Bio-Plex悬液芯片技术在生命科学与医学研究中的应用

Bio-Plex悬液芯片技术在生命科学与医学研究中的应用

2.1 Bio-Plex悬液芯片技术应用概述

悬液芯片技术自发明以来的十几年中主要应用于三个领域：基因组学、蛋白质组学和临床诊断检测。在蛋白质组学领域的应用，悬液芯片技术显示出其巨大的优势，其操作与免疫检测技术（ELISA）几乎相同，已经广泛应用于蛋白质的表达谱，蛋白质翻译后修饰如磷酸化、糖基化，以及对蛋白质功能和相互作用的筛查的研究中，主要领域有各种疾病、生理过程的细胞因子表达谱分析、聚焦蛋白质组学（focused proteomics）研究、转化医学、病理与药理和新药筛选等。在核酸检测方面，平板的DNA芯片技术广泛的用于高通量基因表达的平行分析，但是由于一些特殊的DNA应用的出现，研究的范围可能仅限于某一类功能基因组，如某一类疾病的研究、SNP分析验证、病原体检测、micro RNA等，这类应用显然无需巨大通量的DNA固相芯片，而液相芯片更加合适，操作更加简便，芯片组的选择也更加灵活。而在临床诊断领域，悬液芯片是很好的疾病筛查、诊断和监控的工具，现已有广泛的应用，包括呼吸道病原体、肠道疾病病原体的筛查和检测，和一些疾病标志物的检测等等。关于悬液芯片技术在各领域的应用，详细如下表所示：

Bio-Plex悬液芯片技术的应用 基因组学（Genomics）

基因分型（Genotyping）

- 基因多态性分析

- 基因突变分析 基于寡核苷酸微球的悬液芯片技术是高效率高通量的SNP分析平台（Ye et al. 2001）；也是进行寡核苷酸配基检测（lannone et al. 2000），单碱基突变分析（Chen et al. 2000），以及聚合酶介导的寡核苷酸单碱基延伸检测（Cai et al. 2000）的有效手段；

也证明该技术是进行疾病特异性突变分析的有效手段（(Dunbar and Jacobson 2000,

Ward et al. 2002)。

基因表达（Gene Expression） - 疾病标志物

- 发育过程

- 基因调控

悬液芯片技术最适合进行较小通量的多重基因检测，如单次反应在100个以内，这只需

要1小时即可完成96个样品的多重检测。 蛋白质组学（Proteomics）

蛋白表达谱分析（Protein

Profiling）

- 多重细胞因子检测

对刺激和非刺激细胞、检验组和对照组的细胞因子定量分析已经是悬液芯片技术最普遍的应用。这些因子，包括细胞因子、趋化因子、生长因子和脂肪因子等，是一群细胞信号蛋白，对这些蛋白的同步检测能揭示细胞、组织或机体免疫反应的复杂机理。（Carson and Vignali 1999, de Jager et al. 2003). 翻译后修饰

细胞信号转导蛋白

同步检测细胞内多重磷酸化蛋白是理解胞内信号转导所必需的，使用悬液芯片技术是更加高效的磷酸化蛋白的检测手段。(Gao et al. 2003) 蛋白功能与相互作用

(Iannone et al. 2001) - 受体-配体结合 - 酶活性

- 蛋白-蛋白相互作用

- 抗体交叉反应与特异性

- 抗原表位扫描

临床诊断(Clinical Diagnostics) 分子诊断 (Colinas et al. 2000) - SNP

- 疾病相关突变检测

- HLA分型

多重免疫诊断

- 血库(Smith et al. 1998).

- 转染性疾病筛查

- 疫苗免疫效果筛查(Bellisario et al. 2001, Prevost et al. 2003).

- 自身免疫检测

- 过敏反应检测

- 生物标志物检测（如激素、调控蛋白、多肽等等）

(Bellisario et al. 2000, de Jager et al. 2003, Lukacs et al. 2003).

2.2 Bio-Plex悬液芯片技术在多重蛋白质检测中的应用

现在市面上有很多基于悬液芯片技术的蛋白检测产品，如Bio-Rad公司，包括有细胞因子、趋化因子、生长因子和脂肪炎性因子，磷酸化蛋白、总靶蛋白，以及一些疾病研究的试剂盒，包括糖尿病、血管生成、急性期以及抗体分型等等。如下表所示。这些试剂使用方便，已经广泛的应用与群体蛋白质组学、转化医学和新药筛选等等领域中。

2.2.1 Bio-Plex悬液芯片技术与蛋白质组学研究

蛋白质组学的范围是极其广泛的，传统的生物化学一般只研究一种蛋白质，其代表技术是色谱的分离纯化与分析、一维凝胶电泳分析、ELISA、Western blotting、蛋白质相互作用、晶体结构等等。然而，过去十几年来，两种技术的联姻——2D电泳和质谱，产生了无偏的（Unbiased）或导向发现的（discovery- oriented proteomics）蛋白质组学。而在传统生物化学和蛋白质组学之间还有一种可称为“聚焦”蛋白质组学（focused proteomics）或者“导向系统的”蛋白质组学（System-oriented proteomics），这种蛋白质组学的代表研究技术就是悬液芯片系统。如下图所示。（Gavin MacBeath, Nature Genetics 32,2002）

传统的蛋白质化学对单个蛋白的结构和功能有很清晰的了解，从而揭示其在细胞或机体中所扮演的角色，

但却不能知道该蛋白质是否影响以及如何影响细胞或机体其它蛋白质表达，进而揭示细胞或系统整体性状的

改变。虽然“无偏的”蛋白质组学往往可以做到这点，所谓“导向发现”的意思是可以获得一些导致差异（如

不同发育、发展阶段，疾病与对照等）的未知蛋白质标志分子；但这种技术仍然有很多的局限性，例如定量

问题、样品的通量问题、2D电泳本身的重现性和灵敏度问题等等都限制了该技术的发现能力。例如在研究者

准备分析一种特殊的生物样品，如癌症病人的肿瘤组织切片的研究中，不可避免的涉及一次“完全的蛋白质

组学”分析，却存在样品中诸多如蛋白的丰度、修饰、活性、定位和相互作用的问题，因此在实际实验设计

中，研究者往往只能限定于上述的一到两个参数，或者限定于整体蛋白质中的某一类，如炎性蛋白、血管生

成标志蛋白、磷酸化蛋白等等。因此这种类型的实验其实是蛋白表达谱（expression profiling），现在已

被广泛的称之为蛋白谱（Protein profiling）的分析。对于一组给定的样品，包括检测组和对照组，聚焦某

一类蛋白质的蛋白谱的分析往往能导向新的发现。

Martin Keller et al于2007年研究了活化的Caspase 1是非传统蛋白质分泌的调节因子, 所谓传统的蛋

白质分泌途径是蛋白质经核糖体合成后，通过内质网/高尔基体途径，以小泡的方式与细胞膜融合，然后将蛋

白质分泌到胞外；然而，某些蛋白质却不通过上述途径分泌到胞外，但其分泌机理却不清楚，这些途径称为

非传统蛋白质分泌途径，比如一些炎性蛋白，像IL-β,IL-18和IL-33等，这些炎性蛋白必需由Caspase 1的激

活才有活性，为此，作者将Caspase 1进行RNAi处理，以研究该蛋白质在上述炎性蛋白质分泌过程中的作用。

对角质化细胞进行Caspase 1的RNAi处理，以研究Caspase 1的功能。对Caspase 1的RNAi细胞和对照组细胞在

培养过程中进行紫外照射，刺激其分泌细胞因子。然后测定这些样品的胞外、胞内的27种细胞因子。结果发

现对照组的IL-1β胞外浓度是Caspase1 RNAi组的3倍，同时其它如TNF-α,IL-1α,IFN-γ等细胞因子的对照组

浓度也比RNAi组的高，这是因为这些蛋白质的表达和分泌受到细胞外环境中IL-1β浓度的影响。因此，这些结

果为Caspase 1在非传统蛋白质分泌中的重要角色提供了重要的证据，通过这种机制，也说明应激诱导的

Caspase 1活化是炎症与细胞保护、细胞存活和再生过程的直接关联。

因此，对基于RNAi技术的功能基因组学或蛋白质组学的研究，除了传统的Western blotting或ELISA对单个蛋白质的表达进行分析以表征RNAi的效果，以及用2D电泳技术对整体蛋白质组学进行分析以表征RNAi之后整体蛋白质的表达谱以外，我们还可以用悬液芯片技术，对与研究相关的某一类蛋白质谱进行表征，以寻求之间表达的差异，从而揭示一些规律，应用该技术的好处是样品通量很大，可以单次做到几十个到几百个，这是2D电泳远远不能比拟的，单个样品一次可以同时测定几十种目标蛋白，另一个好处是分辨率很高，可以表征丰度低至0.2pg的蛋白质，还有一个好处是数据处理的自动化，是否有差异可一目了然。

2.2.2 Bio-Plex悬液芯片技术在转化医学中的应用 转化或转换医学（Translational Medicine, Translational Research）是近2、3年来国际医学健康领域出现的新概念，其主要目的是为了打破基础医学与药物研发、临床医学之间固有的屏障，在其间建立起直接关联，从实验室到病床，把基础研究获得的知识、成果快速转化为临床上的治疗新方法。 转化医学最早由EA. Zerhouni提出的NIH路线图计划（NIH Roadmap），提出将医学生物学基础研究成果迅速有效的转化为可在临床应用的理论、技术、方法和药物的概念。因此，转化医学具有2个层面的涵义，其一是将基础研究的结果直接用于临床的应用，其二是实验室成果迅速产业化。因此转化医学具有双向、开放，提供新疗法、新药物，对疾病进程和特性提供反馈意见，以及“驱动临床研究引擎的激发器”等特点。

基因组学 蛋白质组学 RNAi 平台 蛋白质表达谱分析： －2D 电泳技术 －Bio-Plex 悬液芯片 ?细胞因子（免疫学相关） ?磷酸化蛋白（细胞信号转导） ?脂肪炎性因子（肥胖与糖尿病） ?血管增生标志蛋白（肿瘤） ?… …

目标基因的功能 生物标志物 。。。 驱动发现的蛋白质组学研究路线 Bio-Plex 悬液芯片的蛋白质组学研究流程

早在2005年，Julio E. Celis等就提出悬液芯片技术可作为“驱动发现”的乳腺癌转化型研究的标准技术。之后Bio-Plex悬液芯片技术广泛的用于转化医学的研究，这些研究主要聚焦在对不同样品，如疾病与对照等的各种炎性因子表达谱的分析，包括细胞因子、趋化因子、生长因子和脂肪因子等，从而找到能预警疾病、表征疾病不同发展阶段和指导用药的生物标志分子或标志分子的特定组合。

最简单的例子是Gerd G Gauglitz等于2008年研究细胞因子是否能预测吸入式损伤的烧伤病人能否存活，其背景是在以往的案例中，吸入式损伤程度相同的病人采用同样的抢救措施，但有些病人能存活下来，而有些病人却不能存活。作者从炎症的角度出发，旨在寻找能预测存活的细胞因子。在一次火灾后，有28个伤员进入医院，经测定这些病人吸入式损伤程度相同或基本相同，在进入医院的24小时内对这些病人第一次采血，然后进行常规的抢救，经过3－5天，发现有15人存活，而另外13人却不能存活，这时对他们进行第二次采血，然后对这些血液样品同时测定17种细胞因子，结果发现在刚进入医院的24小时内，不能存活的13个病人其

IL-4，IL-6，IL-7，IL-10和IL-13的血清水平比存活组高出很多，经过统计学分析，作者得到结论，如果吸入式损伤的烧伤病人在刚进入医院24小时内其IL-6，IL-7和IL-10的水平比正常水平高出很多，则说明这类病人很可能不能存活，除了常规的抢救措施之外，必需采取更紧急有效的措施进行抢救。

香港中文大学的Vincent Wai-Sun Wong于2009年研究了中国人群中肥胖的乙肝病人的脂肪炎性因子（adipokine）和乙肝病毒对肝损伤的相互关系。全世界有3.5亿乙肝病人，而且其中不少会发展为肝硬化和肝癌。疾病的发展与很多因素有关，包括病人自身情况、病毒方面的因素、生活方式、以及病毒的超感染等。同时肥胖和代谢综合症在发达国家和发展中国家流行，近期数据表明代谢因素也会影响慢性乙肝的自然发展，而且已有研究表明患有代谢综合症的慢性乙肝病人具有更高的肝硬化和肝纤维化的风险，为此，作者研究了乙肝病人中脂肪炎性因子对肝损伤的作用，也研究了病毒方面的因素是否会影响脂肪因子、胰岛素抵抗和肝硬化等。脂肪炎性因子（adipokine）是脂肪组织分泌一系列生物活性蛋白，包括瘦素（leptin）、脂联素（adiponectin）、抵抗素（resistin）、TNF-α、IL-6等，这些蛋白质影响胰岛素抵抗和炎性。作者选择了来自香港Prince of Wales医院的266个慢性乙肝病人，做组织切片，常规的临床检查，在实验室检测中则采用了Bio-Rad的糖尿病检测试剂盒检测这些样品的脂肪炎性因子。其中最主要的结果是BMI指数、腰围与血清中adiponectin负相关，大量的肝坏死与血清中升高的TNF-α和IL-6有关，而且这两种因子的高水平将促进肝癌发生，血液中的乙肝病毒量和病毒基因型与反常的TNF-α和IL-6水平无关，这说明脂肪炎性因子和乙肝病毒分别独立影响着肝损伤，最重要的是更高的HBV DNA将有更高的血清中adiponectin，这有助于减少脂肪肝，因此慢性乙肝病人由于adiponectin（脂联素）的升高而使代谢综合症的风险降低。这其实说明肥胖的乙肝病人中的脂联素与TNF-α和IL-6的水平存在一个平衡，一旦这个平衡被打破，如脂联素下降，则该肥胖病人将有更高的肝硬化和肝癌的风险。

悬液芯片技术在用药指导的研究方面，南方医科大学附属珠江医院的肾移植研究所的刘占国等在2008年研究了全血细胞因子表达谱评估免疫抑制剂对人免疫的效果，寻求在临床上灵敏而准确的测定方法以评估移植病人的免疫状态，医师可以根据检测结果决定使用何种免疫抑制剂以及剂量，以降低排异或感染的发生。研究者对3个20－30岁健康志愿者，抽血，血细胞96孔培养3-12小时，不同时间用不同试剂刺激，上清收集，-20℃保存用于分析。然后用Bio-Plex悬液芯片同时检测17种细胞因子。结果表明：1、每种免疫抑制剂具有独特的细胞因子谱标志，这有助于临床医师通过测定病人的细胞因子谱及时确定免疫抑制剂是否不足或过量；

2、不同组合联合使用免疫抑制剂也具有独特的细胞因子谱；

3、医师应该仔细而且快速的测定病人的细胞因子谱，以决定之后的免疫抑制剂的使用，从而减少排异或感染的发生；

4、同步多重检测细胞因子对评估病人

的免疫状态是非常强大的工具，尤其是不同类型、不同剂量和不同组合都有各自的细胞因子谱标志，这有助于临床医师及时调整药物类型和剂量；5、该技术也可应用于癌症、自身免疫疾病、或对免疫抑制剂的过敏紊乱等。

除了上述的几个例子，悬液芯片技术在转化医学的其它各种疾病的研究都有广泛的应用，包括转移性黑色素瘤（Erika von Euw et al，2009），肾细胞癌的疫苗治疗（Christiane Geiger et al，2005）， 糖尿病的基因治疗（Susan L Samson et al，2008），风湿等等。综上所述，转化医学的最重大的背景是机体内分子和细胞水平的病变远远早于组织和器官的病变，而基于Bio-Plex悬液芯片技术的转化医学可以回答或者部份回答是否早期已经发生分子和细胞水平的病变，其结果也可以指导医师决定用药，实现个性化治疗。因此，Bio-Plex悬液芯片技术是从分子和细胞水平进行转化型研究的重要手段。

2.2.3 Bio-Plex悬液芯片技术与病理和药理研究

悬液芯片技术在病理领域的应用是最早也是最广泛的，主要是从炎性和细胞信号转导的角度阐明各种疾病的治病机理，特别是各种病原体的致病机理，如呼吸道疾病、炭疽杆菌等等，对于其它的疾病如肿瘤、糖尿病、自身免疫疾病如风湿、关节炎、红斑狼疮（Marije I. Koenders et al, 2007, Fang Du et al, 2008）等等也都有大量的报道。Jason E. Comer等与2005年研究了体内炭疽毒素对T淋巴细胞活化的直接抑制，以阐明炭疽毒素的致病机理，在这之前已有科学家报道炭疽毒素对树突状细胞和巨噬细胞这两种抗原递呈细胞的抑制，但对T淋巴细胞还未有报道，但这对于炭疽毒素对机体免疫系统的作用机理却是至关重要的。作者采用小鼠模型，将致死毒素和水肿毒素两种炭疽毒素分别注射到小鼠身上，然后取出T淋巴细胞进行原代培养，在培养过程中用抗CD3抗体和抗CD28抗体对细胞进行刺激，模拟体内抗原递呈作用以活化T细胞，然后用Bio-Plex 悬液芯片检测细胞培养液的18种细胞因子。结果显示，与对照组相比，打了致死毒素的样品几乎所有的细胞因子的水平大大下降，有的甚至降到背景值，打了水肿毒素的样品的细胞因子也有不同程度的下降，而且细胞继续培养到4天，绝大部分的细胞因子的水平仍不能回复到正常水平。这说明打了炭疽毒素之后，T淋巴细胞的活化受到直接的抑制，从而机体的免疫系统崩溃，为了进一步探索炭疽毒素直接抑制T细胞活化背后机制，

以阐明免疫系统崩溃的原因，作者又用Bio-Plex悬液芯片技术同时检测了打两种炭疽毒素的T细胞的胞内多种病人选择 测定细胞因子谱 常规临床检验

统计学分析 结论

Markers profile

病人选择

结论

个体化用药

药物作用

用于临床预测、

诊断、治疗等

Bio-Plex 平台转化医学研究的2种实验设计

磷酸化蛋白，以探索炭疽毒素对T细胞内信号转导的影响，结果发现，与对照组相比，打了致死毒素的样品中的p-ERK、p-AKT、p-P38、p-GSK α/β、p-ATF-2等5种磷酸化蛋白的磷酸化水平大大下降，而打了水肿毒素的样品p-JNK的磷酸化水平也有一定程度的下降，从T淋巴细胞的信号转导途径上看，很多导向各种细胞因子如IL-2等的信号途径因炭疽毒素的作用而受到阻断，从而使信号不能传递给转录因子，从而引起各种细胞因子的表达大大降低。这就从细胞信号转导和转录水平阐明了炭疽毒素的致病机理，作者也说明这些结果能为炭疽毒素疫苗的开发提供参考。

实际上，对疾病致病机理的细胞生物学水平的研究有一般的研究思路：先是从炎症的研究开始，揭示疾病的免疫状况的变化，然后再进一步研究背后的细胞信号转导，也可以用悬液芯片技术同时检测多种磷酸化蛋白，这特别对于疾病背后未知的信号通路的变化研究尤其适合。Salomon Amar等在2007年研究肥胖的小鼠的免疫应答的变化，也是从细胞因子开始，最后由该实验室的Qingde Zhou等完成信号转导变化的研究。

2.3 Bio-Plex悬液芯片技术在核酸检测中的应用

悬液芯片技术最初的设计是专用于蛋白质的检测，因此在最初引入中国时，该技术尚被称之为“蛋白质液相芯片技术”；然而，在该技术的推出市场之后即被用于核酸的检测，2005年Luminex公司的Sherry A. Dunbar 对该技术在核酸的诸多应用做了回顾，包括基因表达谱分析（gene expression profiling）、HLA的DNA分型以及病原体检测等方面，而且对核酸检测的实验设计作了说明，说明xMAP悬液芯片技术可进行同时快速而且高特异性的高通量核酸检测。

悬液芯片技术的核酸检测主要有直接DNA杂交、靶点特异性引物延伸技术（Target- Specific Prime Extension，TSPE，也简称TSE）、竞争性DNA杂交等，但主流技术是第一种，即直接杂交，也广泛的应用于病原体分析、HLA分型、Micro RNA等方面。详细如下表所示：

Luminex

从上表可以看出，直接杂交的应用最广泛，也是目前主流的技术，其优点是简便、成本很低等。其原理如下图所示。先由PCR特异性扩增目标DNA，其中一条引物需要生物素标记，扩增产物变性后与靶点/等位基因

特异性探针偶联的微球杂交，之后加入链亲和霉素藻红素（Strep-R- Phycoerythrin，简称SAPE或PE），最后用悬液芯片系统检测。

用于SNP分析的直接杂交探针设计原则主要有：

1、核苷酸长度一般为18-24个，最好超过20个，

2、针对每个靶点的探针的长度必须相同，

3、针对每个靶点的探针必须是相同的链，

4、在SNP中心，多重SNP要均匀展开，

5、与微球偶联的探针必须有12碳的臂，以减少杂交时的空间位阻

6、针对多重靶点的探针的解链温度必须相似。

如果不是用于SNP的检测，如基因表达谱、micro RNA、病原体分析等，

则为：

1、核苷酸长度为50-70个，

2、必须是HPLC纯，

3、多重靶点的探针必须有相似的溶解温度。

对于直接杂交的引物设计，主要有：

1、复制子长度应该在100-300个碱基之间，这主要是考虑到兼顾PCR的特异性

和多重PCR的效率，太短则特异性差，太长则多重PCR很难做或做不出等。

2、靶点长度越长，也容易成功，注意：杂交效率取决于序列和靶点的二级结

构，因此靶点越长，形成二级结构的概率越高，但只要避免形成二级结构，则特异性则越高。

3、一条PCR引物必须是5’生物素标记，以便与SAPE结合并用于悬液芯片系统的检测。

4、复制子的生物素标记链必须与偶联在微球上的探针互补。

5、

总之，正确的设计探针和引物对该技术的成功应用至关重要，因此，研究

者必须对所要研究的序列进行充分的生物信息学分析，并仔细设计引物和探针。

基于悬液芯片技术的另一种实验设计是靶点特异性引物延伸技术（Target-

Specific Prime Extension，TSPE，也简称TSE）。该技术最初有Tm Bioscience

公司（现已被Luminex公司收购）发明，其原理是根据结核分支杆菌

（mycobacterium tuberculosis）的基因组DNA的GC含量较少，从中选取了100

种仅含有TAC三种碱基的序列，并将其偶联到微球上，称为x-TAG微球。其原理

如右图所示：

1、靶点DNA与序列标记的等位基因特异性捕获引物结合并变性，

2、靶点DNA和引物在含有DNA聚合酶、dNTPs（其中必须生物素标记）的反应体

系中退火，

3、特异性引物延伸

4、获得具有序列标记的ASPE产物，用于与x-TAG微球杂交。

这种技术的优点主要有：

1、相同的探针长度：都是24个碱基，

2、没有交叉杂交，

3、同一杂交温度：37℃，

4、仅含有3种碱基，没有G（留下用于生物素标记）

5、与样品基因组DNA或PCR产物没有杂交，

6、对PCR产物没有长度限制，

7、无空间位阻

毫无疑问，无论采用哪种策略，基于微球的悬液芯片技术在核酸检测方面都存在多重PCR的问题，多重PCR 技术已经成为该技术在核酸应用的最大的瓶颈，因此，市面上基于该技术的核酸芯片产品的价值附加主要在于生物信息学分析及其所设计的引物与探针，另一个价值附加就是多重PCR的条件。虽然第二种技术——等位基因特异性引物延伸在设计上比较巧妙，但所解决的仍然是微球编码识别和杂交的问题，其实这两个问题在直接杂交策略中只要仔细设计引物和探针都能基本得到解决；而x-TAG技术对样品的多重PCR不仅没有解决，而且还增加了一步特异性引物延伸，这大大延长了实验的时间和增加了实验的成本以及实验的复杂性，另一方面，虽然具有不限PCR产物长度的优点，但如果复制子很长，对多重PCR是非常大的挑战。

2.3.1 多重病原体分析

悬液芯片技术在多重病原体分析方面的应用主要在呼吸道疾病、手足口病和肠道致病菌的检测，其中比较主要的有美国CDC的Collette Fitzgerald等于2007年用该技术对沙门氏菌的血清分型进行分子检测，设计了引物和探针，使用直接杂交技术，同时检测美国最普遍的6种沙门氏菌血清型：B、C1、 C2、D、E和O13，另还加了一种副伤寒的血清型paratyphi A。结果在45分钟内检

测的准确性和特异性达到94.3％（384个样本中鉴定出362个），

说明Bio-Plex悬液芯片检测方法是一种容易使用、高通量的沙

门氏菌血清分型的方法。据说目前这种方法正在推广。另有

Monica K. Borucki等在2005年也使用了悬液芯片技术对李斯特

菌的亚型进行基因组DNA的检测分析。在手足口病方面，Julie

Perkins等在2007年，Benjamin J. Hindson等在2008年都用该

技术对手足口病进行多重检测。

对呼吸道病原体检测和筛查是最近几年的热门课题，这主

要因为2003年的SARS、H1N5禽流感和2009年的H1N1猪流感的全

球流行。J.Mahony等在2007年用TSPE技术开发了同时检测20种

呼吸道病毒，其中包括H5N1、SARS等等，并开发成产品。另有

Wai-Ming Lee等在2007年为提高这种多重呼吸道病原体检测的

特异性和灵敏度，在x-TAG技术的基础上，使用异胞嘧啶和异鸟

嘌呤配对的特点，开发了同时检测8种呼吸道病原体的技术，其

原理如右图所示。结果其灵敏度高达20个cDNA拷贝。

Bio-Plex检测

2.3.2 SNP分析

2006年Eric P等用x-TAG技术对恶性疟原虫的耐药性进行SNP分析；2007年新加坡国立大学的Seok Hwee Koo1对ATP结合盒转运蛋白（ABC Transportor）的SNP进行分析，ABC转运蛋白的多态性与化疗后病人对药物的耐药行密切相关，对22个突变点进行了分析，一共使用了44种编码的微球，其多重PCR的解决采用分组进行，22个突变点分成4组，2组4个，另2组6个，分别做多重PCR，然后混合，在用Bio-Plex悬液芯片进行检测。

2.3.3 HLA DNA分型

悬液芯片技术在HLA DNA分型的应用比较成熟，现在已经用于各个血站的HLA分型检测。较早的报道是日本的Yoshiki Itoh等在2005年对日本人群中人白血病抗原（HLA）-A,-B,-C,和-DRB1进行分型。采用直接杂交策略，结果对HLA-A的准确度达到85.91％，HLA-B为85.03％，HLA-C为97.32％，HLA-DRB1为90.67%。

2.3.4 micro RNA研究

Micro RNA研究是最近几年的热门课题，早在

2005年Jun Lu等在《Nature》杂志上就已报道悬液

芯片技术用于Micro RNA表达谱分析以对肿瘤进行分

类，其采用的策略是直接杂交，如右图所示。其研

究背景是目前尚没有能够将弱分化的肿瘤细胞从正

常细胞中区分出来的技术，而micro RNA是内源性非

编码的约含22个碱基的小片段RNA，其主要作用是抑

制目标mRNA的翻译。作者使用直接杂交技术，基于

悬液芯片技术研究miRNA表达谱的诊断人癌症的潜

力。从334个样品，其中包含各种人癌症，从中分析

了217种哺乳动物的miRNA，结果发现miRNA的表达谱

的结果含有多种信息，这些信息反映了肿瘤的发展和分化的状态。作者还考察了miRNA在肿瘤中的调节，并于正常组织进行对比，结果使用miRNA表达谱能成功的分类那些弱分化的肿瘤，而在相同的样品中mRNA的表达谱的结果却高度不准确，因此作者认为这些发现说明miRNA表达谱能用于癌症的诊断。

本文作者：沈志扬，伯乐公司（Bio-Rad Laboratories）产品经理

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南京中医药大学医学与生命科学学院简介

南京中医药大学医学与生命科学学院简介医学与生命科学学院成立于2016年5月，由现代医学基础学科、生物技术及部分公共基础学科组成。学院下设8个学系：人体解剖与组织胚胎学系、生理学系、病理学与病理生理学系、药理学系、细胞生物与医学遗传学系、生物化学与分子生物学系、病原与免疫学系、公共卫生学系；1个省级教学实验示范中心；1个实验研究中心。目前学院教职工90人，其中“双聘院士”（中国工程院院士）1名，国家“杰出青年科学基金获得者”2人、全国“百千万人才工程国家级人选”1人、国务院学科评议组成员1人、国务院政府特殊津贴获得者2人、江苏省特聘教授3人、江苏省“杰出青年科学基金获得者”1人。具有正高职称16人，副高职称24人，博士生导师12人，硕士生导师21人。 学院科研实力雄厚，具有完善的分子细胞生物学、药理学、病理学、毒理学以及“高通量”和“高内涵”筛选等研究技术平台。学校临床医学、药理学与毒理学两个学科进入ESI全球前1%，依托学科优势，学院以重点学科建设为龙头，积极推进科学研究，2016年主持国家级、省级研究课题近三十项，获批江苏省“退行性疾病药靶与药物”高校重点实验室。 学院拥有国家中医药管理局重点学科1项（中西医结合基础），“十三五”省重点学科1门（临床医学），省级精品课程1门（病理学），省重点教材1门（生物化学与分子生物学）。主编《病理学》、《医学生物学》等规划、精编教材。 学院人才培养覆盖本科生、硕士、博士研究生各个层次，专业涉及临床医学、生物技术、中西医结合基础、中药学、药理学等。学院拥有2个博士点和2个硕士点，研究学科分布涉及中药学、分子生物学、结构生物学、药物设计学、细胞生物学以及药理学等。 学院以重点学科建设为龙头，加强科学研究，提升学院整体竞争

医学科学部和生命科学部

H．医学科学部 H01 呼吸系统 H0101 肺及气道结构、功能及发育异常 H0102 呼吸系统遗传性疾病 H0103 呼吸调控异常 H0104 呼吸系统炎症与感染 H0105 呼吸系统免疫性疾病及变应性肺疾病 H0106 气道重塑与气道疾病 H0107 支气管哮喘 H0108 慢性阻塞性肺疾病 H0109 肺循环及肺血管疾病 H0110 间质性肺疾病 H0111 急性肺损伤和急性呼吸窘迫综合征 H0112 呼吸衰竭与呼吸支持 H0113 睡眠呼吸障碍 H0114 纵隔与胸膜疾病 H0115 胸廓/膈肌结构、功能及发育异常 H0116 肺移植和肺保护 H0117 呼吸系统疾病诊疗新技术 H0118 呼吸系统疾病其他科学问题 H02 循环系统 H0201 心脏结构与功能异常 H0202 循环系统遗传性疾病 H0203 心肌细胞/血管细胞损伤、修复、重构和再生 H0204 心脏发育异常与先天性心脏病 H0205 心电活动异常与心律失常 H0206 冠状动脉性心脏病 H0207 肺源性心脏病 H0208 心肌炎和心肌病

H0209 感染性心内膜炎 H0210 心脏瓣膜疾病 H0211 心包疾病 H0212 心力衰竭 H0213 心脏/血管移植和辅助循环 H0214 血压调节异常与高血压病 H0215 动脉粥样硬化与动脉硬化 H0216 主动脉疾病 H0217 周围血管疾病 H0218 淋巴管与淋巴循环疾病 H0219 微循环与休克 H0220 血管发生异常及血管结构与功能异常 H0221 循环系统免疫相关疾病 H0222 循环系统疾病诊疗新技术 H0223 循环系统疾病其他科学问题 H03 消化系统 H0301 消化系统发育异常 H0302 消化系统遗传性疾病 H0303 消化道结构与功能异常 H0304 肝胆胰结构与功能异常 H0305 腹壁/腹膜结构及功能异常 H0306 消化道内环境紊乱、黏膜屏障障碍及相关疾病 H0307 消化道动力异常及功能性胃肠病 H0308 消化系统内分泌及神经体液调节异常 H0309 胃酸分泌异常及酸相关性疾病 H0310 胃肠道免疫相关疾病 H0311 消化系统血管及循环障碍性疾病 H0312 胃肠道及腹腔感染性疾病 H0313 肝胆胰免疫及相关疾病 H0314 肝脏代谢障碍及相关疾病

基因芯片技术基础知识(概念、制备、杂交、应用及发展方向)

生物科学正迅速地演变为一门信息科学。最明显的一个例子就是目前正在进行的HGP （human genome project），最终要搞清人类全部基因组的30亿左右碱基对的序列。除了人的遗传信息以外，还有其它生物尤其是模式生物（model organism）已经或正在被大规模测序，如大肠杆菌、啤酒酵母、秀丽隐杆线虫以及中国和日本科学家攻关的水稻基因组计划。但单纯知晓生物基因组序列一级结构还远远不够，还必须了解其中基因是怎样组织起来的，每个基因的功能是什么，又是怎样随发育调控和微环境因素的影响而在特定的时空域中展开其表达谱的，即我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这个功能基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学）[1]，涌现出许多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和生物芯片（Biochip）技术[2]。 一．什么是基因芯片 生物芯片，简单地说就是在一块指甲大小（1cm3）的有多聚赖氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价连接；作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等）将生物分子探针（寡核苷酸片段或基因片段）以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子（如基因）相互作用，交行反应的固相表面，在激光的顺序激发下标记荧光根据实际反应情况分别呈现不同的荧光发射谱征，CCD相机或激光共聚焦显微镜根据其波长及波幅特征收集信号，作出比较和检测，从而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片。而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂交[3]的芯片。 基因芯片的基本原理同芯片技术中杂交测序（sequencing by hybridization, SBH）。

细胞生物学是生命科学和医学的重要基础综述

细胞生物学是生命科学和医学的重要基础综述 摘要：随着科技的不断发展，关于细胞与分子的研究日益深入，人们逐渐认识到细胞生物学不仅是生命科学的重要基础，且与医学有着密不可分的关系。可以说，细胞生物学的发展促进了生命科学的进步和医学技术的提高。 关键词：细胞生物学生命科学医学发展关系促进 著名科学家E．B．Wilson曾经说过：“每一个生物科学问题的关键必须在细胞中寻找。”细胞作为有机体结构和生命活动的基本单位，生物科学上的许多基本问题都必须在细胞中求得解决。我们队细胞进行深入研究，不仅是为了阐明各种生命活动的现象与本质，更是希望据此来进一步对这些现象和发展规律加以控制和利用，以达到造福于人类的目的。而在这些利用方式当中，首当其冲的就是医学。许多疾病的研究和治疗最终都必须回归细胞水平，细胞的病变是诊断疾病最有力的证据，也为治疗指明正确的方向。本文将从细胞生物学与生命科学及医学的关系两个方面阐述现代细胞生物学研究的重要意义。 一、细胞生物学是生命科学的重要基础 （一)生命科学 生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。利用生命科学的知识和技术，我们可以有效地控制生命活动、改造生物界，从而造福人类。可以说，生命科学与人类生存和人民健康有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。 （二）细胞生物学 细胞生物学(cell biology)是运用近代物理、化学技术和分子生物学方法，在显微、亚显微和分子水平三个层次上，研究细胞的结构、功能和各种生命规律的一门学科。它是由细胞学（cytology)发展而来。因为关于细胞早已不仅是单纯地研究一个个细胞、细胞器和生物大分子或者一个个生命现象，而是将它们有机结合，从动态的变化过程中探索它们之间的相互关系以及它们与环境的关系，因此现代的细胞研究称为细胞生物学。 （三）细胞生物学与生命科学 在我国基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学、神经生物学和生态学并列为生

同济大学医学与生命科学部涉及人的生物医学研究伦理审查申请表

同济大学医学与生命科学部涉及人的生物医学研究 伦理审查申请表 编号(N?)：2010- 申请日期：年月日项目名称： 项目负责人：职称： 电话：电子信箱： 研究单位: 合作研究单位：负责人： 联系电话：传真：邮编： 研究者：职称：研究者：职称： 研究者：职称：研究者：职称： 研究者：职称：研究者：职称： 拟研究时间：年月日至年月日 研究课题来源：□政府□基金会□公司□国际组织□其他： 递交审查资料： □实验方案□知情同意书□其他资料 包括：试验用品安全性资料、生产企业资质证明、试验用品提供者的资质证明 研究内容摘要（列清所需要的人体组织标本类型，来源【若是从外单位取得，请注明外单位是否已经进行伦理审查，并提供相应的证明】，如何使用人体标本）： 1、本研究所采用的人体标本： 2、标本来源： （若是从外单位取得，请注明外单位是否已经进行伦理审查，并提供相应的证明） 标本由提供，（已√/ 未）进行伦理审查，（能√/ 不能）提供伦理审查证明。 3、研究中如何使用人体标本

保密要点： 审查要点1.研究的设计和实施是否科学、可行？1）研究设计的合理性、统计方法(包 括样本量计算) 和用最少的受试者人数获得可靠结论的可能性2）权衡受试者和相关群体的预期利益与预计的危险和不便是否合理3）应用对照组的理由4）受试者提前退出的标准5）暂停或终止整个研究的标准等。 2.受试者的医疗和保护 3.受试者隐私的保护 4.知情同意的过程: 给受试者或其法定代理人的书面和口头信息的充分性、完 整性和可理解性等 5.其他 审查结果（是否同意申请人的实验方案）医学与生命 科学部伦理 委员会意见 □同意□不同意□修改 伦理委员会主任委员签章（Signature of Ethics Committee Director）： 伦理委员会签章（Signature of Ethics Committee）： 填表说明：1、申请日期请填写拟交申请日期，编号由医学与生命科学伦理委员会填写。 2、申请书中方格可在文字输入打印后，在选中的项目前用钢笔画√。 3、联系人为：本研究项目的联系人及电话。 4、研究者包括合作研究单位的人员。 5、送交审查资料包括：申请书、试验方案、知情同意书；如为人体用品还需按其他资料项目要 求提交资料。

基因芯片技术的应用和发展趋势

基因芯片技术的应用和发展趋势 随着基因芯片技术的日渐成熟, 在功能基因组、疾病基因组、系统生物学等领域中得到了广泛的应用, 已经发表了上万篇研究论文, 每年发表的论文呈现增长的趋势. 芯片制备技术极大地推进了生物芯片的发展, 从实验室手工或机械点制芯片到工业化原位合成制备, 从几百个点的芯片到几百万点的高密度芯片, 生物芯片从一项科学成为一项技术, 被越来越多的研究者广泛运用. 各个实验室不断产生海量的杂交数据, 相同领域的研究者需要比较不同实验平台产生的数据, 作为基于分子杂交原理的高通量技术, 芯片实验的标准化、可信度、重现性和芯片结果是否能作为定量数据等问题成为所有的芯片使用者关心的课题. 迈阿密原则和微阵列质量控制系列研究回答了这两个问题. 迈阿密原则(Minimum Information About a Micro- array Experiment, MIAME, 微阵列实验最小信息量)提出了生物芯片标准化的概念, 该原则的制定使世界各地实验室的芯片实验数据可以为所有的研究者共享. 同 时, 美国国家生物信息学中心(NCBI)和位于英国的欧洲生物信息学研究所(EBI)也建立了GEO ( https://www.wendangku.net/doc/c579093.html,/geo/)和ArryExpress (http:// ;https://www.wendangku.net/doc/c579093.html,/arrayexpress/)公共数据库, 接受和储存全球研究者根据迈阿密原则提交的生物芯片数据, 对某项研究感兴趣的研究人员可以下载到相关课题的芯片原始数据进行分析. 2006年美国FDA联合多个独立实验室进行了MAQC系列实验(micro array quality control, MAQC), 旨在研究目前所使用的芯片平台的质量控制. 该研究的12篇系列文章发表在2006年9月份的Nature Biotechnology 上, 用严格的实验分析了目前主流芯片平台数据质量, 芯片数据和定量PCR结果之间的相关性, 芯片数据均一化方法, 不同芯片平台之间的可重现性. 证明了不同芯片平台产生的数据具有可比性和可重现性, 各种芯片平台之间的系统误差远远小于人为操作和生物学样品之间本身的差异, 肯定了芯片数据的可信性, 打消了以往对芯片数据的种种猜疑, 明确了基于杂交原理的芯片同样可以作为一种定量的手段. 推动了生物芯片技术在分子生物学领域更广泛的应用. 生物信息学和统计学是在处理基因芯片产生的海量数据中必不可少的工具. 随着芯片应用的推进, 芯片数据分析的新理论和新算法不断地被开发出来, 这些方法帮助生物学家从海量的数据里面快速筛选出差异表达的基因. 一次芯片实验获得的是成千上万个基因的表达信息, 任何一种单一的分析方法都很难将所有蕴含在数据中的生物学信息全部提取出来, 从近年来生物信息学研究的趋势来看, 目前研究的重点开始转向芯片数据储存、管理、共享和深度信息挖掘, 旨在从芯片数据中获得更多的生物学解释, 而不再停留在单纯的差异表达基因筛选上。 目前基因芯片的制备向两个主要方向发展. 第一, 高密度化, 具体表现为芯片密度的增加, 目前原位合成的芯片密度已经达到了每平方厘米上千万个探针. 一张芯片上足以分析一个物种的基因组信息. 第二, 微量化, 芯片检测样品的微量化, 目前芯片检测下限已经能达到纳克级总RNA水平, 这为干细胞研究中特别是IPS干细胞对单个细胞的表达谱研究提供了可能. 另一方面, 微量化也体现芯片矩阵面积的微量化, 即在同一个芯片载体上平行的进行多个矩阵的杂交, 大大减少系统和批次可能带来的差异, 同时削减实验费用. 微阵列技术改变了生物学研究的方法, 使得微量样品快速高通量的分析成为可能, 从单个基因的研究迅速扩展到全基因组的系统生物学研究. 微阵列技术帮助生物学研究进入后基因组时代, 研究成果层出不穷。 2001年国家人类基因组南方研究中心韩泽广博士研究小组利用cDNA芯片对肝癌和正常组织中的12393个基因和EST序列进行了表达谱筛查, 其中发现了2253个基因和EST在肝癌中发生了差异表达, 并对这些差异基因的信号通路进行了分析, 发现WNT信号通路在肝癌的发生中出现了表达异常. 2002年中国科学院神经科学研究所张旭博士研究组利用表达谱芯片对大鼠外周神经损伤模型背根神经节的基因表达进行了研

现代生物学与医学

现代生物学与医学 医学院邵逸夫医院 黄悦 [摘 要] 本文回顾了生物学和医学发展的历程，展望了现代医学所面临的机遇与挑战。现代生物学技术极大地促进了医学的发展，现代生物学技术使现 代医学获得了前所未有的发展机遇，同时也正遭遇着严峻挑战。 [关键词] 生物学技术， 医学， 现代生物学，正以迅猛的速度向前发展着，其影响之广泛，意义之深远，是以往任何科学技术所不可比拟的。随着现代生物学技术在医学领域的渗透，各种强有力研究手段的运用，现代医学正面临着前所未有的机遇与挑战。人类社会经历了200多万年的漫长历史，已经发展到了高度文明的阶段。伴随着古代科学技术的萌芽，产生过巴比伦、中国、印度和希腊的古代文明；从文艺复兴到19世纪，近代科学技术使得欧洲成了近代世界文明的中心；而现代生物学技术的发展使我们正处在现代生物学革命时代。 一、医学的历史发展与生物学技术发展相一致 医学是人类长期同疾病作斗争的实践经验的总结。有了人类，就有了医疗活动。医学的发展，经历了原始医学、经验医学、实验医学和现代医学几个阶段，每一个阶段医学的特点和发展水平，都是同当时社会的科学技术发展水平相一致的。 在原始社会，人们在生产实践中逐渐懂得了一些医学卫生知识，这是医学的萌芽，还谈不上科学形态的医学。到了奴隶社会，由于脑力劳动和体力劳动的分离，才有可能出现专门从事医疗工作的医生，产生了医学。古代埃及、巴比伦、中国和印度等人类文化的摇篮中，产生了经验医学。这也是与当时低水平的生物学发展相一致的。随着生物学的进一步发展，自16世纪开始了建立在实验基础上的近代实验医学时代。16、17世纪的主要成就在于基础医为。到18、19世纪，医学的重点已经转移到了临床医学。经过300多年，人们借助于近代科学技术，在细胞水平上，对人体的结构和功能，对疾病的症状和机制，进行了深入的研究，积累了大量的临床实践经验，极大地拓展了医学的领域。 进入20世纪以来，由于生物学技术的渗透，各种强有力的研究手段的运用，

基因芯片技术及其应用简介(精)

基因芯片技术及其应用简介 生物科学学院杨汝琪 摘要:随着基因芯片技术的发展,基因芯片越来越多的被人们利用,它可应用于生活中的方方面面,如:它可以应用于医学、环境科学、微生物学和农业等多个方面,基因技术的发展将有利于社会进一步的发展。 关键词:基因芯片;技术;应用 基因(gene是载有生物体遗传信息的基本单位,存在于细胞的染色体(chromosome上。将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上,称之为基因芯片(又称DNA 芯片、生物芯片。在一块1 平方厘米大小的基因芯片上,根据需要可固定数以千计甚至万计的基因片段,以此形成一个密集的基因方阵,实现对千万个基因的同步检测。基因芯片技术是近年来兴起的生物高新技术,把数以万计的基因片段以显微点阵的方式排列在固体介质表面,可以实现基因检测的快速、高通量、敏感和高效率检测,将可能为临床疾病诊断和健康监测等领域,带来全新的技术并开拓广阔的市场。 1 基因芯片技术原理及其分类 1.1基因芯片的原理: 基因芯片属于生物芯片的一种"其工作原理是:经过标记的待测样本通过与芯片上特定位置的探针杂交,可根据碱基互补配对的原则确定靶序列[1],经激光共聚集显微镜扫描,以计算机系统对荧光信号进行比较和检测,并迅速得出所需的信息"基因芯片技术比常规方法效率高几十到几千倍,可在一次试验中间平行分析成千上万个基因,是一种进行序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。 1.2基因芯片分类: 1.2.1根据其制造方法可分原位合成法和合成后点样法;

1.2.2根据所用载体材料不同分为玻璃芯片!硅芯片等; 1.2.3根据载体上所固定的种类可分为和寡核苷酸芯片两种; 1.2.4根据其用途可分测序芯片!表达谱芯片!诊断芯片等 2 基因芯片技术常规流程 2.1 芯片设计根据需要解决的问题设计拟采用的芯片,包括探针种类、点阵数目、片基种类等。 2.2 芯片制备将DNA, cDNA或寡核昔酸探针固定在片基上的过程。从本质上可分为两大类fz} ,一类是在片基上直接原位合成,有光蚀刻法、压电印刷法和分子印章多次压印法三种;另一类是将预先合成的探针固定于片基表面即合成点样法。 2.3 样品制备常规方法提取样品总RNA,质检控制。再逆转录为。DNAo 2.4 样品标记在逆转录过程中标记荧光素等。 2.5 芯片杂交标记的cDNA溶于杂交液中,与芯片杂交。 2.6 芯片扫描一用激光扫描仪扫描芯片。 2.7 图像采集和数据分析专用软件分析芯片图像,然后对数据进行归一化,最后以差异为两倍的标准来确定差异表达基因。 2.8 验证用定量PCR或原位杂交验证芯片结果的可信性。 3基因芯片合成的主要方法 目前已有多种方法可以将基因片段(寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上。这些方法总体上有两种: 3.1原位合成:

基因芯片技术的研究进展与前景

基因芯片技术的研究进展与前景 摘要 关键词基因芯片，遗传性疾病，基因组计划， 一、基因芯片技术的产生背景 基因芯片技术是伴随着人类基因组计划而出现的一项高新生物技术。2001年6月公布了人类基因组测序工作草图；2002年出发飙了较高精确度和经过详细注解的人类基因组研究结果；2004年10月发表了已填补基因组中许多Gap片段的更精确的人类全基因组序列，标志人类基因组计划的完成和新时代的开始。随着人类基因组计划的开展，也同时进行了模式生物基因组测序工作。动物、植物、细菌及病毒基因组等测序工作都已取得重大进展。 随着各种基因组计划的实施和完成（有的即将完成），一个庞大的基因数据库已经建成。怎样从海量的基因信息中发掘基因功能。如何研究成千上万基因在生命过程中所担负的角色；如何开发利用各种基因组的研究成果，将基因的序列与功能关联起来，认识基因在表达调控、机体分化等方面的生物学意义；解释人类遗传进化、生长发育、分化衰老等许多生命现象的奥秘；深入了解疾病的物质基础及发生、发展过程；开发基因诊断、治疗和基因工程药物并用来预防诊断和治疗人类几千种遗传性疾病……这些都将成为现代生物学面临的最大挑战。这样的背景促使人们研究和开发新的技术手段来解决后基因组时代面临的一系列关键问题。20世纪90年代初，为适应“后基因组时代”的到来，产生了一项新的技术，即以基因芯片为先导的生物芯片技术。 二、基因芯片的概念 基因芯片（又称DNA芯片、DNA微阵列）技术是基于核酸互补杂交原理研制的。该技术指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于400 ）探针分子固定于支持物上后与有荧光素等发光物质标记的样品DNA或RNA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，从而对基因表达的量及其特性进行分析。通俗地说，就是通过微加工技术，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm2的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，只是在固相基质上古高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，所以被称为基因芯片。 三、基因芯片技术的分类 1 根据功能分类：基因表达谱芯片和DNA测序芯片两类。基因表达图谱芯片可以将克隆的成千上万个基因特异的探针或其cDNA片段固定在一块DNA芯片上，对于来源不同的个体、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、病变、刺激（包括不同诱导、不同治疗手段）下的细胞内mRNA或反转录后产生的cDNA进行检测，从而对这个基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或某几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确定，同时可进一步研究基因与基因间相互作用的关系，DNA测序芯片则是基于杂交测序发展起来的。其原理是任何线状的单链DNA或RNA序列均可裂解成一系列碱基数固定、错落而重叠的寡核苷酸，如能把原序列所有这些错落重叠的寡核苷酸序列全部检测出来，就可据此重新组建出新序列。 2 根据基因芯片所用基因探针的类型不同，可分为cDNA微阵列和寡核苷酸微阵

基因芯片相关图像技术的简单介绍

本科课程论文 基因芯片相关图像技术的简单介绍 张大力 201330200125 指导教师邓继忠 学院名称生命科学学院专业名称14生物科学2班论文提交日期2017年6月9日

摘要 生物芯片是一种高效快速地生物学检测手段，以探针和底物的特异性结合为基本原理。其反应结果常常显示为荧光点阵列，往往具有信息量大，信息密度大的特点，人工难以识别和处理，因此多采用自动化手段进行处理，包括图像技术和计算机技术。本文简单介绍现有的几天芯片图像处理过程中所用到的图像技术。 关键词：图像技术、生物芯片、基因芯片。

1 生物芯片简介 生物芯片是20世纪90年代出现的一种将分子生物学/基因工程和芯片结合的一项技术，根据性能可分为功能芯片和信息芯片两大类。 功能芯片是指在芯片上集成一系列反应所需的试剂和条件，在一块芯片生完成固定的，程序化的，复杂的反应，从而大大减少检测人员的劳动强度，并使检测过程快速方便。 信息芯片又可以根据芯片探针和探测目标的不同分为基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片、组织芯片等。[1]信息芯片是现在广泛使用的一类芯片，是在芯片基质材料上安装许多，基质可以是玻璃、金属、尼龙或者其他材料。基因芯片又是信息芯片中最常使用的。 生物芯片上探针可与样品液体中的目标的特异性结合，结合的产物可以经过处理，在激光的照射下发出特定波长的荧光，如果没有发生结合的探针或者目标不会发出荧光。 用特定的光照射反应后的芯片，使其上面发生特异性结合的部位发出荧光，再用技术手段取得此时芯片的图像。通过对芯片图像中荧光的位置，颜色、强弱进行分析可以推测基因芯片上探针发生反应的情况。进而得知样品中待测目标的情况，包括样品中某同可以和探针特异性结合的目标是否存在，含量、浓度是多少等，这些信息可以作为进一步判断的依据。 2 生物芯片图像信息的采集 反应后经光源照射发出荧光的芯片包含我们所需要的信息，所谓基因芯片的扫描就是指将含有大量的以微阵列方式排列的生物杂交反应样点的基因芯片以图像的方式读取出来，且在保证样点信息的能够准确描述前提下，扫描图像转变成可供计算机处理的数字图像[2]。基因芯片以外的生物芯片的与基因芯片类似。 常见的生物芯片扫描仪有两种分别是：CCD 系统扫描仪和激光共聚焦扫描仪，中CCD 扫描仪的应用较为广泛。[3]

生命科学概述

习小编一级|消息(2)|我的百科|我的知道|百度首页 | 退出 我的百科 我的贡献 草稿箱 我的任务 为我推荐 新闻网页贴吧知道MP3图片视频百科文库 窗体顶端 窗体底端 帮助设置 首页 自然 文化 地理 历史 生活 社会 艺术 人物 经济 科学 体育 核心用户 年终盘点 生命科学 科技名词定义 中文名称： 生命科学 英文名称： life science;bioscience 定义： 研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。 所属学科： 生物化学与分子生物学（一级学科）；总论（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片 ?? 中关村生命科学园 生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。用于有效地控制生命活动，能动地改造生物界，造福人类生命科学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发展有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。

目录 基本概述 主要课题 主要课题 主要学习内容 显著特点 鉴定技术 基因检测 生命科学中的基因检测如何进行 基因检测作用 发展展望 生命之书 伟农 生命之书最后一个字符黄金时代刚刚开始 生命之书背后的故事同名图书 生命科学 内容简介 目录 基本概述 主要课题 主要课题 主要学习内容 显著特点 鉴定技术 基因检测 生命科学中的基因检测如何进行 基因检测作用 发展展望 生命之书 伟农 生命之书最后一个字符黄金时代刚刚开始 生命之书背后的故事同名图书 生命科学 内容简介 目录 展开 ??

基因芯片技术及其应用(精)

基因芯片技术及其应用 李家兴1001080728 园艺107 基因芯片( gene chip, DNA chip, DNA microarray 又被称为DNA芯片、DNA微阵列和生物芯片, 是指以大量人工合成的或应用常规分子生物学技术获得的核酸片段作为探针, 按照特定的排列方式和特定的手段固定在硅片、载玻片或塑料片上, 一个指甲盖大小的芯片上排列的探针可以多达上万个[1- 3]。在使用时,先将所研究的样品标记, 然后与芯片上的寡聚核苷酸探针杂交,再用激光共聚焦显微镜等设备对芯片进行扫描, 配合计算机软件系统检测杂交信号的强弱, 从而高效且大规模地获得相关的生物信息。此项技术将大量的核酸分子同时固定在载体上, 一次可检测分析大量的DNA和RNA, 解决了传统核酸印迹杂交技术复杂、自动化程度低、检测目标分子数量少、成本高、效率低等的缺点[4]。此外, 通过设计不同的探针阵列( array , 利用杂交谱重建DNA序列, 还可实现杂交测序( sequencing by hybridization,SBH [5]。目前, 该技术在基因表达研究、基因组研究、序列分析及基因诊断等领域已显示出重要的理论和应用价值[6]。 1 基因芯片技术的产生和发展 21 世纪将是生命科学的世纪, 基因芯片技术是近年产生的一项生物高新技术, 它将像计算机一样成为21 世纪即将来临的又一次新兴革命的奠基石[7,8]。基因芯片技术的产生与发展与人类基因组计划(Human Genome Project, HGP 的研究密不可分[9]。人类基因组的大量信息需要有一种快速、敏感、平行检测的技术,随着越来越多的基因被解码, 基因的功能研究成为迫切需要解决的课题。在这一背景下, 以基因芯片技术为主体的生物芯片诞生了, 它被誉为是20 世纪90 年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一。基因芯片技术充分结合灵活运用了寡核苷酸合成、固相合成、PCR 技术、探针标记、分子杂交、大规模集成电路制造技术、荧光显微检测、生物传感器及计算机控制和图像处理等多种技术, 体现了生物技术与其他学科相结合的巨大潜力。基因芯片技术的理论基础是核酸杂交理论, Southern 印迹可以看作是生物芯片的雏形; 其后, 人们又发明了一个以膜片为介质基础的克隆库扫描

基因芯片技术及其应用

基因芯片技术及其应用摘要： DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸，或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，即可获得样品的遗传信息。由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。 关键词 DNA芯片制备检测应用 随着人类基因组计划的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的动植物、微生物基因组测序得以测定，基因序列数据正在以前所未有的速度迅速增长。DNA芯片的出现是科学发展的必然产物。本文就DNA芯片的制备及其在医学领域的应用予以阐述。 1 基因芯片的制备及检测技术[1-4] 1.1 基因芯片的制备方法 1.1.1 原位合成法其中最具代表的是原位光刻合成法。该法是利用分子生物学、微电光刻技术及计算机技术等直接在基片上合成所需的DNA探针。除原位光刻合成法外，原位合成法还包括原位喷印合成和分子印章在片合成法。 1.1.2 直接点样法该法是将制备好的DNA（cDNA）片段直接点在芯片上。近来有人提出用电定位捕获法和选择性沉淀法制备芯片。 1.1.3 电定位捕获法是将生物素标记的探针在电场的作用下快速地固定在含有链霉素亲和素的琼脂糖凝胶膜上。由于生物素与链霉素亲和素的强亲合力，使得探针的固定更加容易和牢固。在电场的作用下，靶基因能快速地在杂交部位积聚，大大缩短了杂交时间，提高了杂交的效率，且改变电场电极的方向可以除去未杂交或低效率杂交的靶基因。 1.1.4 选择性沉淀法该技术是用金属纳米粒标记探针的方法来制备微阵列，靶基因在芯片上与探针杂交后发生选择性沉淀，通过检测沉淀物的电化学值等来获取相应的生物信息。

生物芯片技术及其应用研究

生物芯片技术及其应用研究 宋杭杰11152228 [ 摘要]近年来，生物芯片已成为科学界的研究热点之一。本文综述了生物芯 片的概念、主要分类和制作，介绍了生物芯片的应用，分析了生物芯片技术中存在的问题并对其发展前景作了展望。 [关键词]生物芯片应用检测问题发展前景 [正文] 1 生物芯片概述 生物芯片(biochip) 是将大量的生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、组织切片和细胞等生物样品制成探针，以预先设计的方式有序地、高密度地排列在玻 璃片或纤维膜等载体上，构成二维分子阵列，然后与已标记的待测生物样品靶分子杂交，通过检测杂交信号实现对样品的检测，因此该技术一次能检测大量的目 标分子，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性的技术要求;并且芯片技术的研究成果具有高度的特异性、敏感性和可重复性。因常用玻片/硅 片等材 料作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。 2 生物芯片的分类 生物芯片技术是一种高通量检测技术，其主要类型包括基因芯片( gene －chip) 、蛋白质芯片( protein－chip) 、组织芯片( tissue －chip) 和芯片实验室( lab－on －chip) 等。 2. 1 基因芯片 基因芯片又称为DNA 芯片(DNA －chip) ，是基于核酸探针互补杂交技术原 理研制的。它是将大量的寡核苷酸片段按预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片或玻片上，并以此为探针，在一定的条件下与样品中待测的靶基因片段杂交，

通过检测杂交信号的强度及分布来实现对靶基因信息的快速检测和分析。 2. 2 蛋白质芯片 蛋白质芯片与基因芯片的原理类似，它是将大量预先设计的蛋白质分子( 如抗原或抗体等) 或检测探针固定在芯片上组成密集的阵列，利用抗原与抗体、受体与配体、蛋白与其它分子的相互作用进行检测。 2. 3 组织芯片 组织芯片技术则是一种不同于基因芯片和蛋白芯片的新型生物芯片。它是将许多不同个体小组织整齐地排布于一张载玻片上而制成的微缩组织切片，从而进行同一指标( 基因、蛋白) 的原位组织学的研究。 2. 4 芯片实验室 所谓实验室就是一种功能的集成。在普通实验室，检侧、分析等是分成不同步骤进行的，芯片实验室就是把所有的步骤聚在一起，也是有形的，只是把这些功能微缩到一个小的平台上。生物检测三大步骤:样品的处理、生物反应、反应的检测，在以前，是由不同的机器做，最后才得出结果。芯片实验室则是把这三大步骤浓缩到一个平台上做，对用户来说无需知道中间步骤，是一个微型的自动化过程。 3 生物芯片的制作 生物芯片制作的方法有很多，大体分为两类:原位合成和合成点样。原位合成主要指光引导合成技术，可用于寡核苷酸和寡肽的合成，所使用的片基多为无机片基，现在也有用聚丙烯膜的。该方法合成的寡核苷酸的长度一般少于30nt，缩合率可达95 % ，特异性不是太好。原位合成的另外一种方法是压电打印法或称作喷印合成。该方法合成寡核苷酸的长度一般在40－50nt，缩合率达99 % ，特异性较好。合成点样最常用的方法是机械打点法。点样的可以是寡核苷酸和寡肽，也可以是DNA 片段或蛋白质。所使用的片基多为尼龙膜等有机合成物片基。该方法的特点是操作迅速、成本低、用途广，但定量准确性和重现性不好，加样

生命科学与医学

生命科学与医学 1. 抗疟抗癌疫苗研发获突破 全球每年约有 78 万人被疟疾夺去性命。经过 24 年研究，英国科学家发现一种 抗疟疫苗，在非洲 7 个国家进行的第三阶段功效试验今年终于被证实非常成功， 对 5 — 17 个月婴儿的有效率约为 56 ％。预计该疫苗最早于 2015 年进入市场。 12 月，科学家研制出一种能够对抗 70 ％致命癌症的疫苗，能使乳腺癌肿块缩小 80 ％。 2. 人体器官组织再生研究也取得了丰硕成果。 3 月，美国研究人员成功制造出人 的尿道。医生将其植入病人体内后，这根体外培育的尿道真的开始正常工作了。4 月初，日本研究人员利用实验鼠的胚胎干细胞人工培育出视网膜的雏形结构，这是迄今人工培育出的最为复杂的生理组织。 4 月中旬， 英国科学家在实验室中利用人的羊水和动物的胚胎细胞培育出人体肾 脏。 这一突破有望让需要接受器官移植的病人按需培育出自己的器官， 在移植手 术中规避排斥反应风险。 3.12 月上旬公布的一项最新研究发现，尽管人类的智商存在上限，但最新脑功 能磁共振成像研究表明，可以通过传递信号改变一些人的大脑活跃模式，

“ 诱使 ” 知识经过视觉皮质。 未来在学习一项新技能时， 人只需坐在电脑显示器前等待把 该技术 “ 下载 ” 到大脑里即可。 塞德里克?布朗潘（Cédric Blanpain） 布鲁塞尔大学教授，他领导的团队解决一个长期争议的科学问题，发表于著名杂志的3篇论文，报告了在某些脑、皮肤和肠道肿瘤中，癌症干细胞是肿瘤的生长源。他和他的同事们于 8月1日《自然》杂志网络版报告，在一种皮肤癌的前体乳头状肿瘤中，肿瘤生长的大部分来自于少数细胞，它们在某些方面类似于维持皮肤正常状态的干细胞 4.缺失特殊DNA也能促进脑部发育 据《自然》杂志网站3月9日报道，美国科学家将黑猩猩的基因组和人类的基因组进行了比较，找出了510个在黑猩猩的基因组中还存在但已从人类基因组里消失殆尽的DNA段落，这些序列几乎全都来自基因之间的非编码基因组区域。研究结果表明，某些基因组消失会促使人类大脑进化。 该研究团队的领导者、美国斯坦福大学的大卫·金斯利和发育生物学家吉尔·比耶拉罗解释称，跟大多数研究不同的是，他们寻找的是人类基因组里被删除的部分，而不是现有的部分，他们希望借此厘清这些消失的基因片段的作用。 威斯康辛大学麦迪逊分校的动物遗传演化专家肖恩·卡罗尔表示：“这项研究告诉我们，在演化过程中，人类不但会获得信息，也会遗失信息。” 5.艾滋病基因疗法动物实验取得成效 据《自然》杂志网站11月30日报道，美国研究人员探索出的一种艾滋病基因疗法在动物实验中取得成效，实验证明感染大剂量艾滋病病毒的实验鼠也可受到保护。 美国加州理工学院等机构的研究人员报告说，通过使用一种经过改造的腺病毒，可以在实验鼠肌肉细胞的基因序列中加入一段代码，使得肌肉细胞能够生成

细胞生物学与医学的关系综述

?文献综述? 197 细胞生物学与医学的关系综述 魏红娟任尚申于红霞 （大庆油田总医院儿科，黑龙江大庆 163453） 【摘要】医学是以人体为对象研究人体生老病死的机制，研究疾病的发生、发展以及转归的规律，从而对疾病进行诊断、治疗和预防，以达到增强人体健康。它是综合的学科，必须吸收或利用其他各种学科的知识和技术服务，使之不断提高和发展。而细胞生物学是研究生命活动基本规律的学科，细胞生物学研究的各项成果、课题当然与医学的理论和实践密切相关。 【关键词】细胞生物学；医学；发展；关系 中图分类号：R329.2+8 文献标识码：A 文章编号：1671-8194（2011）09-0197-03 1 细胞生物学与医学有着密切的关系 如2003年的危害全球的疾病：严重急性呼吸综合征（severe acute respiratory syndrome，SARS）又称传染性非典型肺炎。该病是由一种人类从未发现过的新型冠状病毒所导致的严重危害公共卫生安全的疾病。WHO已将该病原体命名为SARS冠状病毒（SARS Coronavirus SARS-CoV）。该病突出特点是来势凶猛，可爆发流行，传染性强，病死率较高的非典型肺炎。SARS病毒是有包膜的正链RNA病毒，主要侵害人的肺部细胞，使人发生呼吸困难而死亡。S蛋白是SARS冠状病毒的主要膜蛋白，通过与宿主细胞上的受体结合介导病毒的侵入，被认为与病毒侵犯宿主免疫系统有关病毒感染引起的免疫反应中，释放大量的细胞/趋化因子，一方面这些因子可以参与抗病毒的反应，另一方面也能造成细胞的损伤和组织功能障碍[1,2]。总结病毒的结构，简单来说由蛋白质组成的外壳和核酸组成的核心构成，病毒只能寄生在活细胞里，靠自己的遗传物质中贮存的遗传信息，利用细胞内的物质，制造新的病毒，病毒一旦离开活细胞，就不再表现生命现象。这就是病毒的生活和繁殖[3]。再如艾滋病（acquired unodefciency syndrome，AIDS）是由人类免疫缺陷病毒（human mmunodeficiency virus，HIV）感染人体免疫力系统的淋巴细胞所致，主要侵犯CD4+T 细胞，淋巴细胞被大量的破坏，艾滋病病毒以核糖核酸（RNA）为其遗传方式，而人类细胞是以脱氧核糖核酸（DNA）为遗传方式。艾 滋病病毒侵入人体后，在一种逆转录酶的作用下，它可以融合于人体细胞的染色体DNA中，并进行复制，分裂繁殖，也可以按它自己特有的遗传方式来复制，最终导致细胞的死亡。还可以在受其感染的细胞体内长期潜伏，暂时不发病。它能引起终身感染，随时可以在受感染的人身上引起疾病[4,5]。导致人体免疫力降低，发生各种难以治愈的感染和恶性肿瘤，最终患者大多死亡。非典型肺炎和艾滋病的发病是因为它们的原体进入人体细胞而造成的。说明了人体的某些特定细胞的受损，会影响人的生命活动。可见，人体的稳态的维持离不开细胞。构成生命系统的结构具有层次性、复杂性和多样性。从最小的细胞开始，到最大的系统生物圈，尽管生命系统复杂多样，大小不同，但它们层层相依，紧密联系，都离不开细胞这一最基本的生命系统。 2细胞生物学推动医学的发展 细胞生物学能有效的解决当今重大疑难疾病治疗的世界性难题。如癌症是严重危害人类健康的疾病，对癌症的防治是目前医学科学提出的非常重要的课题。端粒是真核生物染色体末端的必需结构，具有保护染色体维持基因组稳定的作用。端粒酶是一种有逆转录酶活性的

基因芯片技术及其应用

基因芯片技术及其应用 摘要 进入21世纪以来，生命科学发展日益迅速，基因芯片作为生命科学研究的一种新的技术平台日益受到人们的关注，并已经广泛应用于生命科学研究、医学研究、食品卫生领域以及其它相关的各个学科领域。随着技术的不断完善，基因芯片必将在越来越多的领域里面发挥作用。本文阐述了基因芯片的基本概念及技术流程，简述了其在不同领域的应用，并对其发展前景作了展望。 关键词：基因芯片技术流程应用展望 Gene Chip Technology and its Application Shu Mian （College of Horticulture, South China Agricultural University Guangzhou 510642, China） Abstract: Life science has developed rapidly since the 21th century, gene chip, as a new technical platform in the reaseach of Life science, has got increasingly attention, and has been used widely in life science research、medical research、food hygiene field and other related disciplines. With the continuous improvement of the technology, gene chip will be helpful in more fields. This article expounds the basic concepts and technological process of gene chip, gives an introduction of its application in different fields, and a prospection of its development prospect. Key words: gene chip technological process application prospection 基因芯片（gene chip），又称DNA芯片（DNA chip）或DNA微阵列（DNA microarray），是生物芯片的一种类型，它是将DNA分子固定于支持物上，并与标记的样品杂交，通过自动化仪器检测杂交信号的强度来判断样品中靶分子的数量，进而得知样品中mRNA的表达量，也可进行基因突变体的检测和基因序列的测定，为进一步了解基因间的相互关系及基因克隆提供有用的工具。作为一项基于基因