生物芯片綜述報告.ppt

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1、L o g o Biochip 生物芯片 藥學(xué) 院 Company Logo 定義 廣義的生物芯片指一切采用生物技術(shù)制備或應(yīng)用 于生物技術(shù)的微處理器。包括用于研制生物計算 機的生物芯片、將健康細(xì)胞與電子集成電路結(jié)合 起來的仿生芯片、縮微化的實驗室即芯片實驗室 以及利用生物分子相互間的特異識別作用進行生 物信號處理的基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片 和組織芯片等。狹義的生物芯片就是微陣列，包 括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片 等。 特點 高通量 : 提高實驗進程，利于顯示圖譜的快速對照和 閱讀 微型化 : 減少試劑用量和反應(yīng)液體積，提高樣品濃度 和反應(yīng)速度 自動化 : 減低成本和保證質(zhì)量

2、 Company Logo 分類 根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分分類 (1)基因芯片 (gene chip)：又稱 DNA芯片 (DNA chip)或 DNA微陣列 (DNA microarray)，是將 cDNA或寡核苷酸按微陣列 方式固定在微型載體上制成。 (2)蛋白質(zhì)芯片 (protein chip或 protein microarray)：是將 蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體 上獲得。芯片上的探針構(gòu)成為蛋白質(zhì)或芯片作用對象為蛋白質(zhì)者統(tǒng) 稱為蛋白質(zhì)芯片。 (3)細(xì)胞芯片 (cell chip)：是將細(xì)胞按照特定的方式固定在載體 上，用來檢測細(xì)胞間相互影響或相互作用

3、。 (4)組織芯片 (tissue chip)：是將組織切片等按照特定的方式 固定在載體上，用來進行 免疫組織化學(xué) 等組織內(nèi)成分差異研究。 (5) 芯片實驗室 Company Logo 歷史簡介 生物芯片技術(shù)起源于核酸分子雜交。 生物芯片（ biochip或 bioarray）是根據(jù)生物分 子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成 于芯片表面，從而實現(xiàn)對 DNA、 RNA、多肽、 蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹 義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物分子 （寡核苷酸、 cDNA、 genomic DNA、多肽、 抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑 料片（珠）、凝膠、尼龍膜

4、等固相遞質(zhì)上形成的 生物分子點陣。 Company Logo 歷史簡介 因此生物芯片技術(shù)又稱微陳列（ microarray） 技術(shù)，含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列， 又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎(chǔ)上又 發(fā)展出微流體芯片（ microfluidics chip），亦 稱微電子芯片（ microelectronic chip），也就 是縮微實驗室芯片。 Company Logo 研究歷史 1991年 Affymatrix公司福德（ Fodor）組織半導(dǎo)體專家和分子生物 學(xué)專家共同研制出利用光蝕刻光導(dǎo)合成多肽； 1992年運用半導(dǎo)體照相平板技術(shù)，對原位合成制備的 DNA芯片作了 首次報

5、道，這是世界上第一塊基因芯片； 1993年設(shè)計了一種寡核苷酸生物芯片； 1994年又提出用光導(dǎo)合成的寡核苷酸芯片進行 DNA序列快速分析； 1996年靈活運用了照相平板印刷、計算機、半導(dǎo)體、激光共聚焦掃 描、寡核苷酸合成及熒光標(biāo)記探針雜交等多學(xué)科技術(shù)創(chuàng)造了世界上 第一塊商業(yè)化的生物芯片； 1995年，斯坦福大學(xué)布朗（ P Brown）實驗室發(fā)明了第一塊以玻 璃為載體的基因微矩陣芯片。 2001年，全世界生物芯片市場已達 170億美元，用生物芯片進行藥 理遺傳學(xué)和藥理基因組學(xué)研究所涉及的世界藥物市場每年約 1800億 美元； 生物芯片巨頭 -affymetrix Company Logo 研究歷

6、史 2000-2004年的五年內(nèi)，在應(yīng)用生物芯片的市場銷售達到 200億 美元左右。 2005年，僅美國用于基因組研究的芯片銷售額即達 50 億美元， 2010年有可能上升為 400億美元，這還不包括用于疾病預(yù) 防及診治及其它領(lǐng)域中的基因芯片，部分預(yù)計比基因組研究用量還 要大上百倍。因此，基因芯片及相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)將取代微電子芯片產(chǎn) 業(yè)，成為 21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)。 2004年 3月，英國著名咨詢公司弗若斯特 沙利文 (Frost & Sulivan) 公司出版了關(guān)于全球芯片市場的分析報告 世界 DNA芯片市場的戰(zhàn) 略分析 。報告認(rèn)為，全球 DNA生物芯片市場每年平均增長 6.7%， 2003年的市

7、場總值是 5.96億美元， 2010年將達到 93.7億美元。納 儂市場（ NanoMarkets）調(diào)研公司預(yù)測，以納米器械作為解決方案 的醫(yī)療技術(shù)將在 2009年達到 13億美元，并在 2012年增加到 250億 美元，而其中以芯片實驗室最具發(fā)展?jié)摿?，市場增長率最快。 Company Logo 研究價值 最大用途在于疾病檢測 基因表達水平的檢測 基因診斷（ 從正常人的基因組中分離出 DNA與 DNA芯片雜交就可以 得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜。從病人的基因組中分離出 DNA與 DNA芯片雜交就可以得 出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的 DNA信息。 這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速、高效、敏

8、感、經(jīng)濟、平行化、自動化等 特點，將成為一項現(xiàn)代化診斷新技術(shù)。例如 Affymetrix公司，把 p53基 因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成 p53基因芯片，將在癌 癥早期診斷中發(fā)揮作用。又如， Heller等構(gòu)建了 96個基因的 cDNA微陣， 用于檢測分析風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（ RA）相關(guān)的基因，以探討 DNA芯片在感染 性疾病診斷方面的應(yīng)用。 ） Company Logo 研究價值 藥物篩選 個體化醫(yī)療 測序 生物信息學(xué)研究 Company Logo 制造方法簡述 光引導(dǎo)原位合成 原位合成適于制造寡核苷酸和寡肽微點陣芯片，具有合成速度快、相對成本低、便于 規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點。照相平板印

9、刷技術(shù)是平板印刷技術(shù)與 DNA和多肽固相化學(xué)合成 技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可以在預(yù)設(shè)位點按照預(yù)定的序列方便快捷地合成大量寡核苷酸或 多肽分子。在生物芯片研制方面享有盛譽的美國 Affymetrix公司運用該技術(shù)制造大 規(guī)模集成 Genechip。原位合成后的寡核苷酸或多肽分子與玻片共價連接。它用預(yù)先 制作的蔽光板和經(jīng)過修飾的 4種堿基，通過光進行活化從而以固相方式合成微點陣。 合成前，預(yù)先將玻片氨基化，并用光不穩(wěn)定保護劑將活化的氨基保護起來。聚合用單 體分子一端活化另一端受光敏保護劑的保護。選擇適當(dāng)?shù)膿豕獍迨剐枰酆系牟课煌?光，不需要發(fā)生聚合的位點蔽光。這樣，光通過擋光板照射到支持物上，受光部分的

10、 氨基解保護，從而與單體分子發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。每次反應(yīng)在成千上萬個位點上添加一個 特定的堿基。由于發(fā)生反應(yīng)后的部位依然接受保護劑的保護，所以可以通過控制擋光 板透光與蔽光圖案以及每次參與反應(yīng)單體分子的種類，就可以實現(xiàn)在特定位點合成大 量預(yù)定序列寡核苷酸或寡肽的目的。由于照相平板印刷技術(shù)每步的合成效率較低 （ 95%） 2，合成 30nt的終產(chǎn)率僅為 20%，所以該技術(shù)只能合成 30nt左右長度的 寡核苷酸。在此基礎(chǔ)上，有人將光引導(dǎo)合成技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)所用的光敏抗蝕技術(shù)相 結(jié)合，以酸作為去保護劑，將每步合成產(chǎn)率提高到 99%，但制造工藝復(fù)雜程度增加 了許多 3。所以如何簡便地提高合成產(chǎn)率是光引導(dǎo)原位

11、合成技 術(shù)有待解決的問題。 Company Logo 制造方法簡述 打印原位合成 壓電打印原位合成的方式類似于噴墨打印機，合成原理與傳統(tǒng)的核 酸或寡肽固相合成技術(shù)相同。合成過程為：合成前以與光引導(dǎo)原位 合成類似的方式對芯片片基進行預(yù)處理，使其帶有反應(yīng)活性基團， 例如伯氨基。同時，將合成用前體分子（ DNA合成堿基、 cDNA和 其它分子）放入打印墨盒內(nèi)，由電腦依據(jù)預(yù)定的程序在 xyz方向自 動控制打印噴頭在芯片支持物上移動，并根據(jù)芯片不同位點探針序 列需要將特定的堿基合成前體試劑（不足納升）噴印到特定位點。 噴印上去的試劑即以固相合成原理與該處支持物發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。由 于脫保護方式為酸去保護，所

12、以每步延伸的合成產(chǎn)率可以高達 99%， 合成的探針長度可以達到 4050nt。以后每輪偶聯(lián)反應(yīng)依據(jù)同樣的 方式將需要連接的分子噴印到預(yù)定位點進行后續(xù)的偶聯(lián)反應(yīng)。類似 地重復(fù)此操作可以在特定位點按照每個位點預(yù)定的序列合成出大量 的寡核苷酸探針。 Company Logo 制造方法簡述 點 樣 法 點樣法在多聚物的設(shè)計方面與原位合成技術(shù)相似。只是合成工作用傳統(tǒng)的 DNA、多肽合成儀或 PCR擴增或體內(nèi)克隆等方法完成。大量制備好的 核酸 探針 、多肽、蛋白等生物大分子再用特殊的自動化微量點樣裝置將其以較 高密度互不干擾地印點于經(jīng)過特殊處理的玻片、尼龍膜、 硝酸纖維素膜 上， 并使其與支持物牢固結(jié)合。

13、支持物需預(yù)先經(jīng)過特殊處理，例如多聚賴氨酸 或氨基硅烷等。亦可用其它共價結(jié)合的方法將這些生物大分子牢牢地附著 于支持物上?，F(xiàn)在已經(jīng)有比較成型的點樣裝置出售，例如美國 Biodot公司 的“噴印”儀以及 Cartesian Technologies公司的 Pix-Sys NQ/PA系列 “打印”儀。這些自動化儀器依據(jù)所配備的“打印”或“噴印”針將生物 大分子從多孔板吸出直接“打印”或“噴印”于芯片片基上?！按蛴　睍r 針頭與芯片片基表面發(fā)生接觸而“噴印”時針頭與片基表面保持一定的距 離。所以，“打印”儀適宜制作較高密度的微陣列（例如 2500點 /cm2）， “噴印”法由于“噴印”的斑點較大，所以只

14、能形成較低密度的探針陣列， 通常 400點 /cm2。點樣法制作芯片的工藝比較簡單便于掌握、分析設(shè)備易 于獲取，適宜用戶按照自己的需要靈活機動地設(shè)計微點陣，用于科研和實 踐工作。 Company Logo 我國研究現(xiàn)狀 “十五”期間，中國生物芯片研究共申請國內(nèi)專 利 356項，國外專利 62項。 2005年 4月，由科技部組織實施的 國家重大 科技專項 “功能基因組和生物芯片”在生物芯片 產(chǎn)業(yè)取得階段成果，診斷檢測芯片產(chǎn)品、高密度 基因芯片產(chǎn)品、食品安全檢測芯片、擁有 自主知 識產(chǎn)權(quán) 的生物芯片創(chuàng)新技術(shù)創(chuàng)建等一系列成果蜂 擁而出。 Company Logo 我國研究現(xiàn)狀 2006年 7月， 中

15、國科學(xué)院力學(xué)研究所 國家微重力 實驗室靳剛課題組在中科院知識創(chuàng)新工程和 國家 自然科學(xué)基金 的資助下，主持研究的“蛋白質(zhì)芯 片 生物傳感器 系統(tǒng)”實現(xiàn)實驗室樣機，目前已實 現(xiàn) 乙肝 五項指標(biāo)同時檢測、 腫瘤 標(biāo)志物檢測、微 量抗原抗體檢測、 SARS抗體藥物鑒定、病毒檢 測及 急性心肌梗死 診斷標(biāo)志物檢測等多項應(yīng)用實 驗。全程只需 40分鐘，采血只需幾十微升血液。 該項研究成果有望為中國的生物芯片技術(shù)開辟新 的途徑。 Company Logo 2012最新進展 新加坡研制生物芯片可探測抗癌藥物藥效 生物芯片植入視網(wǎng)膜 男子失明 20年重見光明 （英國） 成都開展耳聾基因篩查 用生物芯片尋找致病基 因 Company Logo 謝謝觀看 Company Logo