張成虎

（蘭州市畜牧獸醫(yī)研究所，甘肅蘭州 730050）

1 基本概念

生物芯片技術是隨著“人類基因組計劃”的進展而發(fā)展起來的，它主要是指通過微加工和微電子技術等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，構建微型生物化學分析系統(tǒng)，組成密集二維分子排列，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機（CCD）對雜交信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量，完成對生命機體生物組分準確、快速、大信息量的檢測。由于常用玻片/硅片作為固相支持物，且在制備過程模擬計算機芯片的制備技術，所以稱之為生物芯片技術。是融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，具有重大的基礎研究價值和廣闊的生產技術應用前景。生物芯片技術包括基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片、組織芯片、以及元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片。

2 生物芯片研究、開發(fā)的現狀和前景

美國于1996年最早在全球成功地制作出世界上首批用于藥物篩選和實驗室試驗用的生物芯片，并制作出芯片系統(tǒng)，隨后其他各國在芯片研究方面也快速跟進，并取得了很多新的突破。一些跨國公司如摩托羅拉、惠普、IBM等也相繼投以巨資開展芯片研究。1998年12月美國宣布成立基因分析協(xié)會，旨在制定一個統(tǒng)一的技術平臺，并生產相應的技術設備，以推動生物芯片技術的應用。至今美國已經關于芯片技術召開了多次的全球性會議，前總統(tǒng)克林頓親自出席會議，并在會上高度贊賞和肯定了生物芯片技術，將基因芯片看作是保證一生健康的指南針?？梢哉f在21世紀，生物芯片對人類的影響將可能超過微電子芯片。全球目前生物芯片工業(yè)產值為10億美元左右，預計2010年，全球生物芯片的市場銷售可達到400億美元以上。

我國在生物芯片研究與世界基本同步，1997年在香山就召開了全國生物芯片戰(zhàn)略會議，就我國的生物芯片發(fā)展提出了意見，國家也給予了高度重視，科技界和商業(yè)界幾乎同時意識到生物芯片技術的重大戰(zhàn)略意義和蘊藏的無限商機，開展了生物芯片技術研發(fā)；1998年，中科院將基因芯片列為“九五”特別支持項目；2000年，國內從事生物芯片技術研究的多家單位進行強強聯(lián)合，成立了國家生物芯片技術中心；中國工程院2000年舉辦了首次“生物芯片技術”工程科技論壇。如今國內已有多家科研單位開始從事這方面的研究。例如，清華大學、中國科學院、軍事醫(yī)學科學院等單位在國內率先開展了生物芯片技術研究，建立了生物芯片技術體系，并已在生物芯片技術和產品開發(fā)方面取得了較大突破，也產生了博奧等一批從事生物芯片研發(fā)、生產、銷售的產業(yè)公司，形成了自己的市場。目前國內外已開發(fā)出的產品有：單核苷多態(tài)性（SNP）檢測芯片和突變檢測芯片、比較基因組雜交芯片、DNA甲基化檢測芯片、信使RNA（mRNA）和小RNA（miRNA）表達譜芯片等，并在重大疾病發(fā)病機理、藥物開發(fā)、生長發(fā)育、農業(yè)育種、干細胞研究等領域獲得廣泛應用。

3 動物疫病及畜產品安全檢測中的應用

生物芯片技術已經被廣泛用于農、林、畜、牧、魚等農業(yè)研究和農產品檢測。在動物疫病監(jiān)測和畜產品安全檢測當中應用尤其突出。

3.1 獸藥殘留的檢測芯片

近20年來，獸藥在畜牧業(yè)中不恰當使用導致動物體內藥物的滯留或蓄積，并殘留進入人體及生態(tài)系統(tǒng)。它對人體及環(huán)境的危害主要是慢性、遠期和累積性的，如致癌、對人生長發(fā)育產生影響、破壞人們正常的免疫系統(tǒng)、使人體內的病原微生物產生耐藥性等，已經成為動物性食品的重要危害、不安全因素，成為國家整治農產品質量安全的重要環(huán)節(jié)，被列為肉食品的重點監(jiān)測項目。目前常規(guī)的獸藥殘留檢測方法主要是一些理化分析儀器法。這些方法存在儀器昂貴、操作煩瑣、試劑消耗量大等問題；而生物學技術如微生物學檢測方法，雖然成本低、操作簡便、具有一定的靈敏度，在大批樣品同時分析中具有一定優(yōu)勢，但此方法分析速度慢、專一性差，并且只能測定有生物活性的殘留物；而酶聯(lián)免疫法目前大多采用進口試劑盒，價格較貴，且僅能對單一獸藥進行檢測。

2006年在國家863計劃的支持下，我國已在國際上率先研制出了用于檢測出殘留獸藥的生物芯片系統(tǒng)。是一套把樣品制備、生化反應和結果檢測三步集成在一起的檢測系統(tǒng)，具有處理簡單，靈敏度高，特異性好，檢測速度快（比現行的檢測手段縮短數十倍），檢測通量高，質控體系嚴密等優(yōu)點；此芯片系統(tǒng)可對磺胺二甲基嘧啶、鏈霉素、恩諾沙星和克倫特羅進行檢測，檢測對象包括了雞肉、雞肝、豬肉、豬肝、豬尿和牛奶等。其它可實現的檢測獸藥品種正進一步增加之中，是目前畜產品獸藥殘留檢測的一個高效便捷的平臺，具有極高的推廣價值。

3.2 食源性微生物檢測芯片

由微生物引起的食源性疾病是食品安全的主要問題。近年來，國內外食源性疾病事件頻頻發(fā)生，如葡萄球菌中毒事件、沙門氏菌、弧菌病、腸出血型大腸桿菌（引起腸出血）、利斯特菌引起的食源性傳染病、霍亂弧菌引起的霍亂等。對食源性疾病的預防與控制已引起了世界各國關注。食源性病原微生物的檢測技術是食源性疾病的預防與控制的關鍵技術環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)和生理生化檢驗法的最大弱點是耗時較長，對保藏期較短的食品在產品衛(wèi)生狀況方面的評估作用不大，無法保證食品的安全食用。目前國內食源性病原微生物檢測技術主要有分子生物技術，免疫學技術，代謝技術，蛋白質指紋圖譜技術，微生物自動檢測儀，生物傳感器等。食源性微生物檢測芯片屬于分子生物技術領域。

其檢測技術主要是通過結合微陣列技術、PCR擴增和生物信息學，同時并行檢測樣品中葡萄球菌、沙門氏菌、弧菌病、腸出血型大腸桿菌（引起腸出血）、利斯特菌、霍亂弧菌等致病菌，具有靈敏度高、檢測時間短（全部檢測過程只需18小時）等特點。

3.3 動物疫病病原體檢測生物芯片

動物疫病是養(yǎng)殖業(yè)的頭號大敵。近年來，畜禽疾病的發(fā)展出現了許多新情況、新特點，一些新的疫病或病型相繼出觀，多病原感染日趨復雜，一些疫病出現非典型化，細菌性疫病耐藥性和交叉耐藥性現象普遍而且較為嚴重，一些人畜共患傳染病的發(fā)生有所加劇等。動物疫情監(jiān)測和動物疫病診斷作為動物疫病防控的兩大手段，監(jiān)測、診斷技術應用十分關鍵。目前常用的仍然是病原學、血清學、分子生物學等技術，生物芯片作為分子生物學的技術之一，近年來得到了高度重視和研究、應用，北京、山東、廣州、四川等地已經開發(fā)應用了多種動物疫病檢測、診斷組織芯片，在診斷豬、犬、馬、禽病等各種病毒性疫病中有了實質性的突破。生物芯片技術利用病原抗原進行定性、定位、定量測定，組合組織學、免疫學、免疫組織化學等分子生物學技術，達到快速、特異性診斷的目的，具有操作性強、實用性、準確性高、時間短、成本低等諸多優(yōu)點。