生物芯片技術是20世紀90年代中期伴隨著人類基因組計劃的需求應運而生的一項尖端技術，是融微電子學、生物學、物理學、化學、醫學、材料學、計算機科學、精密儀器等為一體的高度交叉的新技術。目前，生物芯片已有廣泛的應用，尤其是在醫學、藥學、生命科學及其相關領域。在醫藥研究中，生物芯片主要應用于尋找藥物作用靶點、藥物篩選、藥物作用機制、毒理學和疾病診斷等幾個方面。本文對生物芯片在醫藥研究中的主要應用進行綜述，主要涉及生物芯片用于尋找藥物作用靶點、藥物篩選、藥物作用機制、毒理學和疾病診斷幾個方面，為生物芯片在該領域的進一步研究提供參考。

　　《重慶中草藥研究》堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結合的嚴謹學風，傳播先進的科學文化知識，弘揚民族優秀科學文化，促進國際科學文化交流，探索防災科技教育、教學及管理諸方面的規律，活躍教學與科研的學術風氣，為教學與科研服務。

　　1 生物芯片的定義、原理及分類

　　生物芯片是指能快速并行處理多個生物樣品并對其所包含的各種生物信息進行解析的微型器件，它的加工運用了微電子工業中十分成熟的光刻技術和微機電系統加工中所采用的各種方法，只是由于所處理和分析的對象是生物樣品，故稱之為生物芯片[3]。生物芯片是一類快速、高效、高通量的生物分析器件或集成化分析系統，其原理是采用化學或物理方法，將大量探針固化于支持物的表面，再對雜交信號進行監測分析，就可得出該樣品的相關信息[1，4]。按照不同的標準，生物芯片有不同的分類。根據性能不同分為2大類6種，即信息芯片和功能芯片，其中信息芯片根據載體材料的不同分為基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片;功能芯片根據結構和功能特點分為微流體芯片和芯片實驗室。還可根據基質材料不同分為尼龍膜芯片、硝酸纖維素膜芯片和陶瓷芯片等。

　　2 生物芯片在醫藥研究中的應用

　　2.1 尋找藥物作用靶點 尋找藥物作用靶點即在基因組范圍內進行DNA序列測定和基因表達水平分析，從蛋白質、核酸等生物大分子中找出少數最佳的藥物作用靶點，進而篩選小分子藥物。在藥物研究開發過程中，尋找出關鍵的藥物作用靶點是一個既費時又必不可少的環節。生物芯片既可以快速測出正常細胞和病變細胞中相關基因表達的變化，也可監測藥物治療過程中基因表達的變化，同時還可以直接篩選特定的基因文庫，以發現與疾病有關的基因，如將這些與疾病有關的基因作為研制藥物的標靶，可以準確確定藥物研究的方向，縮短研制周期[5-6]。

　　據鄧沱等[7]報道：在對骨質疏松癥進行藥物治療時，通過EST序列和基因芯片技術很容易就可得到編碼半胱氨酸蛋白酶的cathepsink基因，以此基因作為靶點，篩選對其有抑制作用的藥物，就能對骨質疏松癥進行治療。選擇這樣在特定組織中表達的基因作為藥物靶點，可減少副作用。若選擇人體內廣泛存在的蛋白質作為藥物作用的靶點，則藥物不良反應就會很大。宋波等[8]采用基因芯片技術檢測了高低淋巴道轉移力小鼠肝癌細胞系Hca-F和Hca-P的基因表達譜，從中篩選出的33個差異最顯著的基因具有促血管生成、細胞粘附、信號轉導、細胞運動、轉錄、分子伴侶活性、蛋白激酶活性和受體結合等功能，而這些功能可能與腫瘤淋巴道轉移有關。對這33個基因功能的驗證有助于找到淋巴道轉移的關鍵(代表)基因/通路，它們可作為腫瘤淋巴道轉移診斷的指標和治療的靶點。Hippo等[9]運用基因芯片技術研究原發型胃癌，發現了胃癌組織中的上調和下調基因，這些基因分別在細胞周期、生長因子、細胞粘連、免疫應答和胃腸功能方面起作用。該研究為治療不同原因引起的胃癌提供了靶基因。Alcorta等[10]在cDNA微陣列上分析了腎小球病變組織mRNA的表達模式，尋找出一些治療腎病的潛在靶基因，并提出了特異性的細胞因子、化學因子等治療。Heller等[11]應用基因芯片技術研究正常及誘發類風濕關節炎的細胞，發現了數種變化明顯的基因，其中包括以前認為只存在于肺泡巨噬細胞和胎盤細胞中的金屬彈性蛋白酶，為治療類風濕性關節炎提供了新的藥物靶點。

　　2.2 藥物篩選 如何分離和鑒定藥物的有效成分是目前中藥產業和傳統的西藥開發遇到的重大障礙，生物芯片技術是解決這一問題的有效手段，它能夠大規模地篩選，通用性強。與傳統藥物篩選方法不同的是生物芯片技術首先確定藥物作用的生物靶分子，然后通過結構生物學方法設計出一系列對靶分子具有抑制和激活等作用的化合物分子，再通過高通量的靶分子活性檢測方法快速找出所篩選靶分子性能特異、作用效率高的化合物，能夠從基因水平解釋藥物的作用機制，尋找藥物靶標，檢查藥物的毒性或副作用[12-13]。

　　Jellis等[14]用組合化學合成DNA芯片技術篩選654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。Ichikawa等[15]用含有1506個人類cDNA克隆的微陣列研究了肺細胞系在感染銅綠假單胞菌前后基因表達譜的差異，進一步研究表達發生改變的基因。這將為治療由銅綠假單胞菌所致肺細胞系的感染篩選出藥物作用靶標。

　　2.3 藥物作用機制研究 藥物作用機制的研究也是生物芯片應用較多的一個領域。基因芯片技術的出現為病原體致病與抗藥性機制的研究提供了一種新途徑[16]。現代藥理學分子水平的研究已明確藥物作用都有其“靶基因”[17]。通過監測藥物治療前后生物體中基因表達水平的變化，研究藥物對基因表達的影響，從而闡明藥物的作用機制;也可通過病毒基因表達對藥物敏感性的動力學觀察了解藥物的作用機制與病毒致病機制[13，16]。

　　生物芯片北京國家工程研究中心采用自行研制的酵母全基因組DNA芯片，與北京大學藥學院生物技術室合作研究了多種抗真菌中藥的作用機制[17]。周曉冬等[18]曾研究過多藥耐藥相關基因在眼眶腺樣囊性癌中的表達情況，發現p53的基因表達影響著腫瘤的耐藥機制。Gray等[19]在高密度微陣列上檢測藥物對模式生物酵母基因表達的影響時，通過測定使用藥物前后mRNA水平的變化，分析了激酶抑制劑對酵母基因組的影響。Lipshutz等[20]研究發現治療艾滋病的藥物常出現耐藥性的原因是由于Rt基因和Pro基因產生一個或幾個點的突變。Rt基因常見的4個突變位點是：Asp67→Asn，Lys70→Arg，Thr215→Phe，Lys219→Glu，若這4個位點同時發生突變，那么耐藥性就會迅速增加。如果將這些基因的突變部位構建成基因芯片，在用藥前對患者進行快速檢測，針對性就較強。以上事例都說明從分子水平研究藥物的作用機制是一個新穎并且有效的途徑，利用生物芯片技術研究藥物作用機制是科學的、可行的。

　　2.4 毒理學研究 針對對人體有毒性作用或潛在毒性作用的物質采取適當的預防措施是毒理學研究的主要內容。查找藥物毒性或者副作用，進行毒理學研究，尤其是慢性毒性或副作用，往往涉及基因或基因表達的改變，因此可用生物芯片進行大規模的表達研究。藥物在過量的時候也會變成毒物，因此適用于藥理學和藥物作用機制研究的手段同樣適用于毒理學。如用生物芯片技術研究某種藥物作用于細胞后基因的表達差異，結果發現一些重要的功能基因表達有明顯改變，則提示此化合物在研究劑量下可能有一定毒性。用生物芯片技術進行毒理學研究既省時省力，又可以減少對動物實驗的依賴[12，21-22]。Waring等[23]用15種已知的肝毒性化合物處理大鼠，對肝細胞造成DNA損傷、肝硬化、肝壞死等多種傷害，然后從大鼠肝臟中提取RNA，用DNA芯片作基因表達分析，結果發現基因表達分析結果與臨床化學分析結果有很強的相關性。這表明DNA芯片技術是一種可以用于分析藥物安全性和對環境毒物進行分類的高靈敏度方法。運用基因芯片技術可以高效地監測環境中的有害物質及其DNA效應，并可通過化學結構的相似性和基因表達模式的匹配性來迅速確定未知毒物的作用機制[22]。這是生物芯片應用于毒理學研究的另一個方面。

　　2.5 疾病診斷 從分子水平診斷疾病，這將是疾病診斷的理想途徑，也是當今醫學發展的趨勢[24]。生物芯片在臨床上應用較多的是疾病診斷。利用生物芯片技術可以對腫瘤、遺傳病、傳染病等許多疾病做出快速、簡便、高效的診斷，對尋找疾病診斷和治療的靶分子、研究疾病的發病機制都是十分有利的。現有的報道如：采用基因芯片技術用于疾病診斷的有地中海貧血突變點篩查芯片、急性淋巴細胞白血病和急性非淋巴細胞白血病鑒別診斷芯片、高血壓病因診斷芯片、呼吸道感染病菌檢測芯片，采用蛋白質芯片技術用于疾病診斷的有多種自身免疫性疾病診斷芯片、血液病原體聯合檢測芯片(同時檢測乙型肝炎、丙型肝炎、梅毒、HIV)、腫瘤標志物蛋白芯片、腫瘤藥物篩選芯片及癌癥相關蛋白檢測芯片等[25]。

　　在對腫瘤的研究中應用較多的是蛋白質芯片。已有應用表面增強激光解吸離子化飛行時間質譜(SELDI-TOF-MS)對卵巢癌、前列腺癌、肺癌、乳腺癌、鼻咽癌、肝癌、結直腸癌、白血病、胃癌、胰腺癌、腎癌、膀胱癌、骨癌和喉癌等進行了研究。蛋白質芯片不失為腫瘤早期診斷的一種高敏感性和高特異性的新技術。Adam等[26]用蛋白質芯片技術從前列腺癌、前列腺增生患者及健康男性血清中篩選出一個由9種蛋白質組成的標志物組合模式，雙盲法驗證其敏感性為83%，特異性為97%，其特異性遠高于前列腺特異性抗原(PSA，特異性僅25%)。楊拴盈等[27]發現用蛋白質芯片SELDI-TOF-MS技術檢測血清非小細胞肺癌(NSCLC)標志蛋白，篩查肺癌患者，能夠較準確地區分NSCLC患者和正常人，這將對NSCLC的診斷、治療及判斷預后有重要指導價值。耿鑫等[28]應用SELDI-TOF-MS技術和蛋白質芯片檢測肝細胞性肝癌患者血清蛋白質指紋圖譜，檢測到了7個差異蛋白質峰，而這7個差異蛋白質很可能是肝細胞性肝癌患者血清特異性生物標志物，參與了肝癌的發生、發展過程。

　　隨著生物學和醫學的發展，已知人類有6000多種疾病與基因有關，因此應用基因芯片技術對疾病做出診斷對人類的健康也是有重大意義的。Drobyshev等[29]用10-mer寡核苷酸微集芯片檢測了β-地中海貧血患者紅細胞中β-珠蛋白基因中的3個突變位點。Heller等[11]構建了96個基因的cDNA微陣列，用于檢測分析風濕性關節炎(RA)相關的基因。另據李蘭芳[12]報道，人類惡性腫瘤的60%與p53抑癌基因的突變有關，目前已成功研制了檢測p53基因所有編碼區錯義突變和單堿基缺失突變的基因芯片，并已將生物芯片用于腎細胞癌、肺癌、鼻咽癌、前列腺癌、腫瘤原癌等基因和抑癌基因的檢測。

　　3 展 望

　　生物芯片技術是20世紀末發展起來的一項日新月異的生物技術，被美國《科學》雜志評為1998年世界十大科技突破之一。目前，生物芯片技術已被廣泛應用于藥物研究、分子生物學、疾病的預防、診斷和治療、基因序列分析、微生物檢測、生物武器的研制、司法鑒定、環境污染監測和食品衛生監督等領域。但因該技術是眾多學科、眾多技術相互融合、相互滲透的結果，在某些技術方面仍不甚完善，仍有一些關鍵問題亟待解決。相信隨著科學技術的不斷發展，生物芯片技術一定會在醫藥研究領域發揮重要作用。

　　【參考文獻】

　　[1] 劉曉智，陳 騉，王 睿.生物芯片技術研究進展及其應用前景[J].中國藥學雜志，2005，40(22)：1684-1688.

　　[2] 劉春龍，李忠秋，孫海霞，等.生物芯片技術應用及其趨勢展望[J].農機化研究，2003，(4)：13-15.

　　[3] 邢婉麗，程 京.生物芯片技術[M].北京：清華大學出版社，2004：1-2.

　　[4] 何 鵬，程 京.生物芯片技術與產品發展趨勢以及面臨的機遇[J].中國醫藥生物技術，2006，1(1)：17-19.

　　[5] 藍雁澤.生物芯片[J].生物學教學，2001，26(12)：41-42.

　　[6] 潘繼紅.生物芯片技術在新藥篩選中的應用[J].山東醫藥，2005，45(26)：73-74.

　　[7] 鄧 沱，寧志強，周玉祥，等.生物芯片技術在藥物研究與開發中的應用[J].中國新藥雜志，2002，11(1)：23-31.

　　[8] 宋 波，唐建武，王 波，等.基因芯片篩選小鼠肝癌淋巴道轉移相關基因[J].癌癥，2005，24(7)：774-780.

　　[9] Hippo Y， Taniguchi H， Tsutsumi S， et al. Global gene expression analysis of gastric cancer by oligonucleotide microarrays [J]. Cancer Res，2002，62(1)：233-240.

　　[10] Alcorta DA， Prakash K， Waga I， et al. Future molecular approaches to the diagnosis and treatment of glomerular disease [J]. Semin Nephrol，2000，20(1)：20-31.

　　[11] Heller RA， Schena M， Chai A， et al. Discovery and analysis of inflammatory disease-related genes using cDNA microarrays [J].Proc Natl Acad Sci USA，1997，94(6)：2150-2155.

　　[12] 李蘭芳.基因芯片及其醫學應用研究進展[J].陜西醫學雜志，2004，33(345)：241-245.

　　[13] 陳華友，崔振玲，吳自榮.基因芯片技術及其在藥學研究領域中的應用[J].中國藥學雜志，2002，37(3)：167-169.

　　[14] Jellis CL， Cradick TJ， Rennert P， et al. Defining critical residues in the epitope for HIV-neutralizing monoclonal antibody using phage display and peptide array technologies [J].Gene，1993，137(1)：63-68.

　　[15] Ichikawa JK， Norris A， Bangera MG， et al. Interaction of pseudomonas aeruginosa with epithelial cells: identification of differentially regulated genes by expression microarray analysis of human cDNAs [J]. Proc Natl Acad Sci USA，2000，97(17)：9659-9664.

　　[16] 陸祖宏，何農躍，孫 嘯.基因芯片技術在藥物研究和開發中的應用[J].中國藥科大學學報，2001，32(2)：81-82.

　　[17] 龔麗紅，韓鳳娟，侯麗輝，等.基因技術在中藥抗癌作用機制研究中的應用[J].中醫藥信息，2007，24(2)：42-44.

　　[18] 周曉冬，宋國祥，何彥津，等.多藥耐藥相關基因在眼眶腺樣囊性癌中的表達[J].眼科研究，2007，25(3)：164-167.

　　[19] Gray NS， Wodicka L， Thunnissen AM， et al. Exploiting chemical libraries， structure and genomies in the search for kinase inhibitors [J]. Science，1998，281(5376)：533-538.

　　[20] Lipshutz RJ， Morris D， Chee M， et al. Using oligonucleotide probe arrays to access genetic diversity [J]. Biotechniques，1995，19(3)：442-447.

　　[21] 王彩虹，佘銳萍，張群遠.生物芯片技術在生物醫學中的應用[J].中國獸醫科技，2001，31(7)：43-45.

　　[22] 張蘊暉.基因芯片技術及其在毒理學中的應用前景[J].勞動醫學，2001，18(3)：179-181.

　　[23] Waring JF， Ciurlionis R， Jolly RA， et al. Microarray analysis of hepatotoxins in vitro reveals a correlation between gene expression profiles and mechanisms of toxicity [J]. Toxicol Lett，2001，120(1-3)：359-368.

　　[24] 韓慧霞，李湘平，姚連生.生物芯片在生命科學研究領域中的應用[J].第一軍醫大學學報，2001，21(7)：535-537.

　　[25] 齊 軍.蛋白芯片技術及在腫瘤實驗室診斷中的應用現狀[J].中華檢驗醫學雜志，2003，26(10)：639-640.

　　[26] Adam BL， Qu Y， Davis JW， et al. Serum protein fingerprinting coupled with a pattern-matching algorithm distinguishes prostate cancer from benign prostate hyperplasia and healthy men [J]. Cancer Res，2002，62(13)：3609-3614.

　　[27] 楊拴盈，肖雪媛，張王剛，等.用蛋白質芯片技術篩選非小細胞肺癌患者血清中標志蛋白[J].中華結核和呼吸雜志，2006，29(1)：31-34.

　　[28] 耿 鑫，李悅國，朱國平，等.應用SELDI-TOF-MS蛋白質芯片技術篩選肝細胞性肝癌血清標志物的研究[J].中國腫瘤臨床，2006，33(20)：1161-1164.

　　[29] Drobyshev A， Mologina N， Shik V， et al. Sequence analysis by hybridization with oligonucleotide microchip: identification of beta-thalassemia mutations [J]. Gene，1997，188(1)：45-52.