商洛学院　　汪玉琳　　726000

摘　要：基因芯片技术能够高效、快速、大量检测分析基因构成和基因表达，在病理、药物、诊断和治疗领域的深入研究取得重大进展，已应用到查找致病基因、研究致病机理、药物毒性检测、药物筛选、病菌耐药性机理检测、临床诊断和治疗等多方面，并有着广泛的研究和应用前景。

关键词：基因芯片；微阵列；探针；基因表达；肿瘤 

　  基因芯片（DNA芯片）是一种可用来进行高通量分析的检测器件，在生物芯片中率先实用化。其制作采用类似集成电路生产中光刻工艺或显微打印那样的微细加工刻蚀技术，将数以万计的DNA样品或寡核甘酸，密集排列于硅片、玻璃片、聚丙烯、尼龙膜等固相支撑物上，形成大量的极微小化学反应器微阵列探针，再与模版或被检测样品在严格条件下进行杂交（或微测序分析），利用化学荧光法、酶标法等显示，最后由激光共聚焦显微镜等设备获取图像信息，通过计算机分析处理，高效率、大规模获得相关的生物信息。基因芯片主要应用于基因测序、药物筛选、疾病诊断与预测、基因表达谱分析、新基因的发现、基因突变检测及多态分析、基因组文库作图等，在医学领域有着广泛的研究和应用前景。 

1　 在病理学领域的研究与应用

　　利用基因芯片技术检测基因表达，查找致病基因及其作用机理，应用于病理学研究。包括肿瘤在内的许多疾病，病理上是由于致病物质的作用引起细胞基因结构、表达水平的改变或外源基因引入所致^[1]。因此，运用基因芯片技术对不同基因作用机理、调控原理和表达水平进行检测，可以对该病致病机理进行基因水平上的研究。DNA微阵列或芯片几乎可用于所有核酸杂交技术的各个方面,比较各组织或同一组织在不同状态下上成千上万个基因的表达状况、DNA序列分析，可以找出基因变化与引起病理反应之间的对应关系。有人誉赞“微阵列技术铺平了通往21世纪的医学之路”。

用cDNA微阵列技术通过比较组织细胞基因的表达谱差异，可以发现新的可能致病基因或疾病相关基因。Gress等从胰腺癌细胞株PATU、胰腺癌组织、慢性胰腺炎及对照胰腺组织的每个文库中随机抽样cDNA克隆，利用基因芯片检测，发现在胰腺癌细胞中存在129个新序列和97个EST。其中有参与恶性表型的基因等多个肿瘤形成机制中起作用的新基因，首次提出了参与胰腺癌恶性表型形成的特异基因表达谱和可能的致病基因或疾病相关基因^[2]。此外，通过cDNA微阵列比较了类风湿性关节炎（RA）和感染性腹部疾病组织的基因表达谱，发现人基质金属弹性蛋白酶（HME）基因可能为RA的主要致病基因或相关基因。

利用基因芯片技术对比检测基因表达，以查找致病基因引起的基因表达变化。例如：应用基因芯片来总体检测细胞巨化病毒改变细胞基因表达的研究表明，病毒的复制和病理学机制主要是通过分析病毒基因产物得到的，即通过研究他们的生物化学活性和个体间的相互作用或者通过产生变异的病毒来分析他们的表型。现在已经可以根据宿主细胞基因的mRNA水平随着病原体的反应而变化进行鉴定和分类。应用DNA芯片技术对未被感染人类细胞6600个的mRNAs和人类细胞巨化细胞病毒感染的细胞进行比较检测发现，在病毒性DNA复制侵染前由因子4或更多的因子导致258个mRNAs水平发生了改变，这些mRNAs编码基因的产物可能在病毒诱导的发病机理中起重要作用。利用基因芯片治疗黑色素瘤的可行性分析研究表明，很多恶性肿瘤的转化原因是基因失常。DNA的变化导致了基因表达的显著改变,使用该技术从黑色素瘤细胞系中找到了可能抑制黑色素瘤的基因^[3]。良性黑色素瘤逐步发展成黑色素瘤,与基因变化相关。该技术已在鼻咽癌发生机制研究、对胶质瘤相关基因的聚类分析研究等方面取得重大突破。

　　利用基因芯片技术检测致病基因可以发现基因结构变化以确定疾病发病机理。例如：在结肠癌中应用基因芯片检测由甲基化和组氨酸的脱酰基化诱导的上调基因研究表明，在癌症中基因启动子不正常超甲基化是肿瘤抑制基因失去作用的主要机制。应用cDNA芯片分析来检测在人类结肠癌中逐渐变得沉默的基因，并且能够确定在已知的癌症中启动子甲基化基因的确切数目。这些基因与非甲基化启动子的基因有明显的差别，对肿瘤发生具有潜在的作用。 

2　药物学领域的研究与应用

　　利用基因芯片技术高通量、大规模、平行性等特点可以进行新药的筛选，尤其对我国传统的中药有效成分进行筛选。基因芯片对于药物靶标的发现、多靶位同步高通量药物筛选、药物作用的分子机理、药物活性及毒性评价方面都有其它方法无可比拟的优越性，能够从基因水平解释药物的作用机理，可以用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。

　　在药物靶点发现与药物作用机制研究中的应用：使用DNA 芯片可以对研究者感兴趣的基因或生物体整个基因组的基因表达进行测定。在当代药物开发过程中发现和选择合适的药物靶点是药物开发的第一步，也是药物筛选及药物定向合成的关键因素之一^[4]。DNA芯片可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参量同时进行研究，以发掘药物靶点并同时获取大量其他相关信息。

　  在毒理学和药物安全性方面的应用：传统检测毒物和药物的方法往往剂量大、历时长、耗费多,并且大多数情况下只能起到初筛的作用。DNA芯片技术可以用来分析整个基因组水平基因的表达,它作为一种新兴的方法应用于毒理学检测。通过DNA芯片分析实验组和对照组基因表达的差异，可以对与某种疾病相关的毒性因素进行分类、整理,研究毒物毒性大小及其相互影响，为该病的预防和治疗提供有效的信息支持。DNA芯片技术可将药物毒性与基因表达特征联系起来，通过基因表达分析便可确定药物毒性，使得药物毒性或不期望出现的效应在临床实验前得以确认。该技术可对单个或多个有害物质进行分析，确定化学物质在低剂量条件下的毒性，分析、推断有毒物质对不同生物的毒性可比性。已经有不少研究工作表明，利用DNA芯片预测化合物毒性和对毒性物质进行分类是可行的^［4］。 Waring等用15种已知的肝毒性化合物处理大鼠，结果显示具有相似毒性机制的化合物所获得基因表达谱具有相似性。Gerhold等给大鼠服用苯巴比妥和地塞米松等药物，使用寡核苷酸芯片，检测了大鼠肝组织中与药物代谢、毒性和能量代谢相关基因的表达。通过分析基因表达变化的结果就可以推测药物代谢与毒性的情况。 目前已有多种较为成熟的毒理学DNA芯片继问世。

在药物筛选方面的应用：如何分离和鉴定药的有效成份是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选、通用性强，能够从基因水平解释药物的作用机理，即可以利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。如果再用m RNA 构建c DNA表达文库,然后用得到的肽库制作肽芯片,则可以从众多的药物成分中筛选到起作用的部分物质。或者利用RNA、单链DNA有很大的柔性，能形成复杂的空间结构，更有利与靶分子相结合，可将核酸库中的RNA或单链DNA固定在芯片上，然后与靶蛋白孵育，形成蛋白质-RNA或蛋白质-DNA复合物，可以筛选特异的药物蛋白或核酸。生物芯片在药物分析中的应用主要是采用毛细管电泳芯片/质谱系统对化合物库、血样和尿样中的药物进行分析鉴定，该系统是指将毛细管电泳芯片和质谱联用的一套装置。

耐药性检测中的应用：找到耐药菌的耐药基因，从而根据这些耐药基因设计新型抗生素，或将耐药菌分成不同的亚型，针对不同的亚型在临床上使用相应的抗生素，达到改善治疗效果的目的。国外采用基因芯片技术，检测耐药菌基因的改变，即检测耐药基因。如Michael Wilson就曾使用此方法检测到肺结核杆菌中脂肪酸合成酶II、fbpC、efpA、fadE23、fadE24和ahpC基因发生改变与耐药性有关^［5］。提供了新药物作用的靶目标，并指导抑制这些靶目标试剂和药物的合成。在感染性疾病中，病原体的耐药性检测可通过两种方式：1.表达谱芯片检测药物诱导的基因表达改变来分析其耐药性；2.寡核苷酸芯片检测基因组序列的亚型或突变位点从而分析其耐药性。　　

目前在肝炎的抗病毒治疗中产生的病毒耐药突变，最典型者为拉米夫定（3TC）抗HBV治疗中出现的YMDD变异^[6]。基因芯片的高通量、平行检测技术针对引起YMDD变异的众多基因突变位点设计探针，将之结合于同一张芯片或与上述分型基因芯片合并，从血清样本中抽取病毒DNA，经体外扩增后与芯片探针杂交，依据杂交信号判定HBV的YMDD变异，得出是否产生耐药性的结论。检测多药耐药基因表达的变化不但可以研究恶性肿瘤的不同耐药机制，还可以用于临床诊断，以指导制定治疗方案。在设计芯片时，可以将已知肿瘤相关基因及标记基因都点到芯片上，同时，芯片上还包含目前所有报导过的耐药基因,这样可以同时得到肿瘤的各个方面的信息。 

3、基因诊断领域中的研究与应用

　  基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技术，成为疾病诊断的尖端核心技术之一。其优点表现在：一是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；三是可同时检测多种疾病。如应用于产前遗传性疾病检查，抽取少许羊水就可以检测出胎儿是否患有遗传性疾病，同时鉴别的疾病可以达到数十种甚至数百种；又如对病原微生物感染诊断，在检查中应用基因芯片技术，医生在短时间内就能知道病人是哪种病原微生物感染；目前已应用于对具有高血压、糖尿病等疾病家族史的高危人群普查、接触毒化物质人群恶性肿瘤普查，对心血管疾病、神经系统疾病、内分泌系统疾病、免疫性疾病、代谢性疾病等检测，其早期诊断率将大大提高，而误诊率会大大降低，同时有利于医生综合地了解各个系统的疾病状况。

　　在疾病分型中的应用：传统的疾病分型依据以病理反应和临床症状为主，应用基因芯片技术检测基因表达差异从而为疾病分型，是基因芯片技术在医学领域应用的又一重要方面。目前利用基因表达谱阵列分析在肿瘤分型中应用最广，主要有聚类法、递归区分法和组合分析法等。美国癌症研究所(NCI)的研究人员应用基因芯片，分析淋巴细胞恶性肿瘤的基因表达，特别是弥漫性大细胞性淋巴瘤、滤泡型淋巴瘤和慢性淋巴细胞性白血病，以期对淋巴瘤进行重新分类。初步研究结果已经显示，不仅上述三种淋巴瘤具有明确不同的基因表达构型，而且还发现了两个亚型，反映了患者对治疗反应的差异，对于揭示此类肿瘤明显不同的预后具有重要意义。因此，应用基因表达构型显示的肿瘤分子诊断可有助于发现"一种疾病中多种疾病类型"^［7］。

　　将基因芯片技术应用于血液病分型，具有快速、简便和高特异性等优点。研究者设计出的DNA芯片成功地自动分析出AML和ALL两种急性白血病，为人类的肿瘤疾病分型及早期诊断奠定了基础。用于检测白血病分型的DNA芯片的问世除了为肿瘤的分类提供了有力的工具，也可准确分析出肿瘤的最初病变位置、监控病人治疗后的结果、药物反应和存活率，使临床医生能更快、更早的预测病情发展，追踪肿瘤细胞的原发位置，从而提高了病人的存活率。

临床诊断方面的应用：从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。例如，Affymetrix公司把P53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成P53基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥作用。现在，肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性检测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步开始进入市场。 我国是世界公认的"肝炎大国"，肝炎的患病率和发病率都居世界前列，其中，乙型肝炎和丙型肝炎的感染率高，且预后不佳。传统的检测无法同时检测HBV、HCV两种疾病，延长了诊断时间，延误了治疗的最佳时机。目前已有基因诊断芯片可以将这两种肝炎病毒的基因同时点于一张芯片上，只需一次实验就可以在一天内及时准确地完成这两种疾病的诊断，有效地提高了检测效率。　　

4　 基因治疗领域中的应用

　　基因疗法 主要有两种策略：一是利用外源的正常基因定点导入靶细胞基因组，在原位修复或特异性的更换突变基因，二是非定点导入外源正常基因，称基因添加或基因增补。在应用基因治疗技术时，必然先要对患者正常基因和致病基因进行基因芯片检测。

　　基因芯片技术在临床治疗研究与应用中，目前主要是给药个性化方面的应用。临床上，同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。在药物疗效与副作用方面，病人的反应差异很大。这主要是由于病人遗传学上存在差异，如药物应答基因，导致对药物产生不同的反应。例如细胞色素P450酶与大约25%广泛使用的药物的代谢有关，如果病人该酶的基因发生突变就会对降压药异喹胍产生明显的副作用。现已弄清楚这类基因存在广泛变异，这些变异除对药物产生不同反应外，还与易犯各种疾病如肿瘤、自身免疫病和帕金森病有关。如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开处方，就可对病人实施个体优化治疗。另一方面，在治疗中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。例如乙肝有较多亚型，HBV基因的多个位点如S,P及C基因区易发生变异。若用乙肝病毒基因多态性检测芯片每隔一段时间就检测一次，这对指导用药防止乙肝病毒耐药性很有意义。 

5　　展望

 　 自从1996年美国Affymetrix公司成功地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，并制作出芯片系统之后，世界各国在芯片研究方面快速前进，不断有新的突破。我国已在微阵列芯片和基于MEBS的芯片方面有大的突破，在DNA芯片设计、基片修饰、探针固定、样品标记、杂交和检测等方面的技术都有较大的进展，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，正在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。随着基因芯片的研究和应用，必将带来医学领域的一场深刻的革命，在危害人类健康的主要疾病病理研究、药物筛选、临床诊断与治疗等方面，有着广泛的应用前景。 

参考资料：

[1]廉玉淳主编，《病理学》，人民卫生出版社，1993年3月

[2] 何志巍　姚开泰，DNA微阵列(或芯片)技术原理及应用　http://www.chinagenenet.com/pdf/02092001.htm

[3] Kim CJ, Reintgen DS, Yeatman TJ. 基因芯片治疗黑色素瘤的可行性分析，中华基因网 Amy 编译

http://www.chinagenenet.com/commInfo/commShow.php?id=3039

[4] 邓沱，程京，周玉祥，生物芯片技术在药物R&D中的应用　

http://www.chinagenenet.com/commInfo/commShow.php?id=2743

[5] 基因芯片技术在疾病耐药性检测中的应用

http://www.chinagenenet.com/commInfo/commShow.php?id=615

[6] 生物芯片技术诊断病毒性肝炎研究现状http://www.chinagenenet.com/commInfo/commShow.php?id=1687

[7用基因芯片给疾病分类　http://www.chinagenenet.com/commInfo/commShow.php?id=603]

The Study  and  Application  Progress  of  Gene  Chips

  technology  in  Medical  Field

WANG  YU-Lin

(Shangluo  Teachers  college, shangzhou, shaanxi, 726000)

Abstract :  Gene  chips  technology  can  fast  efficiently  test  and  analyse  genic  composition  and  genic  expression  in  great  amount.  Great  progress  has  been  made  in  the  deep  study  of  pathology,  medicine,  diagnosis  and  treatment,  which  has  been  used  in  fields  such  as  identifying  pathogenic  gene,  studying  pathogenic  machanism,  testing  medicine  toxicity,  screening  medicine,  testing  virus  resistance  to  medicine,  clinical  diagnosis  and  treatment.  The  study  has  a  broad  prospect  for  study  and  application.

 Key words : gene  chips;  microarray;  probe;  genic  expression;  rumor