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生物芯片技术第1页生物芯片定义生物芯片(biochip)是将大量生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、组织切片和细胞等生物样品制成探针，以预先设计方式有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，组成二维分子阵列，然后与已标识待测生物样品靶分子杂交，经过检测杂交信号实现对样品检测，所以该技术一次能检测大量目标分子，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性技术要求;而且芯片技术研究结果含有高度特异性、敏感性和可重复性。因惯用玻片/硅片等材料作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片制备技术，所以称之为生物芯片技术。第2页特点高通量效率高，成本也低并能防污染大量生命活动信息以及许多不连续分析过程集成在一小片载体片上，从而实现对DNA、蛋白质、细胞以及其它生物组分准确、快速、并行和大信息量检测和分析。能在秒计时间内并行完成成千上万次生物化学反应，众多基因探针标识、杂交等过程是在一次试验过程中完成，自动化程度高，数据客观可靠。第3页发展历史1991年Affymatrix企业福德（Fodor）组织半导体教授和分子生物学教授共同研制出利用光蚀刻光导合成多肽；1992年利用半导体摄影平板技术，对原位合成制备DNA芯片作了首次报道，这是世界上第一块基因芯片；1993年设计了一个寡核苷酸生物芯片；1994年又提出用光导合成寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析；1995年，斯坦福大学布朗（P．Brown）试验室创造了第一块以玻璃为载体基因微矩阵芯片。1996年灵活利用了摄影平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标识探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化生物芯片；第4页发展历史，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所包括世界药品市场每年约1800亿美元；2000-20五年内，在应用生物芯片市场销售到达200亿美元左右。20，仅美国用于基因组研究芯片销售额即达50亿美元，20有可能上升为400亿美元，这还不包含用于疾病预防及诊治及其它领域中基因芯片，部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。所以，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为二十一世纪最大产业。203月，英国著名咨询企业弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)企业出版了关于全球芯片市场分析汇报《世界DNA芯片市场战略分析》。汇报认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增加6.7%，年市场总值是5.96亿美元，20将到达93.7亿美元。纳侬市场（NanoMarkets）调研企业预测，以纳米器械作为处理方案医疗技术将在20到达13亿美元，并在20增加到250亿美元，而其中以芯片试验室最具发展潜力，市场增加率最快。第5页分类生物芯片技术是一个高通量检测技术，其主要类型包含基因芯片(gene－chip)、蛋白质芯片(protein－chip)、组织芯片(tissue－chip)和芯片试验室(lab－on－chip)等。第6页基因芯片基因芯片又称为DNA芯片(DNA－chip)，是基于核酸探针互补杂交技术原理研制。它是将大量寡核苷酸片段按预先设计排列方式固化在载体表面如硅片或玻片上，并以此为探针，在一定条件下与样品中待测靶基因片段杂交，经过检测杂交信号强度及分布来实现对靶基因信息快速检测和分析。第7页蛋白质芯片蛋白质芯片与基因芯片原理类似，它是将大量预先设计蛋白质分子(如抗原或抗体等)或检测探针固定在芯片上组成密集阵列，利用抗原与抗体、受体与配体、蛋白与其它分子相互作用进行检测。第8页组织芯片组织芯片技术则是一个不一样于基因芯片和蛋白芯片新型生物芯片。它是将许多不一样个体小组织整齐地排布于一张载玻片上而制成微缩组织切片，从而进行同一指标(基因、蛋白)原位组织学研究。第9页芯片试验室所谓试验室就是一个功效集成。在普通试验室，检侧、分析等是分成不一样时骤进行，芯片试验室就是把全部步骤聚在一起，也是有形，只是把这些功效微缩到一个小平台上。生物检测三大步骤:样品处理、生物反应、反应检测，在以前，是由不一样机器做，最终才得出结果。芯片试验室则是把这三大步骤浓缩到一个平台上做，对用户来说无需知道中间步骤，是一个微型自动化过程。第10页生物芯片技术主要步骤芯片制备:微点阵样品制备：DNA提纯、扩增、标识杂交：样本与互补模板形成双链检测：共聚焦扫描、双色激光数据处理:定量软件、数据库检索、RNA印迹等结果第11页生物芯片技术步骤第12页芯片制备原位合成法（insitusynthesis):有又可分为原位光控合成法和原位标准试剂合成法。适合用于寡核苷酸，适用光引导化学原位合成技术。是当前制造高目睹寡核苷酸最为成功方法合成后交联（post-syntheticattachment):利用手工活自动点样装置将预先制备好寡核苷酸或cDNA样品在经特殊处理过玻片或其它材料上。主要用于诊疗、检测病原体及其它特殊要求中、低密度芯片制备。第13页两种制备方法比较原位合成:测序、查明点突变高密度、依据已知DNA编制程序制作复杂、价格昂贵、不能测定位置DNA序列合成后交联:比较分析制备方式直接和简单，点样样品课事先纯化，交联方式多样，可设计和制备符合自己需要芯片。中、低密度，样品浪费较多且制备前需储存大量样品。第14页杂交是芯片技术中除方阵构建外最主要一步—液相中探针与DNA片段按碱基配对规则形成双链反应。—选择杂交条件时，必须满足检测时灵敏度和特异性。使能检测到低丰度基因，且能确保每条探针都能与互补模板杂交。—适合长度DNA有利于与探针杂交。—温度、非特异性本底等均会影响杂交结果。—最终在封闭循环条件下杂交。第15页样品制备制备高质量样本是困难不过又是极其主要。制备细胞、组织或整个器官样本应尤其小心。温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成份等轻微改变都会使基因表示结果发生显著改变。用于基因类型分析样本是DNA，用于表示研究样本是cRNA。样本制备后应进行标识，通常为酶标识、荧光标识和核素标识。第16页结果分析

芯片与标识靶DNA或RNA杂交后，或与标识靶抗原或抗体结合后，可采取以下分析处理数据：共聚焦扫描仪：应用最广，重复性好但灵敏度较低。质谱法：快速、准确，可准确判断是否存在基因突变和准确判断基因序列位置。探针合成较复杂。化学发光、光导纤维、二极管方阵检测、直接电荷改变检测等第17页基因组研究医学研究药学研究新药开发疾病诊疗健康预测疾病治疗司法判定军事防护食品卫生生物计算机农林牧渔环境保护商检

生物芯片

生物芯片应用前景第18页1.生物芯片在环境生物学中应用环境生物学主要研究环境污染引发生态效应、生物或生态系统对污染净化功效,从而利用生物对环境进行监测、评价原理和方法以及自然保护等。如今,生物芯片在环境微生物检测中应用较多。环境微生物是反应环境质量主要物质,微生物广泛存在于水、大气和土壤中。生物芯片可用于进行土壤及水中微生物检测及研究环境微生物与宿主关系,及分析蛋白质表示情况等。第19页1.1检测土壤微生物及判定微生物群落

美国橡树岭国家试验室JizhongZhou等分别构建了世界上第一块用于土壤环境检测功效基因芯片和用于微生物群落判定群落基因组芯片(http://)。张于光等与JizhongZhou等进行合作,利用Zhou等研制环境检测功效基因芯片,对青藏高原和秦岭地域土壤微生物相关功效基因多态性和在全球气候改变中响应进行了研究,该芯片含有固氮、硝化、去硝化等2704个基因,这是我国首次利用基因芯片进行这类研究。Jack等则经过使用通用引物扩增细菌核糖体16SrRNA,并将扩增产物与含有探针低密度芯片进行杂交,从而直接检测判定土壤中微生物。第20页1.2研究微生物和宿主关系Belcher等用cRNA芯片研究了被感染呼吸道上皮细胞及细胞百日咳杆菌基因表示改变,这开辟了研究环境微生物与宿主关系新道路。第21页1.3检测水中微生物德国一家主要水管理企业现投资850万欧元与芯片企业共同开发用生物芯片检测公共饮用水中微生物。生物芯片能够提供信息量十分巨大,能够比常规方法检测更各种微生物并可检测微生物遗传指纹,准确可靠,能够在4h内得出结果,费用比常规方法低10倍。能够形成一个比现有水质控制更有效,快速和价廉检测技术。Taroncher-Oldenburg利用70mer长寡核苷酸作为探针来检测河水、海湾等环境中氮循环基因多样性,这些基因包含amoA,nifH,nirK和nirS等。第22页2.生物芯片在环境毒理学中应用

生物芯片中基因芯片在环境毒理学领域应用较多。已问世专门用于环境毒理学检测毒理学芯片能够快速大规模检测污染源及环境毒物、研究环境毒物对人体影响以及进行低剂量毒物试验等。其可靠性高,使用简单,有很好应用前景。第23页2.1用于环境毒物检测美国国立环境卫生研究院(VIEHS)已开发了出检测环境有毒物毒理芯片。Bartosiewicz等则利用DNA芯片对环境毒物进行了检测。Pennie等构建了毒理芯片,对基因芯片技术应用于毒性机制和毒性预测进行了研究。第24页2.2用于环境毒物对人体影响研究美国国家环境健康研究所毒理芯片研究小组拟计划将生物芯片技术用于测定暴露于人类天然和合成化合物及化学混合物相对安全性。Amundson等应用cDNA微区分技术研究了放射性照射及有机毒剂对人骨髓细胞基因表示谱影响。GeneLogic企业芯片Flow-thruChip已经试投入商业利用,可用以检测药品和毒物对生物体影响,他们还建立了庞大基因表示数据库,能够用于药品靶点确认和毒性预测(http:///geneexp.asp);Syngenta企业和AstraZenecaPharmaceuticals企业科学家设计制作了被称为ToxBlotarraysDNA芯片,其第代产品ToxBlotⅡ含有大约13000人基因,包含了全部毒理学家感兴趣基因家族和信号通路;美国化学工业毒物研究所(ChemicalIndustryInstituteofToxicology)中专门有一个工作小组用微阵列技术研究一些致癌毒物对人体作用(http:///toxicogenomics/construction.html)。第25页3.生物芯片在分子生态学中应用分子生态学是应用分子生物学原理和方法来硕士命系统与环境系统相互作用生态机理及其分子机制科学。当前,基因芯片已应用到该领域中,用于研究植被在生理适应、形态分化方面分子基础,以及植被等在逆境条件下基因表示改变。瑞士Syngenta企业以自己开发水稻20k单色水稻芯片为基础,对水稻灌浆期基因表示进行了研究。发觉水稻中与产量形成碳水化台物积累、蛋白储存、脂肪代谢等关键代谢路径中基因表示含有协调一致性。Kawasaki等就用cDNA芯片对水稻在盐胁迫最初时相内表示谱做了研究。杨传平等以柽柳(T.androssowii)为研究对象,经过基因芯片技术研究了NaHCO3胁迫前后柽柳基因差异表示情况,为深入研究其抗盐机理奠定了基础。第26页3.1生物芯片在环境医学中应用环境医学是研究环境与人群健康关系,尤其是研究环境污染对人群健康有害影响及其预防一门科学。如今,生物芯片技术已在环境流行病学、职业病研究和环境医学监测等领域得到了应用。第27页3.2应用于环境流行病学周琦等以SARS冠状病毒TOR2株序列为设计标准,研制出用于检测SARS病毒全基因芯片,芯片探针长度为70nt,相邻探针序列重复25nt,共660条病毒探针,覆盖了SARS冠状病毒全部序列,应用该基因芯片对病人、出人境食品、动植物及其产品进行检测,结果表明基因芯片技术检测SARS冠状病毒灵敏度高、特异性强,而且准确、快速。吴海等以HBV、HVC高度保守片段为探针成功制作了乙、丙型肝炎病毒双检基因芯片,可望应用于临床。赵伟等将PCR产物用点样仪点于玻片介质上,制成芯片,检测40例乙肝患者血清乙肝病毒,准确率达80%。第28页3.3应用于环境医学监测孟紫强等探讨了SO2分子毒作用机制,经过采取