2021-4-9 | 生物医学论文
本文作者：王占科 雷万生 常津 单位：天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系 天津大学材料科学与工程学院纳米生物技术研究所
生物芯片技术涉及分子生物学、生物材料学、微加工技术学、化学、物理、计算机等多学科和领域。它针对DNA、RNA、蛋白质及其他生物分子,将不连续的、离散的分析过程集成在一起,完成样品预处理、亲和结合反应以及信号检测等过程,实现对成千上万种生物分子的高通量检测分析[1],在蛋白质组学及基因组学科研、疾病诊断和预警、药物或手术疗效判断以及新药开发、司法鉴定和食品安全等领域,均有广阔的应用前景[2]。
1生物芯片分类
按生物芯片材料和支持物类型可分为固态生物芯片和液态生物芯片等。固态生物芯片按待测物质种类,又可分为蛋白质芯片和基因芯片。液态生物芯片技术,又称Luminex技术[3],是以微球表面为支持物,最早的微球荧光颜色编码液态生物芯片由美国Luminex公司生产开发。按生物芯片结构和制作特征,可分为微点阵(阵列)生物芯片、微流路生物芯片和芯片实验室(lab-on-a-chip)。按照生物芯片编码原理可分为固态平面坐标编码生物芯片、微球颜色编码液态生物芯片和微球阻抗编码液态生物芯片。
2生物芯片研究现状
2•1固态生物芯片研究现状
固态生物芯片原理简单,技术相对成熟,国内外的研究主要集中在应用领域的产品开发方面,并取得了一定的社会效益[2]。由中国博奥生物有限公司研发的多重等位基因特异性PCR通用芯片(allele-specificPCR-baseduni-versalarray,ASPUA),可在5h内完成与遗传性耳聋相关的4种基因的检测[4]。美国Sandia国家实验室正在利用微流控芯片研制生化战剂检测仪器,已进入试验阶段[5]。
2•2液态生物芯片研究现状
传统液态生物芯片技术(微球荧光颜色编码的液态生物芯片技术)将流式技术、荧光颜色编码微球、激光、数字信号处理和传统化学技术融合在一起,获得了“2005年国际临床诊断技术革新大奖”。基于此项技术平台的美国Luminex公司制造的Luminex系列产品和由荷兰控股QIA-GEN跨国公司生产的BioRobotLiquichip系列产品,已经通过该国的食品药品管理局(FDA)认证。随着近年来全世界科学家的不断深入研究,微球荧光颜色编码液态生物芯片技术性能越来越成熟,应用范围越来越广[6-7],是国内外研究的重点和热点。2004年微球阻抗编码液态生物芯片技术方法申请专利,2007年获得中国发明专利[8],但其研究和开发目前几乎是空白[9-10]。
3微球荧光颜色编码液态生物芯片
3•1微球荧光颜色编码液态生物芯片工作原理
微球荧光颜色编码液态生物芯片包括诊断芯片试剂盒和芯片检测设备两部分[11],其工作原理为不同荧光颜色微球编码不同待测物质,不同荧光颜色的微球表面携带的探针荧光强度代表不同待测物质的含量,通过颜色判读和探针荧光强度检测装置以及软件分析系统,自动分析同一份样品中的不同待测物质含量。
3•2微球荧光颜色编码液态生物芯片在生物医学中的应用
3•2•1抗原类物质定量检测各种微生物体、激素、肿瘤标记物、细胞因子等都属于抗原类物质,Bellisario等[12]用液相芯片技术对新生儿血游离甲状腺素4(T4)和促甲状腺素(TSH)同时进行检测,取得满意效果。deJager等[13]基于液相芯片技术,检测刺激后的人类外周血单核细胞分泌的15种细胞因子,显示与ELISA法有较好的相关性。
3•2•2抗体类物质检测检测某些自身抗体对诊断自身免疫性疾病具有重要意义。Wong等[14]用液相芯片技术检测人血清和脑积液中的抗西尼罗河病毒囊膜糖蛋白E的IgG和IgM抗体,血清和脑脊液用量明显比ELISA法少,且测定速度明显加快。Avaniss-Aghajani等[15]将液态生物芯片用于检测984份标本的抗SSA、SSB、Sm、RNP、Scl270、dsDNA和抗着丝粒蛋白B(centromereproteinB,CENP-B)抗体,结果显示与免疫荧光技术(immunofluores-cenceassay,IFA)和ELISA技术具有可比性。
3•2•3核酸类物质检测检测某种微生物特异的DNA或RNA,可以提示机体感染了某种微生物。此外,检测机体某些基因(如SNP位点)改变以及这些基因的表达情况,可以对人体某种疾病进行预警和诊断。Diaz等[16]设计了16种针对马拉色菌不同种属的特异性捕获DNA探针,分别共价结合在16种荧光颜色微球上,制作液态生物芯片用于马拉色菌属的准确鉴定。Lud等[17]将液态生物芯片技术用于不同分类癌症的微小RNA(microRNA)表达谱检测,结果表明在准确性、抗交叉反应性、线性范围等方面均明显优于固相芯片。
3•3微球荧光颜色编码液态生物芯片的性能评价
微球荧光颜色编码液态生物芯片具有重复性好,线性范围宽,高通量,速度快,灵敏度高,特异性强,适用范围广,灵活性好等优点,其缺点包括:①检测人血清特异性抗体时,检测背景信号过高;②检测通量尚无法满足临床诊断和科研需要;③检测设备技术要求高;④不同荧光颜色微球不能永久保存;⑤价格昂贵。
4微球阻抗编码液态生物芯片原理及研究前景
微球阻抗编码液态生物芯片的设计原理包括:①不同阻抗微球编码不同待测物质;②不同阻抗表面荧光强度代表不同待测物质的含量;③经过反应后的微球通过微球阻抗检测(种类)和微球表面光信号强度检测(定量)装置,借助预存不同微球阻抗编码与待测物质的对应关系以及已知浓度标准品与微球荧光强度的对应关系,理论上可对成千上万种(趋于无限多)的待测物质进行平行检测。除了可以对微球的荧光色彩进行编码,还可对微球的其他特征进行编码。微球阻抗编码技术因其原创性,已经获得中国知识产权保护,微球阻抗编码液态生物芯片在编码原理、检测通量、灵敏度以及检测装置性能等方面,理论上可能优于微球荧光颜色编码液态生物芯片,但需要人们进行不断深入研究和开发,并给予确证[10]。有多少种不同阻抗的微球,就能编码多少种不同的待测物质。微球从超导体到绝缘体,阻抗作为连续变量具有无限性,其大小信息理论上趋于无限多,这意味着微球阻抗编码液态生物芯片检测通量会远远大于微球荧光颜色编码液态生物芯片。随着不同阻抗微球研制技术和检测技术的不断发展,无限制通量微球阻抗编码将成为可能,从而为研究生物医学领域以及蛋白质组学涉及的成千上万种蛋白质提供超强大的检测工具[10]。