| 随着人类基因组计划完成而产生的浩瀚的DNA序列资料，为功能基因组与蛋白组学的进一步拓展奠定了基石。同时，单核苷片段多态性（SNPs）的确定，为阐明遗传机制在一些复杂疾病过程中的作用提供了可能性。面临如此大量的遗传分析资料，急需一些快速，高通量，低成本获取生物信息的技术。生物芯片（Biochip），作为一种高度微型化的分析技术，集成现代技术的微系统技术，信息技术与生物学研究，为满足上述需求提供了可能。 |
| 生物芯片可根据其结构、功能、制作材料及加工方法而分为两大类：高速平行分析的高密度微阵列技术（Microarrays，包括DNA和Protein微阵列），以及功能整合的芯片实验室系统（lab-on-a-chip，LOAC）。生物芯片技术潜在的便携性，高效与功能集成为它在临床诊断的单点诊疗（point-of-care），尤其是感染性疾病的检测中带来巨大应用前景。同时，生物芯片的基因测序与基因表达检测功能将为我们建立一种基于药物基因组（pharmacogenomics）和个性化治疗的诊疗模式提供关键技术。 |
| 一、 遗传多态性与药物基因组 |
| 基因序列的变化当其发生率极为稀有时称为突变，而当其发生较为常见时即称为多态性；单核苷酸多态性（SNPs）在人类基因组中的发生率超过1/1000。SNP的研究是人类基因组计划（HGP）的重要内容，因为没有一个特定的序列可以定义为"正常"的。最终的人类基因组序列数据库将包括在出现绝大多数SNPs的位置。 |
| SNPs资料对探讨单一个体对某一疾病的易感性至关重要。SNPs可以帮助阐明一些由多级隐因协同而致的疾病发生机理，对遗传药理研究领域的复苏及药物基因组学的兴起起到决定性的作用，后者试图通过对遗传变异的研究阐明不同个体对特定药物反应的不同。新的药物基因学领域还涉及个体对药物及其代谢发生反应的SNPs的检测与测序。此类研究已经开始影响一些新药临床应用时试验者的选择。药物基因组学的研究将导致某些药物定点使用于特定人群，使既往由于难以预测其毒副作用而被遗弃的药物重新得到应用。 |
| 二、 生物芯片技术方法 |
| 生物芯片技术融合了跨学科的技术。生物芯片的兴起主要源自两方面技术的进步，即生物分析和半导体技术；"Bio"与"chip"正好反映它的两方面，在生物分析方面，包括了电泳，核酸杂交技术，同源与异源标记技术，激光共聚焦扫描等；在芯片方面，使用了硅及玻璃的蚀刻技术，墨喷沉集，光刻诱导的核苷酸合成等技术。上述技术的协同组合产生了在速度与功能集成上最先进的高度微型化检测系统，开辟了一个全新的应用领域。 |
| 1．微刻技术（Microfabrication）借鉴了许多半导体工业的方法，将微米级的结构组装成芯片。在组装过程中，多种系统模式也称印模需要同时植入硅夹层；实际系统的构建时通过材料的沉集及移动完成的；在数以百计的步骤中，导体，半导体及绝缘层被剥除，直至剩余由数层结构组成的完整系统。 |
| 2．微流系统（Microfluidics）通过在微米级通道中对液体及微粒运动进行控制，已达到稀释，混合，反应与分离等目的。其结构包括管道，水池及交叉点，使液体通过微米级直径管道有多种方法，但微流系统主要采用电压驱动，当电极按一定方向放置时，管道两端会产生一个电位差，带电荷小分子，生物大分子以至细胞的移动速度及方向可受到控制。 |
| 3．微阵列（Microarray）DNA微阵列可以依据多种方法进行分类。原位合成与点样芯片在功能上存在明显差别。原位合成芯片含较小的寡核苷序列，探针直径一般小于50微米，直接在芯片上合成；点样芯片含外来合成的寡核苷酸或天然的核酸片段，如CDNA分子。DNA微阵列的基本原理乃利用DNA杂交瓜的特异性进行序列分析和基因表达分析。 |
| 4．功能整合（Functional Integration）现行基因检测的整个过程包括了从完整的细胞开始，通过溶解，核酸分离，靶分子放大，检测及进行分析等步骤，DNA芯片实际仅解决了检测这一重要环节。因此生物芯片应用于基因诊断的巨大潜力，由于其它环节的瓶颈作用而暂受到限制。多功能整合芯片的研究开发将是本领域的重要方向。 |
| 三、诊断领域对生物芯片的需求 |
| 生物芯片提供了可携带，功能匹配，功能整合及快速等优势，对单点诊疗（point-of-care, POC）极具价值，POC概念涵盖了医院病床旁，医生诊所及其它非实验室进行的诊断检测。尽管POC检测在原则上备受推崇，但在实践中常常被回避。阻碍POC诊断产品被接受的环节包括：医生面对激变时的困有保守，医院内各部门的利益考虑，医生诊所由集中体制转化为小组或协作，以及医疗保险限制。在其它较为传统的诊断领域的主要机遇来自于基因组研究的成果。 |
| 1．药物基因组学：为新的诊疗模式提供了明确有指导性的信息：如某一药物被证明与特定的多态性片段匹配，则个体基因组的多态性片段在用药前就需进行检测。此类需求预示着将产生一类新的检测目录，而生物芯片中的DNA微阵列（可能还将整合样本处理）将最有可能作为检测的工具。药物基因组的检测需要就每种药物及个体进行；即使基因序列不会改变，但使用多种药物时即需要对多种特征序列进行检测。 |
| 2．个体基因表达模式：也有可能用于监测药物或其它治疗过程。通过成功的治疗，异常的基因表达模式可能得以恢复，特定类型的基因可能被关闭，而其它一些基因则被打开。DNA微阵列对基因表达的检测与其对多态性片段的检测一样极为有效。伴随药物基因组学的成熟，如果一个新的药物被证实使偏离正常的基因表达恢复正常，则个体基因表达模式这一诊断产品的市场成功是可以预期的。浩瀚的基因组资源要求新的更高效的基因测序方法。DNA微阵列技术为许多 情况下，特别是突变及群体序列已知时的测序提供了一种非常有效的选择。但其是否均是最经济的方法，尚有待时间的检验。此外，基因突变的检测还包括另一重要的方面，即与疾病相关性问题，特别是一些与癌症相关的突变。例如，BRCA突变与乳腺癌易感性的关系已得以建立。迄今特定突变的出现与一些明确的病理生理过程尚没有建立起必然的联系，病人常只能通过遗传咨询就其病患作出二择其一的选择；预先的子宫或乳腺切除可能给患者带来安慰，但实际对一些患者可能并无必要。P53基因的突变同样与癌症易感性相关，但在乳腺癌变中其佐证力度显然不及BRCA突变。在此类检测明确的效价优势示建立前，它们进入主流医学实践尚有待时日。要拓展基因检测目录用于其它一些复杂而高发疾病如心脏病，糖尿病及精神疾患的检测，有待于SNP绘图及其对基因与疾病关系的详细结果。 |
| 3．感染性疾病的诊断：生物芯片技术有可能发展成为完整的临订细菌检测系统，在鉴别细菌的同时检测其对抗生素的敏感性。例如对结核菌的检测，通过检测核糖体16SRNA的多态生，可能了解结核菌对雷米封和异烟阱的耐药情况。通过微型PCR反应系统与微阵列技术的结合，多个研究机构致力于开发能处理血，尿液，唾液，排泄物等样本的检测系统，用于病原体的检测。 |
| 四、生物芯片的前景 |
| 能过使用新技术获得高效的检测方法一直是诊断领域所需求的，但这一需求尚未受制于医疗保健体制和市场力量。通过对新SNP的发掘以探讨基因与疾病的关系，将可能由基因表达模式发现的新的靶位基因，特别是与一些流行疾患相关的基因；而生物芯片，无论对研究和检测差异性基因表达或SNP，均具有极为关键的作用。 |
| 生物芯片的作用在以下领域将具有光明的未来：对患者进行基因表达模式的分析以用于疾病的诊断，预后判断及易感性分析将被证明是可行的和有效的；而SNPs的检测，即代表特定遗传变异的多态性分析，如果有什么能揭示多基因改变与一些疾病如心脏疾患，糖尿病，哮喘及精神分裂等易感性的联系，则迄今非SNPs莫属。如果不同疾患与SNPs的关系得以揭示，则在个体进行SNPs的检测就具有非常意义。 |
| 药物基因组学的进步将极大提高用药的安全性，同时将针对不同遗传背景指导新药应用已获得最大疗效。虽然目前较小的的市场和与之相连的高效商业间还需进行透彻剖析，但无论如何，药物基因组时代的来临都是不可避免的，当然其影响程度还有待确定。基因表达与SNP的研究将使药物基因组学称为一门独立的学科；进一步研究将建立新的药物安全标准，指导选择用于临床试验的群体；更令人兴奋的是，新模式下在对患者进行治疗时，将以芯片常规进行检测以确定个体是否适用某类新药；因而其潜在的市场将是巨大的，有人估算至少达数十亿美元。虽然此类检测中的部分可以通过免疫分析在蛋白水平进行，多数毫无疑问将依赖DNA微阵列技术，包括整合了样本处理的检测系统。 |
| 香港城市大学基因组科技应用研究中心成立于1999年。该研究中心致力于成为国际上领先的基因组科技和生物芯片技术研究开发中心，通过建立最先进的功能基因组合生物芯片技术平台，开发一系列用于寻找致病基因，筛选新药，药物毒理标准，临床诊断及环境监测的产品和服务，以帮助提高香港及中国的生物技术和制药工业在药物和诊断产品开发的水平。该中心之生物芯片实验室于1996年获得香港政府创新科技基金资助开始生物芯片技术研究，致力研究开发一系列基因微阵列芯片用于传染病和遗传病的检测以及功能基因组研究，并拥有多项相关专利。本报告将分享该研究中心在过去数年取得的部分成果，向专家和同行请教。 |
