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  教學(xué)的規(guī)劃 2006-01-13 00:00:00

  “微處理器在本世紀(jì)使我們的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本改變，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式。然而，生物芯片給人類帶來的影響可能會更大，它可能從根本上改變醫(yī)學(xué)行為和我們的生活質(zhì)量，從而改變世界的面貌 ”。 一、生物芯片與基因芯片 生物芯片技術(shù)是通過縮微技術(shù)，根據(jù)分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、基因及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以將生物芯片劃分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。生物芯片技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器檢測方法相比具有高通量、微型化、自動化、成本低、防污染等特點。按照生物芯片的制作技術(shù)，可以將生物芯片劃分為微矩陣和原位合成芯片。鑒于生物芯片技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，美國科學(xué)促進(jìn)會將生物芯片評為1998年的十大科技突破之一，認(rèn)為生物芯片技術(shù)將是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科學(xué)技術(shù)革命。 目前，Z成功的生物芯片形式是以基因序列為分析對象的“微陣列(microarray)”，也被稱為基因芯片(Gene chip)DNA芯片(DNA chip)。按照載體上點的DNA種類的不同，基因芯片可分為寡核苷酸和cDNA兩種芯片。按照基因芯片的用途可分為表達(dá)譜芯片、診斷芯片、指紋圖譜芯片、測序芯片、毒理芯片等等。早在八十年代初期，Bains等人就用雜交的方法對固定在支持物上的短DNA片段進(jìn)行序列測定?；蛐酒夹g(shù)從實驗階段走向工業(yè)化是得益于其他技術(shù)的引入，如激光共聚焦顯微技術(shù)、探針固相原位合成技術(shù)與照相平板印刷技術(shù)的結(jié)合和雙色熒光探針雜交系統(tǒng)的建立。90年代初期人類基因組計劃（Human Genome Project， HGP）和分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也為基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展提供了有利條件。1992年，Affymatrix公司Fodor領(lǐng)導(dǎo)的小組運(yùn)用半導(dǎo)體照相平板技術(shù)，對原位合成制備的DNA芯片作了首次報道，這是世界上diyi塊基因芯片。1995年，Stanford大學(xué)的P.Brown實驗室發(fā)明了diyi塊以玻璃為載體的基因微矩陣芯片。標(biāo)志著基因芯片技術(shù)進(jìn)入了廣泛研究和應(yīng)用的時期。 二、制備基因芯片的必要條件 1、靶基因 用于芯片點樣的是靶基因。靶基因可分為染色體DNA（或基因組DNA）、cDNA（或人工合成DNA）。目前，以cDNA的研究為主，因為cDNA是染色體上編碼蛋白質(zhì)的DNA序列，有YL和其他領(lǐng)域的研究價值和商業(yè)價值。 2、制備技術(shù) 基因芯片的制備綜合了生命科學(xué)、化學(xué)染料、微電子技術(shù)、激光、統(tǒng)計學(xué)等領(lǐng)域的前沿技術(shù)，主要包括芯片的制備（選擇點樣儀和玻片、靶基因的擴(kuò)增和固定）、雜交探針的制備（mRNA的抽提、mRNA的逆轉(zhuǎn)錄、PCR和探針熒光標(biāo)記）、雜交條件的優(yōu)化技術(shù)（雜交液、雜交條件和洗滌條件的選擇）和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。其中，基因芯片的制備主要依賴于微細(xì)加工（microfabrication）、自動化（automatism）及化學(xué)合成技術(shù)。通常比較典型的DNA芯片制備方法有3種：（1）原位合成法（in situ synthesis） 以Affymetrix公司開發(fā)的光引導(dǎo)原位合成法為代表（2）合成點樣法 又根據(jù)是否與芯片的表面接觸分為化學(xué)噴射法和接觸式點涂法，分別以Incyte Pharmaceutical公司和Stanford大學(xué)為代表（3）壓電法 通過使用4支分別裝有A、T、G、C核苷的壓電噴頭在芯片上作原位DNA探針合成。 三、基因芯片技術(shù)簡介 基因芯片技術(shù)主要包括四個主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應(yīng)和信號檢測和結(jié)果分析。 1、芯片制備-目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還需要使用機(jī)器人技術(shù)。以便能快速、準(zhǔn)確地將探針放置到芯片上的指定位置。 2、樣品制備-生物樣品往往是復(fù)雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應(yīng)，有時樣品的量很小。所以，必須將樣品進(jìn)行提取、擴(kuò)增，獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA、RNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。 3、雜交反應(yīng)-雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品與芯片上的探針進(jìn)行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過程。選擇合適的反應(yīng)條件能使生物分子間反應(yīng)處于Z佳狀況中，減少生物分子之間的錯配率。 4、信號檢測和結(jié)果分析-雜交反應(yīng)后的芯片上各個反應(yīng)點的熒光位置、熒光強(qiáng)弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關(guān)軟件可以分析圖像，將熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，即可以獲得有關(guān)生物信息。 基因芯片技術(shù)發(fā)展的Z終目標(biāo)是將從樣品制備、雜交反應(yīng)到信號檢測的整個分析過程集成化以獲得微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical system）或稱縮微芯片實驗室（laboratory on a chip）。使用縮微芯片實驗室，就可以在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時間完成從原始樣品到獲取所需分析結(jié)果的全套操作。 四、基因芯片的應(yīng)用及其商業(yè)價值 目前，基因芯片技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要有基因表達(dá)譜分析、新基因發(fā)現(xiàn)、基因突變及多態(tài)性分析、基因組文庫作圖、疾病診斷和預(yù)測、藥物篩選、基因測序等。另外基因芯片在農(nóng)業(yè)、食品監(jiān)督、環(huán)境保護(hù)、司法鑒定等方面都將作出重大貢獻(xiàn)。 基因芯片的飛速發(fā)展引起世界各國的廣泛關(guān)注和重視。 鑒于基因芯片的巨大潛力和誘人的前景，基因芯片已成為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究和開發(fā)的熱點。尤其在美國，正處于人類基因組計劃以來的第二次浪潮之中，美國總統(tǒng)克林頓在1998年1月的國情咨文中指出：“在未來的12年內(nèi)，基因芯片將為我們一生的疾病預(yù)防指點迷津”。1998年6月29日美國宣布正式啟動基因芯片計劃，聯(lián)合私人投資機(jī)構(gòu)投入了20億美元以上的研究經(jīng)費(fèi)。世界各國也開始加大投入，以基因芯片為核心的相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在崛起，目前美國已有8家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上漲75％，專家今統(tǒng)計：目前生物芯片工業(yè)產(chǎn)值為10億美元左右，預(yù)計今后5年之內(nèi)，生物芯片的市場銷售可達(dá)到200億美元以上。美國財富雜志載文：在20世紀(jì)科技史上有兩件事影響深遠(yuǎn)，一是微電子芯片，它是計算機(jī)和許多家電的心臟，它改變了我們的經(jīng)濟(jì)和文化生活，并已進(jìn)入每一個家庭；另一件事就是生物芯片它將改變生命科學(xué)的研究方式，革新醫(yī)學(xué)診斷和ZL，極大地提高人口素質(zhì)和健康水平。鑒于生物芯片技術(shù)具有巨大理論意義和實際價值，基因芯片研究在國內(nèi)也有了很快的發(fā)展，例如，復(fù)旦大學(xué)、中科院上海冶金所、清華大學(xué)、聯(lián)合基因有限公司、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中科院上海細(xì)胞所等單位已在生物芯片技術(shù)方面取得了較大突破，相信不久將有我國生產(chǎn)的生物芯片產(chǎn)品投放市場。 總之，以基因芯片為代表的生物芯片技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，將對21世紀(jì)人類生活和健康產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。

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