生物芯片在食品**檢測中的運用--ATP熒光檢測儀技術(shù)文章
關(guān)鍵詞：生物芯片 基因芯片 蛋白芯片 芯片實驗室 應(yīng)用
生物芯片是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種全新的微量分析技術(shù)，其*大特點是高通量并行分析，生物芯片綜合了分子生物技術(shù)、微加工技術(shù)、**學(xué)、化學(xué)、物理、計算機等多項學(xué)科技術(shù)，使生命科學(xué)研究中不連續(xù)的、離散的分析過程集成在芯片上完成，在一塊大小不等的玻璃片、硅片、塑料片、尼龍膜、凝膠等載體材料上，生物芯片以大規(guī)模陣列的形式排布不同的生物分子（寡核苷酸、cDNA、基因組DNA、多肽、抗原、抗體等），形成可與目的靶分子互相作用、并行反應(yīng)的固相表面。將芯片與熒光等標(biāo)記的靶分子進行化學(xué)反應(yīng)（如雜交、**反應(yīng)等），經(jīng)過激發(fā)光掃描后，不同反應(yīng)強度的標(biāo)記熒光將呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射光譜征，用激光共聚焦顯微掃描儀或CCD(charge couple device)相機收集信號后，經(jīng)計算機分析數(shù)據(jù)結(jié)果，從而獲得相關(guān)的生物信息[1]。目前常見的生物芯片分類主要是三大類：基因芯片、蛋白芯片、芯片實驗室。
2生物芯片的應(yīng)用
2.1生物芯片在科學(xué)研究中的應(yīng)用
生物芯片在科研方面, 主要包括基因表達譜分析、基因突變檢測、基因功能研究、基因組多態(tài)性分析、DNA 測序、尋找新的致病基因或**相關(guān)基因等。在基因表達檢測的研究上人們已比較成功地對多種生物包括擬南芥（Arabidopsis thaliama）、酵母(Saccharomyces cerevisiae)及人的基因組表達情況進行了研究, 并且用該技術(shù)（共157112個探針分子）,一次性檢測了酵母幾種不同株間數(shù)千個基因表達譜的差異；Derisi利用高密度寡核苷酸芯片研究了酵母由無氧酵解到有氧呼吸代謝變化過程中的基因表達的變化，發(fā)現(xiàn)其中有1740個基因的表達水平發(fā)生了改變[2]。在基因突變檢測上，Weidong Du等[3]通過生物芯片篩選DNA點突變以及確定MELAS（線粒體腦肌瘤病伴高乳酸血癥和卒中樣發(fā)作）綜合癥或MERRF（肌陣攣性癲癇伴發(fā)不規(guī)整紅纖維）綜合癥的突變點，利用Cy5標(biāo)記的DNA芯片檢測，結(jié)果表明芯片檢測與DNA測序結(jié)果完全一致。篩查基因組的多態(tài)性，將所有單核苷酸多態(tài)性（Single nucleotide polymorphisms,SNP）全部信息轉(zhuǎn)入DNA芯片則可檢測到與之關(guān)聯(lián)的基因間的差異，這項工作對研究親代與子代間遺傳中的重組及創(chuàng)造更**的遺傳圖是有價值的[2]。
2.2生物芯片在**診斷中的應(yīng)用
生物芯片已用于腫瘤、遺傳**、傳染性**的診斷與**，由博奧生物有限公司研發(fā)的多重等位基因特異性PCR通用芯片(allele-specific PCR-based universal array， ASPUA)，可在5 小時之內(nèi)完成導(dǎo)致遺傳性耳聾的4 種常見基因(GJB2，GJB3，SLC26A4 和線粒體基因) 的檢測。運用蛋白芯片聯(lián)合檢測104例經(jīng)冠狀動脈造影證實為ACS（急性冠狀動脈綜合癥）患者的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),AMI（急性心肌梗死）和不穩(wěn)定性心絞痛患者血液中MMP29 、sCD40L 、心肌型脂肪酸結(jié)合蛋白等10 種蛋白標(biāo)記物,在ACS不同分型中呈規(guī)律性變化,提示蛋白標(biāo)記物譜在ACS 的診斷及預(yù)后方面具有潛在的應(yīng)用價值[4]。美國學(xué)者Maria Erali等[5]應(yīng)用Nanogen公司的電子生物芯片[6]與羅氏公司的另一種芯片LightcyclerSNP分析儀進行比較，對VTE（靜脈血栓癥，是一種常見**，與多種遺傳因素（基因突變和多態(tài)性）有關(guān)）常見的3種突變（FVL、FGⅡ20210A 和MTHFR）進行檢驗后證實，電子生物芯片具有**、可重復(fù)性強等特點。Ciphergen Biosystem 公司的研究小組應(yīng)用蛋白質(zhì)芯片研究了健康個體和不同發(fā)病階段癌癥病人的血清樣品，僅僅3d時間，就發(fā)現(xiàn)了前列腺癌6種潛在的標(biāo)記物，而常規(guī)的方法則需要幾個月到幾年的時間[7]。
在傳染性**的研究方面，HIV是嚴(yán)重危害人類健康的一種病毒，早在1996年，Kozal等就利用基因芯片對HIV-1B亞型中的蛋白酶基因多態(tài)性進行分析，1998年，Hanser等應(yīng)用固相核酸雜交技術(shù)，在艾滋患者出現(xiàn)抗體反應(yīng)之前，即能檢測艾滋病毒，對于艾滋病毒的早期診斷十分重要[10]。肝炎病毒感染是全球的重大公共衛(wèi)生問題，在診斷乙型肝炎時，常規(guī)**檢測方法通常需2-7 天的時間，而采用蛋白芯片來檢測，即可在30 分鐘內(nèi)同時完成5項檢測[8]。肝炎基因診斷芯片相對于病毒抗原抗體方法檢測血清乙型肝炎病毒更為準(zhǔn)確，趙偉等[9]采用點樣法制作的低密度基因芯片，對40例乙肝病人血清和40例健康人血清，進行雙盲混合編組后進行檢測，結(jié)果表明：40例乙肝病毒標(biāo)志物陽性，40例健康人血清檢測為陰性，無一例假陽性出現(xiàn)。李瑋等[10]研發(fā)的目視化乙肝病毒基因診斷芯片，采用納米金標(biāo)記探針的目視化檢測方法，檢測從陽性血清中提取的乙肝病毒(HBV)基因, 并與基于熒光素異硫氰酸酯(FITC) 標(biāo)記探針的熒光檢測方法進行了比較. 結(jié)果表明, 目視化乙肝病毒基因芯片診斷方法操作簡單, 成本低廉。
目前國內(nèi)外已建立多種生物芯片方法用于病毒快速檢測研究，我國**醫(yī)學(xué)科學(xué)院已先后研制出快速檢測甲型H1N1流感病毒檢測基因芯片以及專門針對甲型H1N1流感病毒抗藥性的基因確診和耐藥性分析的基因芯片。2003年SARS病毒帶來很大的危害，生物芯片在SARS病毒檢測中發(fā)揮出了重要作用，我國成功的研制出“SARS病毒多抗體檢測蛋白芯片”、“抗SARS病毒抗體的蛋白質(zhì)芯片”及“SARS冠狀病毒全基因組芯片”這些生物芯片不僅使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，而且具有取樣微量、穩(wěn)定性好、靈敏度高、平行檢測、結(jié)果可量化顯示等優(yōu)點。M.Los等[11]使用電子生物芯片[6]技術(shù)以**反應(yīng)為基礎(chǔ)快速檢測病毒，他們使用噬菌體作為模板檢測病毒，用抗體蛋白代替核酸探針進行檢測，整個過程只需50分鐘并且可以定量。香港科技大學(xué)[12]研發(fā)了一種可用于現(xiàn)場檢測多種病原物的DNA電子生物芯片，該芯片是一個小型的DNA分析系統(tǒng)，將樣品制備、DNA擴增、及電化學(xué)擴增檢測集成在單一的硅玻璃為基礎(chǔ)的反應(yīng)腔中反應(yīng)，這個便攜式芯片有助于現(xiàn)場病原體的檢測。生物芯片技術(shù)正朝著微型化和集成化的方向發(fā)展，其更高階段是將樣品預(yù)處理，多個相對獨立的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)集成在一張芯片上，即形成芯片實驗室，這是芯片技術(shù)的*終目標(biāo)。有學(xué)者Liu等使用流動微設(shè)備和抗體涂層微球芯片實驗室,以探測海洋魚類虹影病毒，這種檢測方法與傳統(tǒng)的ELISA反應(yīng)相比，靈敏度由360ng/ml提升到22ng/ml，檢測時間由原來3.25h縮短至30min[13]。Reichmuth等將電泳和激光誘導(dǎo)熒光檢測標(biāo)記抗體技術(shù)相結(jié)合的芯片實驗室用于檢測豬流感病毒，整個檢測時間包括設(shè)備更新只需6分鐘，用不到50ml材料[13]。
2.3生物芯片在預(yù)防醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
在嬰兒出生前,可用生物芯片進行有效地產(chǎn)前篩查和診斷, 以防止患有先天性**的嬰兒出生。已有相近發(fā)明**一項 “用于產(chǎn)前診斷的蛋白質(zhì)芯片及制造方法”（G01N33/68，上海晶泰生物技術(shù)有限公司）對TORCH產(chǎn)前篩查的五項指標(biāo)抗原［風(fēng)疹病毒（RV）、弓形蟲（TOX）巨細(xì)胞病毒（CMV）單純皰疹病毒（HSV）］點于一張芯片上，僅通過一次反應(yīng)即可得到多種指標(biāo)的反應(yīng)結(jié)果，大大提高了檢測速度、效率和靈敏度。有人還預(yù)言在嬰兒出生后, 即可采用生物芯片技術(shù)來分析其基因圖譜, 不僅可預(yù)測出嬰兒日后可以長多高, 還可預(yù)測其患心臟病或糖尿病等**的潛在可能性有多大, 以便采取預(yù)防措施。
2.4、生物芯片在新藥開發(fā)中的應(yīng)用
生物芯片的應(yīng)用正在方興未艾地發(fā)展中,從經(jīng)濟效益來說,*大的應(yīng)用領(lǐng)域可能就是制藥廠用來開發(fā)新藥了。目前市場上用來篩選**的芯片類產(chǎn)品主要是博奧生物芯片有限公司研發(fā)的“超高通量**篩選芯片”，該芯片每小時能做380個細(xì)胞分析，而一個科研人員***多只能分析五、六個細(xì)胞，這意味著**研發(fā)效率的飛躍，同時新**研發(fā)費用也大大降低。
**的研究和開發(fā)正從一種**適用于所有人群的時代, 轉(zhuǎn)變成根據(jù)基因組的差異開發(fā)出以適用于某一個體或人群的個體化**。據(jù)美國國家衛(wèi)生院統(tǒng)計,美國每年約有2400個兒童和**死于急性**性白血病,adverse topurine是一種特效藥。但是,大約有10%-15%的兒童對于該種**的代謝太快或太慢。代謝太快則正常的劑量就不可能獲得好的療效,而代謝太慢則**可能積蓄到致死量,產(chǎn)生過大的毒性[14]。如果利用生物芯片技術(shù)對患者先進行診斷, 再開**, 就可對癥下藥。有人預(yù)言，在不久的將來生物芯片將納入手提式診斷儀器中，使用在病人的床邊或醫(yī)生的辦公室，自動化芯片掃描病人的基因，可在幾分鐘內(nèi)確定病人癥狀，給病人特定的**，生物芯片技術(shù)將幫助實現(xiàn)醫(yī)療保健和個性化給藥成為可能。
3.4、生物芯片在司法鑒定中的應(yīng)用
生物芯片技術(shù)已用于法醫(yī)物證學(xué)檢驗，為法醫(yī)物證檢驗提供了科學(xué)，可靠和快速的手段，使物證鑒定從過去只能作個體排除過濾到了可以作同一認(rèn)定的水平。在司法方面，便攜式DNA芯片檢測裝置可以直接在犯罪現(xiàn)場對可能是疑犯留下來的頭發(fā)、唾液、精液等進行分析，并立刻與DNA罪犯指紋庫系統(tǒng)存蓄的DNA“指紋”進行比較，進行快速準(zhǔn)確地破案。李莉等[15]根據(jù)SNP不同等位基因的序列設(shè)計探針，制成分型芯片，采用4個復(fù)合PCR體系，用末端標(biāo)記了Cy5的引物進行復(fù)合PCR擴增，產(chǎn)物與寡核苷酸探針進行雜交，根據(jù)雜交產(chǎn)生的熒光信號值確定樣品在SNP位點的基因型，根據(jù)109份樣本基因型分布統(tǒng)計，同時進行家系調(diào)查和方法靈敏度分析，有31個SNP位點為中高信息量位點，適用于法醫(yī)學(xué)個體識別。
2.5、生物芯片在食品**檢測及營養(yǎng)成分分析中的應(yīng)用
目前世界上**個能夠檢測肉類中獸藥殘留的生物芯片系統(tǒng)在北京國家工程研究中心研制成功，該芯片能夠分析大量的生物分子，快速準(zhǔn)確地完成肉類中獸藥殘留的檢測工作。對轉(zhuǎn)基因食品進行檢測和標(biāo)識已勢在必行，傳統(tǒng)的檢測方法ELISA和PCR等存在步驟復(fù)雜、一次性檢測樣本少、漏檢率高、結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點。由于外源基因*終是以蛋白質(zhì)或多肽的形式得以表達，通過對蛋白質(zhì)芯片設(shè)計不同的探針陣列，使用特定的分析方法可快速、大量的對食品樣本進行檢測，是未來轉(zhuǎn)基因食品**檢測的發(fā)展方向之一。食源性致病菌引發(fā)的流行性**越來越受到社會關(guān)注，目前，生物芯片以其檢測范圍廣，經(jīng)濟，適用，準(zhǔn)確的優(yōu)點，有望在食品致病微生物檢測中處于領(lǐng)軍地位，唐曉明等[16]利用基因芯片對從水中分離的20株**進行雜交檢測，并用傳統(tǒng)方法對這些菌株進行鑒定，基因芯片檢測結(jié)果與傳統(tǒng)方法鑒定結(jié)果的一致性達95%。陳廣全等[17]研制了一種高通量檢測食品中常見致病微生物的寡核苷酸微陣列芯片，結(jié)果表明該芯片的特異性良好, 在所檢測的菌株之間無交叉反應(yīng), 與同屬的其他菌株之間也不存在交叉反應(yīng)。
傳統(tǒng)的食品營養(yǎng)成分的測定十分繁瑣而利用生物芯片可以對食品的類別和性質(zhì)進行快速準(zhǔn)確的鑒定。2004年3月法國“biomerieux”公司推出了一種能夠識別不明肉類的新型基因芯片，該芯片可檢測肉制品是否攜帶病毒蛋白, 還可用于確認(rèn)肉制品的某些指標(biāo)是否達標(biāo)。
2.7、生物芯片在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
德國一家主要的水管理企業(yè)現(xiàn)投資850萬歐元與芯片公司共同開發(fā)用生物芯片檢測公共飲用水中的微生物，可在4h內(nèi)得出結(jié)果, 費用比常規(guī)方法低10倍，形成一種比現(xiàn)有水質(zhì)控制更有效、更快速和價廉的檢測技術(shù)。國內(nèi)靳連群等[18]設(shè)計了一種基因芯片技術(shù)對環(huán)境中常見致病菌檢測和鑒定,對從實際樣品中分離的**進行檢測,準(zhǔn)確率達到了96.2%。已問世的專門用于環(huán)境毒理學(xué)檢測的毒理學(xué)芯片可以快速大規(guī)模檢測污染源及環(huán)境毒物、研究環(huán)境毒物對人體的影響以及進行低劑量毒物實驗等。美國國立環(huán)境衛(wèi)生研究院( VIEHS) 已開發(fā)出檢測環(huán)境有毒物的毒理芯片[19]。Matthew Bartosiewicz等[20]設(shè)計了1個含148個基因的毒理芯片（包括Ⅰ相、Ⅱ相代謝酶，DNA修復(fù)酶、應(yīng)激蛋白、細(xì)胞因子基因）來檢測受氯化隔、苯并芘和三氯乙烯影響肝臟中某些基因表達調(diào)控變化，結(jié)果表明可以使用毒理芯片去評估未知化合物或混合物的潛在危害。