生物芯片是目前生物技術(shù)中主要的技術(shù)之一。研究人員從計(jì)算機(jī)技術(shù)中借用了微型化、整合、平行化處理的技術(shù)來(lái)發(fā)展在芯片上的實(shí)驗(yàn)室裝置和處理過(guò)程。一般地，在芯片上的靶標(biāo)是有序排列的樣本，如cDNA，寡核苷酸或者蛋白質(zhì)等。宏觀矩陣（Macroarraying）也可稱之為畫格子，把樣本點(diǎn)到比較大的尼龍膜上，通過(guò)雜交來(lái)分析它們。然而，微矩陣（Microarraying）的點(diǎn)直徑小于200微米，并需要顯微分析。把那么多的信息放在一個(gè)很小的空間里使得微矩陣有明顯的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)微矩陣（DNA microarray）只占有幾平方厘米的空間，但是包含了上千個(gè)靶點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)代表了一個(gè)基因的部分。因此，在芯片上設(shè)計(jì)包含一個(gè)復(fù)雜生物體的所有基因，大約30000到60000個(gè)是可能的。
隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，有很多的語(yǔ)言來(lái)描述它。至少有23種不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述微矩陣。最常用的是稱之為“DNA芯片”（DNA chip），雖然“基因芯片”（geng chip）這個(gè)詞有時(shí)也用，但是GeneChip是Affymetrix公司基因分析研究用的專利微矩陣，它能夠在一片上擺放多至400000個(gè)不同的寡核苷酸片段或10000個(gè)基因的每個(gè)基因的40個(gè)片段。
DNA微矩陣系統(tǒng)是多用途的工具，可以用來(lái)變異分析，基因測(cè)序和基因表達(dá)分析。這些系統(tǒng)組合了DNA芯片和樣本處理裝置，用于閱讀信號(hào)分子的掃描儀，分析數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)工具等。通過(guò)與固定在芯片上的寡核苷酸雜交，可以容易地在基因組規(guī)模上來(lái)定量分析特定mRNAs的表達(dá)或檢測(cè)基因組DNA的多態(tài)性。
芯片技術(shù)也可以用來(lái)分析蛋白質(zhì)。如產(chǎn)品ProteinChip（Ciphergen biosystem Inc., Fremont, California）能把蛋白質(zhì)點(diǎn)陣到經(jīng)化學(xué)方法或酶、受體、抗體等生物學(xué)方法處理過(guò)的固體表面。通過(guò)衡量與芯片表面的親和力來(lái)分析未知分子，用聚焦的激光能量把它們從表面分離下來(lái)，根據(jù)分子量來(lái)檢測(cè)。這樣的芯片可以用來(lái)進(jìn)行免疫分析，蛋白—蛋白間的相互作用和配體結(jié)合分析。這兒主要集中于講DNA芯片的使用和不同類型的蛋白芯片。
DNA微矩陣是一種同時(shí)對(duì)上千個(gè)基因的表達(dá)進(jìn)行分析的好工具。最普遍的是，微矩陣分析是通過(guò)熒光標(biāo)記的cDNAs（來(lái)自RNA）與固定在芯片上的序列雜交。這兒，探針指的是熒光標(biāo)記的DNAs，靶標(biāo)指的是固定的序列。這些定義與傳統(tǒng)的雜交技術(shù)中的剛好相反，所以讀者需要注意。
用于基因表達(dá)的微矩陣分析包括以下幾個(gè)步驟：
1） 矩陣的構(gòu)建。點(diǎn)到芯片上的DNAs可以是cDNAs（部分或完整的），基因組DNAs，或者是化學(xué)合成的寡核苷酸序列。
2） 探針的準(zhǔn)備。從樣本中抽提出RNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA。后面這一步驟包括了熒光染料整合到每個(gè)樣本的探針中。
3） 探針與矩陣的雜交。來(lái)自兩個(gè)樣本的探針混合在一起，在芯片上都有其互補(bǔ)序列。就如傳統(tǒng)的核酸雜交，雜交條件經(jīng)過(guò)優(yōu)化使背景最小。未結(jié)合上的探針在掃描前被沖洗掉。
4） 掃描和檢測(cè)。用激光共聚焦的掃描儀來(lái)掃描雜交后的矩陣，檢測(cè)用來(lái)標(biāo)記探針的兩種熒光染料。熒光信息存儲(chǔ)在電腦中，并進(jìn)行分析和圖象建設(shè)。
5） 標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)分析。對(duì)每一種染料掃描后的圖象通過(guò)一定的軟件處理并合并得到每個(gè)點(diǎn)的重疊圖。點(diǎn)數(shù)和每點(diǎn)的強(qiáng)度定量確定，確定背景強(qiáng)度并被減掉。對(duì)照點(diǎn)，或是額外加入的序列，或是報(bào)道基因，或是每個(gè)樣本的總的熒光信號(hào)強(qiáng)度，來(lái)幫助校正兩種熒光染料的標(biāo)記差異和檢測(cè)效率。一般的，兩個(gè)樣本中的每個(gè)基因信號(hào)用控制好的強(qiáng)度進(jìn)行掃描測(cè)量。
基于DNA矩陣的技術(shù)提供了相對(duì)簡(jiǎn)單的方法來(lái)同時(shí)測(cè)量生物體中的所有基因的差異表達(dá)，如在不同的細(xì)胞或組織樣本中的RNA轉(zhuǎn)錄物的相對(duì)水平。當(dāng)兩個(gè)不同來(lái)源（對(duì)照和疾病組織）的特定RNAs的水平差異可以通過(guò)兩種不同的顏色來(lái)代表，如藍(lán)和黃。如果在兩個(gè)組織中的一個(gè)基因的表達(dá)水平相同，電腦會(huì)用綠顏色表示。用藍(lán)或綠代表顏色的變化表明基因表達(dá)有差異。用芯片技術(shù)來(lái)平行化分析基因的表達(dá)，使得我們可以來(lái)了解參予基因表達(dá)調(diào)節(jié)的細(xì)胞中的過(guò)程。DNA矩陣的信息使研究者可以來(lái)研究在濾過(guò)性病菌感染而引起的疾病狀態(tài)下的或細(xì)胞轉(zhuǎn)化引起腫瘤狀態(tài)下的基因表達(dá)。對(duì)這些變化的更全面的了解有助于對(duì)病毒復(fù)制，發(fā)病機(jī)理和宿主抗病毒機(jī)理的了解。
微矩陣分析產(chǎn)生了巨大的數(shù)據(jù)組。例如，對(duì)六個(gè)樣本的芯片實(shí)驗(yàn)，約有50000個(gè)基因，以及10個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生3000000條基本數(shù)據(jù)。樣本圖象的交差對(duì)比分析將把此數(shù)據(jù)信息成倍翻番。這么多的數(shù)據(jù)需要大規(guī)模的信息存儲(chǔ)，分析和管理。這樣的生物數(shù)據(jù)的挖掘和存儲(chǔ)系統(tǒng)近來(lái)已進(jìn)入市場(chǎng)。軟件包幫助了研究者，使他們?cè)谶M(jìn)行對(duì)矩陣的分析較為簡(jiǎn)單，如圖象的組合、定量和轉(zhuǎn)化成表達(dá)信息，以便于進(jìn)一步的研究和確證�；虮磉_(dá)模式的分析有助于研究者對(duì)藥物作用機(jī)理的研究。例如通過(guò)cDNA微矩陣來(lái)研究ferrioxamine的作用，它是酵母中的鐵離子鏊合物，通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子Aft1調(diào)節(jié)鐵的吸收，因?yàn)殍F的處理提高了Aft1的活性。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明了酵母中有兩組ATF-1調(diào)節(jié)基因，它們維持了不同的ferrioxamine介導(dǎo)的鐵離子吸收途徑。高親合性的亞鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中的一個(gè)組分Fet3p表達(dá)在細(xì)胞膜上；然而，Arn3p高鐵離子介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)表達(dá)在細(xì)胞內(nèi)小泡。
在藥物研發(fā)過(guò)程中高通量的基因表達(dá)分析扮演著一個(gè)重要的角色。用微矩陣，可以在基因組水平上來(lái)檢測(cè)基因表達(dá)，可以確定疾病細(xì)胞的基因表達(dá)模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標(biāo)。微矩陣技術(shù)也加快了藥物靶標(biāo)的確認(rèn)和確定二級(jí)藥物靶標(biāo)的效應(yīng)，幫助確定藥物的副作用或與其他藥物的作用。
分子診斷學(xué)也是微矩陣技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方面。隨著微生物基因組序列作為特定的遺傳標(biāo)記，這些遺傳標(biāo)記點(diǎn)陣到玻璃片上制成DNA芯片。靶標(biāo)DNA可以從臨床測(cè)試標(biāo)本中抽提出來(lái)，用一種熒光染料標(biāo)記，然后與芯片上的基因組序列雜交。與芯片上的靶序列形成雙聚體，在有探針的位置則有熒光信號(hào)。通過(guò)熒光信號(hào)確定靶標(biāo)序列，因此來(lái)確定樣本中是否存在這種微生物。微矩陣技術(shù)已經(jīng)用來(lái)檢測(cè)癌癥細(xì)胞中的基因表達(dá)和檢測(cè)乳腺癌中的BRCA1基因的突變。組織芯片也已發(fā)展起來(lái)，在同一芯片上可以同時(shí)分析多達(dá)1000個(gè)腫瘤樣本。這一方法已經(jīng)用來(lái)快速鑒定膀胱癌分子變異。
人類基因組測(cè)序工作的完成和分析序列變異的技術(shù)將促進(jìn)全球的人基因的變異研究。用微矩陣技術(shù)來(lái)進(jìn)行基因表達(dá)譜、基因型、突變檢測(cè)和基因發(fā)現(xiàn)的研究，可以探知以前僅知道序列的成千個(gè)基因的功能。基于微矩陣的比較基因組學(xué)也是富有前途的，用來(lái)探索微生物感染的分子流行病學(xué)。用高密度的微矩陣寡核苷酸技術(shù)來(lái)研究Mycobacterium tuberculosis，檢測(cè)小范圍的基因缺失和研究與病原性減弱趨向相關(guān)的特定基因突變。
小范圍的DNA的單個(gè)堿基的變異稱為單核苷酸多態(tài)性，通過(guò)基因來(lái)能夠區(qū)分不同的個(gè)體。把包含SNP的寡核苷酸序列固定到表面，每個(gè)序列含有一個(gè)特定的SNP。為了確定個(gè)體基因組中是否存在SNP，從個(gè)體中得到的DNA同芯片雜交。如果一個(gè)特定的SNP存在，則熒光標(biāo)記的基因組探針在相應(yīng)位置上顯示陽(yáng)性信號(hào)。如果不存在，則不顯示信號(hào)。一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是對(duì)每個(gè)個(gè)體必須用一片微矩陣或芯片進(jìn)行檢測(cè)，這可能是一個(gè)大規(guī)模的昂貴的檢測(cè)。
OmniScan（PolyGenyx Inc., Worcester, Massachusetts）,把多個(gè)個(gè)體的基因組而不是SNPs固定到芯片上。因此，SNP的檢測(cè)通過(guò)SNPs與固體表面的靶標(biāo)結(jié)合而不是基因組序列。這樣允許多達(dá)10000個(gè)體的DNA固定到一片上，然后同時(shí)分析它們。這個(gè)平行化處理的手段比大群體的系列研究要有效的多。
SNP基因型和新出現(xiàn)的藥物基因組學(xué)可能領(lǐng)導(dǎo)著大規(guī)�；驋呙韬蛡�(gè)體化診療，最適合個(gè)體基因型的醫(yī)療和用藥。記錄在一個(gè)生物芯片的個(gè)體遺傳信息能夠用來(lái)確定個(gè)體的疾病易感和最佳的治療手段。在不久的將來(lái)，微芯片將作為病人手頭或醫(yī)生辦公室手持式的診斷工具。自動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以掃描患者的基因組，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析預(yù)測(cè)患者對(duì)特定藥物的反應(yīng)。因此，在幾分鐘內(nèi)決定每個(gè)病人的理想治療過(guò)程是可能的。但是在這樣的技術(shù)可以使用之前，伴隨著疾病遺傳譜的隱私和倫理問(wèn)題需要解決。
醫(yī)學(xué)的一個(gè)嶄新的世紀(jì)展現(xiàn)在我們面前。微矩陣技術(shù)因?yàn)樗膾呙韬蜋z測(cè)能力將幫助人類實(shí)現(xiàn)全面的保健和個(gè)體化治療。
