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淺談基因芯片工作原理

瀏覽次數:2087+ 發布時間:2016-10-28
     基因芯片又稱DNA微陣列、DNA芯片,通過微加工技術和微電子技術在固體芯片表面構建成的微型生物化學分析系統,能夠通過檢測基因的豐度來確定基因的表達模式和表達水平。由于常用硅芯片或玻片作為固相支持物,并且在制備過程中運用了計算機芯片的制備技術,所以稱為基因芯片技術。
     基因芯片的工作原理是運用已知核酸序列作為探針與互補的靶核苷酸序列進行雜交,然后通過信號檢測進行定性和定量分析。與傳統的核酸雜交不同的是基因芯片是在微小的片基如硅片、玻片和塑料片等表面上集成了大量的核酸分子識別探針,能夠在同一時間內平行分析大量的基因,進行信息的篩選與檢測,實現對生物樣品快速、并行、高效地進行檢測或醫學診斷。
     80年代初,科學家提出了固相核酸雜交的設想,英國科學家Bains首先對固相雜交DNA測序進行了有益的探索。其后,俄羅斯、美國及英國的科學家分別報道了用雜交測定核酸序列的方法。人類基因組計劃點燃了基因芯片技術研發的第一波熱潮,在基因組計劃中,基因芯片技術的應用代替了傳統的自動測序,同現有的手工測序和自動測序相比,基因芯片測序能節省大量的試劑和儀器損耗。
     2011年,公開發表的基因芯片學術論文已超過10000篇,參與基因芯片研發和應用的公司超過2000家。基因芯片攜帶的信息量也由最早的少量核苷酸序列,發展到幾萬個基因位點。

     圖表1基因芯片行業發展史


     圖表2基因芯片的變化


     目前全球基因芯片產業產值大約在70億美元左右,預計到2020年將達到200億美元。據不完全統計,美國Affymetrix公司的市占率最高,達到50%左右,同樣位于美國的Agilent和Illumina的市場份額位于第2、3位,合計占到30%。目前基因芯片產業主要集中在歐美發達國家市場,在科研、生物制藥、臨床診斷方面獲得了較廣泛的應用。

    圖表3基因芯片市場規模預計(單位:億美元)


     基因芯片的檢測過程是把熒光染料標記后的核酸序列交聯在固定的載體上,然后通過信號掃描記錄信息后進行定性和定量分析。
     基因芯片首選熒光染料作為標記,主要是因為熒光染料具有操作簡便、高穩定性、高靈敏度、高選擇性等特點。基因芯片的打印方式有兩種,即原位合成法和合成后交聯法。原位合成法需要預先設計、制造一系列掩膜,造價昂貴;合成后交聯法與原位合成法相比,成本低,交聯方便,只需要將預先制備好的樣品通過自動點樣裝置點于經過特殊處理的玻璃片或其他材料上即可。使用合成后交聯法可以在1cm2的芯片區域合成2,000,000探針,如果40種探針代表一個基因,就可以在一種芯片上合成相當于五萬個基因位點。
     基因芯片掃描儀采用熒光檢測,即利用激光激發摻入檢測點中的熒光生色基團,讀取熒光報告基團發出光信號,利用光電倍增管或電荷耦合器件(CCD)將其轉化為電信號,然后通過軟件將電信號還原成為圖形或相關數據,最后通過分析所得數據給出檢測報告。目前商業化的基因芯片掃描儀主要有激光共聚焦芯片掃描儀和CCD芯片掃描儀兩大類,其中前者使用最為普遍。激光共聚焦芯片掃描儀采用激光作激發光源,使熒光生色基團產生高強度的發射熒光,用光電倍增管進行檢測,靈敏度和分辨率較高,可檢測每平方微米零點幾個熒光分子。
     基因芯片分析主要包括數據采集、處理、分析和報告等環節。芯片掃描儀對生物芯片掃描后,得到代表熒光強度的電信號,通過偽彩處理形成數字圖像文件,因此必須經過圖像處理提取各樣品點的數據,才能進行統計分析,此過程借助專業圖像分析軟件完成。圖像的提取過程包括:圖像的平滑過濾、圖像背景的確定、樣片斑點的識別、數據的提取、存貯與顯示等。
     國內基因芯片市場仍處于起步階段,還未形成產業化,主要應用在科研領域,市場規模較小。主要的發展瓶頸有兩點:一是國內基因芯片應用領域開發不足,下游目標用戶少,主要是各類科研機構,功能集中于科研和技術的研發;二是基因芯片診斷成本較高,以華大基因已經開始臨床的唐氏綜合癥診斷為例,單次檢測的費用為幾千元,考慮到患者的承受能力,目前還無法大規模推廣。未來隨著技術的不斷進步和檢測需求的增加,基因芯片技術的規模效應將使其相對傳統方式存在優勢,國內也將迎來產業的爆發點。
 
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