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什么是基因芯片,有何应用价值?

2021-03-18 22:12:38 webadmin 2312

1. 什么是基因、什么是核酸?

就像建设每一座建筑都需要有一份设计图纸一样,每一个生命体(包括人,其它动物、植物、病毒、细菌等等)都是按照一份特殊的“蓝图”构筑的,这份特殊的蓝图就是基因。基因是带有生命遗传信息的生物分子,核酸是基因构成的基本结构。因此,基因一般上等同于核酸。不同的生命体虽然外表不同,基因或者核酸中遗传信息的含义不同,但是不同生命体却都具有基因(核酸)。因而,针对所有类型的生命体,都可以开发基于基因(核酸)的检测技术。

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2.什么是生物芯片?

生物芯片指的是,在一个支持载体上(如玻璃片或塑料片等),有序的固定许多生物大分子(如蛋白质、或基因片断、或组织、多糖等),形成一系列微小的点阵,根据生物分子的不同,可将生物芯片进一步分为基因芯片、蛋白芯片、组织芯片等。

生物芯片其实就是许多生物分子“小点”组成的微阵列,因此也简称为微阵列(Micro-array)。由于生物芯片上固定了许多检测目标不同的生物分子作为“探针”,因此可以在一次实验中检测大量的生物信息。生物芯片的上述特性与电子技术领域的芯片在处理信息的通量方面具有相似性,因此称为生物芯片。

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3.什么是基因芯片

基因芯片是生物芯片的一种,其本质是在一块载玻片上固定若干DNA作为检测生物信息的“探针”,用于高通量的检测待测基因的存在、含量、类型等信息。由于基因是最能代表生命信息的分子,而且基因可以在体外进行扩增检测,因此,基因芯片检测技术具备同时检测多种生物信息的“高通量”特性,以及高度的检测灵敏度和特异性。

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4.基因芯片的应用、发展现状及趋势

生物芯片最初诞生于科研领域,至今主要应用于科研领域。在生物学研究的诸多领域,如:基因表达谱分析,药物设计与药物筛选,基因功能研究,生物分类等方面具有广泛的应用。

在临床应用领域,基因芯片技术主要应用于以下几个领域:

(1)病原微生物检测:

利用基因芯片的高通量、高特异性和高灵敏度特性,对感染人体的病原体进行系统化的排查检测。一次检测即可摸清某一系统的病原体感染情况,为医生的诊疗提供指导。药测试的速度大大提高,成本大大降低。基因芯片药物筛选技术具有很大的潜在应用价值。

(2)个体化医疗:

临床上,同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用,而对病人丙则可能有副作用。在药物疗效与副作用方面,病人的反应差异很大。如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断,再开处方,就可对病人实施个体优化治疗。另一方面,在治疗中,很多同种疾病的具体病因是因人而异的,用药也应因人而异。例如乙肝有较多亚型,HBV基因的多个位点如S、P及C基因区易发生变异。若用乙肝病毒基因多态性检测芯片每隔一段时间就检测一次,这对指导用药防止乙肝病毒耐药性很有意义。

(3)遗传性疾病检测:

由人体自身基因发生缺陷或潜在缺陷往往可以遗传给自己的后代,这就是遗传性疾病。基因芯片能够快速准确的对一些常见遗传性疾病做出判断,帮助医生确定病因。

4)其他如肿瘤个体化治疗、基因耐药性分析等领域。

(5)疫情防控、检验检疫等领域。

5.基因芯片技术图解

1基因芯片矩阵图

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2基因芯片的制备及检测流程

  

    基因芯片试剂盒制备:根据需要,设计相应对应检测项目的DNA探针,单链探针长度为20-30nt,探针末端采用Oligo-dT柔性连+氨基(TTTTTTTTTT-NH2)修饰,以增强探针杂交自由度。化学合成后的探针经过脱盐、纯化、鉴定后,采用非接触式点样仪喷点于化学基团修饰的光学载玻片上,完成芯片制备。根据检测需要,将多重PCR的引物(上游引物为普通引物,下游引物5’末端使用荧光素Cy3化学修饰),热启动DNA聚合酶(RT-PCR体系需要包含逆转录酶),缓冲体系和反应底物按比例进行配制,制备试剂组份。基因芯片与扩增试剂组成完成检测系统。

  

    检测流程:临床采集标本,采用盐酸胍和蛋白酶K进行标本裂解,释放总核酸,用亲和离心柱将游离的核酸特异性的吸附下来,最后使用低盐高pH缓冲液将核酸洗脱。核酸模板加入配制好的PCR(RT-PCR)反应管中,在热循环仪中完成基因扩增。PCR扩增产物与杂交液混合后,滴加于芯片对应的反应区域内与芯片上的微阵列探针发生杂交反应。杂交完成后,通过芯片洗脱液将未结合的扩增产物洗掉并将芯片干燥。最后,将芯片放入激光扫描仪,以532nm激发波长进行激光扫描,扫描图谱经计算机的灰度分析转换为数据文件。数据文件包含的芯片探针坐标信息及灰度信息用于判断病原体检测结果或基因分型结果。

基因芯片的检测性能主要通过下列途径保障


    特异性:每个检测靶分子的扩增都是在特异性PCR引物引导下完成,引物特异性决定了检测的准确性。此外,扩增产物与芯片探针以碱基互补配对原则发生杂交,能够确保有效的扩增产物被准确识别。结合PCR扩增和探针杂交,基因芯片的检测特异性可达到98%以上。


    灵敏度:PCR技术的运用,使得待测分子数量被几何基数及放大,检测灵敏度大幅提升。通过荧光分子标记技术和激光扫描技术,能够将检测信号进一步放大,提升检测灵敏度。综合两项技术的应用,基因芯片检测灵敏度可达95%以上。


    质控:为保证基因芯片检测的可靠性,芯片上出了设计了用于相应检测项目的基因探针,同时还设立了用于质控的探针。芯片上设计的杂交对照探针(HC)用来评估芯片杂交反应是否正常,进而推断由于芯片质量问题,杂交条件变化等因素导致的杂交异常。芯片上设计的阳性对照探针(IC)用于检测临床标本采集的质量,以及整个标本核酸提取过程、PCR过程的可靠性,可以保证从标本采集到检测全过程试剂质量和实验操作质量。芯片上设置的阴性对照探针(NC)用于检测潜在的非特异性杂交,确保所有的杂交信号都来自特异性杂交,提高检测准确性。芯片上所有的质控探针都属于实验“内对照”,伴随每一份检测标本进行检验质量的控制,能够极大的提高检测的准确性。

    在芯片探针设计方面,每个检测位点均设置了三个平行检测探针,相当于每个检测实验平行进行三次,结果统计时,只有当其中的两个或两个以上检测结果一致时,才输出最终结果。平行检测探针的引入,可降低由于芯片生产等因素带来的检测偏差。


    基因芯片检测技术是目前生物学、生命科学领域最前沿的新兴检测技术,是生命科学领域发展的革命性成果,它可广泛应用于医疗、药物研究开发、农牧业、环保、生命科学等诸多领域,作为一个新兴行业,有着巨大的自身发展潜力。同时,由于生物芯片产业是多学科交叉产业,生物芯片产业的发展进步,将催生带动相关产业一同进步发展,如机械、电子、材料行业等,形成新的产业集群,推动社会、经济的新一轮前行。美国《财富》杂志载文指出,20世纪科技史上有两件事影响深远:一是微电子芯片,它是计算机和众多家电的心脏,改变了我们的经济和文化生活,并已进入每一个家庭;另一件事就是生物芯片,它将改变生命科学的研究方式,革新医学诊断和治疗,极大地提高人口素质和健康水平。如果说20世纪是属于微电子芯片时代的话,那么21世纪则是基因芯片的时代,基因芯片对人类的影响将超过微电子芯片。