的基因片段有序地、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。基因芯片发展历史Southern & Northern BlotDot BlotMacroarrayMicroarray一、基因芯片的原理基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。基因芯片研制的总体蓝图 图11

4、-1 基因芯片技术主要步骤二、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 2.探针在载体表面的固定 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。探针在载体表面的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），适用于寡核苷酸。合成后点样接触式点样非接触式点样Cartesian - PixSys Series合成后点样板 - Cartesian Tech. 原位合成有三种途径：原位光刻合成压电打印法分子印章原位合成法。 原位光刻

5、合成技术的原理示意图 压电打印原位合成法工作方式 （二）样品制备 常见的基因芯片实验样品有DNA、mRNA(cDNA)两种。根据样品来源、基因含量及检测方法和分析目的不同，采用的基因分离、扩增及标记方法各异。 （三）杂交反应 杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。过程类似于一般的杂交法。把要杂交的分子的溶液覆盖芯片的探针，用盖玻片覆盖，即可杂交。 （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，其重复性较好，不足的是灵敏度仍较低。 目前正在发展的方法有质谱法、化学发光法、光导纤维法等。 基因芯片杂交结果要用专用的扫描系统读取。BBAC

6、DE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 基因芯片扫描结果不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记的核酸分子数的差异。红黄绿兰紫GENERAL SCANNING - ScanArray System 三、基因芯片的应用（一）寻找和发现新基因（二）基因表达分析（三）DNA序列测定与序列间比较（四）突变体和多态性的检测表达谱芯片实例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的玻片上DNA芯片热击T细胞cDNA未处理的细胞cDNA 杂交 杂交激光共聚焦扫描发现17个差异表达基因,11个被热诱导,6个被热抑制,发现其中3个为未发现的新基因

7、（五）在疾病诊断的应用（1）感染性疾病的诊断 性传播疾病、肝炎等。（2）遗传性疾病的诊断 地中海贫血、婚前检查等。（3）耐药性检测 结核分支杆菌耐药性检测芯片等。生物芯片的优、缺点优点：1）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。 节省时间。2）微型化，实验所需试剂用量少。3）高度自动化。缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。生物芯片于一般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的速度快慢实验结果的平行性好低存在问题基因芯片的缺点在于其不能对待检测基因在多细胞类型组织中的精确定位进行判断,在这点上，Northern也一样，而原位杂交技

8、术可以克服此缺点。另外很多蛋白质调节其功能不主要是依赖其是否表达或表达量高低，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，正在研究开发中的蛋白类芯片可能会有所作为的。 基因芯片技术本身有一些关键问题亟待解决： (1)基因芯片的特异性的提高(2)样品制备和标记操作的简化(3)增加信号检测的灵敏度(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测仪器的研制和开发。 制约基因芯片技术发展及应用的最主要的因素是这种技术的成本较为昂贵，目前只有制药公司和少数研究所才能承受。第三节 蛋白芯片一、蛋白芯片的原理与分类二、蛋白质芯片制作和检测的基本流程三、蛋白质芯片

9、的应用 蛋白质芯片（protein chip），又称蛋白质微阵列(protein microarray)，是用于蛋白质功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、机械点样或共价结合的等方法将多肽、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的生物分子点阵。 蛋白芯片的原理与分类 在待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后，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、蛋白质及其他生物成份进行高通量检测。 蛋白质芯片的特点 蛋白质芯片技术是一种快捷、高效、高通量、并行、微型化和自动化的蛋白质分

10、析技术，适用于分析包括组织、细胞系、体液在内的多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的生物功能的相关蛋白，灵敏度高达pg/ml。蛋白质芯片的分类1.按样品结合方式分为：化学型和生物化学型2.按点样蛋白质有无活性功能分为：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：蛋白质表达芯片和蛋白质功能芯片二、蛋白质芯片制作和检测的基本流程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)对样品进行标记与芯片进行抗原抗体反应检测分析蛋白质的相互作用发现新的疾病标志物作为临床诊断的指标对疾病

11、病理分子机制的研究筛选药物靶，发现新药物，研究药理学三、蛋白质芯片的应用第四节 芯片实验室一、缩微芯片实验室特点二、缩微芯片实验室的基本组成三、缩微芯片实验室的应用研究芯片实验室是将样品制备、生化反应和检测分析的全过程集约化，并缩微到一张芯片上自动完成，形成的所谓微型全分析系统（micro total analysis systen,-TAS）,或称“缩微芯片实验室”（lab-on-a-chip）。一、缩微芯片实验室特点 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、极高的样品并行处理能力、体积小、重量轻、便于携带。缩微芯片实验室将来发展的趋势甚至可以成为个人生物信息分析卡或微

12、型分子生物实验室之类的器件 。二、缩微芯片实验室的基本组成 生物样品的分析通常包括样品制备、生物化学和分子生物学反应、结果检测和数据处理等过程。 三、缩微芯片实验室的应用研究目前，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的芯片已经研制出来，同时也出现了将样品制备、化学反应和分析检测部分结合的芯片。高通量、一体化、移植性的“未来型掌上实验室”的构想。缩微芯片实验室应用新进展Nanogen公司、Affymitrix公司。宾夕法尼亚大学医学院和密歇根大学的科学家们利用在微缩芯片上刻出的加热器、泵、阀门、微量分析器、电化学检测器以及其他光电子检测器等，已经先后制作出了结构不同的微缩芯片实验室样机，