生物芯片技术及其进展.ppt
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1、生物芯片技术及其进展生物芯片技术及其进展侯治富侯治富吉林大学白求恩医学部吉林大学白求恩医学部中日联谊医院中日联谊医院生物芯片技术的主要内容生物芯片技术的主要内容生物芯片的概念生物芯片的概念生物芯片的基本原理生物芯片的基本原理生物芯片的分类生物芯片的分类生物芯片的发展历程生物芯片的发展历程生物芯片的技术方法生物芯片的技术方法生物芯片的应用生物芯片的应用生物芯片的定义生物芯片的定义生生物物芯芯片片(BiochipBiochip或或BioarrayBioarray)是是指指包包被被在在固固相相载载体体上上的的高高密密度度DNADNA、抗抗原原、抗抗体、细胞或组织的体、细胞或组织的微点阵微点阵(mic
2、roarraymicroarray)。)。生物芯片的种类:包括生物芯片的种类:包括DNADNA芯片、抗原芯芯片、抗原芯片、抗体芯片、细胞芯片、组织芯片等。片、抗体芯片、细胞芯片、组织芯片等。19981998年世界十大科技突破之一。年世界十大科技突破之一。未来十年最具发展潜力的技术。未来十年最具发展潜力的技术。生物芯片的定义生物芯片的定义BioBio:词素生.,生物.;ChipChip:屑晶片,薄片;电子集成电路片;英汉计算机名词芯片ArrayArray:阵,列,排列,配置,系,组,级数,芯片生物芯片的概念生物芯片的概念集成集成1234567891011121314151617181920212
3、2XYOncogene Targets On the AmpliOnc I BiochipOncogene Targets On the AmpliOnc I BiochipPDGFBEGFR1PDGFRAMETFGFR2WNT1MYBHER2YES1HRAS1CND1RAF1GLIMYCMDM220q13RELMYCL1FGRFESABLINT2PIK3CANMYCAKT2FGFR1JUNBAKT1KRAS2CDK4AR生物芯片基本原理生物芯片基本原理生物芯片的特点生物芯片的特点高度并行性:提高实验进程、利于显示图高度并行性:提高实验进程、利于显示图谱的快速对照和阅读。谱的快速对照和阅读。多
4、样性:可进行样品的多方面分析,提高多样性:可进行样品的多方面分析,提高精确性,减少误差。精确性,减少误差。微型化微型化:减少试剂用量和反应液体积,提:减少试剂用量和反应液体积,提高样品浓度和反应速率。高样品浓度和反应速率。自动化自动化:降低成本,保证质量。:降低成本,保证质量。高通量高通量生物芯片的分类生物芯片的分类尚未统一。尚未统一。广义上:矩阵型芯片、处理型芯片广义上:矩阵型芯片、处理型芯片固化材料:基因芯片、蛋白质芯片、固化材料:基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片细胞芯片、组织芯片用途分类用途分类生物芯片研究的历史生物芯片研究的历史1991 1991 AffymatrixAffym
5、atrix公司公司S Stephen Fodor:tephen Fodor:光刻与光化光刻与光化学技术、学技术、多肽和寡聚核苷酸微阵列。多肽和寡聚核苷酸微阵列。DNA ChipDNA Chip概念概念 StanfordStanford大学大学BrownBrown实验室:预先合成实验室:预先合成,机械手阵列机械手阵列1995 1995 SchenaSchena等等:基因表达谱:基因表达谱1996 1996 Chee et alChee et al:DNADNA测序测序1996 1996 Cronin et alCronin et al:突变检测突变检测1996 1996 Sapolsley&Li
6、pshutzSapolsley&Lipshutz:基因图克隆基因图克隆1996 1996 Shalon et alShalon et al:复杂复杂DNADNA样本分析样本分析1996 1996 Shoemaker et alShoemaker et al:缺省突变定量表型分析缺省突变定量表型分析分类(根据应用)分类(根据应用)基因变异检测芯片基因变异检测芯片疾病检测疾病检测(如如HIVHIV、P53P53基因、结核杆菌基因、结核杆菌)法医鉴定法医鉴定(如如DNADNA指纹图谱指纹图谱)表达谱芯片表达谱芯片肿瘤相关基因肿瘤相关基因(正常与肿瘤组织表达差异正常与肿瘤组织表达差异)药物筛选药物筛选
7、(培养细胞药物刺激前后表达差异培养细胞药物刺激前后表达差异)发育发育(同一组织不同发育时期基因表达差异同一组织不同发育时期基因表达差异)组织发生组织发生(不同组织或器官的基因表达差异不同组织或器官的基因表达差异)分类(根据工艺和载体)分类(根据工艺和载体)原位合成法:原位合成法:密集程度高,可合成任意序密集程度高,可合成任意序列的寡聚核苷酸,但特异性较差,寡聚核苷列的寡聚核苷酸,但特异性较差,寡聚核苷酸合成长度有限,且随长度增加,合成错误酸合成长度有限,且随长度增加,合成错误率增高。成本较高,设计和制造较烦琐费时。率增高。成本较高,设计和制造较烦琐费时。DNADNA微矩阵法微矩阵法:成本低,易
8、操作,点样密度成本低,易操作,点样密度通常能满足需要。芯片的载体需表面紧质、通常能满足需要。芯片的载体需表面紧质、光滑的固体,如硅,陶,玻璃等,光滑的固体,如硅,陶,玻璃等,DNADNA微矩阵微矩阵芯片常用玻片为载体。芯片常用玻片为载体。分类(根据分类(根据DNADNA成分)成分)寡聚核苷酸或寡聚核苷酸或DNADNA片段:约片段:约2020 2525个核个核苷酸碱基,常用于基因类型的分析,苷酸碱基,常用于基因类型的分析,如突变、正常变异(多态性)。如突变、正常变异(多态性)。全部或部分全部或部分cDNAcDNA:约约500500 50005000个核苷个核苷酸碱基,通常用于两种或以上样本的酸碱
9、基,通常用于两种或以上样本的相关基因表达分析。相关基因表达分析。Comparison of DNA Chip Technologies Sensitivity of DNA chip based assays is a function of:Probe and target DNA/RNA(Complexity)Chip surface(autofluorescence&non-spec.bkg)Attachment chemistry/methodology(hyb.efficiency&crosshyb.)Hybridization efficiency(lots of factors)
10、Detection technology(signal type,efficiency,noise)Oligo-ChipOligo-Chip cDNA-Chip cDNA-Chip Genomic Chip Genomic Chip 8 n or 20 n 50,000 n 8 n or 20 n 50,000 nsequencingsequencingexpressionexpressionexpressionexpressiongenomic analysisgenomic analysis基因芯片的种类基因芯片的种类Science ChipScience Chip:生物分析和诊断。生物分
11、析和诊断。Nutri ChipNutri Chip:食物分析、转基因、污染检测。食物分析、转基因、污染检测。Leuko ChipLeuko Chip:血液分析、病毒分析、血液分析、病毒分析、HLAHLA分析。分析。Aqua ChipAqua Chip:水质分析。水质分析。Secure ChipSecure Chip:含含DNADNA的物质鉴定。的物质鉴定。Chromo ChipChromo Chip:基因分析和染色体序列。基因分析和染色体序列。Prokaryo ChipProkaryo Chip:原核生物、兽医、环保等。原核生物、兽医、环保等。生物芯片技术主要环节生物芯片技术主要环节芯片制备:
12、微点阵芯片制备:微点阵样本制备:样本制备:DNADNA提纯、扩增、标记提纯、扩增、标记杂交:样本与互补模板形成双链杂交:样本与互补模板形成双链检测:共聚焦扫描,双色激光检测:共聚焦扫描,双色激光数据处理:定量软件,数据库检索,数据处理:定量软件,数据库检索,RNARNA印迹等。印迹等。结果分析结果分析 细胞细胞对对mRNA进行标记进行标记杂交杂交基因表达资料基因表达资料生物芯片的制作步生物芯片的制作步骤骤 生物芯片分析生物芯片分析1 1、测定过程应包括五个、测定过程应包括五个基本步骤:基本步骤:需解决的生物学问题需解决的生物学问题样本制备样本制备生物化学反应生物化学反应检测检测数据分析数据分析
13、TumorTumorSampleSampleNormalNormalSampleSample2 2、生物学系统控制必须精确地与检测目的相匹配。、生物学系统控制必须精确地与检测目的相匹配。3 3、生物学样本必须精确地与生物学种类相匹配。、生物学样本必须精确地与生物学种类相匹配。4 4、所有基因分析必须平行处理。、所有基因分析必须平行处理。5 5、基因分析技术必须适合微型化和自动化。、基因分析技术必须适合微型化和自动化。6 6、平行格式必须精确的依据生物学样本的次序。、平行格式必须精确的依据生物学样本的次序。7 7、检测系统必须能精确地获得数据。、检测系统必须能精确地获得数据。8 8、检测系统获得
14、的数据必须能被精确地控制和重复。、检测系统获得的数据必须能被精确地控制和重复。9 9、两种或以上平行数据组比较应受到单、两种或以上平行数据组比较应受到单 个实验所固有特性的限制。个实验所固有特性的限制。1010、绝对比例关系只存在于组合实验的平、绝对比例关系只存在于组合实验的平 行数据组内。行数据组内。1111、平行格式包括内在和外部的整个系统、平行格式包括内在和外部的整个系统 误差的分析因素。误差的分析因素。1212、在每个系统模块中采集到该系统所有、在每个系统模块中采集到该系统所有 变量的四维数据时,才能称为完成生变量的四维数据时,才能称为完成生 物系统平行基因分析。物系统平行基因分析。生
15、物芯片技术的生物芯片技术的1212条原则只是一个基本条原则只是一个基本框架。其术语的详细定义和有关理论可框架。其术语的详细定义和有关理论可参见参见芯片制备芯片制备原位合成法(原位合成法(in situ synthesis):in situ synthesis):又又可分为可分为原位光控合成法和原位标准试剂合成法。适用原位光控合成法和原位标准试剂合成法。适用于寡核苷酸,使用光引导化学原位合成技术。于寡核苷酸,使用光引导化学原位合成技术。是目前制造高密度寡核苷酸最为成功的方法。是目前制造高密度寡核苷酸最为成功的方法。合成后交联(合成后交联(post-synthetic attachment):po
16、st-synthetic attachment):利用利用手工或自动点样装置将预先制备好的寡核手工或自动点样装置将预先制备好的寡核苷酸或苷酸或cDNAcDNA样品点在经特殊处理过的玻片或其样品点在经特殊处理过的玻片或其他材料上。主要用于诊断、检测病原体及其他他材料上。主要用于诊断、检测病原体及其他特殊要求的中、低密度芯片的制备。特殊要求的中、低密度芯片的制备。两种制备方法比较原位合成:原位合成:测序、查明点突变测序、查明点突变高密度、根据已知的高密度、根据已知的DNADNA编制程序编制程序制作复杂、价格昂贵、不能测定未知制作复杂、价格昂贵、不能测定未知DNADNA序列序列合成后交联:合成后交联
17、:比较分析比较分析制备方式直接和简单,点样的样品可事先纯化,制备方式直接和简单,点样的样品可事先纯化,交联方式多样,可设计和制备符合自己需要的芯片。交联方式多样,可设计和制备符合自己需要的芯片。中、低密度,样品浪费较多且制备前需储存大量样品。中、低密度,样品浪费较多且制备前需储存大量样品。杂交杂交是芯片技术中除方阵构建外最重要的一步是芯片技术中除方阵构建外最重要的一步液相中探针与液相中探针与DNADNA片段按碱基配对规则形成片段按碱基配对规则形成双链反应。双链反应。选择杂交条件时,必须满足检测时的灵敏度选择杂交条件时,必须满足检测时的灵敏度和特异性。使能检测到低丰度基因,且能保和特异性。使能检
18、测到低丰度基因,且能保证每条探针都能与互补模板杂交。证每条探针都能与互补模板杂交。合适长度的合适长度的DNADNA有利于与探针杂交。有利于与探针杂交。温度、非特异性本底等均会影响杂交结果。温度、非特异性本底等均会影响杂交结果。最好在封闭循环条件下杂交,杂交炉。最好在封闭循环条件下杂交,杂交炉。样本制备样本制备制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。制备细胞、组织或整个器官样本应特别小心。制备细胞、组织或整个器官样本应特别小心。温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成分温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成分等轻微改变都会使基因表达的结果发生明显变等轻微改变
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- 生物芯片 技术 及其 进展
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