本文作者：王占科 雷萬生 常津 單位：天津大學精密儀器與光電子工程學院生物醫學工程系 天津大學材料科學與工程學院納米生物技術研究所

生物芯片技術涉及分子生物學、生物材料學、微加工技術學、化學、物理、計算機等多學科和領域。它針對DNA、RNA、蛋白質及其他生物分子,將不連續的、離散的分析過程集成在一起,完成樣品預處理、親和結合反應以及信號檢測等過程,實現對成千上萬種生物分子的高通量檢測分析[1],在蛋白質組學及基因組學科研、疾病診斷和預警、藥物或手術療效判斷以及新藥開發、司法鑒定和食品安全等領域,均有廣闊的應用前景[2]。

1生物芯片分類

按生物芯片材料和支持物類型可分為固態生物芯片和液態生物芯片等。固態生物芯片按待測物質種類,又可分為蛋白質芯片和基因芯片。液態生物芯片技術,又稱Luminex技術[3],是以微球表面為支持物,最早的微球熒光顏色編碼液態生物芯片由美國Luminex公司生產開發。按生物芯片結構和制作特征,可分為微點陣(陣列)生物芯片、微流路生物芯片和芯片實驗室(lab-on-a-chip)。按照生物芯片編碼原理可分為固態平面坐標編碼生物芯片、微球顏色編碼液態生物芯片和微球阻抗編碼液態生物芯片。

2生物芯片研究現狀

2•1固態生物芯片研究現狀

固態生物芯片原理簡單,技術相對成熟,國內外的研究主要集中在應用領域的產品開發方面,并取得了一定的社會效益[2]。由中國博奧生物有限公司研發的多重等位基因特異性PCR通用芯片(allele-specificPCR-baseduni-versalarray,ASPUA),可在5h內完成與遺傳性耳聾相關的4種基因的檢測[4]。美國Sandia國家實驗室正在利用微流控芯片研制生化戰劑檢測儀器,已進入試驗階段[5]。

2•2液態生物芯片研究現狀

傳統液態生物芯片技術(微球熒光顏色編碼的液態生物芯片技術)將流式技術、熒光顏色編碼微球、激光、數字信號處理和傳統化學技術融合在一起,獲得了“2005年國際臨床診斷技術革新大獎”。基于此項技術平臺的美國Luminex公司制造的Luminex系列產品和由荷蘭控股QIA-GEN跨國公司生產的BioRobotLiquichip系列產品,已經通過該國的食品藥品管理局(FDA)認證。隨著近年來全世界科學家的不斷深入研究,微球熒光顏色編碼液態生物芯片技術性能越來越成熟,應用范圍越來越廣[6-7],是國內外研究的重點和熱點。2004年微球阻抗編碼液態生物芯片技術方法申請專利,2007年獲得中國發明專利[8],但其研究和開發目前幾乎是空白[9-10]。

3微球熒光顏色編碼液態生物芯片

3•1微球熒光顏色編碼液態生物芯片工作原理

微球熒光顏色編碼液態生物芯片包括診斷芯片試劑盒和芯片檢測設備兩部分[11],其工作原理為不同熒光顏色微球編碼不同待測物質,不同熒光顏色的微球表面攜帶的探針熒光強度代表不同待測物質的含量,通過顏色判讀和探針熒光強度檢測裝置以及軟件分析系統,自動分析同一份樣品中的不同待測物質含量。

3•2微球熒光顏色編碼液態生物芯片在生物醫學中的應用

3•2•1抗原類物質定量檢測各種微生物體、激素、腫瘤標記物、細胞因子等都屬于抗原類物質,Bellisario等[12]用液相芯片技術對新生兒血游離甲狀腺素4(T4)和促甲狀腺素(TSH)同時進行檢測,取得滿意效果。deJager等[13]基于液相芯片技術,檢測刺激后的人類外周血單核細胞分泌的15種細胞因子,顯示與ELISA法有較好的相關性。

3•2•2抗體類物質檢測檢測某些自身抗體對診斷自身免疫性疾病具有重要意義。Wong等[14]用液相芯片技術檢測人血清和腦積液中的抗西尼羅河病毒囊膜糖蛋白E的IgG和IgM抗體,血清和腦脊液用量明顯比ELISA法少,且測定速度明顯加快。Avaniss-Aghajani等[15]將液態生物芯片用于檢測984份標本的抗SSA、SSB、Sm、RNP、Scl270、dsDNA和抗著絲粒蛋白B(centromereproteinB,CENP-B)抗體,結果顯示與免疫熒光技術(immunofluores-cenceassay,IFA)和ELISA技術具有可比性。

3•2•3核酸類物質檢測檢測某種微生物特異的DNA或RNA,可以提示機體感染了某種微生物。此外,檢測機體某些基因(如SNP位點)改變以及這些基因的表達情況,可以對人體某種疾病進行預警和診斷。Diaz等[16]設計了16種針對馬拉色菌不同種屬的特異性捕獲DNA探針,分別共價結合在16種熒光顏色微球上,制作液態生物芯片用于馬拉色菌屬的準確鑒定。Lud等[17]將液態生物芯片技術用于不同分類癌癥的微小RNA(microRNA)表達譜檢測,結果表明在準確性、抗交叉反應性、線性范圍等方面均明顯優于固相芯片。

3•3微球熒光顏色編碼液態生物芯片的性能評價

微球熒光顏色編碼液態生物芯片具有重復性好,線性范圍寬,高通量,速度快,靈敏度高,特異性強,適用范圍廣,靈活性好等優點,其缺點包括:①檢測人血清特異性抗體時,檢測背景信號過高;②檢測通量尚無法滿足臨床診斷和科研需要;③檢測設備技術要求高;④不同熒光顏色微球不能永久保存;⑤價格昂貴。

4微球阻抗編碼液態生物芯片原理及研究前景

微球阻抗編碼液態生物芯片的設計原理包括:①不同阻抗微球編碼不同待測物質;②不同阻抗表面熒光強度代表不同待測物質的含量;③經過反應后的微球通過微球阻抗檢測(種類)和微球表面光信號強度檢測(定量)裝置,借助預存不同微球阻抗編碼與待測物質的對應關系以及已知濃度標準品與微球熒光強度的對應關系,理論上可對成千上萬種(趨于無限多)的待測物質進行平行檢測。除了可以對微球的熒光色彩進行編碼,還可對微球的其他特征進行編碼。微球阻抗編碼技術因其原創性,已經獲得中國知識產權保護,微球阻抗編碼液態生物芯片在編碼原理、檢測通量、靈敏度以及檢測裝置性能等方面,理論上可能優于微球熒光顏色編碼液態生物芯片,但需要人們進行不斷深入研究和開發,并給予確證[10]。有多少種不同阻抗的微球,就能編碼多少種不同的待測物質。微球從超導體到絕緣體,阻抗作為連續變量具有無限性,其大小信息理論上趨于無限多,這意味著微球阻抗編碼液態生物芯片檢測通量會遠遠大于微球熒光顏色編碼液態生物芯片。隨著不同阻抗微球研制技術和檢測技術的不斷發展,無限制通量微球阻抗編碼將成為可能,從而為研究生物醫學領域以及蛋白質組學涉及的成千上萬種蛋白質提供超強大的檢測工具[10]。