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1無標記蛋白質芯片的目的和意義

生物芯片技術具有并行、快速和自動化分析的特點,應用前景引人注目,已成為現今生物醫學工程的重要組成部分。生物芯片技術包括:基因芯片即DNA芯片、蛋白質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。

蛋白質是一切生命的物質基礎,到目前為止,已知的人體中存在的蛋白質種類達數十萬種之多,其功能各異,在機體中各行其職。蛋白質的組成具有多樣性和可變性,蛋白質的表達受多種因素的調控。在生命發育的不同階段,蛋白質的種類和構成都是不一樣的,不同組織中細胞表達的蛋白質有很大的差異;在病理或治療過程中,細胞蛋白質的組成及其變化與正常過程中的也有不同。因此,蛋白質的研究是在一個更加深入、更貼近生命本質層面上去探討和發現生命活動的規律,揭示生理和病理現象的本質。隨著人類對于蛋白質的認識,為了解人體的健康狀況,進一步診斷和治療疾病,識別和檢測蛋白質是一種非常重要的技術手段。

國際上絕大多數蛋白質芯片技術采用了標記方法(包括熒光標記法、酶標記法等)。標記方法的優勢非常明確,但是也存在一定的不足,比如:(1)蛋白質分子不具有均一的化學性質,使得標記方法很難成為定量分析方法;(2)被標記蛋白質分子生物活性受到一定的影響;(3)對已知的數十萬種蛋白質分子進行化學標記所耗費的財力、物力難以想象。因此無標記蛋白質芯片檢測技術(如表面等離子體共振技術及其衍生技術、反射干涉光譜技術、橢偏光學成像技術等)應運而生,這些技術的優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。光學蛋白質芯片系統是探測和研究蛋白質的新技術。此方法將高分辨率的光學顯微成像技術和集成化多元蛋白質芯片技術相結合,形成了新型并行、快速生物分子識別和檢測技術。它無需預處理和標記樣品,對生物活性影響小,還可以檢測生物分子反應的動力學參數,從而獲得很多傳統技術所難以提供的信息,有望用于生物醫學研究、健康預測、臨床診斷、新藥篩選和鑒定以及生物工業流程中的活性監測等。

2蛋白質芯片研究的主要內容及研制過程

概括地講,蛋白質芯片技術主要包括以下5部分內容:(1)芯片設計。根據待測分析物及靶分子設計芯片的結構和操作流程。(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)芯片反應器。是配基分子與待測物反應的空間環境,可以對反應條件進行調控。(4)芯片信號采樣和處理。將分子相互作用的結果讀出,并轉化成可視物理信號,由此反推出待測物的信息。(5)芯片數據庫。提供芯片的歷史數據和基本參數,供對比和參考。

蛋白質芯片是一種蘊含多學科知識的系統工程,為蛋白質的分析和檢測提供了一種新型技術平臺。它的應用不僅僅局限于蛋白質檢測,還可以用于蛋白質識別、特異位點研究、藥物篩選以及蛋白純化等等。根據應用目標的不同,蛋白質芯片需要進行特殊設計。以疾病相關的蛋白質檢測為例,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院化驗室里經過1d或者更長的時間,用常規免疫檢測方法逐項進行。如果采用蛋白質芯片來檢測,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,芯片設計的一個重要環節就是確立特異性生物學系統,即具有生物特異結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,并優選配基,以此為基礎實現配基和待測生物分子在芯片表面上的特異性結合。隨著分子生物學和生物化學的發展,人們已經認識到生物分子是一些空間結構非常復雜的有機大分子,而生物活性則僅表現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,需要研究和設計芯片表面的蛋白質活性裝配,這涉及基底的選擇及生物相容性、表面化學性質、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,都需要進行統籌考慮并逐一解決[5]。