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编号:10233566
生物芯片技术在Hp诊断和研究中的应用
http://www.100md.com 《世界华人消化杂志》 1999年第9期
     作者:阎小君 苏成芝

    单位:中国人民解放军第四军医大学全军基因诊断技术研究所 陕西省西安市 710033

    关键词:螺杆菌感染/诊断;胃肿瘤/诊断;生物芯片

    世界华人消化杂志990901 中国图书馆分类号 R 735.2

    Subject headings Helicobacter infections/diagnosis; stomach neoplasms/diagnosis; biological chip

    分子生物学技术已越来越多的应用于Hp的检测,检测的主要靶分子为抗Hp抗体、Hp抗原和Hp基因组. 以ELISA,金标记和PCR技术为主体的分子生物学诊断技术在Hp诊断中所发挥的作用越来越大. 随着分子生物学技术的飞速发展,各种高新生物技术不断诞生,给Hp的分子诊断带来了新的起点和高度,现结合作者的一些研究工作,主要就生物芯片技术在Hp诊断中的应用前景作一简述.
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    1 生物芯片技术概论

    人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家在1985年率先提出,并于1990年由美国政府资助的跨世纪伟大工程,是人类认识自我的一个里程碑事件. 1998年底已完成了作图计划并进入大规模测序和基因识别阶段,而且极大地带动了人类疾病相关基因和与人类疾病发生有密切关系的病源微生物基因的定位、克隆、结构与功能研究. 随着信息、材料、机械、微电子等学科的广泛渗透和深入应用,基因工业已初现端倪. 生物芯片就是在这种背景下发展起来的一项高新生物技术和一个高新技术产业[1-4].

    生物芯片(biological chip)主要包含基因芯片(gene chip)和肽芯片(peptide chip)两大类,是利用生物大分子间具有特异相互识别的能力而发展起来的. 如基因芯片是利用核酸杂交原理检测未知分子的[2,6]. 它将核酸片段种植到一支持物(膜、玻璃片、硅片等)上,与检测样品杂交后由标记分子标记杂交体、经自动阅读设备分析杂交结果,从而对检测基因进行定性、定量和结构分析. 其简要操作程序如下:
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    图1 基因芯片结构示意图.

    图2 基因芯片结合示意图.

    图3 基因芯片计算机成象示意图.

    基因芯片从本质上讲与Southern bloting和Northern bloting相同(所以Affymetrix曾与Southern就专利问题发生冲突),只是许多探针(可以是同种分子或不同种分子)同时固定在同一芯片上,在相同的实验条件下,同时完成多种不同分子的检测[5-8]. 因而它与传统杂交法相比有以下突出的优点(表1).

    表1 基因芯片的优点 方法
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    操作

    自动化

    程度

    检测靶分子

    种类

    成本

    效率

    结果

    客观性

    基因芯片

    简单

    高

    多

    低
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    高

    强

    传统杂交法

    复杂

    低

    少

    高

    低

    差

    肽芯片是利用肽或蛋白质能特异性与配体分子(如抗原或抗体)结合的原理制备而成,它可以将肽或蛋白质固定到膜上制成肽芯片,与样品(血清或样品液)发生反应后加入标记分子,用阅读仪来分析和存储结果.

    2 Hp DNA芯片
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    Hp的全基因组已分析完成,这是Hp研究上一次重大的突破事件,并将极大的推动Hp及其相关疾病的研究. 用DNA芯片技术可以检测Hp及对Hp基因进行定性,定量及结构分析. 我们目前正在进行Hp基因芯片的研制工作,其主要研究内容如下.

    2.1 探针的设计与种植 根据Hp全基因组的序列资料共设计20种探针,探针设计原则如下:①长度为40nt~60nt;②避免内部发夹结构(连续互补序列不得大于4nt);③避免相互间的配对(连续配对碱基不得大于6nt);④避免与人基因组形成过多的配对(连续配对碱基不得大于6nt).

    探针的种植:将合成好的探针用自动点样装置点于硝酸纤维素支持膜上,点阵密度为90/ cm2,芯片大小为1.5 cm×1.5 cm,实际点阵面积为2 cm2,每个探针形成3*3矩阵.

    2.2 杂交样品的准备与检测 混合靶分子的准备:被检测的Hp DNA首先用PCR法扩增,扩增引物(随机引物)分为二类,一类为G+C含量较高的引物,长度为10nt,另一类为G+C含量较低的引物,长度为20nt左右. 特异靶分子的准备,用覆盖探针的引物扩增Hp DNA获得. 样品热变性或碱变性后直接加到芯片上进行杂交反应,清洗后加入双链DNA特异结合荧光染料,再清洗后用基因芯片阅读仪阅读.
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    2.3 基因芯片阅读仪 主要由激发光发射装置,发射光接收装置,计算机及其分析软件组成,由激发光发射装置发射激发光,激发结合在芯片DNA双链杂交体上的荧光素,受激发的荧光素所发出的荧光被接收装置接收并输入到计算机上,应用分析软件便能对杂交信息进行定位(定性)和定量(量化及结构分析)分析,分析的结果可以储存到数据库备用. 和常规杂交及PCR法相比,基因芯片技术除能大大提高工作效率,降低成本外,更重要的是各种基因是在同一条件下同时进行操作的,因而具有很强的可比性,而芯片荧光强度的量化分析对于Hp的定量,基因表达和突变分析很有价值.

    2.4 应用

    2.4.1 基因诊断 Hp的诊断迄今为至仍然是一个未被很好解决的问题,最根本的原因在于现有方法尚不同时兼备很高的灵敏性、特异性和易于实践. PCR方法从原理上讲是有以上特点,但目前普遍采用的电泳法鉴定扩增结果有较大的缺陷,易造成污染和假阴性,有些研究已用杂交检测扩增结果,但多为检测单一基因,效率低. 在灵敏性上基因芯片技术实际上是经过二级放大的. 第一级是用PCR法制备检测模板,第二级是荧光素的发光放大,所以有较高的灵敏性,用多种多点同步杂交法检测靶基因和自动化读取手段可确保检测的特异性和客观性,减少人为误差,这非常有利于多种基因的比较研究. 通过对荧光信号强弱的分析,还可以对杂交体进行定量,这样对研究Hp与消化系统疾病的关系,指导Hp相关性疾病的治疗有重要价值,所以Hp基因芯片技术是很有可能真正成为Hp诊断的权威方法和金标准.
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    2.4.2 基因结构分析 由于完全正常的Watson-Crick配对双链比具有错配(mismatch)碱基的双链具有较高的热力学稳定性,所以,前者的荧光强度要比后者强出5%~35%,所以通过量化分析荧光强度可以分析杂交体的杂交完全的程度,并进而分析出样品的突变情况,这对于规模分析Hp的基因组变异与Hp相关疾病及Hp生物学行为之间的关系有现实意义.

    2.4.3 基因分型 尽管PCR-SSCP,AP-PCR等技术对Hp的基因分型有较大的贡献,但操作过程难以标准化,操作技术有一定难度,给Hp基因分型的推广工作带来了不少困难,而基因分型对于鉴别Hp的来源,Hp的分子流行病学研究,Hp再感染鉴定等问题有重要意义. 实际上,每种基因操作技术都有其突出优点,但能否应用好,能否作为常规性的实践武器,关键在于能否做好实践过程的标准化和程序化. 基因芯片技术在实现标准化和程序化上要比其他基因技术要好. 因而可以成为一种可以信赖的技术,它的多基因多位点同步检测及检测结果的计算机处理,将会成为Hp的分型研究及应用中一个客观实用的有力工具.
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    3 Hp肽芯片

    研究Hp与人体相互作用的一个重要手段是观察机体对Hp所发生的反应,如检测抗Hp抗体. 但Hp本身是一个复合抗原,其多种有形成分可以在不同阶段对机体产生致敏作用,并进而产生各种针对不同抗原决定簇的抗体,实际上在体液中组成了特殊的Hp抗体谱. 研究并分析这些抗体谱对于了解Hp在体内状况如数量,致病活力,变异情况,是否为再感染,对药物的反应,活动状况等有重要的价值,但目前的方法难以解决问题,为此建立肽芯片检测Hp抗体谱工作非常必要.

    完成肽芯片检测Hp特异抗体谱主要解决好两个问题,首先是肽芯片的制备,其次是肽芯片阅读仪的研发,肽芯片的制备要点肽芯片的构成类似基因芯片,但是,种植在芯片上的生物大分子为肽或蛋白质(抗原或抗体),肽或蛋白质的来源有化学合成或基因重组,用这种方法可制成含检测抗Hp尿素酶A,B,C亚基,CagA蛋白及分段表达多肽,VacA等抗体的肽芯片,可用于Hp的流行病学研究和感染状况分析等,检测方法可用酶标或荧光素标记,结果以颜色反应或发光的形式记录.
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    肽芯片阅读仪与基因芯片阅读仪类似,配备有一套颜色检测装置,以适应不同的检测方法. 肽芯片除可用检测血液中Hp抗体谱外,还可量化检测Hp抗原在血中的分布(芯片上种植Hp多克隆抗体),这对于研究Hp在体内的活动情况很有价值.

    4 Hp与胃癌差异表达基因芯片

    Hp与胃癌的发生有密切关系,Hp的长期感染可以导致胃粘膜的恶性变. 胃癌是由多种癌基因和抗癌基因参与,多阶段多途径协同作用,使得胃粘膜逐步发展到癌前变再发展到胃癌的这样一个演变过程. 正常胃粘膜到癌前变过程及癌前变至胃癌的变化过程皆存在特征性的差异表达基因,那么,研究这些差异表达基因对于了解胃癌的发生、发展及转归极有意义.

    我们通过mRNA差异展示技术从胃癌细胞株和正常胃粘膜细胞株中筛选出了154个差异表达基因,并对其中35个片段进行克隆和分析,已筛选出19个新序列,并已被GenBank接受. 目前正在对剩余片段进行序列分析,将这些差异表达的基因和Hp cagA、尿素酶、VacA等基因片段作为探针可以制成Hp与胃癌差异表达基因芯片. 这一芯片有以下用途:
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    4.1 建立胃癌预警及早期诊断系统 胃癌的发病率在我国居第一位,在世界居第二位,是严重影响人类健康的疾病之一,目前就诊的患者大多处于中晚期,为胃癌的有效防治带来很大的困难,要解决好这一问题,最根本的办法是早期诊断并极早治疗和预防.

    由于本芯片检测的基因为胃癌发生的各个阶段差异表达基因,可以从基因水平上详细观察、分析和监控胃癌发展的全过程,对实现胃癌的早期诊断和预警有重大的实践价值. 本芯片的主要研制内容为:①大量收集胃粘膜标本,包括正常胃粘膜、癌前变,早期癌和中、晚期癌,并以病理,内镜等形态学检查作为背景资料;②所有标本经DDRT-PCR后,用芯片检测差异基因表达及Hp,DNA,记录每份标本的图谱,并附上背景资料,组成胃粘膜Hp DNA及差异表达基因,基因芯片诊断图谱及背景资料的数据库;③设计检索数据库软件,以管理数据库;④用未知标本的基因芯片图谱检索数据库,按最高图谱相似概率取前几位背景资料,该背景资料将代表未知标本的目前状态,从而达到预警及早期诊断之目的.
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    4.2 筛选胃癌特异性基因 经大量标本验证之后,可以从基因芯片上选出胃癌特异性强的基因片段,进一步钓出其全长cDNA,以研究其功能和可用于作为治疗靶目标的可能性.

    通讯作者:阎小君,710033,陕西省西安市长乐西路17号,第四军医大学全军基因诊断技术研究所.

    Tel. +86.29.3285729

    Email. Yanxj@igd.cn

    5 参考文献

    1 Khrapko KR, Lysov YP, Khorlyn AA, Shick VV, Florentiev VL, Mirazbekov AD. An oligonucleotide hybridization approach to DNA sequencing. FEBS Lett, 1989;256:118-122
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    2 McGall GH, Barone AD, Fidanza JA, Thorbecke GJ, Zucker MB. DNA sequencing and RNA sequencing using a DNA probe array on a DNA chip(conference abstract). Abstr Pap Am Chem Soc, 1997;213(meet Pt S orgn):367

    3 Pease AC, Solas D, Sullivan ED, Cronin MT, Holmes CP, Fodor SP. Light-generate oligonucleotide arrays for rapid DNA sequence analysis. Proc Natl Acad USA, 1994;91:5022-5026

    4 Mataon RS, Rampal J, Pentoney SL. Biopolymer synthesis on polypropylene supports: oligonucleotide arrays. Anal Biochem, 1995;224:110-116
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    5 Schena M, Shalon, Davis RW, Brown PO. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray. Science, 1995;270:467-470

    6 Guschin D, Yershov G, Zaslavsky A, Mirzabekov AD. DNA chip for e.g. diagnostic DNA probe hybridization or DNA sequencing, with label detection by fluorescence microscopy. Anal Bioechem, 1997;250:203-211

    7 Borman S. DNA chip biochip construction and use in human genome mapping. mutation detection, disease diagnosis, gene expression analysis. Chem Eng News, 1996;74:42-43

    8 Cheng J, Fortina P, Surrey S, Tang SP. Microchip-based devices for molecular diagnosis of genetic disease. Mol Diagn, 1996;1:183-200

    收稿日期 1999-05-25 修回日期 1999-07-24, http://www.100md.com