基因芯片的應用與展望

一、基因芯片產生背景

人類基因組計劃(HGP)是人類為了認識自己而進行的一項最偉大和最具影響的研究計劃。 人類基因組測序的“工作草圖”即將向全球公布，預計在2003年完成全序列分析。此外，還測定了80萬個cDNA片斷(ESTs)，相當于4-5萬個基因，占7-10萬個人類總基因的50%左右。目前的問題是獲得基因的序列信息后，如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現HGP計劃的價值－破譯人類基因天書。后基因組計劃、蛋白組計劃、疾病基因組計劃等概念就是為實現這一目標而提出的。不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態等基因表達差異的分析是連接基因組計劃和蛋白組計劃最關鍵的一個環節，它不僅能利用基因組計劃的研究成果在疾病診斷、藥物篩選等領域發揮重要的作用，而且還可為蛋白組計劃的實施提供大量非常重要的線索。這一環節既是基因組計劃的補充又是蛋白組計劃的航標。基因芯片技術就是為實現這一環節而建立的。所謂基因芯片就是按特定的排列方式固定有大量基因探針/基因片段的硅片、玻片、塑料片。基因芯片技術是高效地大規模獲取相關生物信息的主要手段。

二、基因芯片目前的應用

1 臨床疾病診斷

基因芯片在感染性疾病、遺傳性疾病和腫瘤等疾病的臨床診斷方面具有獨特的優勢。與傳統檢測方法相比，它可以在一張芯片同時對多個病人進行多種疾病的檢測；無需機體免疫應答反應，能及早診斷，待測樣品用量小；能檢測病原微生物的耐藥性，病原微生物的亞型；極高的靈敏度和可靠性；檢測成本低，自動化程度高，利于大規模推廣應用。這些特點使得醫務人員在短時間內，可以掌握大量的疾病診斷信息，這些信息有助于醫生在短時間內找到正確的治療措施。

2 藥物篩選和新藥開發

芯片技術具有高通量、大規模、平行性等特點可以進行新藥的篩選，尤其對我國傳統的中藥有效成分進行篩選。目前，國外幾乎所有的主要制藥公司都不同程度地采用了基因芯片技術來尋找藥物靶標，查檢藥物的毒性或副作用，用芯片作大規模的篩選研究可以省略大量的動物試驗，縮短藥物篩選所用時間，在基因組藥學（pharmacogenomics）領域帶動新藥的研究和開發。

3 基因功能研究

在基因組學和后基因組學研究中，基因芯片也起到重要的作用。應用基因芯片可以開展DNA測序、基因表達檢測、基因突變性、基因功能研究、尋找新基因、單核苷酸多態性（SNP）測定等研究。與傳統的Northern blot雜交或點雜交方法相比，基因芯片技術具有大規模平行處理的能力。

4 環境保護

在環境保護上，基因芯片也廣泛的用途，一方面可以快速檢測污染微生物或有機化合物對環境、人體、動植物的污染和危害，同時也能夠通過大規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品。

5 農業和畜牧業

利用基因芯片技術，對有重要經濟價值的農作物和水果等的基因組進行大規模高通量的研究，篩選農作物的基因突變，并尋找高產量、抗病蟲、抗干旱、抗冷凍的相關基因，以開發高技術含量、高附加值的新產品。也可利用基因芯片技術篩選、開發高效低毒的生物農藥。

6 軍事和司法

美國以有部分公司得到政府的資助開發生物戰病原體檢測系統。在司法領域，國外的公司正在開發便攜式DNA芯片檢測裝置，它可以直接在犯罪現場對可能是疑犯留下來的頭發、唾液、血液、精液等進行分析，并立刻與DNA罪犯指紋庫系統存儲的DNA“指紋”進行比較，以盡快、準確的破案。我國上海的司法部司法鑒定科學技術研究所第一個“罪犯DNA數據庫”在99年9月7日通過了專家鑒定，利用DNA破案將成為一種重要的破案手段。另外，基因芯片還可作親子鑒定等方面的工作。

7 其它

特殊設計的基因芯片還可用于基因掃描及基因文庫作圖等領域，也在商品檢驗檢疫的工作中發揮重要的作用。

三、存在問題及發展前景

目前，國內外已經有許多從事DNA芯片研究的公司，每家公司的芯片技術都各具特色，應用目的也不盡相同。但要成為實驗室研究或臨床可以普遍采用的技術仍有一些關鍵問題亟待解決如(1)基因芯片的特異性的提高；(2)樣品制備和標記操作的簡化；(3)增加信號檢測的靈敏度；(4)高度集成化樣品制備、基因擴增、核酸標記及檢測儀器的研制和開發。對生物芯片研究人員來說，最終的研究目標是對分析的全過程實現全集成，即縮微芯片實驗室（laboratory on a chip）。在芯片的功能集成方面，目前美國的Nanogen公司、Affymetrix公司、賓西法尼亞大學醫學院和密歇根大學的科學家通過利用在芯片上制作出的加熱器、閥門、泵、微量分析器、電化學檢測器或光電子學檢測器等，將樣品制備、化學反應和檢測三部分作了部分集成。1998年6月，Nanogen公司的科學家首次報道了用芯片實驗室所實現的從樣品制備到反應結果顯示的全部分析過程。這個實驗室的成功是生物芯片研究領域的一大突破，它向人們展示了用生物芯片制作縮微實驗室的可能。上述問題不僅是當前和今后一段時期內國內外基因芯片技術研究的焦點，同時也是基因芯片能否從實驗室研究推向臨床應用的關鍵問題。

基因芯片技術發展到今天不過短短幾年時間，雖然還存在這樣或那樣的問題，但其在基因表達譜分析、基因診斷、藥物篩選及序列分析等諸多領域已呈現出廣闊的應用前景，隨著研究的不斷深入和技術的更加完善基因芯片一定會在生命科學研究領域發揮出其非凡的作用。從某種意義上我們可以這樣認為：基因的結構或種類決定物種；基因的功能或表達則決定生命，即生物的生、老、病、死。基因芯片技術將為我們提供一條認識生命本質的捷徑。