生物芯片应用最新研究进展

生物芯片应用最新研究进展

殷子聪,邓明翔,王纯纯,李仔豪,熊新农,周培聪（通讯作者）

（ 江西农业大学 江西 南昌 332000 ）

摘 要：生物芯片技术是近年来发展迅速的一门科学技术，这项技术被广泛应用于检测，医疗等方面，生物芯片应用最新研究进展通过介绍部分有关生物芯片应用和开发的最新进展，了解生物芯片在市场的需求，并对未来生物芯片发展提出展望。

关键词：生物芯片、医疗、食品安全

Recent research progress in biochip application

YinZicong 0202021110

ABSTRACT:Biochip technology is a rapid development of a kind of science and technology in recent years, the technology is widely used in testing, medical, etc., biological chip application the latest research progress by introducing part about the latest progress of biochip application and development, understand the biochip in the market demand, and put forward prospects for the future development of biochip.

KEYWORDS：Biochip,medical treatment,testing

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1引言

生物芯片,又称蛋白芯片或基因芯片,芯片的工作机理是DNA杂交探针技术与半导体工业技术的结合｡生物芯片技术是将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子(例如蛋白,因子或小分子)进行杂交,通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。

“微阵列（microarray）”生物芯片形式是目前的先进研究之一，也被称为基因芯片（Genechip）或DNA芯片（DNAchip）。1998年6月美国宣布正式启动基因芯片计划，生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成可达数万个与生命相关的信息分子，它可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的影响。

2国内外研究成果

1996年美国Affymetrix公司成功的制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片，并制作出芯片系统。试验成功后，美国的Hyseq公司、Syntexi公司、Nanogen公司、Incyte公司及日本、欧洲各国都积极开展DNA芯片研究工作；摩托罗拉、惠普、IBM等跨国公司也相继投以巨资开展芯片研究。1998年12月Affymefrix公司和MolecularDynamics公司宣布成立基因分析协会（geneticanalysistechnologyconsortium）以制定一个统一的技术平台生产更有效而价廉的设备，英国的APB公司也在同一天宣布将提供部分掌握的技术以推动这项技术的应用。美国芯片技术召开了两次会议，克林顿总统在会上高度赞赏和肯定该技术，将芯片基因技术看作是健康的指南针。在制备方面，DNA芯片通常以硅为基底，存在成本高、能耗高、污染严重等问题，2016年英国剑桥大学研发了聚合物基，2018年奥本大学研发了纸基，可在部分领域替代硅基生物芯片。

我国在生物芯片研究方面发展迅速，1998年10月，中科院将基因芯片列为“九五”特别支持项目，利用中科院在微电子技术、生化技术、物理检测技术方面的优势，组织跨所、跨学科合作。我国在微阵列芯片和基于MEBS的芯片方面有大突破，在DNA芯片设计、基本修饰、探针固定、样品标记、杂交和检测等方面的技术有较大进展，已研制出肝癌基因差异表达芯片、乙肝病毒多态性检测芯片、多种恶性肿瘤病毒基因芯片等有一定实用意义的基因芯片和DNA芯片检测仪样机。中科院上海冶金所等开发重大传染性疾病的诊断芯片及检测设备，如HBV、HCV、TB三种基因诊断芯片。上海细胞所正在进行人类全套基因组的cDNA阵列和微阵列制备，为我国科研所和开发提供了一个技术平台。同时，清华、复旦、东南大学、北京军事医学科学院、华东理工大学、第一军医大学等单位都在积极进行芯片研究，现已有部分产品问世。

3生物芯片技术种类及应用

3.1生物芯片种类

生物芯片分为DNA芯片，蛋白质芯片，芯片实验室三大种类。

DNA芯片主要指的是,将DNA片段按照一定规律的次序排列于胶体中,

形成DNA微序列,对生物样本的标记分子进行杂交,同时要对生物信息进行全面分析,应用DNA芯片能够实现更高程度的精准度和灵敏度,分析速度更快｡

在应用过程中,DNA芯片技术能够对较多数量的DNA进行操作和识别,技术手段相对简单,能够在一定程度上实现自动化识别,应用范围广泛｡

蛋白质芯片技术主要应用于蛋白质大分子作为分析与作用的主要载体,需要保证检测物质中的蛋白质大分子能够按照特定的排列次序集中体现于胶体中,形成微阵列,可以对蛋白质大分子进行系列反应,将蛋白质大分子进行标号,以开展下一步的样本保存和监测工作｡

蛋白质芯片技术能够减少DNA技术受到蛋白质分子的影响的问题，更加全面地开展检测,研究信息可靠,灵敏度相对较高,检测速度更快,同时在样本成本投入方面相对较低,只需要消耗较少的样品即可完成检测和实验,但此类蛋白质芯片在制作复杂､流程繁多｡

芯片实验室技术主要指的是将不同功能和类别的芯片进行有效结合,并统一固定在载体胶片上,让其形成功能多样的复合型芯片｡

芯片实验室主要应用DNA芯片､蛋白质芯片等组合成一个整体,即为芯片系统｡芯片实验室需要通过计算机进行芯片控制,同时需要通过微流进行芯片之间的关联,确保系统化检测成果精准度更好｡在应用方面,芯片实验室技术将不同的样本和分子进行提取检测,对于样品需求量相对较少,工作效率更高,成本投入相对较低，在科研领域､食品安全领域中具有明显优势｡

3.2生物芯片技术在食品安全检测方面的应用

生物芯片具有高效，多样，灵敏的特性，在食品营养学、微生物检测应用、食品毒理学等方面具有不可替代的作用[1]。

开展食品安全管理时,需要包括微生物检测在内的全面检测,如果食品中隐含不同类型的微生物,同样也会影响食用者的健康｡

在以往开展的微生物检测方法中,检测精准度无法达到理想预期,对比生物芯片技术在食品微生物检测中，生物芯片的精准度更高､应用性更好。在进行食品微生物检测时,可以全面检测食源性微生物和病原菌等｡此种技术能够应用于早期的病毒感染性检测,在检测精度方面更高,能够达到0.1kao/μL｡

截止2022年8月，寡核苷酸芯片对炭疽杆菌等检定效果良好，检测限低至 10-15[2]，检测精度的提高意味着人体摄入有害物质的概率极大减小，通过对炭疽杆菌的检测，也为检测其他有害于人体健康的物质做出范例，减小后续研究的困难。

截止2022年4月，利用生物芯片食源性创伤弧菌的监测取得进展[3]。创伤弧菌是一种海洋食源性病原菌，可经伤口或肠道感染多种水产养殖动物及人体。该菌在各种食源性病原体中病死率最高，发病迅速。基于常规病原学传统诊断方法，需要制作样本，选择性富集培养、选择性分离培养、纯培养、观察细菌形态，最后进行生化检测。当采集样本中含有杂菌时，杂菌会抑制创伤弧菌的增长，较难获取纯菌株，使目标菌株的菌落数量低于最低检出量，造成漏检。早期，González[4],Panicker[5]开发了基因特异性DNA微阵列以及DNA微阵列技术偶联多重PCR，后者对于无富集的纯培养物，该方法的检测灵敏度为102～103CFU/mL，特异性为100%。Zhou等[6]建立了一种基于实时荧光LAMP技术的双样本微流控芯片，可在30 min内同时检测创伤弧菌、副溶血弧菌和肾坏死病毒等多种细菌和病毒。该方法对细菌基因组DNA的检出限为100一10-1pg/µL;病毒重组质粒DNA的检出限可达10-4一10-5pg/µL。且与常规微生物检测方法相比，其临床指标的敏感性和特异性分别为93. 52%和85. 53%，适用于水产养殖中多种病原体的现场检测和常规监测。

另外,在生物反应速度和检测精准度方面更加明显,所以生物芯片技术在食品安全管理领域中应用前景更加广阔。

3.3生物芯片技术在医疗方面的应用

3.3.1 POCT检测应用于心血管疾病监测

随着免疫技术和分子生物技术的发展,即时检验技术(POCT)在临床的应用越来越广泛,在心血管疾病､感染性疾病､内分泌疾病等方面的广泛应用[7]。

POCT检测仪具有操作简便､结果迅速､灵敏度高等特点,特别是从20世纪末开始逐步形成微流控芯片技术,它是以单晶硅为衬底,通过多层掩膜版的制造产品外观和半导体芯片非常类似[8]｡在心血管方面,肌钙蛋白(cTnI)对心肌损伤能反应性增高,已成为诊断急性心肌梗死(AMI)的重要指标｡通过技术手段检测肌钙蛋白的含量变化,有利于提前预防心肌梗死等心脑血管疾病的发生｡

心血管疾病是我国的高发病,其发病快､病情发展迅速､疾病治愈率低且死亡率高｡如何快速诊断此类疾病为接下来的诊治提供充足的时间是医务工作者一直探索的方向[9]。

cTnI作为结构蛋白存在心肌细胞中,当心肌细胞在缺血､缺氧而损伤时,这种结构蛋白迅速释放入血,11~24个小时内达到峰值[10],在反应心肌损伤方面具有很高的特异性及灵敏性｡根据最新研究，可利用

cTnl几乎只在心脏中表达[11]的特性用仪器探测cTnl，达到预测疾病的目的｡

类似技术已经在基因检测领域大规模使用,到如今应用已经非常成熟[12],可以实现采样､稀释､加试剂､分离､检测等实验流程和生化反应在单片平板芯片上集成,通过这种技术,在保留POCT原有特点的基础上进一步减少了操作试剂的消耗､提高了检测的特异性和灵敏度､缩短了反应时间､降低了检测对血量的要求､提高了抗干扰能力｡

微流控生物芯片技术为基础的POCT检测仪后端检测器与读数装置形成了检测智能化､信息化进一步为cTnI的检测缩短周期｡由于POCT主要优势在于即时性[13],所以在诊断心血管这种紧急疾病时,微流控生物芯片技术为基础的POCT检测仪要比化学免疫法实用。

3.3.2基于生物芯片的SARS-CoV-2诊断方法

严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)已经给全球医疗系统带来了极大的负面影响，特别是专业实验室稀缺的发展中国家和不发达国家。    在现有的诊断接策略中，芯片实验室核酸检测（NA）诊断是灵敏度最高的方法，原因是芯片实验室核酸检测能直接检测到在免疫反应发生之前的细胞区域内特定的RNA或DNA。

在病原体检测方面，PCR技术因为对灵敏度和稳定性的高要求以及对专业人员专业化的依赖，使得技术推广困难。NA检测简化了如环介导等温重组酶扩增(LAMP)，重组酶聚合酶扩增(RPA)和核酸序列扩增(NASBA)等技术的复杂操作，已被选为PCR[11]的替代品。

生物芯片用于蛋白质检测的两个典型例子是新型冠状病毒抗原快速家用检测条(横向流动芯片)和SARS-CoV-2蛋白组芯片[12]。它们能够确认之前的病毒感染，评估体液免疫，促进流行病学和疫苗研究，可以作为NA检测的临床应用的补充.截止到2022年4月15日，基于生物芯片的SARS-CoV-2诊断方法已通过欧洲合格认证并被广泛采用。

5 总结与展望

生物芯片技术目前在科学研究中占有不可替代的地位,在医疗以及食品检测等方面拥有非常优秀的未来前景｡我国在医疗领域对生物芯片的研究利用近年取得系列突破，在疫情环境下，基于生物芯片的SARS-CoV-2诊断方法提高了检测效率，同时凭借操作简单的优势，降低使用门槛，便于推广；在临床医学上，POTC检测技术极大缩短了诊断时间，为后续治疗提供足够的缓冲时间，提高了患者生存的几率；食品安全检测方面，多种细菌探测精度的提高，保证了食客的饮食安全。

截至目前,医学与食品检测等领域缺大多数沿用传统的生物芯片模式,创新较少,如何提高生物芯片承载容量,如何提高检测效率和精准检测,如何在生物芯片取材用材上进行创新,一直作为后续的研究目标｡

未来，生物芯片应与各种现代电子设备结合，扩展生物芯片的应用范围，使生物芯片的功能不局限于生物大分子的检测，能同时进行多种复杂的生化反应且不需要频繁更换或清洁芯片基底将成为可能。

参考文献

[1]李裕 生物芯片技术在保障食品安全中的应用 [J] SAFETY AND TESTING 2021,12:52-53

[2] 李丽 生物技术在食品检测中的运用 [J]. 当代化工研究,2021(5):88-89.

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4）：1414－1419.

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[9]姜华,陆向辉,邵瑜.即时检测肌钙蛋白I在院外急救中的应用情况分析[J].中国急救复苏与灾害医学杂志,2017,12(1):37-39。

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[12] Xing W, Liu Y, Wang H, et al. A high-throughput, multi-index is other mal amplification platform for rapid detection of 19 types of common respiratory viruses including SARS-CoV-2. Engineering 2020;6:1130-40.

[13] Cheng L, Zhang X, Chen Y, et al. Dynamic landscape mapping of humoral immunity to SAR-S-Co V-2 identifies non-structural protein antibodies associated with the survival of critical COVID-19 patients. Signal Transduct Target Ther 2021;6:304.

作者简介：殷子聪 江西农业大学 2000年7月27日  男  汉族  江西九江  硕士 农业昆虫雷达杂波抑制。 

通讯作者：周培聪  1982山东文登 实验师 理学硕士。

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