生物芯片技术是20世纪90年代中期伴随着人类基因组计划的需求应运而生的一项尖端技术，是融微电子学、生物学、物理学、化学、医学、材料学、计算机科学、精密仪器等为一体的高度交叉的新技术。目前，生物芯片已有广泛的应用，尤其是在医学、药学、生命科学及其相关领域。在医药研究中，生物芯片主要应用于寻找药物作用靶点、药物筛选、药物作用机制、毒理学和疾病诊断等几个方面。本文对生物芯片在医药研究中的主要应用进行综述，主要涉及生物芯片用于寻找药物作用靶点、药物筛选、药物作用机制、毒理学和疾病诊断几个方面，为生物芯片在该领域的进一步研究提供参考。
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1 生物芯片的定义、原理及分类
生物芯片是指能快速并行处理多个生物样品并对其所包含的各种生物信息进行解析的微型器件，它的加工运用了微电子工业中十分成熟的光刻技术和微机电系统加工中所采用的各种方法，只是由于所处理和分析的对象是生物样品，故称之为生物芯片[3]。生物芯片是一类快速、高效、高通量的生物分析器件或集成化分析系统，其原理是采用化学或物理方法，将大量探针固化于支持物的表面，再对杂交信号进行监测分析，就可得出该样品的相关信息[1，4]。按照不同的标准，生物芯片有不同的分类。根据性能不同分为2大类6种，即信息芯片和功能芯片，其中信息芯片根据载体材料的不同分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片;功能芯片根据结构和功能特点分为微流体芯片和芯片实验室。还可根据基质材料不同分为尼龙膜芯片、硝酸纤维素膜芯片和陶瓷芯片等。
2 生物芯片在医药研究中的应用
2.1 寻找药物作用靶点 寻找药物作用靶点即在基因组范围内进行DNA序列测定和基因表达水平分析，从蛋白质、核酸等生物大分子中找出少数最佳的药物作用靶点，进而筛选小分子药物。在药物研究开发过程中，寻找出关键的药物作用靶点是一个既费时又必不可少的环节。生物芯片既可以快速测出正常细胞和病变细胞中相关基因表达的变化，也可监测药物治疗过程中基因表达的变化，同时还可以直接筛选特定的基因文库，以发现与疾病有关的基因，如将这些与疾病有关的基因作为研制药物的标靶，可以准确确定药物研究的方向，缩短研制周期[5-6]。
据邓沱等[7]报道：在对骨质疏松症进行药物治疗时，通过EST序列和基因芯片技术很容易就可得到编码半胱氨酸蛋白酶的cathepsink基因，以此基因作为靶点，筛选对其有抑制作用的药物，就能对骨质疏松症进行治疗。选择这样在特定组织中表达的基因作为药物靶点，可减少副作用。若选择人体内广泛存在的蛋白质作为药物作用的靶点，则药物不良反应就会很大。宋波等[8]采用基因芯片技术检测了高低淋巴道转移力小鼠肝癌细胞系Hca-F和Hca-P的基因表达谱，从中筛选出的33个差异最显著的基因具有促血管生成、细胞粘附、信号转导、细胞运动、转录、分子伴侣活性、蛋白激酶活性和受体结合等功能，而这些功能可能与肿瘤淋巴道转移有关。对这33个基因功能的验证有助于找到淋巴道转移的关键(代表)基因/通路，它们可作为肿瘤淋巴道转移诊断的指标和治疗的靶点。Hippo等[9]运用基因芯片技术研究原发型胃癌，发现了胃癌组织中的上调和下调基因，这些基因分别在细胞周期、生长因子、细胞粘连、免疫应答和胃肠功能方面起作用。该研究为治疗不同原因引起的胃癌提供了靶基因。Alcorta等[10]在cDNA微阵列上分析了肾小球病变组织mRNA的表达模式，寻找出一些治疗肾病的潜在靶基因，并提出了特异性的细胞因子、化学因子等治疗。Heller等[11]应用基因芯片技术研究正常及诱发类风湿关节炎的细胞，发现了数种变化明显的基因，其中包括以前认为只存在于肺泡巨噬细胞和胎盘细胞中的金属弹性蛋白酶，为治疗类风湿性关节炎提供了新的药物靶点。
2.2 药物筛选 如何分离和鉴定药物的有效成分是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，生物芯片技术是解决这一问题的有效手段，它能够大规模地筛选，通用性强。与传统药物筛选方法不同的是生物芯片技术首先确定药物作用的生物靶分子，然后通过结构生物学方法设计出一系列对靶分子具有抑制和激活等作用的化合物分子，再通过高通量的靶分子活性检测方法快速找出所筛选靶分子性能特异、作用效率高的化合物，能够从基因水平解释药物的作用机制，寻找药物靶标，检查药物的毒性或副作用[12-13]。
Jellis等[14]用组合化学合成DNA芯片技术筛选654536种硫代磷酸八聚核苷酸，并从中确定了具有XXG4XX样结构的抑制物，实验表明，这种筛选物对HIV感染细胞有明显阻断作用。Ichikawa等[15]用含有1506个人类cDNA克隆的微阵列研究了肺细胞系在感染铜绿假单胞菌前后基因表达谱的差异，进一步研究表达发生改变的基因。这将为治疗由铜绿假单胞菌所致肺细胞系的感染筛选出药物作用靶标。
2.3 药物作用机制研究 药物作用机制的研究也是生物芯片应用较多的一个领域。基因芯片技术的出现为病原体致病与抗药性机制的研究提供了一种新途径[16]。现代药理学分子水平的研究已明确药物作用都有其“靶基因”[17]。通过监测药物治疗前后生物体中基因表达水平的变化，研究药物对基因表达的影响，从而阐明药物的作用机制;也可通过病毒基因表达对药物敏感性的动力学观察了解药物的作用机制与病毒致病机制[13，16]。
生物芯片北京国家工程研究中心采用自行研制的酵母全基因组DNA芯片，与北京大学药学院生物技术室合作研究了多种抗真菌中药的作用机制[17]。周晓冬等[18]曾研究过多药耐药相关基因在眼眶腺样囊性癌中的表达情况，发现p53的基因表达影响着肿瘤的耐药机制。Gray等[19]在高密度微阵列上检测药物对模式生物酵母基因表达的影响时，通过测定使用药物前后mRNA水平的变化，分析了激酶抑制剂对酵母基因组的影响。Lipshutz等[20]研究发现治疗艾滋病的药物常出现耐药性的原因是由于Rt基因和Pro基因产生一个或几个点的突变。Rt基因常见的4个突变位点是：Asp67→Asn，Lys70→Arg，Thr215→Phe，Lys219→Glu，若这4个位点同时发生突变，那么耐药性就会迅速增加。如果将这些基因的突变部位构建成基因芯片，在用药前对患者进行快速检测，针对性就较强。以上事例都说明从分子水平研究药物的作用机制是一个新颖并且有效的途径，利用生物芯片技术研究药物作用机制是科学的、可行的。
2.4 毒理学研究 针对对人体有毒性作用或潜在毒性作用的物质采取适当的预防措施是毒理学研究的主要内容。查找药物毒性或者副作用，进行毒理学研究，尤其是慢性毒性或副作用，往往涉及基因或基因表达的改变，因此可用生物芯片进行大规模的表达研究。药物在过量的时候也会变成毒物，因此适用于药理学和药物作用机制研究的手段同样适用于毒理学。如用生物芯片技术研究某种药物作用于细胞后基因的表达差异，结果发现一些重要的功能基因表达有明显改变，则提示此化合物在研究剂量下可能有一定毒性。用生物芯片技术进行毒理学研究既省时省力，又可以减少对动物实验的依赖[12，21-22]。Waring等[23]用15种已知的肝毒性化合物处理大鼠，对肝细胞造成DNA损伤、肝硬化、肝坏死等多种伤害，然后从大鼠肝脏中提取RNA，用DNA芯片作基因表达分析，结果发现基因表达分析结果与临床化学分析结果有很强的相关性。这表明DNA芯片技术是一种可以用于分析药物安全性和对环境毒物进行分类的高灵敏度方法。运用基因芯片技术可以高效地监测环境中的有害物质及其DNA效应，并可通过化学结构的相似性和基因表达模式的匹配性来迅速确定未知毒物的作用机制[22]。这是生物芯片应用于毒理学研究的另一个方面。
2.5 疾病诊断 从分子水平诊断疾病，这将是疾病诊断的理想途径，也是当今医学发展的趋势[24]。生物芯片在临床上应用较多的是疾病诊断。利用生物芯片技术可以对肿瘤、遗传病、传染病等许多疾病做出快速、简便、高效的诊断，对寻找疾病诊断和治疗的靶分子、研究疾病的发病机制都是十分有利的。现有的报道如：采用基因芯片技术用于疾病诊断的有地中海贫血突变点筛查芯片、急性淋巴细胞白血病和急性非淋巴细胞白血病鉴别诊断芯片、高血压病因诊断芯片、呼吸道感染病菌检测芯片，采用蛋白质芯片技术用于疾病诊断的有多种自身免疫性疾病诊断芯片、血液病原体联合检测芯片(同时检测乙型肝炎、丙型肝炎、梅毒、HIV)、肿瘤标志物蛋白芯片、肿瘤药物筛选芯片及癌症相关蛋白检测芯片等[25]。
在对肿瘤的研究中应用较多的是蛋白质芯片。已有应用表面增强激光解吸离子化飞行时间质谱(SELDI-TOF-MS)对卵巢癌、前列腺癌、肺癌、乳腺癌、鼻咽癌、肝癌、结直肠癌、白血病、胃癌、胰腺癌、肾癌、膀胱癌、骨癌和喉癌等进行了研究。蛋白质芯片不失为肿瘤早期诊断的一种高敏感性和高特异性的新技术。Adam等[26]用蛋白质芯片技术从前列腺癌、前列腺增生患者及健康男性血清中筛选出一个由9种蛋白质组成的标志物组合模式，双盲法验证其敏感性为83%，特异性为97%，其特异性远高于前列腺特异性抗原(PSA，特异性仅25%)。杨拴盈等[27]发现用蛋白质芯片SELDI-TOF-MS技术检测血清非小细胞肺癌(NSCLC)标志蛋白，筛查肺癌患者，能够较准确地区分NSCLC患者和正常人，这将对NSCLC的诊断、治疗及判断预后有重要指导价值。耿鑫等[28]应用SELDI-TOF-MS技术和蛋白质芯片检测肝细胞性肝癌患者血清蛋白质指纹图谱，检测到了7个差异蛋白质峰，而这7个差异蛋白质很可能是肝细胞性肝癌患者血清特异性生物标志物，参与了肝癌的发生、发展过程。
随着生物学和医学的发展，已知人类有6000多种疾病与基因有关，因此应用基因芯片技术对疾病做出诊断对人类的健康也是有重大意义的。Drobyshev等[29]用10-mer寡核苷酸微集芯片检测了β-地中海贫血患者红细胞中β-珠蛋白基因中的3个突变位点。Heller等[11]构建了96个基因的cDNA微阵列，用于检测分析风湿性关节炎(RA)相关的基因。另据李兰芳[12]报道，人类恶性肿瘤的60%与p53抑癌基因的突变有关，目前已成功研制了检测p53基因所有编码区错义突变和单碱基缺失突变的基因芯片，并已将生物芯片用于肾细胞癌、肺癌、鼻咽癌、前列腺癌、肿瘤原癌等基因和抑癌基因的检测。
3 展 望
生物芯片技术是20世纪末发展起来的一项日新月异的生物技术，被美国《科学》杂志评为1998年世界十大科技突破之一。目前，生物芯片技术已被广泛应用于药物研究、分子生物学、疾病的预防、诊断和治疗、基因序列分析、微生物检测、生物武器的研制、司法鉴定、环境污染监测和食品卫生监督等领域。但因该技术是众多学科、众多技术相互融合、相互渗透的结果，在某些技术方面仍不甚完善，仍有一些关键问题亟待解决。相信随着科学技术的不断发展，生物芯片技术一定会在医药研究领域发挥重要作用。
【参考文献】
[1] 刘晓智，陈 騉，王 睿.生物芯片技术研究进展及其应用前景[J].中国药学杂志，2005，40(22)：1684-1688.
[2] 刘春龙，李忠秋，孙海霞，等.生物芯片技术应用及其趋势展望[J].农机化研究，2003，(4)：13-15.
[3] 邢婉丽，程 京.生物芯片技术[M].北京：清华大学出版社，2004：1-2.
[4] 何 鹏，程 京.生物芯片技术与产品发展趋势以及面临的机遇[J].中国医药生物技术，2006，1(1)：17-19.
[5] 蓝雁泽.生物芯片[J].生物学教学，2001，26(12)：41-42.
[6] 潘继红.生物芯片技术在新药筛选中的应用[J].山东医药，2005，45(26)：73-74.
[7] 邓 沱，宁志强，周玉祥，等.生物芯片技术在药物研究与开发中的应用[J].中国新药杂志，2002，11(1)：23-31.
[8] 宋 波，唐建武，王 波，等.基因芯片筛选小鼠肝癌淋巴道转移相关基因[J].癌症，2005，24(7)：774-780.
[9] Hippo Y， Taniguchi H， Tsutsumi S， et al. Global gene expression analysis of gastric cancer by oligonucleotide microarrays [J]. Cancer Res，2002，62(1)：233-240.
[10] Alcorta DA， Prakash K， Waga I， et al. Future molecular approaches to the diagnosis and treatment of glomerular disease [J]. Semin Nephrol，2000，20(1)：20-31.
[11] Heller RA， Schena M， Chai A， et al. Discovery and analysis of inflammatory disease-related genes using cDNA microarrays [J].Proc Natl Acad Sci USA，1997，94(6)：2150-2155.
[12] 李兰芳.基因芯片及其医学应用研究进展[J].陕西医学杂志，2004，33(345)：241-245.
[13] 陈华友，崔振玲，吴自荣.基因芯片技术及其在药学研究领域中的应用[J].中国药学杂志，2002，37(3)：167-169.
[14] Jellis CL， Cradick TJ， Rennert P， et al. Defining critical residues in the epitope for HIV-neutralizing monoclonal antibody using phage display and peptide array technologies [J].Gene，1993，137(1)：63-68.
[15] Ichikawa JK， Norris A， Bangera MG， et al. Interaction of pseudomonas aeruginosa with epithelial cells: identification of differentially regulated genes by expression microarray analysis of human cDNAs [J]. Proc Natl Acad Sci USA，2000，97(17)：9659-9664.
[16] 陆祖宏，何农跃，孙 啸.基因芯片技术在药物研究和开发中的应用[J].中国药科大学学报，2001，32(2)：81-82.
[17] 龚丽红，韩凤娟，侯丽辉，等.基因技术在中药抗癌作用机制研究中的应用[J].中医药信息，2007，24(2)：42-44.
[18] 周晓冬，宋国祥，何彦津，等.多药耐药相关基因在眼眶腺样囊性癌中的表达[J].眼科研究，2007，25(3)：164-167.
[19] Gray NS， Wodicka L， Thunnissen AM， et al. Exploiting chemical libraries， structure and genomies in the search for kinase inhibitors [J]. Science，1998，281(5376)：533-538.
[20] Lipshutz RJ， Morris D， Chee M， et al. Using oligonucleotide probe arrays to access genetic diversity [J]. Biotechniques，1995，19(3)：442-447.
[21] 王彩虹，佘锐萍，张群远.生物芯片技术在生物医学中的应用[J].中国兽医科技，2001，31(7)：43-45.
[22] 张蕴晖.基因芯片技术及其在毒理学中的应用前景[J].劳动医学，2001，18(3)：179-181.
[23] Waring JF， Ciurlionis R， Jolly RA， et al. Microarray analysis of hepatotoxins in vitro reveals a correlation between gene expression profiles and mechanisms of toxicity [J]. Toxicol Lett，2001，120(1-3)：359-368.
[24] 韩慧霞，李湘平，姚连生.生物芯片在生命科学研究领域中的应用[J].第一军医大学学报，2001，21(7)：535-537.
[25] 齐 军.蛋白芯片技术及在肿瘤实验室诊断中的应用现状[J].中华检验医学杂志，2003，26(10)：639-640.
[26] Adam BL， Qu Y， Davis JW， et al. Serum protein fingerprinting coupled with a pattern-matching algorithm distinguishes prostate cancer from benign prostate hyperplasia and healthy men [J]. Cancer Res，2002，62(13)：3609-3614.
[27] 杨拴盈，肖雪媛，张王刚，等.用蛋白质芯片技术筛选非小细胞肺癌患者血清中标志蛋白[J].中华结核和呼吸杂志，2006，29(1)：31-34.
[28] 耿 鑫，李悦国，朱国平，等.应用SELDI-TOF-MS蛋白质芯片技术筛选肝细胞性肝癌血清标志物的研究[J].中国肿瘤临床，2006，33(20)：1161-1164.
[29] Drobyshev A， Mologina N， Shik V， et al. Sequence analysis by hybridization with oligonucleotide microchip: identification of beta-thalassemia mutations [J]. Gene，1997，188(1)：45-52.
