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淺談基因芯片工作原理
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發(fā)布時(shí)間：2016-10-28
基因芯片又稱DNA微陣列、DNA芯片,通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建成的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，能夠通過檢測(cè)基因的豐度來確定基因的表達(dá)模式和表達(dá)水平。由于常用硅芯片或玻片作為固相支持物,并且在制備過程中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù),所以稱為基因芯片技術(shù)。
基因芯片的工作原理是運(yùn)用已知核酸序列作為探針與互補(bǔ)的靶核苷酸序列進(jìn)行雜交,然后通過信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行定性和定量分析。與傳統(tǒng)的核酸雜交不同的是基因芯片是在微小的片基如硅片、玻片和塑料片等表面上集成了大量的核酸分子識(shí)別探針,能夠在同一時(shí)間內(nèi)平行分析大量的基因,進(jìn)行信息的篩選與檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品快速、并行、高效地進(jìn)行檢測(cè)或醫(yī)學(xué)診斷。
80年代初，科學(xué)家提出了固相核酸雜交的設(shè)想，英國科學(xué)家Bains首先對(duì)固相雜交DNA測(cè)序進(jìn)行了有益的探索。其后,俄羅斯、美國及英國的科學(xué)家分別報(bào)道了用雜交測(cè)定核酸序列的方法。人類基因組計(jì)劃點(diǎn)燃了基因芯片技術(shù)研發(fā)的第一波熱潮，在基因組計(jì)劃中,基因芯片技術(shù)的應(yīng)用代替了傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)序,同現(xiàn)有的手工測(cè)序和自動(dòng)測(cè)序相比,基因芯片測(cè)序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。
2011年，公開發(fā)表的基因芯片學(xué)術(shù)論文已超過10000篇，參與基因芯片研發(fā)和應(yīng)用的公司超過2000家?；蛐酒瑪y帶的信息量也由最早的少量核苷酸序列，發(fā)展到幾萬個(gè)基因位點(diǎn)。
基因芯片首選熒光染料作為標(biāo)記，主要是因?yàn)闊晒馊玖暇哂胁僮骱?jiǎn)便、高穩(wěn)定性、高靈敏度、高選擇性等特點(diǎn)。基因芯片的打印方式有兩種，即原位合成法和合成后交聯(lián)法。原位合成法需要預(yù)先設(shè)計(jì)、制造一系列掩膜，造價(jià)昂貴；合成后交聯(lián)法與原位合成法相比，成本低，交聯(lián)方便，只需要將預(yù)先制備好的樣品通過自動(dòng)點(diǎn)樣裝置點(diǎn)于經(jīng)過特殊處理的玻璃片或其他材料上即可。使用合成后交聯(lián)法可以在1cm2的芯片區(qū)域合成2,000,000探針，如果40種探針代表一個(gè)基因，就可以在一種芯片上合成相當(dāng)于五萬個(gè)基因位點(diǎn)。
基因芯片掃描儀采用熒光檢測(cè)，即利用激光激發(fā)摻入檢測(cè)點(diǎn)中的熒光生色基團(tuán)，讀取熒光報(bào)告基團(tuán)發(fā)出光信號(hào)，利用光電倍增管或電荷耦合器件(CCD)將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過軟件將電信號(hào)還原成為圖形或相關(guān)數(shù)據(jù)，最后通過分析所得數(shù)據(jù)給出檢測(cè)報(bào)告。目前商業(yè)化的基因芯片掃描儀主要有激光共聚焦芯片掃描儀和CCD芯片掃描儀兩大類，其中前者使用最為普遍。激光共聚焦芯片掃描儀采用激光作激發(fā)光源，使熒光生色基團(tuán)產(chǎn)生高強(qiáng)度的發(fā)射熒光，用光電倍增管進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度和分辨率較高，可檢測(cè)每平方微米零點(diǎn)幾個(gè)熒光分子。
基因芯片分析主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報(bào)告等環(huán)節(jié)。芯片掃描儀對(duì)生物芯片掃描后，得到代表熒光強(qiáng)度的電信號(hào)，通過偽彩處理形成數(shù)字圖像文件，因此必須經(jīng)過圖像處理提取各樣品點(diǎn)的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，此過程借助專業(yè)圖像分析軟件完成。圖像的提取過程包括：圖像的平滑過濾、圖像背景的確定、樣片斑點(diǎn)的識(shí)別、數(shù)據(jù)的提取、存貯與顯示等。
國內(nèi)基因芯片市場(chǎng)仍處于起步階段，還未形成產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用在科研領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模較小。主要的發(fā)展瓶頸有兩點(diǎn)：一是國內(nèi)基因芯片應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)不足，下游目標(biāo)用戶少，主要是各類科研機(jī)構(gòu)，功能集中于科研和技術(shù)的研發(fā)；二是基因芯片診斷成本較高，以華大基因已經(jīng)開始臨床的唐氏綜合癥診斷為例，單次檢測(cè)的費(fèi)用為幾千元，考慮到患者的承受能力，目前還無法大規(guī)模推廣。未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和檢測(cè)需求的增加，基因芯片技術(shù)的規(guī)模效應(yīng)將使其相對(duì)傳統(tǒng)方式存在優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)也將迎來產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)點(diǎn)。
基因芯片的工作原理是運(yùn)用已知核酸序列作為探針與互補(bǔ)的靶核苷酸序列進(jìn)行雜交,然后通過信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行定性和定量分析。與傳統(tǒng)的核酸雜交不同的是基因芯片是在微小的片基如硅片、玻片和塑料片等表面上集成了大量的核酸分子識(shí)別探針,能夠在同一時(shí)間內(nèi)平行分析大量的基因,進(jìn)行信息的篩選與檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品快速、并行、高效地進(jìn)行檢測(cè)或醫(yī)學(xué)診斷。
80年代初，科學(xué)家提出了固相核酸雜交的設(shè)想，英國科學(xué)家Bains首先對(duì)固相雜交DNA測(cè)序進(jìn)行了有益的探索。其后,俄羅斯、美國及英國的科學(xué)家分別報(bào)道了用雜交測(cè)定核酸序列的方法。人類基因組計(jì)劃點(diǎn)燃了基因芯片技術(shù)研發(fā)的第一波熱潮，在基因組計(jì)劃中,基因芯片技術(shù)的應(yīng)用代替了傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)序,同現(xiàn)有的手工測(cè)序和自動(dòng)測(cè)序相比,基因芯片測(cè)序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。
2011年，公開發(fā)表的基因芯片學(xué)術(shù)論文已超過10000篇，參與基因芯片研發(fā)和應(yīng)用的公司超過2000家?；蛐酒瑪y帶的信息量也由最早的少量核苷酸序列，發(fā)展到幾萬個(gè)基因位點(diǎn)。
圖表1基因芯片行業(yè)發(fā)展史
圖表2基因芯片的變化
圖表3基因芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)（單位：億美元）
基因芯片首選熒光染料作為標(biāo)記，主要是因?yàn)闊晒馊玖暇哂胁僮骱?jiǎn)便、高穩(wěn)定性、高靈敏度、高選擇性等特點(diǎn)。基因芯片的打印方式有兩種，即原位合成法和合成后交聯(lián)法。原位合成法需要預(yù)先設(shè)計(jì)、制造一系列掩膜，造價(jià)昂貴；合成后交聯(lián)法與原位合成法相比，成本低，交聯(lián)方便，只需要將預(yù)先制備好的樣品通過自動(dòng)點(diǎn)樣裝置點(diǎn)于經(jīng)過特殊處理的玻璃片或其他材料上即可。使用合成后交聯(lián)法可以在1cm2的芯片區(qū)域合成2,000,000探針，如果40種探針代表一個(gè)基因，就可以在一種芯片上合成相當(dāng)于五萬個(gè)基因位點(diǎn)。
基因芯片掃描儀采用熒光檢測(cè)，即利用激光激發(fā)摻入檢測(cè)點(diǎn)中的熒光生色基團(tuán)，讀取熒光報(bào)告基團(tuán)發(fā)出光信號(hào)，利用光電倍增管或電荷耦合器件(CCD)將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過軟件將電信號(hào)還原成為圖形或相關(guān)數(shù)據(jù)，最后通過分析所得數(shù)據(jù)給出檢測(cè)報(bào)告。目前商業(yè)化的基因芯片掃描儀主要有激光共聚焦芯片掃描儀和CCD芯片掃描儀兩大類，其中前者使用最為普遍。激光共聚焦芯片掃描儀采用激光作激發(fā)光源，使熒光生色基團(tuán)產(chǎn)生高強(qiáng)度的發(fā)射熒光，用光電倍增管進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度和分辨率較高，可檢測(cè)每平方微米零點(diǎn)幾個(gè)熒光分子。
基因芯片分析主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報(bào)告等環(huán)節(jié)。芯片掃描儀對(duì)生物芯片掃描后，得到代表熒光強(qiáng)度的電信號(hào)，通過偽彩處理形成數(shù)字圖像文件，因此必須經(jīng)過圖像處理提取各樣品點(diǎn)的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，此過程借助專業(yè)圖像分析軟件完成。圖像的提取過程包括：圖像的平滑過濾、圖像背景的確定、樣片斑點(diǎn)的識(shí)別、數(shù)據(jù)的提取、存貯與顯示等。
國內(nèi)基因芯片市場(chǎng)仍處于起步階段，還未形成產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用在科研領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模較小。主要的發(fā)展瓶頸有兩點(diǎn)：一是國內(nèi)基因芯片應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)不足，下游目標(biāo)用戶少，主要是各類科研機(jī)構(gòu)，功能集中于科研和技術(shù)的研發(fā)；二是基因芯片診斷成本較高，以華大基因已經(jīng)開始臨床的唐氏綜合癥診斷為例，單次檢測(cè)的費(fèi)用為幾千元，考慮到患者的承受能力，目前還無法大規(guī)模推廣。未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和檢測(cè)需求的增加，基因芯片技術(shù)的規(guī)模效應(yīng)將使其相對(duì)傳統(tǒng)方式存在優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)也將迎來產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)點(diǎn)。
