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淺談基因芯片工作原理
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newstime:2016-10-28
基因芯片又稱DNA微陣列、DNA芯片,通過微加工技術和微電子技術在固體芯片表面構建成的微型生物化學分析系統(tǒng)，能夠通過檢測基因的豐度來確定基因的表達模式和表達水平。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用了計算機芯片的制備技術,所以稱為基因芯片技術。
基因芯片的工作原理是運用已知核酸序列作為探針與互補的靶核苷酸序列進行雜交,然后通過信號檢測進行定性和定量分析。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別探針,能夠在同一時間內平行分析大量的基因,進行信息的篩選與檢測,實現(xiàn)對生物樣品快速、并行、高效地進行檢測或醫(yī)學診斷。
80年代初，科學家提出了固相核酸雜交的設想，英國科學家Bains首先對固相雜交DNA測序進行了有益的探索。其后,俄羅斯、美國及英國的科學家分別報道了用雜交測定核酸序列的方法。人類基因組計劃點燃了基因芯片技術研發(fā)的第一波熱潮，在基因組計劃中,基因芯片技術的應用代替了傳統(tǒng)的自動測序,同現(xiàn)有的手工測序和自動測序相比,基因芯片測序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。
2011年，公開發(fā)表的基因芯片學術論文已超過10000篇，參與基因芯片研發(fā)和應用的公司超過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)展到幾萬個基因位點。
基因芯片首選熒光染料作為標記，主要是因為熒光染料具有操作簡便、高穩(wěn)定性、高靈敏度、高選擇性等特點?；蛐酒拇蛴》绞接袃煞N，即原位合成法和合成后交聯(lián)法。原位合成法需要預先設計、制造一系列掩膜，造價昂貴；合成后交聯(lián)法與原位合成法相比，成本低，交聯(lián)方便，只需要將預先制備好的樣品通過自動點樣裝置點于經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種探針代表一個基因，就可以在一種芯片上合成相當于五萬個基因位點。
基因芯片掃描儀采用熒光檢測，即利用激光激發(fā)摻入檢測點中的熒光生色基團，讀取熒光報告基團發(fā)出光信號，利用光電倍增管或電荷耦合器件(CCD)將其轉化為電信號，然后通過軟件將電信號還原成為圖形或相關數(shù)據(jù)，最后通過分析所得數(shù)據(jù)給出檢測報告。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，使熒光生色基團產生高強度的發(fā)射熒光，用光電倍增管進行檢測，靈敏度和分辨率較高，可檢測每平方微米零點幾個熒光分子。
基因芯片分析主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報告等環(huán)節(jié)。芯片掃描儀對生物芯片掃描后，得到代表熒光強度的電信號，通過偽彩處理形成數(shù)字圖像文件，因此必須經過圖像處理提取各樣品點的數(shù)據(jù)，才能進行統(tǒng)計分析，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、樣片斑點的識別、數(shù)據(jù)的提取、存貯與顯示等。
國內基因芯片市場仍處于起步階段，還未形成產業(yè)化，主要應用在科研領域，市場規(guī)模較小。主要的發(fā)展瓶頸有兩點：一是國內基因芯片應用領域開發(fā)不足，下游目標用戶少，主要是各類科研機構，功能集中于科研和技術的研發(fā)；二是基因芯片診斷成本較高，以華大基因已經開始臨床的唐氏綜合癥診斷為例，單次檢測的費用為幾千元，考慮到患者的承受能力，目前還無法大規(guī)模推廣。未來隨著技術的不斷進步和檢測需求的增加，基因芯片技術的規(guī)模效應將使其相對傳統(tǒng)方式存在優(yōu)勢，國內也將迎來產業(yè)的爆發(fā)點。
基因芯片的工作原理是運用已知核酸序列作為探針與互補的靶核苷酸序列進行雜交,然后通過信號檢測進行定性和定量分析。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別探針,能夠在同一時間內平行分析大量的基因,進行信息的篩選與檢測,實現(xiàn)對生物樣品快速、并行、高效地進行檢測或醫(yī)學診斷。
80年代初，科學家提出了固相核酸雜交的設想，英國科學家Bains首先對固相雜交DNA測序進行了有益的探索。其后,俄羅斯、美國及英國的科學家分別報道了用雜交測定核酸序列的方法。人類基因組計劃點燃了基因芯片技術研發(fā)的第一波熱潮，在基因組計劃中,基因芯片技術的應用代替了傳統(tǒng)的自動測序,同現(xiàn)有的手工測序和自動測序相比,基因芯片測序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。
2011年，公開發(fā)表的基因芯片學術論文已超過10000篇，參與基因芯片研發(fā)和應用的公司超過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)展到幾萬個基因位點。
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基因芯片市場規(guī)模預計（單位：億美元）
基因芯片首選熒光染料作為標記，主要是因為熒光染料具有操作簡便、高穩(wěn)定性、高靈敏度、高選擇性等特點?；蛐酒拇蛴》绞接袃煞N，即原位合成法和合成后交聯(lián)法。原位合成法需要預先設計、制造一系列掩膜，造價昂貴；合成后交聯(lián)法與原位合成法相比，成本低，交聯(lián)方便，只需要將預先制備好的樣品通過自動點樣裝置點于經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種探針代表一個基因，就可以在一種芯片上合成相當于五萬個基因位點。
基因芯片掃描儀采用熒光檢測，即利用激光激發(fā)摻入檢測點中的熒光生色基團，讀取熒光報告基團發(fā)出光信號，利用光電倍增管或電荷耦合器件(CCD)將其轉化為電信號，然后通過軟件將電信號還原成為圖形或相關數(shù)據(jù)，最后通過分析所得數(shù)據(jù)給出檢測報告。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，使熒光生色基團產生高強度的發(fā)射熒光，用光電倍增管進行檢測，靈敏度和分辨率較高，可檢測每平方微米零點幾個熒光分子。
基因芯片分析主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報告等環(huán)節(jié)。芯片掃描儀對生物芯片掃描后，得到代表熒光強度的電信號，通過偽彩處理形成數(shù)字圖像文件，因此必須經過圖像處理提取各樣品點的數(shù)據(jù)，才能進行統(tǒng)計分析，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、樣片斑點的識別、數(shù)據(jù)的提取、存貯與顯示等。
國內基因芯片市場仍處于起步階段，還未形成產業(yè)化，主要應用在科研領域，市場規(guī)模較小。主要的發(fā)展瓶頸有兩點：一是國內基因芯片應用領域開發(fā)不足，下游目標用戶少，主要是各類科研機構，功能集中于科研和技術的研發(fā)；二是基因芯片診斷成本較高，以華大基因已經開始臨床的唐氏綜合癥診斷為例，單次檢測的費用為幾千元，考慮到患者的承受能力，目前還無法大規(guī)模推廣。未來隨著技術的不斷進步和檢測需求的增加，基因芯片技術的規(guī)模效應將使其相對傳統(tǒng)方式存在優(yōu)勢，國內也將迎來產業(yè)的爆發(fā)點。
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