基因芯片的应用与展望

一、基因芯片产生背景

人类基因组计划(HGP)是人类为了认识自己而进行的一项最伟大和最具影响的研究计划。 人类基因组测序的“工作草图”即将向全球公布，预计在2003年完成全序列分析。此外，还测定了80万个cDNA片断(ESTs)，相当于4-5万个基因，占7-10万个人类总基因的50%左右。目前的问题是获得基因的序列信息后，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。不同个体基因变异、不同组织、不同时间、不同生命状态等基因表达差异的分析是连接基因组计划和蛋白组计划最关键的一个环节，它不仅能利用基因组计划的研究成果在疾病诊断、药物筛选等领域发挥重要的作用，而且还可为蛋白组计划的实施提供大量非常重要的线索。这一环节既是基因组计划的补充又是蛋白组计划的航标。基因芯片技术就是为实现这一环节而建立的。所谓基因芯片就是按特定的排列方式固定有大量基因探针/基因片段的硅片、玻片、塑料片。基因芯片技术是高效地大规模获取相关生物信息的主要手段。

二、基因芯片目前的应用

1 临床疾病诊断

基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤等疾病的临床诊断方面具有独特的优势。与传统检测方法相比，它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测；无需机体免疫应答反应，能及早诊断，待测样品用量小；能检测病原微生物的耐药性，病原微生物的亚型；极高的灵敏度和可靠性；检测成本低，自动化程度高，利于大规模推广应用。这些特点使得医务人员在短时间内，可以掌握大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措施。

2 药物筛选和新药开发

芯片技术具有高通量、大规模、平行性等特点可以进行新药的筛选，尤其对我国传统的中药有效成分进行筛选。目前，国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了基因芯片技术来寻找药物靶标，查检药物的毒性或副作用，用芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用时间，在基因组药学（pharmacogenomics）领域带动新药的研究和开发。

3 基因功能研究

在基因组学和后基因组学研究中，基因芯片也起到重要的作用。应用基因芯片可以开展DNA测序、基因表达检测、基因突变性、基因功能研究、寻找新基因、单核苷酸多态性（SNP）测定等研究。与传统的Northern blot杂交或点杂交方法相比，基因芯片技术具有大规模平行处理的能力。

4 环境保护

在环境保护上，基因芯片也广泛的用途，一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因，制备防治危害的基因工程药品、或能够治理污染源的基因产品。

5 农业和畜牧业

利用基因芯片技术，对有重要经济价值的农作物和水果等的基因组进行大规模高通量的研究，筛选农作物的基因突变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基因，以开发高技术含量、高附加值的新产品。也可利用基因芯片技术筛选、开发高效低毒的生物农药。

6 军事和司法

美国以有部分公司得到政府的资助开发生物战病原体检测系统。在司法领域，国外的公司正在开发便携式DNA芯片检测装置，它可以直接在犯罪现场对可能是疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行分析，并立刻与DNA罪犯指纹库系统存储的DNA“指纹”进行比较，以尽快、准确的破案。我国上海的司法部司法鉴定科学技术研究所第一个“罪犯DNA数据库”在99年9月7日通过了专家鉴定，利用DNA破案将成为一种重要的破案手段。另外，基因芯片还可作亲子鉴定等方面的工作。

7 其它

特殊设计的基因芯片还可用于基因扫描及基因文库作图等领域，也在商品检验检疫的工作中发挥重要的作用。

三、存在问题及发展前景

目前，国内外已经有许多从事DNA芯片研究的公司，每家公司的芯片技术都各具特色，应用目的也不尽相同。但要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术仍有一些关键问题亟待解决如(1)基因芯片的特异性的提高；(2)样品制备和标记操作的简化；(3)增加信号检测的灵敏度；(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发。对生物芯片研究人员来说，最终的研究目标是对分析的全过程实现全集成，即缩微芯片实验室（laboratory on a chip）。在芯片的功能集成方面，目前美国的Nanogen公司、Affymetrix公司、宾西法尼亚大学医学院和密歇根大学的科学家通过利用在芯片上制作出的加热器、阀门、泵、微量分析器、电化学检测器或光电子学检测器等，将样品制备、化学反应和检测三部分作了部分集成。1998年6月，Nanogen公司的科学家首次报道了用芯片实验室所实现的从样品制备到反应结果显示的全部分析过程。这个实验室的成功是生物芯片研究领域的一大突破，它向人们展示了用生物芯片制作缩微实验室的可能。上述问题不仅是当前和今后一段时期内国内外基因芯片技术研究的焦点，同时也是基因芯片能否从实验室研究推向临床应用的关键问题。

基因芯片技术发展到今天不过短短几年时间，虽然还存在这样或那样的问题，但其在基因表达谱分析、基因诊断、药物筛选及序列分析等诸多领域已呈现出广阔的应用前景，随着研究的不断深入和技术的更加完善基因芯片一定会在生命科学研究领域发挥出其非凡的作用。从某种意义上我们可以这样认为：基因的结构或种类决定物种；基因的功能或表达则决定生命，即生物的生、老、病、死。基因芯片技术将为我们提供一条认识生命本质的捷径。