生物芯片(biochip)報告.pptx

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1、生物芯片（biochip） 基因是什么DNA或蛋白質(zhì)？幾多試驗？幾多論爭？是誰將謎底揭破？ 人們可能很容易把生物芯片與電子芯片聯(lián)系起來。事實上，兩者確有一個最基本的共同點：在微小尺寸上具有海量的數(shù)據(jù)信息。但它們是完全不同的兩種東西，電子芯片上布列的是一個個半導體電子單元，而生物芯片上布列的是一個個生物探針分子。 什么是生物芯片呢？簡單說，生物芯片就是在一塊玻璃片、硅片、尼龍膜等材料上放上生物樣品,然后由一種儀器收集信號,用計算機分析數(shù)據(jù)結(jié)果。 生物芯片名詞解釋:生物芯片這一名詞最早是在二十世紀八十年代初提出的，當時主要指分子電子器件。它是生命科學領域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。它主要是指通過

2、微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固格體芯片表面構(gòu)建的微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。主要特點：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液體積，提高樣品濃度和反應速度。自動化：減低成本和保證質(zhì)量。載體材料：主要有半導體硅片、玻璃片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等，其中玻璃片最為常用。 分類：根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分分類包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片、組織芯片，芯片實驗室。根據(jù)用途分類1.生物電子芯片：用于生物計算機等生物電子產(chǎn)品的制造。2.生物分析芯片：用于各種生物大分子、細胞、組織的操作以及

3、生物化學反應的檢測。前一類目前在技術(shù)和應用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。根據(jù)作用方式分類 1.主動式芯片2.被動式芯片 affymetrix 基因芯片（GeneChip）是生物芯片技術(shù)發(fā)展最成熟和最先實現(xiàn)商業(yè)化的產(chǎn)品。 世界十大基因芯片研制單位簡要情況一覽 生物芯片技術(shù)芯片方陣的構(gòu)建樣品的制備生物分子反應信號的檢測。 芯片制備一類是原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探針），適用于寡核苷酸，通過光引導蝕刻技術(shù)。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2 等基因突變的基因芯片。原位光刻合成壓電打印法(Piezoelectric printing)一類是預合成后直接

4、點樣，多用于大片段DNA，有時也用于寡核苷酸，甚至mRNA。是將提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因組DNA等通過特定的高速點樣機器人直接點在芯片上。該技術(shù)優(yōu)點在于相對簡易低廉，被國內(nèi)外廣泛使用。接觸式點樣 非接觸式點樣 樣品制備生物樣品往往是復雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應，有時樣品的量很小。所以，必須將樣品進行提取、擴增。先對檢測樣品DNA/ mRNA 樣本須先PCR擴增，獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA、RNA，然后再被熒光素或同位素標記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。最后與DNA探針雜交。發(fā)生雜交的探針上的熒光被激發(fā)后被探測器檢測到，檢測到的熒

5、光信號通過計算機軟件處理后就可直接讀出雜交圖譜。檢測儀器a.磷感屏成像系統(tǒng) b.熒光芯片掃描儀 數(shù)據(jù)分析圖像分析：激光掃描儀Scanner得到的Cy3/Cy5圖像文件劃格，確定雜交范圍，過濾背景噪音，提取得到基因表達的熒光信號強度值，最后以列表形式輸出。標準化處理：由于樣本差異、熒光標記效率和檢出率的不平衡，需對cy3和cy5的原始提取信號進行均衡和修正才能進一步分析實驗數(shù)據(jù)，標準化正是基于此種目的。 Ratio分析： Cy3/Cy5的比值，又稱R/G值。一般0.5-2.0范圍內(nèi)的基因不存在顯著表達差異，該范圍之外則認為基因的表達出現(xiàn)顯著改變。聚類分析：實際是一種數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。通過建立各種不同

6、的數(shù)學模型，可以得到各種統(tǒng)計分析結(jié)果，確定不同基因在表達上的相關性，從而找到未知基因的功能信息 或已知基因的未知功能。 應用領域1.基因表達水平的檢測2.基因診斷3.藥物篩選4.個體化醫(yī)療5.測序6.生物信息學研究 臨床應用疾病診斷藥物篩選指導用藥及治療方案預防醫(yī)學 腫瘤治療 基因芯片技術(shù)通過對腫瘤基因表達譜分析,組成腫瘤基因診斷芯片,研究腫瘤基因的功能,既可用于腫瘤普查,又能達到早期診斷和早期治療的目的。根據(jù)SARS冠狀病毒的TOR2株為參考序列，通過設計出30條特異的60 mer寡核苷酸（olige），制備olige基因芯片，可用于的檢測。 環(huán)境保護在環(huán)境保護上，基因芯片也廣泛的用途，一方

7、面可以快速檢測污染微生物或有機化合物對環(huán)境、人體、動植物的污染和危害，同時也能夠通過大規(guī)模的篩選尋找保護基因，制備防治危害的基因工程藥品、或能夠治理污染源的基因產(chǎn)品。 司法基因芯片還可用于司法，現(xiàn)階段可以通過DNA指紋對比來鑒定罪犯，未來可以建立全國甚至全世界的DNA指紋庫，到那時以直接在犯罪現(xiàn)場對可能是疑犯留下來的頭發(fā)、唾液、血液、精液等進行分析，并立刻與DNA罪犯指紋庫系統(tǒng)存儲的DNA“指紋”進行比較，以盡快、準確的破案。目前，科學家正著手于將生物芯片技術(shù)應用于親子鑒定中，應用生物芯片后，鑒定精度將大幅提高。 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基因芯片技術(shù)可以用來篩選農(nóng)作物的基因突變，并尋找高產(chǎn)量、抗病蟲、抗干旱、

8、抗冷凍的相關基因，也可以用于基因掃描及基因文庫作圖、商品檢驗檢疫等領域。目前該類市場尚待開發(fā)。 1）政策問題：2011年5月以前，生物芯片一直歸屬于第三類醫(yī)療器械，過高的政策門檻，嚴重制約了眾多中小企業(yè)對這個行業(yè)介入。后在高層領導的關注下，衛(wèi)生部才將其調(diào)整為二類醫(yī)療器械。 2）技術(shù)問題：單就狹義的生物芯片技術(shù)，應該說是穩(wěn)定和成熟的。但就完整的生物芯片技術(shù)，特別是應用到民用市場的生物芯片，應該包括生物芯片的各種試劑、各種耗材、配套儀器和分析軟件，在這里面，配套儀器特別是自動化的反應儀器嚴重滯后。雖然目前市場已有幾款生物芯片雜交儀，但均存在通量低或價格過高的問題。高通量、自動化的雜交儀不解決，大規(guī)

9、模的民用市場應用難！ 3）價格問題：目前的國內(nèi)市場基本被國外大廠占領，單這一點，就決定了無論是生物芯片產(chǎn)品還是生物芯片技術(shù)服務的價格都不會便宜。 4）市場次序: 客觀的說目前的國內(nèi)生物芯片市場并不處于一個有序、開放、公平的狀態(tài)，這具體體現(xiàn)在：行業(yè)內(nèi)的幾個國家隊即扮演規(guī)則制定者，又扮演游戲參與者；易感基因的基因檢測所采用的短視的、傳銷式的營銷模式以及理論依據(jù)的不嚴謹性嚴重地傷害了生物芯片在大眾的心中形象。 基因芯片的研究發(fā)展方向1.進一步提高探針陣列的集成度，如有多家公司的芯片陣列的集成度已達1.0105左右，這樣基因數(shù)量在1.0105以下的生物體（大多數(shù)生物體）的基因表達情況只用一塊芯片即可包

10、括。2. 提高檢測的靈敏度和特異性。如檢測系統(tǒng)的優(yōu)化組合和采用高靈敏度的熒光標志。多重檢測以提高特異性，減少假陽性。 3.高自動化、方法趨于標準化、簡單化，成本降低。價格高昂是目前推廣應用的主要障礙之一，但隨著技術(shù)的革新，基因芯片的價格將會大大降低。4.高穩(wěn)定性。寡核苷酸探針、RNA均不穩(wěn)定，易受破壞。而肽核酸（PNA）有望取代普通RNA/DNA探針，可以確保探針的高穩(wěn)定性。5.研制新的應用芯片，如1999年美國環(huán)保局(EPA)組織專家研討會，討論了毒理學芯片的發(fā)展策略。近來多種新的生物芯片不斷問世，這是物理學、生物學與計算機科學共同的結(jié)晶。6.研制芯片新檢測系統(tǒng)和分析軟件，以充分利用生物信息

11、。 7.芯片技術(shù)將與其它技術(shù)結(jié)合使用，如基因芯片PCR、納米芯片等。8.不同生物芯片間綜合應用，如蛋白質(zhì)芯片與基因芯片間相互作用等，可用于了解蛋白質(zhì)與基因間相互作用的關系。 大事記 1991年Affymatrix公司福德（Fodor）組織半導體專家和分子生物學專家共同研制出利用光蝕刻光導合成多肽； 1992年運用半導體照相平板技術(shù)，對原位合成制備的DNA芯片作了首次報道，這是世界上第一塊基因芯片； 1993年設計了一種寡核苷酸生物芯片； 1994年又提出用光導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、半導體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒光標記探針

12、雜交等多學科技術(shù)創(chuàng)造了世界上第一塊商業(yè)化的生物芯片； 1995年，斯坦福大學布朗（PBrown）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和藥理基因組學研究所涉 及的世界藥物市場每年約1800億美元； 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。報告認為，全球DNA生物芯片市場每年平均增長6.7%，2003年的市場總值是5.96億美元，2010年將達到937億美元。納儂市場（NanoMarkets）調(diào)研公司預測，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Γ袌鲈鲩L率最快。