生物芯片技术简介及应用课件.ppt

全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物芯片技术及应用前景 全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所一、生物芯片的原理与技术背景一、生物芯片的原理与技术背景二、生物芯片技术在临床中的应用二、生物芯片技术在临床中的应用三、生物芯片技术的优势三、生物芯片技术的优势四、生物芯片技术未来发展展望四、生物芯片技术未来发展展望全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所一、生物芯片的背景、技术原理一、生物芯片的背景、技术原理全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 生物芯片技术是当代生物技术的重大变革！生物芯片技术始于20世纪80年代后期 其概念源于计算机芯片 其成熟标志为全球掀起的 生物芯片产业化热潮！生物芯片（生物芯片（BiochipBiochip或或BioarrayBioarray）是指包被在固相）是指包被在固相载体上的高密度载体上的高密度DNADNA、抗原、抗体、细胞或组织的微、抗原、抗体、细胞或组织的微点阵点阵(microarray)(microarray)。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所20世纪，人类科学历程中有三大研究计划将永垂史册：人类历史上三大科学工程人类历史上三大科学工程:人类基因组计划 阿波罗登月计划 曼哈顿原子弹研制计划全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 人类基因组计划完成，随着疾病相关基因和功能蛋白不断发现，医学是最大的收益领域，大量的生物信息需要以整体、全面、定量、多学科、综合的模式来解决，医学界出现了以基因组组、蛋白质组组、抗原抗体谱谱为代表的新思维和体系。生命密码：分子解剖图生命密码：分子解剖图全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所系统生物学系统生物学:-整体大于整体大于(小于小于)部分之和部分之和!o系统生物学是研究生物系统各构成组分相互关相互关系系的、以整合性整合性为特征的大科学。其核心思想是“整体大于部分之和整体大于部分之和”。系统特性是不同组成成分、不同层次之间相互作用而“涌现涌现”的新性质，对组成成分或低层次的分析不能真正的预测高层次的行为。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所物质物质不灭能量能量守恒信息信息传递全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物信号传递生命活动：生命活动：以物质代谢为基础以物质代谢为基础 以能量代谢为动力以能量代谢为动力 以信息调控为机制以信息调控为机制全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所新世纪的医学是以生物信息为核心的系统医学新世纪的医学是以生物信息为核心的系统医学o基因的结构或种类决定物种基因的结构或种类决定物种,基因的功能或表达则决定生命，基因的功能或表达则决定生命，即生物的生、老、病、死。即生物的生、老、病、死。o基因是通过什么方式导致疾病的呢？基因是通过什么方式导致疾病的呢？基因是通过生物信息传递基因是通过生物信息传递“DNARNADNARNA蛋白质蛋白质”途径决定健康途径决定健康与疾病的。因此又可以说任何疾病都是与疾病的。因此又可以说任何疾病都是“信息病信息病”，都与生物，都与生物信号过强或过弱有关。信号过强或过弱有关。o从生物信息角度看传统医学是在下游信息即机体表型（症状、从生物信息角度看传统医学是在下游信息即机体表型（症状、病理、生理）上获得诊断信息的，而未来医学是从病理、生理）上获得诊断信息的，而未来医学是从DNADNA、RNARNA、蛋白质这些上游信息中获得诊断结果的，更具有确定性和预见蛋白质这些上游信息中获得诊断结果的，更具有确定性和预见性。性。未来的医学是以生物信息为核心的系统医学，未来的医学是以生物信息为核心的系统医学，DNADNA、RNARNA、蛋白质称为蛋白质称为生物信息大分子，生物信息大分子，其质和量的异常变化与疾病直接其质和量的异常变化与疾病直接相关，是一切疾病的根本原因。相关，是一切疾病的根本原因。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 由于由于原有的测定方法已不能满原有的测定方法已不能满足快速处理如此大量的疾病相关信足快速处理如此大量的疾病相关信息的需要，产生了生物芯片技术息的需要，产生了生物芯片技术,由于人们需要简便、快速、小型、由于人们需要简便、快速、小型、廉价的生物检测技术。廉价的生物检测技术。低密度基因、蛋白芯片的出现就是针对这种需求而低密度基因、蛋白芯片的出现就是针对这种需求而来的。来的。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物芯片研究生物芯片研究 学科的紧密交叉学科的紧密交叉 精精 密密 仪仪 器器 医医 学学 微微 电电 子子 学学 分子分子生物学生物学 生物信息学生物信息学 微微 流体力学流体力学 化化 学学 药药 物物 学学 物物 理理 学学 材材 料料 学学全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物芯片技术的应用领域生物芯片技术的应用领域药物合成药物合成太空探索太空探索生物生物芯片芯片疾病诊断疾病诊断疾病防治疾病防治食品卫生食品卫生药物筛选药物筛选司法鉴定司法鉴定国家安全国家安全农业产质农业产质环境检测环境检测全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所1998 年年 世世 界界 科科 技技 十十 大大 突突 破破美国美国科学科学杂志在杂志在 1998 1998 年年底将生物芯片评选为当年的世底将生物芯片评选为当年的世界科技十大突破之一。界科技十大突破之一。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所二、生物芯片技术在临床中的应用二、生物芯片技术在临床中的应用 全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物芯片诊断系统：生物芯片诊断系统：包括三大部分：包括三大部分：1 1、生物芯片、生物芯片 2 2、生物芯片阅读仪、生物芯片阅读仪 3 3、生物芯片在线、生物芯片在线(服务网站服务网站)全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物芯片的种类生物芯片的种类 生物芯片：生物芯片：是一种高度集成的平行化是一种高度集成的平行化 处理生处理生物信息的指甲盖大小的薄片。物信息的指甲盖大小的薄片。依据芯片上固定的依据芯片上固定的探针探针不同，生物芯片可分不同，生物芯片可分为为 三类。三类。n核酸芯片核酸芯片 n蛋白芯片或肽芯片蛋白芯片或肽芯片 n芯片上的实验室（组织、细胞）芯片上的实验室（组织、细胞）全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所蛋白芯片蛋白芯片 目前临床上首先开发的是目前临床上首先开发的是中低密度蛋白芯片。中低密度蛋白芯片。蛋白芯片严格的说仍属于血清学方法，但由于生物芯蛋白芯片严格的说仍属于血清学方法，但由于生物芯片技术本身具有的突出优点，使此技术呈现出广阔的片技术本身具有的突出优点，使此技术呈现出广阔的科学前景和良好的临床需求。科学前景和良好的临床需求。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所蛋白芯片临床应用实例蛋白芯片临床应用实例1 1、幽门螺旋杆菌幽门螺旋杆菌HPHP抗体谱检测芯片抗体谱检测芯片2 2、孕期感染孕期感染TORCHTORCH抗体检测芯片抗体检测芯片 3 3、性传播疾病免疫诊断芯片、性传播疾病免疫诊断芯片 4 4、免疫性不孕不育抗体检测芯片、免疫性不孕不育抗体检测芯片5 5、孕期唐氏综合征筛查芯片孕期唐氏综合征筛查芯片6 6、呼吸道六联检测生物芯片呼吸道六联检测生物芯片全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 呼吸道六联检测生物芯片呼吸道六联检测生物芯片o肺炎支原体（肺炎支原体（MP）IgMIgMo肺炎衣原体（肺炎衣原体（CP）IgMIgMo流行性感冒病毒（IFV）IgMo柯萨奇病毒（CBV）IgMo合胞病毒（RSV）IgMo腺病毒（ADV）IgM全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 心血管病感染因子抗体检测芯片心血管病感染因子抗体检测芯片 全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所心脑血管疾病相关微生物的抗体检测芯片心脑血管疾病相关微生物的抗体检测芯片 近近5050年的研究揭示了许多与心脑血管疾病相关的独立年的研究揭示了许多与心脑血管疾病相关的独立危险因子，如高血压、高胆固醇血症、吸烟、糖尿病、遗传、危险因子，如高血压、高胆固醇血症、吸烟、糖尿病、遗传、性别等但尚不能完全解释某些发病特征如许多血液胆固醇和性别等但尚不能完全解释某些发病特征如许多血液胆固醇和血压都正常的人因心血管疾病突发死亡，经研究认为与血压都正常的人因心血管疾病突发死亡，经研究认为与“炎炎症相关症相关”，近年来，近年来，“感染学说感染学说”受医学界的广泛关注，受医学界的广泛关注，WHOWHO以将感染因子的防治列为心血管疾病的一项常规性治疗措施。以将感染因子的防治列为心血管疾病的一项常规性治疗措施。已确定下列病原体可导致血管内皮细胞损伤，引起动脉壁增已确定下列病原体可导致血管内皮细胞损伤，引起动脉壁增殖反应，进一步导致硬化斑块的形成，发生心脑血管疾患。殖反应，进一步导致硬化斑块的形成，发生心脑血管疾患。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生殖道感染检测系列生殖道感染检测系列性传播疾病抗体检测芯片性传播疾病抗体检测芯片 生殖道感染是指肉眼看不见的各种病原体包括滴虫、生殖道感染是指肉眼看不见的各种病原体包括滴虫、真菌、细菌衣原体、支原体、病毒等感染与生殖道或经真菌、细菌衣原体、支原体、病毒等感染与生殖道或经生殖道感染的一组感染性疾病的总称。生殖道感染在全生殖道感染的一组感染性疾病的总称。生殖道感染在全球广泛流行，年世界卫生组织（球广泛流行，年世界卫生组织（WHOWHO）估计，全）估计，全球全年有亿可治愈的生殖道感染新发病患者，球全年有亿可治愈的生殖道感染新发病患者，只要集中在发展中国家只要集中在发展中国家 一般生殖道感染一般生殖道感染 生殖道感染生殖道感染 性传播疾病性传播疾病全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所免疫性不孕不育抗体检测芯片免疫性不孕不育抗体检测芯片 世界卫生组织在世界卫生组织在8080年代调查中显示，发达国家约年代调查中显示，发达国家约有有5%-8%5%-8%的夫妇受到不孕症的影响，发展中国家的一的夫妇受到不孕症的影响，发展中国家的一些地区不孕症的患病率高达些地区不孕症的患病率高达30%30%。全世界约有。全世界约有50005000万万-8000-8000万的不孕症患者。我国不孕症的发病率约为万的不孕症患者。我国不孕症的发病率约为3%-13%3%-13%。随着全球工业化进程加快及环境恶化，加。随着全球工业化进程加快及环境恶化，加之各种感染因素，不孕不育症的发病率上升之各种感染因素，不孕不育症的发病率上升9 9。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所检测项目及临床意义检测项目及临床意义o抗精子抗体（抗精子抗体（IgGIgG）:阳性阳性,提示可能不孕提示可能不孕o抗透明带抗体（抗透明带抗体（IgGIgG）:阳性阳性,提示可能不孕提示可能不孕o抗子宫内膜抗体（抗子宫内膜抗体（IgGIgG）:阳性阳性,提示子宫内膜异位症提示子宫内膜异位症 引起不孕引起不孕 o抗卵巢抗体（抗卵巢抗体（IgGIgG）:阳性阳性,提示卵巢功能异常引起不孕提示卵巢功能异常引起不孕o抗滋养层细胞抗体（抗滋养层细胞抗体（IgGIgG）：阳性，提示复发性流产导致）：阳性，提示复发性流产导致 不孕不孕o抗抗HCG HCG 抗体（抗体（IgGIgG）:阳性提示流产率高阳性提示流产率高,易致不孕易致不孕全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 三、生物芯片技术的优势生物芯片技术的优势低成本低成本平行化平行化自动化自动化高通量高通量蛋白质功能蛋白质功能配体受体相互作用配体受体相互作用临床诊断学临床诊断学医学基础研究医学基础研究其他生命科学交叉领域其他生命科学交叉领域蛋白芯片蛋白芯片全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所快速便捷的操作平台快速便捷的操作平台步骤步骤洗涤洗涤加样加样洗涤洗涤显色显色洗涤洗涤分析分析时间时间金标记金标记1010分钟分钟酶标记酶标记2020分钟分钟化学发光化学发光6060分钟分钟全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 生物芯片与传统检验方法比较生物芯片与传统检验方法比较 生物芯片检测法与其他方法比较具有：取样方便、操作简单、灵活性高、特异性强、多指标、高通量、时间短（10分钟内）以及立等可取等许多优点。准确准确：镜检、细胞培养、PCR、生化荧光、ELISA、滴金发 早期早期：HP、心脑血管相关感染因子 快速简便快速简便：STD的组和性、采样无创痛 经济经济：TORCH、不孕不育的性价比全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所生物芯片与其传统检测方法的比较：生物芯片与其传统检测方法的比较：全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 生物芯片最终的目的和未来发展方向是实现生化分生物芯片最终的目的和未来发展方向是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成，从而使现有的许析全过程全部集成在一片芯片上完成，从而使现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩化。过程自动化、连续化和微缩化。生物芯片主要优点是：生物芯片主要优点是：分析全过程自动化、生产成本低、分析全过程自动化、生产成本低、防污染、分析速度成千上万倍的提高、所需样品成百上千倍的减少、防污染、分析速度成千上万倍的提高、所需样品成百上千倍的减少、极高的样品并行处理能力、仪器体积小、重量轻、便于携带。极高的样品并行处理能力、仪器体积小、重量轻、便于携带。四、展望：全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 在未来五年生物芯片主要分为两种，一种是研究型研究型的，另外一种是应用型应用型的。研究型的主要是指在基因芯片的功能等方面有进一步发展。应用型的蛋白芯片会有更好的发展。全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所 刘德培（中国医学科学院院长、中国协和医科大学校长在主题为“中国医学科学发展的机遇与挑战”的讲话中提到：中国的医疗既需要顶天立地的高科技技术高科技技术，有需要铺天盖地的普及型技术普及型技术。生物芯片所能设计到的检验，有望实现这两者的统一。顶天立地顶天立地与与铺天盖地铺天盖地全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所最新消息：最新消息：第四军医大学基因所发明的第四军医大学基因所发明的“组合式生组合式生物芯片物芯片”技术荣获技术荣获第九届中国专利第九届中国专利奖金奖奖金奖！序号序号:13.:13.专利号专利号:ZL00226984.8 ZL00226984.8 专利名称专利名称:组合式生物芯片组合式生物芯片 专利权人专利权人:闫小君、郭晏海闫小君、郭晏海 发明人发明人:闫小君、郭晏海闫小君、郭晏海 全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所陕西省临床基因检测质量控制中心全军基因诊断技术研究所全军基因芯片重点实验室 技术依托技术依托第四军医大学第四军医大学全军基因诊断技术研究所全军基因诊断技术研究所