基因芯片技术及其研究现状和应用前景
陈华友，崔振玲（上海200062华东师范大学生物系分子生物学实验室）
摘要：基因芯片技术是90年代中期以来快速发展起来的分子生物学高新技术，是各学科交叉综合的崭新科学。其原理是采用光导原位合成或显微印刷等方法，将大量DNA探针片段有序地固化予支持物的表面，然后与已标记的生物样品中DNA分子杂交，再对杂交信号进行检测分析，就可得出该样品的遗传信息。基因芯片技术目前国内外都取得了较大的进展，该技术可用于DNA测序，基因表达及基因组图的研究，基因诊断，新基因的发现，药物筛选，给药个性化等等，所以为二十一世纪生物医药铺平道路，将为整个人类社会带来深刻广泛的变革，促进人类早日进入生物信息时代。
关键词：基因芯片；微阵列；基因诊断；药物筛选
生物芯片技术是随着"人类基因组计划"（human genome project, HGP）的进展而发展起来的，它是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，它融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。生物芯片技术包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片、以及元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片（1）。本文主要讨论基因芯片技术，它为"后基因组计划"时期基因功能的研究提供了强有力的工具，将会使基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破，该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。
1 基本概念
基因芯片（gene chip）也叫DNA芯片、DNA微阵列（DNA microarray）、寡核苷酸阵列（oligonucleotide array），是指采用原位合成（in situ synthesis）或显微打印手段，将数以万计的DNA探针固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号来实现对生物样品快速、并行、高效地检测或医学诊断，由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程运用了计算机芯片的制备技术，所以称之为基因芯片技术。
2 技术基本过程
2．1 DNA方阵的构建
选择硅片、玻璃片、瓷片或聚丙烯膜、尼龙膜等支持物，并作相应处理，然后采用光导化学合成和照相平板印刷技术可在硅片等表面合成寡核苷酸探针;（2）或者通过液相化学合成寡核苷酸链探针，或PCR技术扩增基因序列，再纯化、定量分析，由阵列复制器（arraying and replicating device ARD），或阵列机（arrayer）及电脑控制的机器人，准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的尼龙膜或硅片等相应位置上，再由紫外线交联固定后即得到DNA微阵列或芯片（3）。
2．2 样品DNA或mRNA的准备。
从血液或活组织中获取的DNA/mRNA样品在标记成为探针以前必须进行扩增提高阅读灵敏度。Mosaic Technologies公司发展了一种固相PCR系统，好于传统PCR技术，他们在靶DNA上设计一对双向引物，将其排列在丙烯酰胺薄膜上，这种方法无交叉污染且省去液相处理的繁锁；Lynx Therapeutics公司提出另一个革新的方法，即大规模平行固相克隆（massively parallel solid-phase cloning）这个方法可以对一个样品中数以万计的DNA片段同时进行克隆，且不必分离和单独处理每个克隆，使样品扩增更为有效快速（4）。
在PCR扩增过程中，必须同时进行样品标记，标记方法有荧光标记法、生物素标记法、同位素标记法等。
2．3 分子杂交
样品DNA与探针DNA互补杂交要根据探针的类型和长度以及芯片的应用来选择、优化杂交条件。如用于基因表达监测，杂交的严格性较低、低温、时间长、盐浓度高；若用于突变检测，则杂交条件相反（5）。芯片分子杂交的特点是探针固化，样品荧光标记，一次可以对大量生物样品进行检测分析，杂交过程只要30min。美国Nangon公司采用控制电场的方式，使分子杂交速度缩到1min，甚至几秒钟（6）。德国癌症研究院的Jorg Hoheisel等认为以肽核酸（PNA）为探针效果更好。
2．4 杂交图谱的检测和分析
用激光激发芯片上的样品发射荧光，严格配对的杂交分子，其热力学稳定性较高，荧光强；不完全杂交的双键分子热力学稳定性低，荧光信号弱（不到前者的1/35~1/5）（2），不杂交的无荧光。不同位点信号被激光共焦显微镜，或落射荧光显微镜等检测到，由计算机软件处理分析，得到有关基因图谱。目前，如质谱法、化学发光法、光导纤维法等更灵敏`、快速，有取代荧光法的趋势。
3 应用
3．1 测序
基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。Mark chee等用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%（7）。Hacia等用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之间，提示了二者在进化上的高度相似性（8）。
3．2 基因表达水平的检测。
用基因芯片进行的表达水平检测可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。Schena等采用拟南芥基因组内共45个基因的cDNA微阵列（其中14个为完全序列，31个为EST），检测该植物的根、叶组织内这些基因的表达水平，用不同颜色的荧光素标记逆转录产物后分别与该微阵列杂交，经激光共聚焦显微扫描，发现该植物根和叶组织中存在26个基因的表达差异，而参与叶绿素合成的CAB1基因在叶组织较根组织表达高500倍。（9）Schena等用人外周血淋巴细胞的cDNA文库构建一个代表1046个基因的cDNA微阵列，来检测体外培养的T细胞对热休克反应后不同基因表达的差异，发现有5个基因在处理后存在非常明显的高表达，11个基因中度表达增加和6个基因表达明显抑制。该结果还用荧光素交换标记对照和处理组及RNA印迹方法证实（10）。在HGP完成之后，用于检测在不同生理、病理条件下的人类所有基因表达变化的基因组芯片为期不远了（11）。
3．3 基因诊断
从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。例如，Affymetrix公司，把P53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成P53基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥作用。又如，Heller等构建了96个基因的cDNA微阵，用于检测分析风湿性关节炎（RA）相关的基因，以探讨DNA芯片在感染性疾病诊断方面的应用（12）。现在，肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性检测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步开始进入市场。基因诊断是基因芯片中最具有商业化价值的应用。
3．4 药物筛选
如何分离和鉴定药的有效成份是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选、通用性强，能够从基因水平解释药物的作用机理，即可以利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。如果再用m RNA 构建c DNA表达文库,然后用得到的肽库制作肽芯片,则可以从众多的药物成分中筛选到起作用的部分物质。或者,利用RNA、单链DNA有很大的柔性，能形成复杂的空间结构，更有利与靶分子相结合，可将核酸库中的RNA或单链DNA固定在芯片上，然后与靶蛋白孵育，形成蛋白质-RNA或蛋白质-DNA复合物，可以筛选特异的药物蛋白或核酸，因此芯片技术和RNA库的结合在药物筛选中将得到广泛应用。在寻找HIV药物中，Jellis等用组合化学合成及DNA芯片技术筛选了654536种硫代磷酸八聚核苷酸，并从中确定了具有XXG4XX样结构的抑制物，实验表明，这种筛选物对HIV感染细胞有明显阻断作用。（13）生物芯片技术使得药物筛选，靶基因鉴别和新药测试的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片药物筛选技术工作目前刚刚起步，美国很多制药公司已开始前期工作，即正在建立表达谱数据库，从而为药物筛选提供各种靶基因及分析手段。这一技术具有很大的潜在应用价值。
3．5 给药个性化
临床上，同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。在药物疗效与副作用方面，病人的反应差异很大。这主要是由于病人遗传学上存在差异，如药物应答基因，导致对药物产生不同的反应。例如细胞色素P450酶与大约25%广泛使用的药物的代谢有关，如果病人该酶的基因发生突变就会对降压药异喹胍产生明显的副作用，大约5%~10%的高加索人缺乏该酶基因的活性。现已弄清楚这类基因存在广泛变异，这些变异除对药物产生不同反应外，还与易犯各种疾病如肿瘤、自身免疫病和帕金森病有关。如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开处方，就可对病人实施个体优化治疗。另一方面，在治疗中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。例如乙肝有较多亚型，HBV基因的多个位点如S,P及C基因区易发生变异。若用乙肝病毒基因多态性检测芯片每隔一段时间就检测一次，这对指导用药防止乙肝病毒耐药性很有意义。又如，现用于治疗AIDS的药物主要是病毒逆转录酶RT和蛋白酶PRO的抑制剂，但在用药3-12月后常出现耐药，其原因是rt、pro基因产生一个或多个点突变。Rt基因四个常见突变位点是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu,四个位点均突变较单一位点突变后对药物的耐受能力成百倍增加（14）。如将这些基因突变部位的全部序列构建为DNA芯片，则可快速地检测病人是这一个或那一个或多个基因发生突变，从而可对症下药，所以对指导治疗和预后有很大的意义。
此外，基因芯片在新基因发现、药物基因组图、中药物种鉴定、DNA计算机研究等方面都有巨大应用价值。
4 基因芯片国内外现状和前景
自从1996年美国Affymetrix公司成功地制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片，并制作出芯片系统（15），此后世界各国在芯片研究方面快速前进，不断有新的突破。美国的Hyseq公司、Syntexi公司、Nanogen公司、Incyte公司及日本、欧洲各国都积极开展DNA芯片研究工作；摩托罗拉、惠普、IBM等跨国公司也相继投以巨资开展芯片研究。98年12月Affymefrix公司和Molecular Dynamics公司宣布成立基因分析协会（Genetic Analysis Technology Consortium）以制定一个统一的技术平台生产更有效而价谦的设备，与此相呼应，英国的Amershcem Pharmacia Biotechnology公司也在同一天宣布将提供部分掌握的技术以推动这项技术的应用（16）。美国关于芯片技术召开了两次会议，克林顿总统在会上高度赞赏和肯定该技术，将基因芯片看作是保证一生健康的指南针（17）。预计在今后五年内生物芯片销售可达200-300亿美元；据《财富》杂志预测（97.3），在21世纪，生物芯片对人类的影响将可能超过微电子芯片。
我国在生物芯片研究方面刚刚起步，以97香山会议以来，我国对生物芯片高度重视，98年10月，中科院将基因芯片列为"九五"特别支持项目，利用中科院在微电子技术、生化技术、物理检测技术方面的优势，组织跨所、跨学科合作。现在以中科院上海冶金所为龙头，与上海原子核所、有机所、生化所、遗传所、肿瘤所、武汉病毒所、上海医科大学、上海市疾病检测中心、华东师大等单位组成强强联合，在微阵列芯片和基于MEBS的芯片方面有大的突破，在DNA芯片设计、基片修饰、探针固定、样品标记、杂交和检测等方面的技术都有较大的进展，已研制出肝癌基因差异表达芯片、乙肝病毒多态性检测芯片、多种恶性肿瘤病毒基因芯片等有一定实用意义的基因芯片和DNA芯片检测仪样机。中科院上海冶金所等又将在徐元森院士、赵建龙博士等带领下，决心开发重大传染性疾病的诊断芯片及检测设备，如HBV、HCV、TB三种基因诊断芯片。上海细胞所正在进行人类全套基因组的cDNA阵列和微阵列制备，为我国科研和开发提供一个技术平台，并使之产业化。同时，清华、复旦、东南大学、北京军事医学科学院、华东理工大学、第一军医大学等单位都在积极进行芯片研究。2000年国际生物芯片技术大会于10月11-14在北京召开，这又是对我国生物芯片技术有很大的促进作用。
总之，我国基因芯片研究也紧跟国际前沿，力争在此高新技术领域里有一席之地，它将对我国生命科学研究，医学诊断，新药筛选具有革命性的推动作用，也将对我国人口素质、农业发展、环境保护等作出具大的贡献，同时带动我国科学整体进步，为各相关高科技产业创造机会。基因芯片将成为21世纪最令人注目的高新技术领域之一，将使人类早日进入生物信息时代。
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基因芯片技术进展及应用
发布时间： 2003-1-10 作者：刘炎
[关键词] 基因芯片；核酸探针序列；杂交
1 基因芯片概述
随着人类基因组计划( Human Genome Project)即全部核苷酸测序的即将完成
，人类基因组研究的重心逐渐进入后基因组时代（ Postgenome Era）向基因的功
能及基因的多样性倾斜［1，2］。通过对个体在不同生长发育阶段或不同生理状态
下大量基因表达的平行分析，研究相应基因在生物体内的功能，阐明不同层次多基
因协同作用的机理，进而在人类重大疾病如癌症、心血管疾病的发病机理、诊断治
疗、药物开发等方面的研究发挥巨大的作用。它将大大推动人类结构基因组及功能
基因组的各项基因组研究计划。
基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法（southern 、northern）是
一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，通过随后的
信号检测进行定性与定量分析，基因芯片在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片等
）表面集成了大量的分子识别探针，能够在同一时间内平行分析大量的基因，进行
大信息量的筛选与检测分析［3，4］。基因芯片主要技术流程包括：芯片的设计与
制备；靶基因的标记；芯片杂交与杂交信号检测。
基因芯片的设计实际上是指芯片上核酸探针序列的选择以及排布，设计方法取
决于其应用目的，目前的应用范围主要包括基因表达和转录图谱分析及靶序列中单
碱基多态位点（single nucleotide polymorphism，SNP）或突变点的检测，表达
型芯片的目的是在杂交实验中对多个不同状态样品(不同组织或不同发育阶段、不
同药物刺激)中数千基因的表达差异进行定量检测，探针序列一般来自于已知基因
的cDNA 或EST库，设计时序列的特异性应放在首要位置，以保证与待测目的基因的
特异结合，对于同一目的基因可设计多个序列不相重复的探针，使最终的数据更为
可靠。基因单碱基多态检测的芯片一般采用等长移位设计法［5］，即按靶序列从
头到尾依次取一定长度的互补的核苷酸序列形成一探针组合，这组探针是与靶序列
完全匹配的野生型探针，然后对于每一野生型探针，将其中间位置的某一碱基分别
用其它三种碱基替换，形成三种不同的单碱基变化的核苷酸探针，这种设计可以对
某一段核酸序列所有可能的SNPs位点进行扫描。
芯片制备方法主要包括两种类型：(1)点样法：首先是探针库的制备, 根据基
因芯片的分析目标从相关的基因数据库中选取特异的序列进行PCR扩增或直接人工
合成寡核苷酸序列［6］，然后通过计算机控制的三坐标工作平台用特殊的针头和
微喷头分别把不同的探针溶液逐点分配在玻璃、尼龙以及其它固相基片表面的不同
位点上，通过物理和化学的方法使之固定，该方法各技术环节均较成熟，且灵活性
大，适合于研究单位根据需要自行制备点阵规模适中的基因芯片。(2)原位合成法
［7～10］：该法是在玻璃等硬质表面上直接合成寡核苷酸探针阵列，目前应用的
主要有光去保护并行合成法，压电打印合成法等，其关键是高空间分辨率的模板定
位技术和高合成产率的DNA化学合成技术，适合制作大规模DNA探针芯片，实现高密
度芯片的标准化和规模化生产。
待分析样品的制备是基因芯片实验流程的一个重要环节, 靶基因在与芯片探针
结合杂交之前必需进行分离、扩增及标记。标记方法根据样品来源、芯片类型和研
究目的的不同而有所差异。通常是在待测样品的PCR扩增、逆转录或体外转录过程
中实现对靶基因的标记。对于检测细胞内mRNA表达水平的芯片，一般需要从细胞和
组织中提取RNA，进行逆转录，并加入偶联有标记物的dNTP，从而完成对靶基因的
标记过程［11］，对于阵列密度较小的芯片可以用同位素，所需仪器均为实验室常
规使用设备，易于开展相关工作，但是在信号检测时，一些杂交信号强的点阵容易
产生光晕，干扰周围信号的分析。高密度芯片的分析一般采用荧光素标记靶基因，
通过适当内参的设置及对荧光信号强度的标化可对细胞内mRNA的表达进行定量检测
。近年来运用的多色荧光标记技术可更直观地比较不同来源样品的基因表达差异，
即把不同来源的靶基因用不同激发波长的荧光素标记，并使它们同时与基因芯片杂
交，通过比较芯片上不同波长荧光的分布图获得不同样品间差异表达基因的图谱［
12，13］，常用的双色荧光试剂有Cy3- dNTP和Cy5- dNTP。对多态性和突变检测型
基因芯片采用多色荧光技术可以大大提高芯片的准确性和检测范围，例如用不同的
荧光素分别标记靶序列及单碱基失配的参考序列，使它们同时与芯片杂交，通过不
同荧光强弱的比较得出靶序列中碱基失配的信息［14］。
基因芯片与靶基因的杂交过程与一般的分子杂交过程基本相同，杂交反应的条
件要根据探针的长度、GC碱基含量及芯片的类型来优化，如用于基因表达检测，杂
交的严格性较低，而用于突变检测的芯片的杂交温度高，杂交时间短，条件相对严
格。如果是用同位素标记靶基因，其后的信号检测即是放射自显影，若用荧光标记
，则需要一套荧光扫描及分析系统，对相应探针阵列上的荧光强度进行分析比较，
从而得到待测样品的相应信息。由于基因芯片获取的信息量大，对于基因芯片杂交
数据的分析、处理、查询、比较等需要一个标准的数据格式，目前，一个大型的基
因芯片的数据库正在构建中，将各实验室获得的基因芯片的结果集中起来，以利于
数据的交流及结果的评估与分析。
2 基因芯片的应用
基因表达图谱的绘制是目前基因芯片应用最广泛的领域，也是人类基因组工程
的重要组成部分，它提供了从整体上分析细胞表达状况的信息，而且为了解与某些
特殊生命现象相关的基因表达提供了有力的工具，对于基因调控以及基因相互作用
机理的探讨有重要作用［15～19］。人类基因组编码大约100000个不同的基因，因
此，具有监测大量mRNA的实验工具很重要。基因芯片技术可清楚地直接快速地检测
出以1∶300000水平出现的mRNA，且易于同时监测成千上万的基因［16］。目前，
已能够在1.6cm2面积上合成和阅读含400000个探针的阵列，可监测10000个基因的
表达状况。斯坦福大学的Brown用制备的酵母cDNA芯片，获得酵母在不同细胞周期
状态以及在热休克冷休克处理后其2473个基因的表达图谱［19］，较直观地反应了
不同条件和状态下基因转录调控水平，从而为寻找基因调控的机理提供了一条有效
的途径。
定量监测大量基因表达水平在阐述基因功能、探索疾病原因及机理、发现可能
的诊断及治疗的靶基因等方面具有重要价值的。Derisi等选用来自恶性肿瘤细胞系
UACC903中的1161个cDNA克隆制成芯片，通过比较正常和肿瘤细胞的表达差异，发
现在恶性肿瘤细胞中P21基因处于失活或关闭状态，但在逆转的细胞系中呈高表达
［17］。Golub等应用cDNA 芯片检测基因表达的差异进行癌症的分类，成功地区分
出急性髓细胞性白血病（AML）和急性淋巴细胞性白血病（ALL），预期这种方法还
能诊断出新的白血病种类［20］。在炎症性疾病类风湿性关节炎(RA)和炎症性肠病
(IBD)的基因表达研究中，可检测出炎症疾病诱导的基因如TNF-α、IL或粒细胞集
落刺激因子，同时发现一些以前未发现的基因如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子
［11，21］。目前，大量涌现的人类ESTs给cDNA微阵列提供了丰富的序列资源，数
据库中ESTs代表了人类基因，因此ESTs微阵列可在缺乏其它序列信息的条件下用于
基因发现和基因表达检测，从而加快人类基因组功能分析的进程。
基因芯片的另一重要应用是基因多态位点及基因突变的检测，现有大量实例说
明，基因组多样性的研究对阐明不同人群和个体在疾病的易感性和抵抗性方面表现
出的差异具有重要意义，一旦对基因组的编码序列进行系统筛查，就有可能找出与
疾病易感性有关的大量基因变异［2］。基因芯片技术可大规模地检测和分析DNA的
变异及多态性。Wang等应用高密度基因芯片对2.3Mb人类基因的SNP 进行筛查，确
定了3241个SNPs位点，显示出大规模鉴定人类基因型的可能［22］。Lipshutz等人
采用含18,495个寡核苷酸探针的微阵列，对HIV-1基因组反转录酶基因(rt)及蛋白
酶基因(pro)的高度多态性进行了筛选，这些变异将导致病毒对多种抗病毒药物包
括AZT、ddI、ddC等表现出抗性，因此rt与pro的变异与多态性的检测具有重要的临
床意义［23］。随着大量疾病相关基因的发现，变异与多态性分析将在疾病的诊断
与治疗方面体现出越来越重要的价值。Affymetrix公司已将P53 基因的全长序列和
已知突变的序列制成探针集成在芯片上，可对与P53 基因突变相关的癌症进行早期
诊断。Hacia等采用含96600个20聚寡核苷酸高密度阵列对遗传性乳腺和卵巢癌BRC
A1基因3.45kb的第11个外显子进行杂合变异筛选［12］，结果准确诊断出15个已知
变异的患者样品中的14个，而在20个对照样品中未发现1例假阳性，表明DNA芯片技
术在某些疾病相关基因可能的杂合变异的检测方面所具有的灵敏度与特异性是令人
满意的。
芯片技术中杂交测序技术（sequencing by hybridization,SBH）是一种新的
高效快速测序方法，也是基因芯片的另一重要应用［24］，其原理与芯片检测多态
位点相类似，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行序列测定，用荧光标记的
待测序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补配对时，通过确定荧光强度最
强的探针位置，获得一组序列互补的探针序列，据此可重组出靶核酸的序列。用含
65536个8聚寡核苷酸的微阵列，采用SBH技术，可测定200bp长DNA序列，采用6710
8864个13聚寡核苷酸的微阵列，可对数千个碱基长的DNA测序。
3 结束语
基因芯片技术的出现不过短短几年时间，其发展势头十分迅猛，在生命科学的
各个领域得到广泛地应用，但其存在的缺陷也是相当明显的。首先是成本的问题，
由于芯片制作的工艺复杂，信号检测也需专门的仪器设备，一般实验室难以承担其
高昂的费用，其次在芯片实验技术上还有多个环节尚待提高，如在探针合成方面，
如何进一步提高合成效率及芯片的集成程度是研究的焦点。而样品制备的简单化与
标准化则芯片应用进一步普及的前提。虽然芯片技术还存在这样或那样的问题，但
其在基因表达谱分析、基因诊断、药物筛选及序列分析等诸多领域已呈现出广阔的
应用前景，随着研究的不断深入和技术的更加完善基因芯片一定会在生命科学研究
领域发挥越来越重要的作用。
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“微处理器在本世纪使我们的经济结构发生了根本改变，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大，它可能从根本上改变医学行为和我们的生活质量，从而改变世界的面貌 ”。
一、生物芯片与基因芯片
生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。生物芯片技术与传统的仪器检测方法相比具有高通量、微型化、自动化、成本低、防污染等特点。按照生物芯片的制作技术，可以将生物芯片划分为微矩阵和原位合成芯片。鉴于生物芯片技术领域的飞速发展，美国科学促进会将生物芯片评为1998年的十大科技突破之一，认为生物芯片技术将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。
目前,最成功的生物芯片形式是以基因序列为分析对象的“微阵列(microarray)”,也被称为基因芯片(Gene chip)DNA芯片(DNA chip)。按照载体上点的DNA种类的不同，基因芯片可分为寡核苷酸和cDNA两种芯片。按照基因芯片的用途可分为表达谱芯片、诊断芯片、指纹图谱芯片、测序芯片、毒理芯片等等。早在八十年代初期,Bains等人就用杂交的方法对固定在支持物上的短DNA片段进行序列测定。基因芯片技术从实验阶段走向工业化是得益于其他技术的引入，如激光共聚焦显微技术、探针固相原位合成技术与照相平板印刷技术的结合和双色荧光探针杂交系统的建立。90年代初期人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）和分子生物学相关学科的发展也为基因芯片技术的出现和发展提供了有利条件。1992年，Affymatrix公司Fodor领导的小组运用半导体照相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报道，这是世界上第一块基因芯片。1995年，Stanford大学的P.Brown实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。标志着基因芯片技术进入了广泛研究和应用的时期。
二、制备基因芯片的必要条件
1、靶基因 用于芯片点样的是靶基因。靶基因可分为染色体DNA（或基因组DNA）、cDNA（或人工合成DNA）。目前，以cDNA的研究为主，因为cDNA是染色体上编码蛋白质的DNA序列，有医疗和其他领域的研究价值和商业价值。
2、制备技术 基因芯片的制备综合了生命科学、化学染料、微电子技术、激光、统计学等领域的前沿技术，主要包括芯片的制备（选择点样仪和玻片、靶基因的扩增和固定）、杂交探针的制备（mRNA的抽提、mRNA的逆转录、PCR和探针荧光标记）、杂交条件的优化技术（杂交液、杂交条件和洗涤条件的选择）和数据分析技术。其中，基因芯片的制备主要依赖于微细加工（microfabrication）、自动化（automatism）及化学合成技术。通常比较典型的DNA芯片制备方法有3种：（1）原位合成法（in situ synthesis） 以Affymetrix公司开发的光引导原位合成法为代表（2）合成点样法 又根据是否与芯片的表面接触分为化学喷射法和接触式点涂法，分别以Incyte Pharmaceutical公司和Stanford大学为代表（3）压电法 通过使用4支分别装有A、T、G、C核苷的压电喷头在芯片上作原位DNA探针合成。
三、基因芯片技术简介
基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测和结果分析。
1、芯片制备-目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。以便能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置。
2、样品制备-生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性。
3、杂交反应-杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率。
4、信号检测和结果分析-杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。 基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的整个分析过程集成化以获得微型全分析系统（micro total analytical system）或称缩微芯片实验室（laboratory on a chip）。使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。
四、基因芯片的应用及其商业价值
目前，基因芯片技术应用领域主要有基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断和预测、药物筛选、基因测序等。另外基因芯片在农业、食品监督、环境保护、司法鉴定等方面都将作出重大贡献。 基因芯片的飞速发展引起世界各国的广泛关注和重视。
鉴于基因芯片的巨大潜力和诱人的前景，基因芯片已成为各国学术界和工业界研究和开发的热点。尤其在美国，正处于人类基因组计划以来的第二次浪潮之中，美国总统克林顿在1998年1月的国情咨文中指出：“在未来的12年内，基因芯片将为我们一生的疾病预防指点迷津”。1998年6月29日美国宣布正式启动基因芯片计划，联合私人投资机构投入了20亿美元以上的研究经费。世界各国也开始加大投入，以基因芯片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国已有8家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上涨75％，专家今统计：全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右，预计今后5年之内，生物芯片的市场销售可达到200亿美元以上。美国财富杂志载文：在20世纪科技史上有两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，基因芯片研究在国内也有了很快的发展，例如，复旦大学、中科院上海冶金所、清华大学、联合基因有限公司、军事医学科学院、中科院上海细胞所等单位已在生物芯片技术方面取得了较大突破，相信不久将有我国生产的生物芯片产品投放市场。
总之，以基因芯片为代表的生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。
