第一节什么是生物芯片
1.生物芯片
什么是生物芯片呢？简单说，生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。生物芯片像花布一样五彩斑斓。
人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来。其实，生物芯片和电子芯片有着千丝万缕的联系，但是完全不同的两种东西。生物芯片并不等同于电子芯片，只是借用概念，它的原名叫“核酸微阵列”，因为它上面的反应是在交叉的纵列中所发生的。
芯片的概念取之于集成的概念，如电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西，集成在一起。生物芯片也是集成，不过是生物材料的集成。像实验室检测一样，在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同样的生物反应原理。所以生物芯片就是一个载体平台。这个平台的材料则有很多种，如硅、玻璃、膜（纤维素膜）等，还有一些三维结构的多聚体，平台上则密密麻麻地摆满了各种生物材料。芯片只是一个载体，做什么东西、检测什么，还是靠生物学家来完成。也就是说，原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应，现在被移至一张芯片上就同时发生了。
2.生物芯片技术世界发展史
生物芯片这一名词最早是在20世纪80年代初提出的，当时主要指分子电子器件。它是生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。美国海军实验室研究员卡特（Carter）等试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装，想构建微功能单元，实现信息的获取、贮存、处理和传输等功能。
用以研制仿生信息处理系统和生物计算机，从而产生了“分子电子学”，同时取得了一些重要进展：如分子开关、分子贮存器、分子导线和分子神经元等分子器件，更引起科学界关注的是建立了基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型。
3.生物芯片技术大事记
1992年人们运用半导体照相平板技术，对原位合成设备的DNA芯片作了首次报道，这是世界上第一块基因芯片。
1993年科研人员设计了一种寡核苷酸生物芯片。
1994年科学家又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析。
1996年人们灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片。
1995年，斯坦福大学布朗（P．Brown）实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。
2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元。
2000~2004年的5年内，在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元，2012年有可能上升为500亿美元，这还不包括用于疾病预防及诊治及其他领域中的基因芯片，部分预计比基因组研究用量还要大上100倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为21世纪最大的产业。
2004年3月，英国着名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost＆Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年已达到937亿美元。
纳侬市场（NanoMarkets）调研公司预测，以纳米器械作为解决方案的医疗技术2009年达到13亿美元，并将在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。
第二节生物芯片的分类和特点
生物芯片虽然只有十多年的历史，但包含的种类较多，分类方式和种类也没有完全统一。
1.根据用途分类
(1)生物电子芯片
用于生物计算机等生物电子产品的制造。
(2)生物分析芯片
用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。
前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。
2.根据作用方式分类
(1)主动式芯片
主动式芯片是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤进行集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。它主要包括微流体芯片(microftuidic chip)和缩微芯片实验室(labon chip，也叫“芯片实验室”，目前是生物芯片技术的高境界)。
(2)被动式芯片
被动式芯片即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。
3.根据固定在载体上的物质成分分类
(1)基因芯片
基因芯片(gene chip)又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA microarray)，是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。
(2)蛋白质芯片
蛋白质芯片(protein chip或protein microarray)是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。
(3)细胞芯片
细胞芯片(cell chip)是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间的相互影响或相互作用。
(4)组织芯片
组织芯片(tissue chip)是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。
4.生物芯片的主要特点
高通量。
微型化。
自动化。
载体材料及要求：作为载体必须是固体片状或者膜，表面带有活性基因，以便于连接并有效固定各种生物分子。目前制备芯片的固相材料有玻片、硅片、金属片、尼龙膜等。目前较为常用的支持材料是玻片，因为玻片适合多种合成方法，而且在制备芯片前对玻片的预处理也相对简单易行。
载体种类：玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝胶、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。
生物样品的制备：分离纯化，扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，并用荧光标记，才能与芯片进行反应。用DNA芯片做表达谱研究时，通常是将样品先抽提MRNA，然后反转录成cDNA。同时掺入带荧光标记的DCTP或DUTP。
芯片制备方法：包括原位合成和预合成后点样。
原位合成：适用于寡核苷酸，通过光引导蚀刻技术。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2等基因突变的基因芯片。
预合成后点样：是将提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因组DAN等通过特定的高速智能机器人直接点在芯片上。
该技术优点在于相对简易低廉，被国内外广泛使用。
接触式点样：是指打印针从多孔板取出样品后直接打印在芯片上。打印时针头与芯片接触。优点是探针密度高，通常1平方厘米可打印2500个探针；缺点是定量准确性及重现性不太好。
非接触式点样：针头与芯片保持一定距离。优点是定量准确重现性好；缺点是喷印的斑点大，密度低。通常1平方厘米只有400点。但是日本佳能公司能把喷印点直径大小由150~100微米降到30~25μm，将哺乳动物完整的基因组DNA点阵在一张芯片上成为可能。
5.生物芯片的使用寿命
按照美国生物芯片制备标准，使用寿命为10~15年。
第三节生物芯片的应用领域
1.基因诊断
从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。例如Affymetrix公司，把P53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成P53基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥作用。又如，Heller等构建了96个基因的cDNA微阵，用于检测分析风湿性关节炎（RA）相关的基因，以探讨DNA芯片在感染性疾病诊断方面的应用。
2.药物筛选
利用基因芯片分析用药前后肌体的不同组织、器官基因表达的差异。如果在cDNA表达文库得到的肽库制作肽芯片，则可以从众多的药物成分中筛选到起作用的部分物质。还有，利用RNA、单链DNA有很大的柔性，能形成复杂的空间结构，更有利于与靶分子相结合，可将核酸库中的RNA或单链DNA固定在芯片上，然后与靶蛋白孵育，形成蛋白质-RNA或蛋白质-DNA复合物，可以筛选特异的药物蛋白或核酸，因此芯片技术和RNA库的结合在药物筛选中将得到广泛应用。在寻找HIV药物中，Jellis等用组合化学合成及DNA芯片技术筛选了654536种硫代磷酸八聚核苷酸，并从中确定了具有XXG4XX样结构的抑制物，实验表明，这种筛选物对HIV感染细胞有明显阻断作用。生物芯片技术使得药物筛选、靶基因鉴别和新药测试的速度大大提高，成本大大降低。
3.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。这主要是由于病人遗传学上存在差异（单核苷酸多态性，SNP），导致对药物产生不同的反应。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。
基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。
研究人员用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%。用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在外显子约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之间，提示了二者在进化上的高度相似性。
4.生物信息学研究
人类基因组计划（CHGP)是人类为了认识自己而进行的一项伟大而影响深远的研究计划。目前的问题是面对大量的基因或基因片断序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正体现HGP计划的价值——破译人类基因这部天书。后基因组计划、蛋白组计划、疾病基因组计划等概念就是为实现这一目标而提出的。生物信息学将在其中扮演至关重要的角色。生物芯片技术就是为实现这一环节而建立的，使对个体生物信息进行高速、并行采集和分析成为可能，必将成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台，成为基因组信息学研究的主要技术支撑。生物芯片作为生物信息学的主要技术支撑和操作平台，其广阔的发展空间就不言而喻。
在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台，这从我国1999年3月国家科学技术部刚起草的《医药生物技术“十五”及2015年规划》中便可见一斑：规划所列15个关键技术项目中，就有8个项目（基因组学技术、重大疾病相关基因的分离和功能研究、基因药物工程、基因治疗技术、生物信息学技术、组合生物合成技术、新型诊断技术、蛋白质组学和生物芯片技术）要使用生物芯片。
生物芯片技术被单列作为一个专门项目进行规划。总之，生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。
