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生物芯片与后基因时代 章教授长期从事分析科学的教学和科研工作，其领域涉及分离科学、微量化学、分子发光光谱、光导纤维化学和生物传感器、临床化学等。曾主持国家自然科学基金项目六项、重大项目一项、重点项目一项，国家教委重点项目三项及省自然科学基金项目两项。在《中国科学》《科学通报》《化学学报》《美国分析化学》等国内外权威期刊上发表论文264篇，主撰《光导纤维化学传感器和生物传感器》等专著两部，合编《分析化学前沿》等专著六部。 章教授近年来主要研究方向为抗癌细胞毒细胞的细胞发光免疫分析、化学发光免疫分析、电化学发光分析、生物芯片、人血清及药物抗自由基能力的综合评价等项目的研究，其研究成果已获五项美国和欧洲专利，并多次获得国家教委科技进步奖和陕西省科技进步奖。 1基因时代的结束和后基因时代的来临 从1990年10月1日美国在世界上第一个实施人类基因组计划到2000年6月26日，美、日、英、法、德和我国六国的科学家联合向世界公布了人类基因组工作草图，用了仅仅10年时间，提前5年完成了原定到2005年10月才能完成的人类基因组计划。这是人类历史上最重要的科研工程。人类基因组遗传密码的基本破译，揭开了人类自身生、老、病、死的奥秘，人类不但可以从基因水平上诊断和治疗疾病，彻底地解决危害人类健康的5000多种遗传病、多基因病和心脑血管病、高血压病、糖尿病、各种癌症、老年痴呆症及精神病等，而且可以根据自己的“基因图”，调整最佳的生活方式，使自己处于最佳的生命环境中。 人类基因组计划的完成，同时也宣告后基因时代（Post Genome ERA）的来临。后基因时代的任务为： 1.1发现单核苷酸的多态性，弄清碱基如何组成基因，弄清全部基因的位置、结构和功能，绘制人类基因的清晰全图。 1.2分离和鉴定细胞内由基因表达的所有蛋白质，揭开“蛋白质组”的序幕。 1.3了解蛋白质同包括药物在内的小分子相互键合作用，从基因水平上寻找靶标和靶向药物，提高人类的寿命和生命质量。 生物芯片为人类基因组计划的提前完成立下了汗马功劳，也是完成后基因时代任务的最重要的工具，它既是21世纪最主要的科研热点，也将在21世纪形成巨大的产业。人类基因组计划从1990年10月1日开始到1998年10月，花了整整8年时间才完成了计划的6%。直到1998年底98道毛细管电泳生物芯片出现后，才在不到2年时间内完成了余下的94%的工作。 2生物芯片及其应用 生物芯片是在多种固定化载体上刻蚀具有多种性能的生物反应器。它包括两大类：一类叫作芯片实验室（labs-on-chips），在欧洲又称为微分析系统（μ-TASsystems），它是将整台大型仪器，甚至整个实验室搬上芯片，如毛细管电泳芯片、质谱芯片、色谱质谱芯片、电化学分析系统芯片和生物化学合成芯片等。此类生物芯片的突出优越性在于通过芯片通道中的微流控（microfluidic）操作，很容易在低于普通化学分析几个数量级的体积（纳升至微升）的水平上，实现微机控制的自动化定量操作，不仅分析速度大为提高，试样与试剂消耗量也大为降低，而且由于这类微分析系统易于批量生产，因而生产成本显著降低，这也为现代分析技术的大规模普及创造了条件。另一类是基于特异性反应的生物芯片，如基因芯片（DNA芯片）、免疫芯片、蛋白质芯片、酶芯片、受体芯片、传感器阵列芯片等。这两类生物芯片的研究和产业化都将是在完成后基因时代的任务和真正实现人类基因组计划所追求的最终目标，使人类真正享受到这一计划的成果的最重要和不可缺少的工具。 典型的特异性生物芯片是基因芯片，它的制作工艺比较简单，现已有各种定型的设备，用于完成一整套的程式化操作。如图1所示，在一片石英、光学玻璃或者聚合物的薄片上（a），先对其表面进行修饰，导入羟基、氨基、巯基、羧基等基团，然后按照基因芯片设计的要求，将对应基因的寡核苷酸（如白血病的功能基因、肺癌或胃癌的功能基因、糖尿病的基因、乙型肝炎各亚型的基因、计划生育所需多种遗传病的基因）及多种传染病的抗原或抗体等通过交联剂固定在修饰后的薄片上，在1cm2的范围内，可以固定几十个或者几百个分子识别物质，这叫低密度芯片，也可以固定几千个甚至几万个分子识别物质以进行各种疾病的同时诊断，叫作高密度芯片（b）。同一般传感器分子识别物质固定化方法不一样，无论低密度或高密度芯片，当这些分子识别物质固定在芯片上时，都要在芯片基底上先联结一个较长的直链，如氨基酸，以增大在密集的点阵中大分子的可接近性，避免产生假阳性或假阴性。 图1基因芯片 a．基因芯片的基片及固定的寡核苷酸（放大图） b．基因芯片用于基因诊断 在进行分析时，先分离出人的DNA，经过切割和标记（如图1中ｂ标记的荧光物质F），必要时还要进行PCR扩增，以增大检测灵敏度，最后涂在芯片上进行核酸杂交反应。有病的基因，即受损伤的基因，将不会与相对应的寡核苷酸形成双螺旋体，在激光光源激发下，不会在相应位置出现亮点；而完好的基因，则因双螺旋体的形成，在相应位置呈现出明亮的荧光。用激光扫描显微镜（或称阅读器）可以显示出生物芯片检测图像，通过软件进行信息处理，并得出明确的诊断结论。 大多数特异性生物芯片都要使用标记物，已使用过的有四大类：即发光标记物、酶标记物、电活性标记物和放射性标记物等。目前使用最多的是发光标记物（见表1），包括荧光标记物、化学发光和生物发光标记物及纳米粒子发光标记物等，它们应具有高的量子产率（80%以上），其激发和发射波长尽可能处于580nm～700nm范围内，以避免对生物活性物质的伤害和降低背景，提高信噪比。目前虽然已有某些发光标记物配合激光扫描显微镜技术，可做到单分子检测，但仍有很大的发展和创新空间。 图1 发光标记物 标记物 检测限amol 检测方法 标记物 检测限amol 检测方法 Fluorescein 0.01 荧光法 Acridinium 0.03 化学发光法 Coumarin 0.01 荧光法 Ester Phycoerythrin 0.04 荧光法 Acridinium Thioester 0.003 化学发光法 EuropiumChelate 0.0001～0.1 荧光法 Phenanthridinium ester 0.01 化学发光法 PhthalocyanineCompounds 0.01～0.001 荧光法 Lucifirin 0.001 生物发光法 PB630 Alkaline 0.00001 生物发光法 PB670 Phosphate PB710ZnS-CdS 荧光法 β-d-Galactosidase 0.0002 生物发光法 在生物芯片应用领域中，另一个大的领域是新药的开发。通过基因芯片可以在基因水平上寻找药物的靶向，从而制备靶向药物，或对已有的药物，特别是某些重要的传统中药单方和中药复方作出新的科学的评价，这很可能会开创一个传统医药的新的研究方向。基因芯片还可用于药物的毒性和副作用的研究，因为药物的毒性和副作用，常常会引起基因表达的改变，用基因芯片来进行这类基因表达的研究，将会省略大量的动物试验，节约研究时间和成本。 科学技术的成就和发展常是一把双刃剑。原子能科学的进展和核裂变及核聚变反应能量的开发，为人类和平利用原子能带来了大量的福音；同时也被某些政治家和战争狂人利用来制造大规模残杀人类的原子武器。人类基因研究的进展，是生命科学的一项伟大的成就，而早在20世纪80年代就有人开始研究一种杀伤力比原子武器更强、影响更深的基因武器。它是按照人们的设计，通过重组基因技术，将一些高致病、高传染，或目前还没有适当药物进行治疗的基因，培养成生物武器，这将会带给人类巨大的灾难。生物芯片将是目前唯一的一种方法用于查明这些治病基因的来源，并用于开发早期的报警系统和战场上的便携式报警器，以减少对人的伤害和研究出应对的方法。 生物芯片是21世纪最主要的研究领域之一，也是21世纪的新兴产业，目前国际上正处于“高速发展的探索性的阶段”。一方面在国际范围内，一场悄悄的“圈地运动”正在进行，另一方面还存在着巨大的发展和创新空间。如微电子加工，包括芯片的封装与键合，微电路加工和刻蚀，微泵、微阀的刻蚀等；生物相容性大分子可接近性材料的选择及表面修饰；分为识别物质的研究及其固定化技术；标记物及其标记方法研究；生物芯片测试技术研究等。 2月15日
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