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

生物芯片技術(shù)第1頁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、組織切片和細胞等生物樣品制成探針，以預先設(shè)計方式有序地、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，然后與已標識待測生物樣品靶分子雜交，經(jīng)過檢測雜交信號實現(xiàn)對樣品檢測，所以該技術(shù)一次能檢測大量目標分子，從而實現(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、敏感性和可重復性。因慣用玻片/硅片等材料作為固相支持物，且在制備過程中模擬計算機芯片制備技術(shù)，所以稱之為生物芯片技術(shù)。第2頁特點高通量效率高，成本也低并能防污染大量生命活動信息以及許多不連續(xù)分析過程集成在一小片載體片上，從而實現(xiàn)對DNA、蛋白質(zhì)、細胞以及其它生物組分準確、快速、并行和大信息量檢測和分析。能在秒計時間內(nèi)并行完成成千上萬次生物化學反應(yīng)，眾多基因探針標識、雜交等過程是在一次試驗過程中完成，自動化程度高，數(shù)據(jù)客觀可靠。第3頁發(fā)展歷史1991年Affymatrix企業(yè)福德（Fodor）組織半導體教授和分子生物學教授共同研制出利用光蝕刻光導合成多肽；1992年利用半導體攝影平板技術(shù)，對原位合成制備DNA芯片作了首次報道，這是世界上第一塊基因芯片；1993年設(shè)計了一個寡核苷酸生物芯片；1994年又提出用光導合成寡核苷酸芯片進行DNA序列快速分析；1995年，斯坦福大學布朗（P．Brown）試驗室創(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、計算機、半導體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒光標識探針雜交等多學科技術(shù)創(chuàng)造了世界上第一塊商業(yè)化生物芯片；第4頁發(fā)展歷史，全世界生物芯片市場已達170億美元，用生物芯片進行藥理遺傳學和藥理基因組學研究所包括世界藥品市場每年約1800億美元；2000-20五年內(nèi)，在應(yīng)用生物芯片市場銷售到達200億美元左右。20，僅美國用于基因組研究芯片銷售額即達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防及診治及其它領(lǐng)域中基因芯片，部分預計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)，成為二十一世紀最大產(chǎn)業(yè)。203月，英國著名咨詢企業(yè)弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)企業(yè)出版了關(guān)于全球芯片市場分析匯報《世界DNA芯片市場戰(zhàn)略分析》。匯報認為，全球DNA生物芯片市場每年平均增加6.7%，年市場總值是5.96億美元，20將到達93.7億美元。納儂市場（NanoMarkets）調(diào)研企業(yè)預測，以納米器械作為處理方案醫(yī)療技術(shù)將在20到達13億美元，并在20增加到250億美元，而其中以芯片試驗室最具發(fā)展?jié)摿?，市場增加率最快。?頁分類生物芯片技術(shù)是一個高通量檢測技術(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)和芯片試驗室(lab－on－chip)等。第6頁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雜交技術(shù)原理研制。它是將大量寡核苷酸片段按預先設(shè)計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靶基因片段雜交，經(jīng)過檢測雜交信號強度及分布來實現(xiàn)對靶基因信息快速檢測和分析。第7頁蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片與基因芯片原理類似，它是將大量預先設(shè)計蛋白質(zhì)分子(如抗原或抗體等)或檢測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行檢測。第8頁組織芯片組織芯片技術(shù)則是一個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，從而進行同一指標(基因、蛋白)原位組織學研究。第9頁芯片試驗室所謂試驗室就是一個功效集成。在普通試驗室，檢側(cè)、分析等是分成不一樣時驟進行，芯片試驗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小平臺上。生物檢測三大步驟:樣品處理、生物反應(yīng)、反應(yīng)檢測，在以前，是由不一樣機器做，最終才得出結(jié)果。芯片試驗室則是把這三大步驟濃縮到一個平臺上做，對用戶來說無需知道中間步驟，是一個微型自動化過程。第10頁生物芯片技術(shù)主要步驟芯片制備:微點陣樣品制備：DNA提純、擴增、標識雜交：樣本與互補模板形成雙鏈檢測：共聚焦掃描、雙色激光數(shù)據(jù)處理:定量軟件、數(shù)據(jù)庫檢索、RNA印跡等結(jié)果第11頁生物芯片技術(shù)步驟第12頁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準試劑合成法。適合用于寡核苷酸，適用光引導化學原位合成技術(shù)。是當前制造高目睹寡核苷酸最為成功方法合成后交聯(lián)（post-syntheticattachment):利用手工活自動點樣裝置將預先制備好寡核苷酸或cDNA樣品在經(jīng)特殊處理過玻片或其它材料上。主要用于診療、檢測病原體及其它特殊要求中、低密度芯片制備。第13頁兩種制備方法比較原位合成:測序、查明點突變高密度、依據(jù)已知DNA編制程序制作復雜、價格昂貴、不能測定位置DNA序列合成后交聯(lián):比較分析制備方式直接和簡單，點樣樣品課事先純化，交聯(lián)方式多樣，可設(shè)計和制備符合自己需要芯片。中、低密度，樣品浪費較多且制備前需儲存大量樣品。第14頁雜交是芯片技術(shù)中除方陣構(gòu)建外最主要一步—液相中探針與DNA片段按堿基配對規(guī)則形成雙鏈反應(yīng)?！x擇雜交條件時，必須滿足檢測時靈敏度和特異性。使能檢測到低豐度基因，且能確保每條探針都能與互補模板雜交?！m合長度DNA有利于與探針雜交。—溫度、非特異性本底等均會影響雜交結(jié)果?！罱K在封閉循環(huán)條件下雜交。第15頁樣品制備制備高質(zhì)量樣本是困難不過又是極其主要。制備細胞、組織或整個器官樣本應(yīng)尤其小心。溫度、激素和營養(yǎng)環(huán)境、遺傳背景、組織成份等輕微改變都會使基因表示結(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)進行標識，通常為酶標識、熒光標識和核素標識。第16頁結(jié)果分析

芯片與標識靶DNA或RNA雜交后，或與標識靶抗原或抗體結(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，重復性好但靈敏度較低。質(zhì)譜法：快速、準確，可準確判斷是否存在基因突變和準確判斷基因序列位置。探針合成較復雜?；瘜W發(fā)光、光導纖維、二極管方陣檢測、直接電荷改變檢測等第17頁基因組研究醫(yī)學研究藥學研究新藥開發(fā)疾病診療健康預測疾病治療司法判定軍事防護食品衛(wèi)生生物計算機農(nóng)林牧漁環(huán)境保護商檢

生物芯片

生物芯片應(yīng)用前景第18頁1.生物芯片在環(huán)境生物學中應(yīng)用環(huán)境生物學主要研究環(huán)境污染引發(fā)生態(tài)效應(yīng)、生物或生態(tài)系統(tǒng)對污染凈化功效,從而利用生物對環(huán)境進行監(jiān)測、評價原理和方法以及自然保護等。如今,生物芯片在環(huán)境微生物檢測中應(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。生物芯片可用于進行土壤及水中微生物檢測及研究環(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1.1檢測土壤微生物及判定微生物群落

美國橡樹嶺國家試驗室JizhongZhou等分別構(gòu)建了世界上第一塊用于土壤環(huán)境檢測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等進行合作,利用Zhou等研制環(huán)境檢測功效基因芯片,對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)進行了研究,該芯片含有固氮、硝化、去硝化等2704個基因,這是我國首次利用基因芯片進行這類研究。Jack等則經(jīng)過使用通用引物擴增細菌核糖體16SrRNA,并將擴增產(chǎn)物與含有探針低密度芯片進行雜交,從而直接檢測判定土壤中微生物。第20頁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胞及細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1.3檢測水中微生物德國一家主要水管理企業(yè)現(xiàn)投資850萬歐元與芯片企業(yè)共同開發(fā)用生物芯片檢測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)方法檢測更各種微生物并可檢測微生物遺傳指紋,準確可靠,能夠在4h內(nèi)得出結(jié)果,費用比常規(guī)方法低10倍。能夠形成一個比現(xiàn)有水質(zhì)控制更有效,快速和價廉檢測技術(shù)。Taroncher-Oldenburg利用70mer長寡核苷酸作為探針來檢測河水、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2.生物芯片在環(huán)境毒理學中應(yīng)用

生物芯片中基因芯片在環(huán)境毒理學領(lǐng)域應(yīng)用較多。已問世專門用于環(huán)境毒理學檢測毒理學芯片能夠快速大規(guī)模檢測污染源及環(huán)境毒物、研究環(huán)境毒物對人體影響以及進行低劑量毒物試驗等。其可靠性高,使用簡單,有很好應(yīng)用前景。第23頁2.1用于環(huán)境毒物檢測美國國立環(huán)境衛(wèi)生研究院(VIEHS)已開發(fā)了出檢測環(huán)境有毒物毒理芯片。Bartosiewicz等則利用DNA芯片對環(huán)境毒物進行了檢測。Pennie等構(gòu)建了毒理芯片,對基因芯片技術(shù)應(yīng)用于毒性機制和毒性預測進行了研究。第24頁2.2用于環(huán)境毒物對人體影響研究美國國家環(huán)境健康研究所毒理芯片研究小組擬計劃將生物芯片技術(shù)用于測定暴露于人類天然和合成化合物及化學混合物相對安全性。Amundson等應(yīng)用cDNA微區(qū)分技術(shù)研究了放射性照射及有機毒劑對人骨髓細胞基因表示譜影響。GeneLogic企業(yè)芯片F(xiàn)low-thruChip已經(jīng)試投入商業(yè)利用,可用以檢測藥品和毒物對生物體影響,他們還建立了龐大基因表示數(shù)據(jù)庫,能夠用于藥品靶點確認和毒性預測(http:///geneexp.asp);Syngenta企業(yè)和AstraZenecaPharmaceuticals企業(yè)科學家設(shè)計制作了被稱為ToxBlotarraysDNA芯片,其第代產(chǎn)品ToxBlotⅡ含有大約13000人基因,包含了全部毒理學家感興趣基因家族和信號通路;美國化學工業(yè)毒物研究所(ChemicalIndustryInstituteofToxicology)中專門有一個工作小組用微陣列技術(shù)研究一些致癌毒物對人體作用(http:///toxicogenomics/construction.html)。第25頁3.生物芯片在分子生態(tài)學中應(yīng)用分子生態(tài)學是應(yīng)用分子生物學原理和方法來碩士命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用生態(tài)機理及其分子機制科學。當前,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),對水稻灌漿期基因表示進行了研究。發(fā)覺水稻中與產(chǎn)量形成碳水化臺物積累、蛋白儲存、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芯片對水稻在鹽脅迫最初時相內(nèi)表示譜做了研究。楊傳平等以檉柳(T.androssowii)為研究對象,經(jīng)過基因芯片技術(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理奠定了基礎(chǔ)。第26頁3.1生物芯片在環(huán)境醫(yī)學中應(yīng)用環(huán)境醫(yī)學是研究環(huán)境與人群健康關(guān)系,尤其是研究環(huán)境污染對人群健康有害影響及其預防一門科學。如今,生物芯片技術(shù)已在環(huán)境流行病學、職業(yè)病研究和環(huán)境醫(yī)學監(jiān)測等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。第27頁3.2應(yīng)用于環(huán)境流行病學周琦等以SARS冠狀病毒TOR2株序列為設(shè)計標準,研制出用于檢測SARS病毒全基因芯片,芯片探針長度為70nt,相鄰探針序列重復25nt,共660條病毒探針,覆蓋了SARS冠狀病毒全部序列,應(yīng)用該基因芯片對病人、出人境食品、動植物及其產(chǎn)品進行檢測,結(jié)果表明基因芯片技術(shù)檢測SARS冠狀病毒靈敏度高、特異性強,而且準確、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)物用點樣儀點于玻片介質(zhì)上,制成芯片,檢測40例乙肝患者血清乙肝病毒,準確率達80%。第28頁3.3應(yīng)用于環(huán)境醫(yī)學監(jiān)測孟紫強等探討了SO2分子毒作用機制,經(jīng)過采取