蛋白質(zhì)芯片生物傳感器的應(yīng)用

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1無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片的目的和意義

生物芯片技術(shù)具有并行、快速和自動(dòng)化分析的特點(diǎn),應(yīng)用前景引人注目,已成為現(xiàn)今生物醫(yī)學(xué)工程的重要組成部分。生物芯片技術(shù)包括:基因芯片即DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片或叫生物分子芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片以及藥物芯片、生物電子芯片等技術(shù)。

蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ),到目前為止,已知的人體中存在的蛋白質(zhì)種類(lèi)達(dá)數(shù)十萬(wàn)種之多,其功能各異,在機(jī)體中各行其職。蛋白質(zhì)的組成具有多樣性和可變性,蛋白質(zhì)的表達(dá)受多種因素的調(diào)控。在生命發(fā)育的不同階段,蛋白質(zhì)的種類(lèi)和構(gòu)成都是不一樣的,不同組織中細(xì)胞表達(dá)的蛋白質(zhì)有很大的差異;在病理或治療過(guò)程中,細(xì)胞蛋白質(zhì)的組成及其變化與正常過(guò)程中的也有不同。因此,蛋白質(zhì)的研究是在一個(gè)更加深入、更貼近生命本質(zhì)層面上去探討和發(fā)現(xiàn)生命活動(dòng)的規(guī)律,揭示生理和病理現(xiàn)象的本質(zhì)。隨著人類(lèi)對(duì)于蛋白質(zhì)的認(rèn)識(shí),為了解人體的健康狀況,進(jìn)一步診斷和治療疾病,識(shí)別和檢測(cè)蛋白質(zhì)是一種非常重要的技術(shù)手段。

國(guó)際上絕大多數(shù)蛋白質(zhì)芯片技術(shù)采用了標(biāo)記方法(包括熒光標(biāo)記法、酶標(biāo)記法等)。標(biāo)記方法的優(yōu)勢(shì)非常明確,但是也存在一定的不足,比如:(1)蛋白質(zhì)分子不具有均一的化學(xué)性質(zhì),使得標(biāo)記方法很難成為定量分析方法;(2)被標(biāo)記蛋白質(zhì)分子生物活性受到一定的影響;(3)對(duì)已知的數(shù)十萬(wàn)種蛋白質(zhì)分子進(jìn)行化學(xué)標(biāo)記所耗費(fèi)的財(cái)力、物力難以想象。因此無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)技術(shù)(如表面等離子體共振技術(shù)及其衍生技術(shù)、反射干涉光譜技術(shù)、橢偏光學(xué)成像技術(shù)等)應(yīng)運(yùn)而生,這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于采用單一無(wú)標(biāo)記試劑即可檢測(cè)溶液中的靶分子,很好地避免了標(biāo)記所帶來(lái)的問(wèn)題。光學(xué)蛋白質(zhì)芯片系統(tǒng)是探測(cè)和研究蛋白質(zhì)的新技術(shù)。此方法將高分辨率的光學(xué)顯微成像技術(shù)和集成化多元蛋白質(zhì)芯片技術(shù)相結(jié)合,形成了新型并行、快速生物分子識(shí)別和檢測(cè)技術(shù)。它無(wú)需預(yù)處理和標(biāo)記樣品,對(duì)生物活性影響小,還可以檢測(cè)生物分子反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù),從而獲得很多傳統(tǒng)技術(shù)所難以提供的信息,有望用于生物醫(yī)學(xué)研究、健康預(yù)測(cè)、臨床診斷、新藥篩選和鑒定以及生物工業(yè)流程中的活性監(jiān)測(cè)等。

2蛋白質(zhì)芯片研究的主要內(nèi)容及研制過(guò)程

概括地講,蛋白質(zhì)芯片技術(shù)主要包括以下5部分內(nèi)容:(1)芯片設(shè)計(jì)。根據(jù)待測(cè)分析物及靶分子設(shè)計(jì)芯片的結(jié)構(gòu)和操作流程。(2)配基裝配。將具有生物特異性識(shí)別的配基分子有效組裝在芯片的既定位置,并保持其生物活性。(3)芯片反應(yīng)器。是配基分子與待測(cè)物反應(yīng)的空間環(huán)境,可以對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行調(diào)控。(4)芯片信號(hào)采樣和處理。將分子相互作用的結(jié)果讀出,并轉(zhuǎn)化成可視物理信號(hào),由此反推出待測(cè)物的信息。(5)芯片數(shù)據(jù)庫(kù)。提供芯片的歷史數(shù)據(jù)和基本參數(shù),供對(duì)比和參考。

蛋白質(zhì)芯片是一種蘊(yùn)含多學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)工程,為蛋白質(zhì)的分析和檢測(cè)提供了一種新型技術(shù)平臺(tái)。它的應(yīng)用不僅僅局限于蛋白質(zhì)檢測(cè),還可以用于蛋白質(zhì)識(shí)別、特異位點(diǎn)研究、藥物篩選以及蛋白純化等等。根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)的不同,蛋白質(zhì)芯片需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。以疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)檢測(cè)為例,在診斷乙型肝炎時(shí),國(guó)際公認(rèn)的檢測(cè)指標(biāo)為5項(xiàng)[乙肝表面抗原(HBsAg)、乙肝表面抗原抗體(anti-HBsAg)、乙肝e抗原(HBeAg)、乙肝e抗原抗體(anti-HBeAg)和乙肝核心抗原抗體(anti-HBcAg)]。這5項(xiàng)指標(biāo)通常需要在醫(yī)院化驗(yàn)室里經(jīng)過(guò)1d或者更長(zhǎng)的時(shí)間,用常規(guī)免疫檢測(cè)方法逐項(xiàng)進(jìn)行。如果采用蛋白質(zhì)芯片來(lái)檢測(cè),可以在一片乙肝診斷芯片上分別裝配針對(duì)5項(xiàng)檢測(cè)的配體,在1h內(nèi)即可同時(shí)完成5項(xiàng)檢測(cè),且只需要幾十微升血液即可完成所有的檢測(cè),顯著地降低了樣品消耗[12]。

在檢測(cè)對(duì)象確定以后,芯片設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是確立特異性生物學(xué)系統(tǒng),即具有生物特異結(jié)合性的分子對(duì)或分子組合,如配體-受體、蛋白-蛋白、抗原-抗體、病毒-受體等等,并優(yōu)選配基,以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)配基和待測(cè)生物分子在芯片表面上的特異性結(jié)合。隨著分子生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物分子是一些空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的有機(jī)大分子,而生物活性則僅表現(xiàn)在某些特定的位點(diǎn)上,配基的使用實(shí)際上是配基分子上活性位點(diǎn)的利用。蛋白質(zhì)芯片是由裝配在芯片表面上的多個(gè)表面生物探針組合而成。通常情況下,由于生物分子和芯片基底的相互作用,會(huì)造成生物分子在表面的變形和變性,使生物活性減弱甚至消失。為了充分保持配基在芯片表面上的生物活性,需要研究和設(shè)計(jì)芯片表面的蛋白質(zhì)活性裝配,這涉及基底的選擇及生物相容性、表面化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)特性。為此進(jìn)行表面改性,包括物理、化學(xué)、生物化學(xué)及其組合表面的改性,以適合配基的裝配。為了獲得高靈敏的檢測(cè),配基的來(lái)源、裝配點(diǎn)、活性位點(diǎn)、表面位阻、非特意性阻隔、特異活性維持等諸多問(wèn)題,都需要進(jìn)行統(tǒng)籌考慮并逐一解決[5]。