走近生物芯片技术——访中国军事医学科学院放射医学研究所马立人教授

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分享： 2006/06/12 11:32:37

随着人类基因组（测序）计划（Human genome project）的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的动植物、微生物基因组序列得以测定，基因序列数据正在以前所未有的速度迅速增长。然而,怎样去研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能就成了全世界生命科学工作者共同的课题。为此，建立新型杂交和测序方法对大量遗传信息进行高效、快速的检测和分析就显得格外重要了。生物芯片技术的兴起大大加速了基因序列的破译，揭开了生物体中巨大遗传语言之谜，揭示了生命本质，生物芯片技术是20世纪末21世纪初生物技术领域迅速升起的一颗的明珠，它的光芒渗透到生命科学的各个领域。那么，该项技术是如何发展的，目前的状况、发展趋势以及与之密切相关的生命科学仪器的发展又是怎样的状况呢？带着这些问题，近日，本网（以下简称：instrument）专程走访了药物分析学学科带头人，军事医学科学院放射医学研究所马立人教授（以下简称：马）。
　　Instrument：马教授，您好！我们知道您从事了多年的生物芯片方面的工作，编写了国内第一本系统介绍生物芯片技术的书—《生物芯片》，那您先给生物芯片下个定义，好吗？
　　马：生物芯片的概念来自于计算机芯片，发展至今不过10年左右。最初的芯片技术主要目标是DNA序列的测定，基因表达谱鉴定和基因突变体的检测和分析，所以它又被称为DNA芯片或基因芯片。但目前这一技术已经扩展到免疫反应、受体结合等非核酸领域，以至在阐明疑难杂症机理中都起到了重要作用，所以按现状改称为生物芯片更符合发展趋势。
　　芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。结合或反应在相同条件下进行。反应结果用同位素法、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录，通过计算机软件分析，综合成可读的IC总信息。芯片分析实际上也是传感器分析的组合，芯片点阵中的每一个单元微点都是传感器的探头，所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。所以芯片技术也是传感器技术的发展。

　　Instrument：生物芯片技术的发展过程是怎样的呢？主要应用在哪些领域？
　　马：基因表达分析恐怕是生物芯片应用最多的一个方面，细菌、霉菌、植物、哺乳动物等都进行过科学研究。我们知道原计划于2005年才能完成的人类基因计划，由于DNA测序技术和测序效率的迅速提高，于2001年12月就宣布完成框架图和初步分析结果。在阐明人类基因组核酸全序列的前后几年中，有近百种动物、植物及微生物的基因全序列也已经定出。但这些基因序列中，其生物学意义多数是不清楚的。不少公司根据阐明的序列制作基因芯片供应市场，希望通过表达分析来了解其生物意义，但很快就认识到基因仅仅是遗传信息的载体，而生命活动的执行是基因的表达产物-蛋白质，因此蛋白质组计划及蛋白芯片就提高到重要的位置；随着生物芯片技术在病理组织和组织化学方面的应用，又出现了组织芯片，不同的组织做成不同的芯片，比如大脑、前列腺、肝脏等，用于蛋白表达研究、抗体筛选、组织型特异研究及小鼠模式实验研究等；另外，还有一些新原理的生物芯片，如微流路芯片、细胞芯片、多肽芯片、质谱芯片、电芯片等随着生物芯片技术的发展也快速发展起来。
　　杂交测序是发展DNA芯片技术的初衷，但由于众多的核苷酸的组成各不相同，各有自己的最佳杂交条件，这就使得每一对双链杂合子都是最佳，这样一种条件很难找到，其结果是出现一定数目的假阴性和假阳性杂交结果，引起误导，加之芯片技术自动化程度和成熟程度等方面还有不足，因而生物芯片技术在核酸测序技术中，未能被选为法定方法，真正建功立业的主要技术却是多通道毛细管电泳。但生物芯片技术也有自己的优点，高通量、平行对比分析，可以获取其他方法无法取得的资料，因此它仍是一项先进的高通量分析手段。
　　近年来，已经证明基因芯片的最佳应用领域是单核苷酸变异多态性的研究、差异表达分析的研究及改变模式，尽量向临床诊断和临床研究靠拢及开拓其他领域的应用。从经济效益来讲，最大的应用领域是制药厂用来开发新药，目的是在基因水平上寻找药物靶标以及查找药物的毒性和副作用，进行独立学研究；在农业和林业上，生物芯片技术也有广阔的应用天地，应用芯片于基因测序将大大加快DNA多肽性的鉴定，从而促进动植物育种和植物新品种的产生；在医学上，芯片研究也广泛被应用于遗传病、肿瘤、炎症等方面的研究。可以说生物芯片的应用目前已经遍及生物、医学研究的各个领域。

　　Instrument：那您所从事的生物芯片技术和您前面讲的一样吗？
　　马：我选择的方向和前面说的这些不太一样。前面讲的这些基因芯片是用在基因序列测定，基因组的研究，用的是高密度芯片，要几千个点，几万个点，价格都很昂贵，目前国外已经有很多基因芯片厂商，做的都是高密度芯片，我们不想往这个方向努力，想做一些实际有用的东西应用在临床诊断上。比如引起腹泻、呼吸道传染病的细菌或病毒，用高密度芯片来检测，成本非常昂贵，不是普通人可以接受的，而且也是一种浪费。因此我们想是否可以做一种低密度芯片（100个点以下），既能很好地检测细菌或病毒，指导诊断和治疗又经济实惠呢？实验表明：是完全可以的，而且这种低密度芯片我们已经做好了，并申请了国家专利。

　　Instrument：请您详细介绍一下低密度生物芯片？都可以用于哪些病的诊断呢？
　　马：我们做的这个低密度生物芯片分两部分：一是仪器部分，由几个部分组成，首先是手工点样器，点起样来很方便；还有就是杂交仪，杂交仪是为样品里的病菌通过PCR扩增以后与芯片杂交用的；再有一个就是芯片的道，再加上仪器设备工作软件，就组成了工作平台。这个平台是个通用的，在各种疾病的诊断过程中不需要更换。第二部分就是芯片，也是这个整台仪器设备的核心设施。不同的细菌或病毒用不同的芯片，比如：鉴别SARS病毒的芯片和其他呼吸道传染病的芯片不一样，鉴别禽流感的芯片和SARS的又不一样。在实际应用中，通过检测知道病症是哪一种细菌或病毒引起感染，用药就很有针对性了，青酶素敏感的细菌，就用青霉素，时间长了，有抗药性了，再换一种药，这样治疗容易成功，抗生素就会有目的的使用。
　　低密度芯片主要是想应用在临床诊断上，如消化道、呼吸道、烧伤、血液、肝炎等方面；也可以用在动物上面，来预防动物之间的传染病，比如鸡、猪和宠物等，效果也是非常好的。

　　Instrument：用于临床诊断的生物芯片技术和传统的诊断相比有什么优势和特色呢？目前的推广程度及国内外的状况是怎样的呢？
　　马：总体来说，我们做的这个产品有以下几个优点：
　　1、用起来比较方便，不同的传染病病毒或细菌用不同的芯片，没有交叉。
　　2、灵敏度高。样品经过PCR扩增，再杂交，大大减少了干扰，这个仪器可以做到50
个细菌或病毒的检测。现在通过输血传染的病很多，比如肝炎，丙肝就很不好查，有一个潜伏期，刚得了肝炎，没有发病，处于窗口期，还没有产生抗体，按照卫生部的标准，就符合采血标准，实际上有病毒存在，用常规的方法查不出来，但用我们这个芯片办法，就可以查出来。
　　3、检测的速度快，整个这个过程从取样到检测完毕只需要半天的时间。扩增需要1个
多小时，杂交也要1个多小时，早晨采样中午就可以出结果。而通常的病理检测要培养细菌或病毒这个过程，时间就长了，起码要3-4天才能出结果。芯片技术完全可以代替传统的检测。有的病发病很快，最好当天检查中午出结果，这样就可以及时采取治疗措施。
　　4、价格便宜。以前都是在玻璃上做芯片，玻璃的缺陷是目前国产的玻璃片不过关，进口的一张玻璃片很贵，加上做成芯片，成本很高，且灵敏度低。我们做了一个小发明，在膜上做芯片，灵敏度好且价格便宜。
　　5、提取任何组织核苷酸的试剂是个通用试剂，这是通过大量的实验找到的，这个试剂既可以溶解组织又可以裂解细菌或病毒，算是我们这项技术的一个特色吧，样品处理和检测的试剂我们都有自己的一套成型的东西。
　　目前这个产品还没有大范围地推广，主要是因为芯片技术还没有大规模推广。在临床诊断方面，基本处于规划和起步阶段。有的血库希望建立一个能快速检测爱滋病、丙肝、乙肝、梅毒4种病毒的芯片，有些医院也想和我们一起做消化道、呼吸道等方面的芯片。我们做的比较好的是在动物传染病的防治上，主要用在养鸡、养猪厂。因为这种地方一旦有传染病，传播速度非常快，损失很大，所以养殖厂希望每天监控，一旦发现，赶快打疫苗，以便最大限度的减少损失。这个现在我们已经通过了成果鉴定，也在小范围内进行了应用，但要真正大规模还需要农业部的批文。还有一块就是用在宠物身上，也是计划要做。现在养宠物的很多，狗的病有十几种，很难治好，要是能及时发现并赶快打疫苗就可以治好，打疫苗家要查清楚应该打什么疫苗，这就要用到生物芯片技术了。
　　低密度芯片技术的推广还有很多工作要做，还有很长一段路要走，我们的技术并不比国外的差，我查过国内外相关资料，没有发现国外有做这一块的，我们是最先做低密度芯片的，要真正推广还需要用户、仪器厂商、科研人员大家一起努力。

　　Instrument：马教授，都说21世纪是生命科学世纪，国内外各大仪器公司分分成立生命科学仪器部，生物芯片技术是生命科学的重要分支，您又是行业内公认的从事生命科学分析的专家，那您那对于生命科学仪器您是如何理解的？如果让您给生命科学仪器做一个分类，您觉得应该怎么分呢？
　　马：这个问题就比较大了，我只谈一下我自己的看法。生命科学仪器有意义能出结果的有几个方面，一是用于生物工程产品，包括发酵-纯化-测定整个过程中所需要的分析仪器产品；二是用于蛋白质组学、基因组学，主要是用在基因测序上，但这些只是学术上的储备，并不是一个创造财富的工具。还有就是用在临床诊断上的。要是对生命科学仪器分类，我觉得可以从用途上对其分类，可以分为如下三类：
　　1、临床生化类：主要用于医院，包括洗板机/酶标仪、血气分析仪、微生物自动分析仪、生化分析仪、病毒免疫荧光分析仪、尿液分析仪、电解质分析仪、血球计数器、生理/药理/神经仪器、高压灭菌锅、均质器等；
　　2、生物工程用设备：主要用于生物制品的研制和生产，包括摇床/振荡器、发酵罐、冷冻干燥机、冰箱、PCR、凝胶电泳仪、生化培养箱、超滤/过滤统、反应器、收集器、低温恒温循环泵等；
　　3、分子生物学和生物化学类：主要用于科研、教学单位，包括蛋白/肽测序仪、多肽合成仪、DNA测序仪、细胞分析、凝胶成像系统、生物芯片分析系统、基因导入仪、DNA合成仪、紫外观察灯、分子杂交仪、光标记装置、化学发光分析仪、紫外检测仪、菌落计数器等。

　　Instrument：马教授，请您总体评价一下我国目前生命科学仪器及通用分析仪器行业的现状？
　　马：生命科学仪器和通用仪器是不能完全分开的，生命仪器的发展在一定程度上也带动了通用分析仪器的发展。总体来讲，我国的分析仪器行业还比较落后。通用仪器，我就简单说一下色谱和光谱。色谱做的多一些，气相色谱相比较而言好一些，北分、上分等分析仪器公司都在做，液相色谱国内也在做，大连依利特、东西电子、上海伍丰等，可以这样说中档的色谱产品目前国内基本都可以做，但高档的还有一些差距；光谱的话，紫外、拉曼还可以，傅立叶变换红外光谱做的还不是太好，做光谱的厂家有北京瑞利、普析通用等，但和软件结合这块还需要进一步做工作。生命科学仪器我们国家做的很少，有一些做发酵罐的，但没有什么品牌，大型仪器我们目前基本做不了，国外在这些方面比我们做的要好的多，投入也大。

　　在整个采访过程中，马立人教授一直强调“要做实际有用的东西，不做华而不实的，不想当然，做科学研究也要根据中国国情、根据具体情况来做”，笔者被马教授这种做学问的精神深深打动。试问，在这个浮躁的社会里，有多少人做科学研究不过是为了发表论文而做科学研究，笔者虽然只是个小人物，但也和马立人教授一样，希望分析行业内所有从事科研的人员能真正做一些对社会有意义的东西！

马立人教授简介：
　　军事医学科学院放射医学研究所研究员，博士生导师，国内外知名的药物分析学家和生物化学家。
　　编写的《生物芯片》一书，2000年获国家石油和化学工业局（化工部）第六届优秀图书一等奖。
　　研制出我国独有的抗辐射药物；从事血制品及血液代用品研究；在基因诊断方面取得突破性进展，并迅速向国内外推广；担任过第三届分析仪器学会副理事长，指导过上海、南京、北京分析仪器厂、江苏电分析仪器厂、北京市新技术应用研究所等国内分析仪器厂研究设计出实用性强的分析仪器及配套试剂，其中自动基因扩增仪、固液相分子杂交仪获国家实用型专利，抗体导向蛇毒溶纤剂及纤维素微孔亲和滤膜获国家专利；先后培养研究生12名，博士研究生11名及博士后7名，多次承担国家重大课题，获包括国家科技进步特等奖在内的国家与军队奖励20项。
　　担任过国家生物医学分析中心副主任、学委会主任、《分析仪器》杂志副主编，《现代科学仪器》、《色谱》、美国《Drug Development and Industrial Pharmacy》杂志、《国际医疗器械》杂志编委。

　
　　　　马教授联系地址： 北京太平路27号6-甲-201（100850）

[来源：本网]

标签：生物芯片