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1無標記蛋白質(zhì)芯片的目的和意義

生物芯片技術(shù)具有并行、快速和自動化分析的特點,應(yīng)用前景引人注目,已成為現(xiàn)今生物醫(yī)學工程的重要組成部分。生物芯片技術(shù)包括:基因芯片即DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片或叫生物分子芯片、細胞芯片和組織芯片以及藥物芯片、生物電子芯片等技術(shù)。

蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ),到目前為止,已知的人體中存在的蛋白質(zhì)種類達數(shù)十萬種之多,其功能各異,在機體中各行其職。蛋白質(zhì)的組成具有多樣性和可變性,蛋白質(zhì)的表達受多種因素的調(diào)控。在生命發(fā)育的不同階段,蛋白質(zhì)的種類和構(gòu)成都是不一樣的,不同組織中細胞表達的蛋白質(zhì)有很大的差異;在病理或治療過程中,細胞蛋白質(zhì)的組成及其變化與正常過程中的也有不同。因此,蛋白質(zhì)的研究是在一個更加深入、更貼近生命本質(zhì)層面上去探討和發(fā)現(xiàn)生命活動的規(guī)律,揭示生理和病理現(xiàn)象的本質(zhì)。隨著人類對于蛋白質(zhì)的認識,為了解人體的健康狀況,進一步診斷和治療疾病,識別和檢測蛋白質(zhì)是一種非常重要的技術(shù)手段。

國際上絕大多數(shù)蛋白質(zhì)芯片技術(shù)采用了標記方法(包括熒光標記法、酶標記法等)。標記方法的優(yōu)勢非常明確,但是也存在一定的不足,比如:(1)蛋白質(zhì)分子不具有均一的化學性質(zhì),使得標記方法很難成為定量分析方法;(2)被標記蛋白質(zhì)分子生物活性受到一定的影響;(3)對已知的數(shù)十萬種蛋白質(zhì)分子進行化學標記所耗費的財力、物力難以想象。因此無標記蛋白質(zhì)芯片檢測技術(shù)(如表面等離子體共振技術(shù)及其衍生技術(shù)、反射干涉光譜技術(shù)、橢偏光學成像技術(shù)等)應(yīng)運而生,這些技術(shù)的優(yōu)勢在于采用單一無標記試劑即可檢測溶液中的靶分子,很好地避免了標記所帶來的問題。光學蛋白質(zhì)芯片系統(tǒng)是探測和研究蛋白質(zhì)的新技術(shù)。此方法將高分辨率的光學顯微成像技術(shù)和集成化多元蛋白質(zhì)芯片技術(shù)相結(jié)合,形成了新型并行、快速生物分子識別和檢測技術(shù)。它無需預(yù)處理和標記樣品,對生物活性影響小,還可以檢測生物分子反應(yīng)的動力學參數(shù),從而獲得很多傳統(tǒng)技術(shù)所難以提供的信息,有望用于生物醫(yī)學研究、健康預(yù)測、臨床診斷、新藥篩選和鑒定以及生物工業(yè)流程中的活性監(jiān)測等。

2蛋白質(zhì)芯片研究的主要內(nèi)容及研制過程

概括地講,蛋白質(zhì)芯片技術(shù)主要包括以下5部分內(nèi)容:(1)芯片設(shè)計。根據(jù)待測分析物及靶分子設(shè)計芯片的結(jié)構(gòu)和操作流程。(2)配基裝配。將具有生物特異性識別的配基分子有效組裝在芯片的既定位置,并保持其生物活性。(3)芯片反應(yīng)器。是配基分子與待測物反應(yīng)的空間環(huán)境,可以對反應(yīng)條件進行調(diào)控。(4)芯片信號采樣和處理。將分子相互作用的結(jié)果讀出,并轉(zhuǎn)化成可視物理信號,由此反推出待測物的信息。(5)芯片數(shù)據(jù)庫。提供芯片的歷史數(shù)據(jù)和基本參數(shù),供對比和參考。

蛋白質(zhì)芯片是一種蘊含多學科知識的系統(tǒng)工程,為蛋白質(zhì)的分析和檢測提供了一種新型技術(shù)平臺。它的應(yīng)用不僅僅局限于蛋白質(zhì)檢測,還可以用于蛋白質(zhì)識別、特異位點研究、藥物篩選以及蛋白純化等等。根據(jù)應(yīng)用目標的不同,蛋白質(zhì)芯片需要進行特殊設(shè)計。以疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)檢測為例,在診斷乙型肝炎時,國際公認的檢測指標為5項[乙肝表面抗原(HBsAg)、乙肝表面抗原抗體(anti-HBsAg)、乙肝e抗原(HBeAg)、乙肝e抗原抗體(anti-HBeAg)和乙肝核心抗原抗體(anti-HBcAg)]。這5項指標通常需要在醫(yī)院化驗室里經(jīng)過1d或者更長的時間,用常規(guī)免疫檢測方法逐項進行。如果采用蛋白質(zhì)芯片來檢測,可以在一片乙肝診斷芯片上分別裝配針對5項檢測的配體,在1h內(nèi)即可同時完成5項檢測,且只需要幾十微升血液即可完成所有的檢測,顯著地降低了樣品消耗[12]。

在檢測對象確定以后,芯片設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)就是確立特異性生物學系統(tǒng),即具有生物特異結(jié)合性的分子對或分子組合,如配體-受體、蛋白-蛋白、抗原-抗體、病毒-受體等等,并優(yōu)選配基,以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)配基和待測生物分子在芯片表面上的特異性結(jié)合。隨著分子生物學和生物化學的發(fā)展,人們已經(jīng)認識到生物分子是一些空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的有機大分子,而生物活性則僅表現(xiàn)在某些特定的位點上,配基的使用實際上是配基分子上活性位點的利用。蛋白質(zhì)芯片是由裝配在芯片表面上的多個表面生物探針組合而成。通常情況下,由于生物分子和芯片基底的相互作用,會造成生物分子在表面的變形和變性,使生物活性減弱甚至消失。為了充分保持配基在芯片表面上的生物活性,需要研究和設(shè)計芯片表面的蛋白質(zhì)活性裝配,這涉及基底的選擇及生物相容性、表面化學性質(zhì)、光學特性。為此進行表面改性,包括物理、化學、生物化學及其組合表面的改性,以適合配基的裝配。為了獲得高靈敏的檢測,配基的來源、裝配點、活性位點、表面位阻、非特意性阻隔、特異活性維持等諸多問題,都需要進行統(tǒng)籌考慮并逐一解決[5]。