生物芯片技術(shù)名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

生物芯片技術(shù)第1頁(yè)生物芯片定義生物芯片(biochip)是將大量生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、組織切片和細(xì)胞等生物樣品制成探針，以預(yù)先設(shè)計(jì)方式有序地、高密度地排列在玻璃片或纖維膜等載體上，組成二維分子陣列，然后與已標(biāo)識(shí)待測(cè)生物樣品靶分子雜交，經(jīng)過(guò)檢測(cè)雜交信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品檢測(cè)，所以該技術(shù)一次能檢測(cè)大量目標(biāo)分子，從而實(shí)現(xiàn)了快速、高效、大規(guī)模、高通量、高度并行性技術(shù)要求;而且芯片技術(shù)研究結(jié)果含有高度特異性、敏感性和可重復(fù)性。因慣用玻片/硅片等材料作為固相支持物，且在制備過(guò)程中模擬計(jì)算機(jī)芯片制備技術(shù)，所以稱之為生物芯片技術(shù)。第2頁(yè)特點(diǎn)高通量效率高，成本也低并能防污染大量生命活動(dòng)信息以及許多不連續(xù)分析過(guò)程集成在一小片載體片上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞以及其它生物組分準(zhǔn)確、快速、并行和大信息量檢測(cè)和分析。能在秒計(jì)時(shí)間內(nèi)并行完成成千上萬(wàn)次生物化學(xué)反應(yīng)，眾多基因探針標(biāo)識(shí)、雜交等過(guò)程是在一次試驗(yàn)過(guò)程中完成，自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)客觀可靠。第3頁(yè)發(fā)展歷史1991年Affymatrix企業(yè)福德（Fodor）組織半導(dǎo)體教授和分子生物學(xué)教授共同研制出利用光蝕刻光導(dǎo)合成多肽；1992年利用半導(dǎo)體攝影平板技術(shù)，對(duì)原位合成制備DNA芯片作了首次報(bào)道，這是世界上第一塊基因芯片；1993年設(shè)計(jì)了一個(gè)寡核苷酸生物芯片；1994年又提出用光導(dǎo)合成寡核苷酸芯片進(jìn)行DNA序列快速分析；1995年，斯坦福大學(xué)布朗（P．Brown）試驗(yàn)室創(chuàng)造了第一塊以玻璃為載體基因微矩陣芯片。1996年靈活利用了攝影平板印刷、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒光標(biāo)識(shí)探針雜交等多學(xué)科技術(shù)創(chuàng)造了世界上第一塊商業(yè)化生物芯片；第4頁(yè)發(fā)展歷史，全世界生物芯片市場(chǎng)已達(dá)170億美元，用生物芯片進(jìn)行藥理遺傳學(xué)和藥理基因組學(xué)研究所包括世界藥品市場(chǎng)每年約1800億美元；2000-20五年內(nèi)，在應(yīng)用生物芯片市場(chǎng)銷售到達(dá)200億美元左右。20，僅美國(guó)用于基因組研究芯片銷售額即達(dá)50億美元，20有可能上升為400億美元，這還不包含用于疾病預(yù)防及診治及其它領(lǐng)域中基因芯片，部分預(yù)計(jì)比基因組研究用量還要大上百倍。所以，基因芯片及相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)將取代微電子芯片產(chǎn)業(yè)，成為二十一世紀(jì)最大產(chǎn)業(yè)。203月，英國(guó)著名咨詢企業(yè)弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)企業(yè)出版了關(guān)于全球芯片市場(chǎng)分析匯報(bào)《世界DNA芯片市場(chǎng)戰(zhàn)略分析》。匯報(bào)認(rèn)為，全球DNA生物芯片市場(chǎng)每年平均增加6.7%，年市場(chǎng)總值是5.96億美元，20將到達(dá)93.7億美元。納儂市場(chǎng)（NanoMarkets）調(diào)研企業(yè)預(yù)測(cè)，以納米器械作為處理方案醫(yī)療技術(shù)將在20到達(dá)13億美元，并在20增加到250億美元，而其中以芯片試驗(yàn)室最具發(fā)展?jié)摿?，市?chǎng)增加率最快。第5頁(yè)分類生物芯片技術(shù)是一個(gè)高通量檢測(cè)技術(shù)，其主要類型包含基因芯片(gene－chip)、蛋白質(zhì)芯片(protein－chip)、組織芯片(tissue－chip)和芯片試驗(yàn)室(lab－on－chip)等。第6頁(yè)基因芯片基因芯片又稱為DNA芯片(DNA－chip)，是基于核酸探針互補(bǔ)雜交技術(shù)原理研制。它是將大量寡核苷酸片段按預(yù)先設(shè)計(jì)排列方式固化在載體表面如硅片或玻片上，并以此為探針，在一定條件下與樣品中待測(cè)靶基因片段雜交，經(jīng)過(guò)檢測(cè)雜交信號(hào)強(qiáng)度及分布來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶基因信息快速檢測(cè)和分析。第7頁(yè)蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片與基因芯片原理類似，它是將大量預(yù)先設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子(如抗原或抗體等)或檢測(cè)探針固定在芯片上組成密集陣列，利用抗原與抗體、受體與配體、蛋白與其它分子相互作用進(jìn)行檢測(cè)。第8頁(yè)組織芯片組織芯片技術(shù)則是一個(gè)不一樣于基因芯片和蛋白芯片新型生物芯片。它是將許多不一樣個(gè)體小組織整齊地排布于一張載玻片上而制成微縮組織切片，從而進(jìn)行同一指標(biāo)(基因、蛋白)原位組織學(xué)研究。第9頁(yè)芯片試驗(yàn)室所謂試驗(yàn)室就是一個(gè)功效集成。在普通試驗(yàn)室，檢側(cè)、分析等是分成不一樣時(shí)驟進(jìn)行，芯片試驗(yàn)室就是把全部步驟聚在一起，也是有形，只是把這些功效微縮到一個(gè)小平臺(tái)上。生物檢測(cè)三大步驟:樣品處理、生物反應(yīng)、反應(yīng)檢測(cè)，在以前，是由不一樣機(jī)器做，最終才得出結(jié)果。芯片試驗(yàn)室則是把這三大步驟濃縮到一個(gè)平臺(tái)上做，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)無(wú)需知道中間步驟，是一個(gè)微型自動(dòng)化過(guò)程。第10頁(yè)生物芯片技術(shù)主要步驟芯片制備:微點(diǎn)陣樣品制備：DNA提純、擴(kuò)增、標(biāo)識(shí)雜交：樣本與互補(bǔ)模板形成雙鏈檢測(cè)：共聚焦掃描、雙色激光數(shù)據(jù)處理:定量軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、RNA印跡等結(jié)果第11頁(yè)生物芯片技術(shù)步驟第12頁(yè)芯片制備原位合成法（insitusynthesis):有又可分為原位光控合成法和原位標(biāo)準(zhǔn)試劑合成法。適合用于寡核苷酸，適用光引導(dǎo)化學(xué)原位合成技術(shù)。是當(dāng)前制造高目睹寡核苷酸最為成功方法合成后交聯(lián)（post-syntheticattachment):利用手工活自動(dòng)點(diǎn)樣裝置將預(yù)先制備好寡核苷酸或cDNA樣品在經(jīng)特殊處理過(guò)玻片或其它材料上。主要用于診療、檢測(cè)病原體及其它特殊要求中、低密度芯片制備。第13頁(yè)兩種制備方法比較原位合成:測(cè)序、查明點(diǎn)突變高密度、依據(jù)已知DNA編制程序制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不能測(cè)定位置DNA序列合成后交聯(lián):比較分析制備方式直接和簡(jiǎn)單，點(diǎn)樣樣品課事先純化，交聯(lián)方式多樣，可設(shè)計(jì)和制備符合自己需要芯片。中、低密度，樣品浪費(fèi)較多且制備前需儲(chǔ)存大量樣品。第14頁(yè)雜交是芯片技術(shù)中除方陣構(gòu)建外最主要一步—液相中探針與DNA片段按堿基配對(duì)規(guī)則形成雙鏈反應(yīng)?！x擇雜交條件時(shí)，必須滿足檢測(cè)時(shí)靈敏度和特異性。使能檢測(cè)到低豐度基因，且能確保每條探針都能與互補(bǔ)模板雜交。—適合長(zhǎng)度DNA有利于與探針雜交?！獪囟?、非特異性本底等均會(huì)影響雜交結(jié)果?！罱K在封閉循環(huán)條件下雜交。第15頁(yè)樣品制備制備高質(zhì)量樣本是困難不過(guò)又是極其主要。制備細(xì)胞、組織或整個(gè)器官樣本應(yīng)尤其小心。溫度、激素和營(yíng)養(yǎng)環(huán)境、遺傳背景、組織成份等輕微改變都會(huì)使基因表示結(jié)果發(fā)生顯著改變。用于基因類型分析樣本是DNA，用于表示研究樣本是cRNA。樣本制備后應(yīng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通常為酶標(biāo)識(shí)、熒光標(biāo)識(shí)和核素標(biāo)識(shí)。第16頁(yè)結(jié)果分析

芯片與標(biāo)識(shí)靶DNA或RNA雜交后，或與標(biāo)識(shí)靶抗原或抗體結(jié)合后，可采取以下分析處理數(shù)據(jù)：共聚焦掃描儀：應(yīng)用最廣，重復(fù)性好但靈敏度較低。質(zhì)譜法：快速、準(zhǔn)確，可準(zhǔn)確判斷是否存在基因突變和準(zhǔn)確判斷基因序列位置。探針合成較復(fù)雜?；瘜W(xué)發(fā)光、光導(dǎo)纖維、二極管方陣檢測(cè)、直接電荷改變檢測(cè)等第17頁(yè)基因組研究醫(yī)學(xué)研究藥學(xué)研究新藥開發(fā)疾病診療健康預(yù)測(cè)疾病治療司法判定軍事防護(hù)食品衛(wèi)生生物計(jì)算機(jī)農(nóng)林牧漁環(huán)境保護(hù)商檢

生物芯片

生物芯片應(yīng)用前景第18頁(yè)1.生物芯片在環(huán)境生物學(xué)中應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)主要研究環(huán)境污染引發(fā)生態(tài)效應(yīng)、生物或生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污染凈化功效,從而利用生物對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)原理和方法以及自然保護(hù)等。如今,生物芯片在環(huán)境微生物檢測(cè)中應(yīng)用較多。環(huán)境微生物是反應(yīng)環(huán)境質(zhì)量主要物質(zhì),微生物廣泛存在于水、大氣和土壤中。生物芯片可用于進(jìn)行土壤及水中微生物檢測(cè)及研究環(huán)境微生物與宿主關(guān)系,及分析蛋白質(zhì)表示情況等。第19頁(yè)1.1檢測(cè)土壤微生物及判定微生物群落

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家試驗(yàn)室JizhongZhou等分別構(gòu)建了世界上第一塊用于土壤環(huán)境檢測(cè)功效基因芯片和用于微生物群落判定群落基因組芯片(http://)。張于光等與JizhongZhou等進(jìn)行合作,利用Zhou等研制環(huán)境檢測(cè)功效基因芯片,對(duì)青藏高原和秦嶺地域土壤微生物相關(guān)功效基因多態(tài)性和在全球氣候改變中響應(yīng)進(jìn)行了研究,該芯片含有固氮、硝化、去硝化等2704個(gè)基因,這是我國(guó)首次利用基因芯片進(jìn)行這類研究。Jack等則經(jīng)過(guò)使用通用引物擴(kuò)增細(xì)菌核糖體16SrRNA,并將擴(kuò)增產(chǎn)物與含有探針低密度芯片進(jìn)行雜交,從而直接檢測(cè)判定土壤中微生物。第20頁(yè)1.2研究微生物和宿主關(guān)系Belcher等用cRNA芯片研究了被感染呼吸道上皮細(xì)胞及細(xì)胞百日咳桿菌基因表示改變,這開辟了研究環(huán)境微生物與宿主關(guān)系新道路。第21頁(yè)1.3檢測(cè)水中微生物德國(guó)一家主要水管理企業(yè)現(xiàn)投資850萬(wàn)歐元與芯片企業(yè)共同開發(fā)用生物芯片檢測(cè)公共飲用水中微生物。生物芯片能夠提供信息量十分巨大,能夠比常規(guī)方法檢測(cè)更各種微生物并可檢測(cè)微生物遺傳指紋,準(zhǔn)確可靠,能夠在4h內(nèi)得出結(jié)果,費(fèi)用比常規(guī)方法低10倍。能夠形成一個(gè)比現(xiàn)有水質(zhì)控制更有效,快速和價(jià)廉檢測(cè)技術(shù)。Taroncher-Oldenburg利用70mer長(zhǎng)寡核苷酸作為探針來(lái)檢測(cè)河水、海灣等環(huán)境中氮循環(huán)基因多樣性,這些基因包含amoA,nifH,nirK和nirS等。第22頁(yè)2.生物芯片在環(huán)境毒理學(xué)中應(yīng)用

生物芯片中基因芯片在環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多。已問(wèn)世專門用于環(huán)境毒理學(xué)檢測(cè)毒理學(xué)芯片能夠快速大規(guī)模檢測(cè)污染源及環(huán)境毒物、研究環(huán)境毒物對(duì)人體影響以及進(jìn)行低劑量毒物試驗(yàn)等。其可靠性高,使用簡(jiǎn)單,有很好應(yīng)用前景。第23頁(yè)2.1用于環(huán)境毒物檢測(cè)美國(guó)國(guó)立環(huán)境衛(wèi)生研究院(VIEHS)已開發(fā)了出檢測(cè)環(huán)境有毒物毒理芯片。Bartosiewicz等則利用DNA芯片對(duì)環(huán)境毒物進(jìn)行了檢測(cè)。Pennie等構(gòu)建了毒理芯片,對(duì)基因芯片技術(shù)應(yīng)用于毒性機(jī)制和毒性預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。第24頁(yè)2.2用于環(huán)境毒物對(duì)人體影響研究美國(guó)國(guó)家環(huán)境健康研究所毒理芯片研究小組擬計(jì)劃將生物芯片技術(shù)用于測(cè)定暴露于人類天然和合成化合物及化學(xué)混合物相對(duì)安全性。Amundson等應(yīng)用cDNA微區(qū)分技術(shù)研究了放射性照射及有機(jī)毒劑對(duì)人骨髓細(xì)胞基因表示譜影響。GeneLogic企業(yè)芯片F(xiàn)low-thruChip已經(jīng)試投入商業(yè)利用,可用以檢測(cè)藥品和毒物對(duì)生物體影響,他們還建立了龐大基因表示數(shù)據(jù)庫(kù),能夠用于藥品靶點(diǎn)確認(rèn)和毒性預(yù)測(cè)(http:///geneexp.asp);Syngenta企業(yè)和AstraZenecaPharmaceuticals企業(yè)科學(xué)家設(shè)計(jì)制作了被稱為ToxBlotarraysDNA芯片,其第代產(chǎn)品ToxBlotⅡ含有大約13000人基因,包含了全部毒理學(xué)家感興趣基因家族和信號(hào)通路;美國(guó)化學(xué)工業(yè)毒物研究所(ChemicalIndustryInstituteofToxicology)中專門有一個(gè)工作小組用微陣列技術(shù)研究一些致癌毒物對(duì)人體作用(http:///toxicogenomics/construction.html)。第25頁(yè)3.生物芯片在分子生態(tài)學(xué)中應(yīng)用分子生態(tài)學(xué)是應(yīng)用分子生物學(xué)原理和方法來(lái)碩士命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用生態(tài)機(jī)理及其分子機(jī)制科學(xué)。當(dāng)前,基因芯片已應(yīng)用到該領(lǐng)域中,用于研究植被在生理適應(yīng)、形態(tài)分化方面分子基礎(chǔ),以及植被等在逆境條件下基因表示改變。瑞士Syngenta企業(yè)以自己開發(fā)水稻20k單色水稻芯片為基礎(chǔ),對(duì)水稻灌漿期基因表示進(jìn)行了研究。發(fā)覺(jué)水稻中與產(chǎn)量形成碳水化臺(tái)物積累、蛋白儲(chǔ)存、脂肪代謝等關(guān)鍵代謝路徑中基因表示含有協(xié)調(diào)一致性。Kawasaki等就用cDNA芯片對(duì)水稻在鹽脅迫最初時(shí)相內(nèi)表示譜做了研究。楊傳平等以檉柳(T.androssowii)為研究對(duì)象,經(jīng)過(guò)基因芯片技術(shù)研究了NaHCO3脅迫前后檉柳基因差異表示情況,為深入研究其抗鹽機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。第26頁(yè)3.1生物芯片在環(huán)境醫(yī)學(xué)中應(yīng)用環(huán)境醫(yī)學(xué)是研究環(huán)境與人群健康關(guān)系,尤其是研究環(huán)境污染對(duì)人群健康有害影響及其預(yù)防一門科學(xué)。如今,生物芯片技術(shù)已在環(huán)境流行病學(xué)、職業(yè)病研究和環(huán)境醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。第27頁(yè)3.2應(yīng)用于環(huán)境流行病學(xué)周琦等以SARS冠狀病毒TOR2株序列為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),研制出用于檢測(cè)SARS病毒全基因芯片,芯片探針長(zhǎng)度為70nt,相鄰探針序列重復(fù)25nt,共660條病毒探針,覆蓋了SARS冠狀病毒全部序列,應(yīng)用該基因芯片對(duì)病人、出人境食品、動(dòng)植物及其產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明基因芯片技術(shù)檢測(cè)SARS冠狀病毒靈敏度高、特異性強(qiáng),而且準(zhǔn)確、快速。吳海等以HBV、HVC高度保守片段為探針成功制作了乙、丙型肝炎病毒雙檢基因芯片,可望應(yīng)用于臨床。趙偉等將PCR產(chǎn)物用點(diǎn)樣儀點(diǎn)于玻片介質(zhì)上,制成芯片,檢測(cè)40例乙肝患者血清乙肝病毒,準(zhǔn)確率達(dá)80%。第28頁(yè)3.3應(yīng)用于環(huán)境醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)孟紫強(qiáng)等探討了SO2分子毒作用機(jī)制,經(jīng)過(guò)采取