生物芯片技術-PPT課件

1、生物芯片技術了解生物芯片的功能，及其醫(yī)學研究領域中的作用，以及生物芯片技術的最新進展。熟悉生物芯片的種類及其作用，基因芯片、蛋白芯片和微縮芯片實驗室的原理及其制備方法。掌握基因芯片的工作原理、制備方法及其在臨床診斷中的意義。第一節(jié) 生物芯片概述第二節(jié) 基因芯片第三節(jié) 蛋白芯片第四節(jié) 芯片實驗室第一節(jié) 生物芯片概述一、生物芯片的定義二、生物芯片的特點及分類三、生物芯片在醫(yī)學中的應用概況與前景一、生物芯片的定義 指在一塊大不上不等（一般約12cm2）的載體材料上，以大規(guī)模陣列的形式排布了不同的生物分子探針，形成可與目的靶分子相互作用，并行反應的固相表面。將芯片與熒光標記的靶分子進行化學反應（如雜交

2、、免疫反應等），經(jīng)過激發(fā)光掃描后，不同反應強度的標記熒光將呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射譜征。用激光共聚焦顯微掃描儀或CCD相機收集信號后，經(jīng)計算機分析數(shù)據(jù)結果，從而獲得相關的生物信息。二、生物芯片的特點高通量、集成化、并行化和微型化生物芯片的分類生物芯片點陣型芯片實驗室芯片DNA芯片蛋白芯片細胞芯片反應器芯片流體芯片純化芯片三、生物芯片在醫(yī)學中的應用分子生物學、生物進化（生物起源及新物種鑒定）生物醫(yī)學（新藥的篩選與合成，疾病診斷和治療，如癌癥、早年性癡呆癥等的病因研究）農(nóng)林科學（農(nóng)作物育種改良、食品衛(wèi)生監(jiān)督、微生物檢測）環(huán)境科學生化武器偵檢司法鑒定等第二節(jié) 基因芯片一、基因芯片的原理二、基因芯片技術三、

3、基因芯片的應用 基因芯片(gene chip)又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA micro-array)。基因是載有生物體遺傳信息的基本單位，存在于細胞的染色體上。將大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纖維膜等載體上，稱之為基因芯片。基因芯片發(fā)展歷史Southern & Northern BlotDot BlotMacroarrayMicroarray一、基因芯片的原理基因芯片技術是建立在基因探針和雜交測序技術上的一種高效、快速的核酸序列分析手段。基因芯片技術主要包括四個主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應和信號檢測以及結果分析。基因芯片研制的總體藍圖 圖11

4、-1 基因芯片技術主要步驟二、基因芯片技術（一）芯片制備 1.合成探針 基因組探針 cDNA探針 寡核苷酸探針 2.探針在載體表面的固定 固相載體固體片狀：主要有玻片、硅片和瓷片等；薄膜狀：有硝酸纖維素膜、尼龍膜以及聚丙烯膜等。探針在載體表面的固定可分為兩大類方法：合成后點樣，多用于大片段DNA，有時也用于寡核苷酸，甚至mRNA。原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探針），適用于寡核苷酸。合成后點樣接觸式點樣非接觸式點樣Cartesian - PixSys Series合成后點樣板 - Cartesian Tech. 原位合成有三種途徑：原位光刻合成壓電打印法分子印章原位合成法。 原位光刻

5、合成技術的原理示意圖 壓電打印原位合成法工作方式 （二）樣品制備 常見的基因芯片實驗樣品有DNA、mRNA(cDNA)兩種。根據(jù)樣品來源、基因含量及檢測方法和分析目的不同，采用的基因分離、擴增及標記方法各異。 （三）雜交反應 雜交反應是熒光標記的樣品與芯片上的探針進行的反應產(chǎn)生一系列信息的過程。過程類似于一般的雜交法。把要雜交的分子的溶液覆蓋芯片的探針，用蓋玻片覆蓋，即可雜交。 （四）信號檢測和分析 在雜交反應完成后，將矩陣插入掃描儀中。 主要為熒光法，其重復性較好，不足的是靈敏度仍較低。 目前正在發(fā)展的方法有質譜法、化學發(fā)光法、光導纖維法等。 基因芯片雜交結果要用專用的掃描系統(tǒng)讀取。BBAC

6、DE放大器數(shù)模轉換器計算機A:激光器 B:濾光片 C:二色鏡 D:反光鏡 E:關柵 基因芯片掃描結果不同的顏色代表一個探針點雜交上的帶熒光標記的核酸分子數(shù)的差異。紅黃綠蘭紫GENERAL SCANNING - ScanArray System 三、基因芯片的應用（一）尋找和發(fā)現(xiàn)新基因（二）基因表達分析（三）DNA序列測定與序列間比較（四）突變體和多態(tài)性的檢測表達譜芯片實例PCR法從外周血淋巴細胞cDNA文庫擴增產(chǎn)物擴增產(chǎn)物點樣于包被的玻片上DNA芯片熱擊T細胞cDNA未處理的細胞cDNA 雜交 雜交激光共聚焦掃描發(fā)現(xiàn)17個差異表達基因,11個被熱誘導,6個被熱抑制,發(fā)現(xiàn)其中3個為未發(fā)現(xiàn)的新基因

7、（五）在疾病診斷的應用（1）感染性疾病的診斷 性傳播疾病、肝炎等。（2）遺傳性疾病的診斷 地中海貧血、婚前檢查等。（3）耐藥性檢測 結核分支桿菌耐藥性檢測芯片等。生物芯片的優(yōu)、缺點優(yōu)點：1）高通量性：可同時并行分析成千上萬種分子。 節(jié)省時間。2）微型化，實驗所需試劑用量少。3）高度自動化。缺點：在同一溫度下雜交，不同探針雜交效率不同。生物芯片于一般分子雜交比較生物芯片Southern等信息通量高，幾千-幾十萬點/cm2低自動化程度高低研究的速度快慢實驗結果的平行性好低存在問題基因芯片的缺點在于其不能對待檢測基因在多細胞類型組織中的精確定位進行判斷,在這點上，Northern也一樣，而原位雜交技

8、術可以克服此缺點。另外很多蛋白質調節(jié)其功能不主要是依賴其是否表達或表達量高低，而是依賴蛋白質磷酸化-去磷酸化等方式。在這種情況下，用核酸類生物芯片就沒有什么意義了，正在研究開發(fā)中的蛋白類芯片可能會有所作為的。 基因芯片技術本身有一些關鍵問題亟待解決： (1)基因芯片的特異性的提高(2)樣品制備和標記操作的簡化(3)增加信號檢測的靈敏度(4)高度集成化樣品制備、基因擴增、核酸標記 及檢測儀器的研制和開發(fā)。 制約基因芯片技術發(fā)展及應用的最主要的因素是這種技術的成本較為昂貴，目前只有制藥公司和少數(shù)研究所才能承受。第三節(jié) 蛋白芯片一、蛋白芯片的原理與分類二、蛋白質芯片制作和檢測的基本流程三、蛋白質芯片

9、的應用 蛋白質芯片（protein chip），又稱蛋白質微陣列(protein microarray)，是用于蛋白質功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、機械點樣或共價結合的等方法將多肽、蛋白、酶、抗原、抗體固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝膠、尼龍膜等固相介質上形成的生物分子點陣。 蛋白芯片的原理與分類 在待分析樣品中的生物分子與蛋白質芯片的探針分子發(fā)生雜交或相互作用或其他分離方式分離后，利用激光共聚焦顯微掃描儀對雜交信號進行高通量檢測和分析，從而實現(xiàn)對多肽、蛋白質及其他生物成份進行高通量檢測。 蛋白質芯片的特點 蛋白質芯片技術是一種快捷、高效、高通量、并行、微型化和自動化的蛋白質分

10、析技術，適用于分析包括組織、細胞系、體液在內的多種生物樣品能分析包含針對信號傳導、癌癥、細胞周期調控、細胞結構、凋亡和神經(jīng)生物學等廣泛的生物功能的相關蛋白，靈敏度高達pg/ml。蛋白質芯片的分類1.按樣品結合方式分為：化學型和生物化學型2.按點樣蛋白質有無活性功能分為：無活性芯片和活性芯片3.按工作原理分為：探針型和凝膠電泳型芯片。4.按作用分為：蛋白質表達芯片和蛋白質功能芯片二、蛋白質芯片制作和檢測的基本流程制備抗體文庫選擇固相載體片基制備探針蛋白質，點樣 制備待檢樣品(蛋白質、多肽、酶等)對樣品進行標記與芯片進行抗原抗體反應檢測分析蛋白質的相互作用發(fā)現(xiàn)新的疾病標志物作為臨床診斷的指標對疾病

11、病理分子機制的研究篩選藥物靶，發(fā)現(xiàn)新藥物，研究藥理學三、蛋白質芯片的應用第四節(jié) 芯片實驗室一、縮微芯片實驗室特點二、縮微芯片實驗室的基本組成三、縮微芯片實驗室的應用研究芯片實驗室是將樣品制備、生化反應和檢測分析的全過程集約化，并縮微到一張芯片上自動完成，形成的所謂微型全分析系統(tǒng)（micro total analysis systen,-TAS）,或稱“縮微芯片實驗室”（lab-on-a-chip）。一、縮微芯片實驗室特點 分析全過程自動化、生產(chǎn)成本低、防污染、分析速度快、所需樣品少、極高的樣品并行處理能力、體積小、重量輕、便于攜帶?？s微芯片實驗室將來發(fā)展的趨勢甚至可以成為個人生物信息分析卡或微

12、型分子生物實驗室之類的器件 。二、縮微芯片實驗室的基本組成 生物樣品的分析通常包括樣品制備、生物化學和分子生物學反應、結果檢測和數(shù)據(jù)處理等過程。 三、縮微芯片實驗室的應用研究目前，含有加熱器、微泵微閥、微流量控制器、電子化學和電子發(fā)光探測器的芯片已經(jīng)研制出來，同時也出現(xiàn)了將樣品制備、化學反應和分析檢測部分結合的芯片。高通量、一體化、移植性的“未來型掌上實驗室”的構想。縮微芯片實驗室應用新進展Nanogen公司、Affymitrix公司。賓夕法尼亞大學醫(yī)學院和密歇根大學的科學家們利用在微縮芯片上刻出的加熱器、泵、閥門、微量分析器、電化學檢測器以及其他光電子檢測器等，已經(jīng)先后制作出了結構不同的微縮芯片實驗室樣機，