生物芯片技术在临床诊断中的应用

来源：

生物芯片技术是近年来生命科学与微电子学相互交叉渗透发展起来的一门新技术。随着人类基因组计划（HGP）研究的不断突破，这门技术已广泛应用于基因诊断、功能基因研究、基因组文库图型分析、新药的研究与开发、法医学等诸多领域。生物芯片技术主要通过平面微细加工技术构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸及其它生物组分的准确、快速、大信息量检测，具有高度平行性、多样性、微型化和自动化的特点。常用的芯片有基因芯片和蛋白质芯片两大类，多数为前者（DNA芯片）的寡核苷酸微阵列。它以分析核酸中的碱基序列特征为基础，通过对受检者的某一特定基因和其转录产物进行分析测定而对某种疾病进行诊断，使医学诊断方法从当今的生化、免疫、病原学诊断跃升到一个新的台阶。它特异性强、灵敏度高，可对疾病进行早期诊断，更利于疾病防治。现将近年的应用情况介绍如下。
◆用于遗传性疾病的监测
随着HGP的逐步完成，许多遗传性疾病的相关基因被相继定位，为从基因水平上认识本类疾病并为早期诊断奠定了基础。如血友病、苯丙酮尿症、地中海贫血、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈症、某些精神病等的致病基因已定位，因此可将对应于突变热点区的寡核苷酸探针合成或点加于DNA芯片上，通过一次杂交完成对待测样品多种突变可能性的筛查，实现对多种遗传病的高效快速诊断。国外现已成功地将这一技术用于β－珠蛋白基因的突变检测以诊断地中海贫血，其高准确性及高自动化特性有望成为诊断这一疾病的常规技术。
◆用于肿瘤诊断
基于癌基因的激活和抑癌基因的失活参与多种肿瘤的发生与发展，因此对此类基因的突变进行检测已成为肿瘤诊断的重要手段。目前，生物芯片当之无愧已成为最方便的检测工具。对遗传性乳腺癌和卵巢癌的相关基因的外显子检测已可证实93％以上的病人存在基因的点突变、插入与缺失突变等，且可快速准确扫描大量基因，适于大量患者的标本检测，对临床基因诊断至关重要。国外运用寡核苷酸微阵列技术检测卵巢癌者的TP53突变，准确率达94％，敏感度达92％，特异性达100％，明显优于传统的DNA测序分析。有人以cDNA消减文库结合交通量微阵列检测前列腺癌和前列腺组织特异基因发现，P504S是一种前列腺癌的特异基因，检测其含量消长可指导临床诊断与治疗。目前人们已经发现，人类所患癌症50％以上为P53基因突变所致，研究人员将此基因全长序列和已知突变的探针制成了P53基因芯片，并制备出能同时检测250种肿瘤相关基因的芯片，将在癌症的早期诊断中发挥重要作用。
◆用于病毒性疾病的诊断
将各种病毒的特异性序列制成探针，有序地点阵到芯片上再与处理后的样本进行杂交，一次就可检测出多种病毒并能鉴定出亚型。对HIV－1β亚型中的逆转录酶和蛋白酶基因的多态性分析揭示，这一亚型的病毒基因序列存在极大差异，其中蛋白酶的基因片段差异最大，在编码的99个氨基酸序列中，竟有47.5％存在明显突变，直接导致了病毒抗药性的不同。国外现已有用于HIV－1的测序分型及多态性分析的试剂盒问世。国内也已研制出了检测丙肝病毒（HCV）的基因芯片，敏感性高、分辨率好，准确性接近100％。用芯片对人巨细胞病毒（HCIV）感染后引起的细胞基因表达改变情况的分析已发现，感染前后有258种mRNA水平改变大于4倍，其中一些mRNA编码的基因产物在病毒致病性中起关键作用。
◆在其它疾病诊断中的应用
这一技术已成功用于幽门螺旋杆菌（HP）的基因诊断、基因结构分析和基因分型，已成为HP研究及临床研究的有力武器。国外将等温的基因扩增与微阵列分析结合，用于细菌病原体间的鉴别。细菌的rRNA在长期的进化过程中变化不大，在碱基组成、碱基序列、高级结构及功能等不同层次均有保守性，因此此类生物芯片可快速准确地鉴定细菌，用于检测特异性病原微生物、毒性标记物及抗药微生物的抗药性基因，比培养及传统检测方法更快、更敏感、更特异。芯片技术还用于分枝杆菌对利福平等药物的耐药性研究、检测类风湿性关节炎、肠炎等疾病的相关基因等等，为许多疾病的诊断和治疗提供了新的思路。
生物芯片尽管有诸多其它检测方法难以比拟的优越性，但因问世与使用时间较短，目前仍有一定的局限性影响到其应用。这些局限性表现在：技术成本高，对实验条件要求严，不利于普及推广；探针制备、合成过程要求严格，若掺入错误核苷酸或混入杂质，使杂交背景增高，其特异性将大大降低；对杂交条件的选择要求很高，一个芯片上多种探针的最适条件颇不一致，增大了芯片的制作难度及测定误差等等。但是这一技术具有巨大理论价值和实用性能，其发展前景十分广阔。人们预计，在未来的几年内上述不足将能很快得以解决，芯片上探针位点的空间分辨率将达到1微米水平，人类所有的约3万个基因有望集成在一块1平方厘米的芯片之上。