生物芯片技术及其应用

生物芯片技术及其应用南京医科大学第一附属医院临床检验中心童明庆1.Whatisamicroarray•Microarray或Biochip（生物芯片）是一种微型多参数生物传感器。它通过在一微小的基片表面固定大量的分子识别探针，或构建微分析单元和系统，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。•Amicroarrayisanorderedarrayofmicroscopicelementsonaplanarsubstratethatallowsthespecificbindingofgenesorgeneproducts.1.WhatisamicroarrayFourdistinctcharacteristicsofmicroarray:•Microscopictargetelementsorspots;•Planarsubstrates;•Rowsandcolumnsofelements;•Specificbindingbetweenmicroarraytargetelementonthesubstrateandprobemoleculesinsolution.1.WhatisamicroarrayWhichistheprobe?andwhichisthetarget?TherearesomedifferencesbetweenChinaandUnitedStatesofAmerica.InU.S.A.theprobeareusuallyinsolution.InChinatheprobeisareagenttodetecttargetfromsample.Biochips的主要类别蛋白芯片Proteinchips(proteinmicroarray)：肽芯片，蛋白芯片基因芯片Genechips（Genemicroarray）：靶DNA芯片，多探针芯片③芯片实验室Laboratory-on-a-chiporMicrofluidics-basedchip2.MicroarraymanufacturingThethreemainmanufacturingmethods:•Contactprinting:usesdirectcontactbetweentheprintingimplementorthesamplecontainedintheimplementandthemicroarraysubstrate;•Noncontactprinting:on-the-flyprintingincludingink-jettech.,microsolenoidtech.,andthermalbubblejetdispenser;•Semiconductortech:photolithographicmasksandmicromirrors.•Microscopicelements:①Semiconductortechproduce15~30μmfeatures②Printedspotsizeis50~350μm③Tissuespotis200~600μmMacroarrayscontainsamplespotsizesofabout300micronsorlargermicroarrayaretypicallylessthan200micronsindiameterGenechips的制备在片原位光刻合成•OdNTP-5´-光敏保护基因光照OdNTP-OH+dNTP-5´-保护基因在片原位喷印合成Genechips的制备cDNA点样法醛基修饰玻片Silanizedslide（与DNA上氨基反应）Silaneslide氨基修饰玻片Silylatedslide（UV照射与DNA交联）Polylysineslide玻片氨基化举例：Nytran尼龍膜•点样前变性變性的終濃度1×0.4NNaOH/10mMEDTA，變性的擴增産物被點樣到Nytran尼龍膜上，用120mj/cm2UV交聯固定(Stratalinker1800,Stratagene)•点样后变性PCR擴增産物被點入(或布陣)至Nytran尼龍膜上之後,在0.4NNaOH/3MNaCl中浸濕5分鐘變性DNA,隨後放在用6×SSC浸濕5分鐘中和，再用120mj/cm2UV交聯固定。我們有世界第一部量產的點樣機及相關的配套生產線核酸的杂交常用的双色荧光标记试剂有Cy3-dNTP和Cy5-dNTP。它们在反转录过程中在DNA中的结合性好，激发和发射谱的间距大，以及光量子产率高。亦可标记酶和生物素。核酸的杂交基因芯片实验程序基因芯片实验程序Genechips的应用病原体的检出肿瘤相关基因表达谱位点突变遗传性疾病测序耐药基因检测疾病的分子分型HLA分型pP—TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由杂交位置确定的一组核酸探针序列GTTAGATC杂交探针组TATGCAATCTAG重组的互补序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC基因芯片的测序原理图ATACGTTA蛋白芯片的原理1.将抗原或抗体交联（UV）或吸附在膜上不均等硝酸纖維膜的空氣面結構•SEMAE100(12µm),airside,500x背裱濾紙的硝酸纖維膜橫切面圖•SEMFT020(0.2µm),cross-section,150x2.抗体或抗抗体标记示踪①酶：HRPO、AKP②胶体金③荧光素：Cy3、Cy5、FITC、RB200、藻胆蛋白等POTOMAC點抗原測抗體3.检测标本中的抗体或抗原POTOMAC點抗原測抗體POTOMAC點抗體測抗體－捕获法POTOMAC點抗體測抗原POTOMAC滲濾式蛋白芯片的設計將應用物品先準備好。检测实例在晶片盒視窗內滴加3滴試劑A，必要時用手輕晃晶片，使膜表面完全浸濕。待完全滲入後，室溫放置1分鐘，加待檢血清100μl。待血清完全滲入後，再滴加6滴試劑B。待試劑B完全滲入後，滴加10滴試劑C。待試劑C完全滲入後，最後滴加6滴試劑D。反應完畢後0.5小時內，將晶片放入晶片閱讀系統進行閱讀分析。大淵的PBT-X2-02型生物芯片識別儀器組成。Proteinchip的应用微生物感染－病原体抗原、抗体的检测自身抗体的检测特定蛋白的检测HLA分型过敏原检测⑥肿瘤标志的检出大渊结核菌多种抗原的抗体检测蛋白芯片系统特异性抗原：LAM、16KDa和38KDa蛋白LAM：脂阿拉伯甘露糖，其它分枝杆菌不具备或其含量甚低；38KDa蛋白：较牛分枝杆菌高10倍以上；16KDa蛋白：存在于结核分枝杆菌复合群(人型、牛型、非洲型)中，其它分枝杆菌（MOTT）不存在。其综合檢出率可以達到93%•结核分枝杆菌（Mycobacteriumtuberculosis）的脂阿拉伯甘露糖（LAM）是细胞壁重要组成成分。结核菌的LAM含量比其他分枝杆菌的含量高许多，因此许多研究都认为检测病人血清中的抗LAM抗体是诊断结核病的重要标志之一。•LAM要分布于细胞壁表面，组成成份为碳水化合物。•主要生物学活性1)抗原性2)抑制T淋巴细胞增殖3)破坏巨噬细胞的干扰素活化4)清除有毒的自由基5)抑制蛋白激酶等的活性目前，LAM的主要用途是将其作为主要的包被或者点样抗原，以检测结核患者血清中的相应抗体，用于结核病的诊断。结核分枝杆菌脂阿拉伯甘露糖（以下简称LAM）结核分枝杆菌MPT63抗原（16KDa）•结核菌MPT63主要存在于培养滤液中，分子量达16kDa，其基因为MPT63，表达159氨基酸（aa）的蛋白质，29aa为信号肽，130aa为成熟蛋白。MPT63可在感染结核菌的豚鼠诱发体液免疫。MPT63基因仅发现于结核菌复合群（Mtuberculosiscomplex,MTC）。MPT63与常见的鸟分枝杆菌（Mavium）的蛋白没有血清交叉反应。•MPT63抗原的种特异性：非MTC分枝杆菌缺乏MPT63，表明MPT63是一个MTC特异性抗原。证据有二：抗MPT63抗体与纯化的MPT63，结核菌培养滤液，牛分枝杆菌PPD反应，而不与鸟分枝杆菌PPD反应。另一方面，采用竞争性ELISA，MPT63与抗MPT63的抗体的反应可被牛分枝杆菌PPD显著抑制，而不被鸟分枝杆菌PPD和BSA（无关蛋白）抑制，因此，MPT63没有环境中常见的分枝杆菌抗原表位，其可作为非常有潜力的免疫诊断用抗原。结核分枝杆菌的38kDa蛋白它有不同的名称，在美、日被称为抗原5（Antigen5）,挪威将其称之为抗原78（Antigen78）。Coates等人利用免疫电泳技术测得其分子量为38kDa，故称之为38kDa蛋白38kDa蛋白为脂蛋白，存在于细胞外，含25%碳水化合物，是从细胞分泌的，理论分子量是为38200Da（含信号肽），其与细胞膜或者菌体表面的脂肪结构相连。38kDa的反应性：交叉免疫电泳技术（crossedimmunoeleltrephoresis,CIE）证实结核菌和卡介苗均产生38kDa蛋白，但前者的浓度显著较后者高。分枝杆菌中只在结核菌和牛分枝杆菌（Mboris）发现38kDa蛋白，而且结核菌的反应强度较牛分枝杆菌强10倍。抗-BCG多价抗体也能与38kDa蛋白反应，但BCG表达38-kDa蛋白的量很低。结核分枝杆菌38kd抗原特异性100%，与正常健康人、MOTT感染和麻风分枝杆菌感染无交叉。TB蛋白芯片点阵排布识别色点质控点LAM16KDa38KDaH2O1342441122331234大渊结核芯片系统与DIGFA试剂（上海奥普）检测的总符合率•两法检测结核病人和对照组共1285份标本，均阳性326例，均阴性769例，相符总数为1095例。总符合率为85.21%。武汉钢铁公司总医院、哈尔滨市胸科医院检验科、海南省农垦总局医院、江苏省人民医院检验中心（组长单位）检测抗结核分支杆菌LAM、16和38kD抗原的抗体意义：·鉴别痰涂片阳性者是否属于结核杆菌感染。·提高痰涂片阴性患者的检出率。·肺外结核的检测。·痰涂阴性者的早期诊断。·可作为判断对治疗是否有效的指标。大淵心肌梗塞AMI檢測芯片•肌紅蛋白（Myoglobin）是早期診斷最重要的指標1-2小時值升高4-8小時達到高峰20-36小時回到正常•肌酸激酶同工酶（CK-MB）是診斷AMI最信賴的心肌酶3-8小時值升高8-24小時達到高峰3天回到正常•肌鈣蛋白I（TroponinI）是診斷心肌損傷最主要的指標4-8小時值升高12-16小時達到高峰5-10天回到正常•高敏C反應蛋白（hs-CRP）4-8小時值升高12-16小時達到高峰5-10天回到正常大渊蛋白芯片(AMI)对照检测江苏省人民医院临床检验中心上海瑞金医院检验科湖北省人民医院检验科项目对照试剂和仪器例数一致性相关系数rc分析CK-MB罗氏ECL20105240.852MBBayer公司ACS180plus5240.915cTnIBayer公司ACS180plus5240.915hs-CRP贝克曼Immage5240.89大渊STD芯片检测系统•本晶片含有UU第一群（含1，3，6，14等四個血清型）和第二群（含2，4，5，7，8，9，10，11，12，13等十個血清型）多種抗原，對兩群十四個血清型都能檢出。•本晶片含有CT的沙眼生物变种（D~K型）和性病淋巴肉芽肿（LGV）生物变种可检出UU/CT感染的85％以上。泌尿道感染中UU/CT感染占1/3。大渊STD芯片对比检测结果1.江苏省人民医院（组长医院），2.安徽医学院附属医院，3.南京皮肤病研究所，4.武汉市华中科技大学同济医学院附属协和医院皮肤科项目试剂例数敏感性(%)特异性(%)CT英国立明95588.180.7UU法国梅里埃95586.181.2大渊TORCH生物芯片大渊TORCH芯片（IgM和IgG）：检测：弓形体、风疹病毒、巨细胞病毒、单纯疱疹病毒（Ⅰ、Ⅱ）的抗体用于优生优育，孕前和孕早期检