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浅谈基因芯片工作原理

浏览次数:1459+ 发布时间:2016-10-28
     基因芯片又称DNA微阵列、DNA芯片,通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建成的微型生物化学分析系统,能够通过检测基因的丰度来确定基因的表达模式和表达水平。由于常用硅芯片或玻片作为固相支持物,并且在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术,所以称为基因芯片技术。
     基因芯片的工作原理是运用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列进行杂交,然后通过信号检测进行定性和定量分析。与传统的核酸杂交不同的是基因芯片是在微小的片基如硅片、玻片和塑料片等表面上集成了大量的核酸分子识别探针,能够在同一时间内平行分析大量的基因,进行信息的筛选与检测,实现对生物样品快速、并行、高效地进行检测或医学诊断。
     80年代初,科学家提出了固相核酸杂交的设想,英国科学家Bains首先对固相杂交DNA测序进行了有益的探索。其后,俄罗斯、美国及英国的科学家分别报道了用杂交测定核酸序列的方法。人类基因组计划点燃了基因芯片技术研发的第一波热潮,在基因组计划中,基因芯片技术的应用代替了传统的自动测序,同现有的手工测序和自动测序相比,基因芯片测序能节省大量的试剂和仪器损耗。
     2011年,公开发表的基因芯片学术论文已超过10000篇,参与基因芯片研发和应用的公司超过2000家。基因芯片携带的信息量也由最早的少量核苷酸序列,发展到几万个基因位点。

     图表1基因芯片行业发展史


     图表2基因芯片的变化


     目前全球基因芯片产业产值大约在70亿美元左右,预计到2020年将达到200亿美元。据不完全统计,美国Affymetrix公司的市占率最高,达到50%左右,同样位于美国的Agilent和Illumina的市场份额位于第2、3位,合计占到30%。目前基因芯片产业主要集中在欧美发达国家市场,在科研、生物制药、临床诊断方面获得了较广泛的应用。

    图表3基因芯片市场规模预计(单位:亿美元)


     基因芯片的检测过程是把荧光染料标记后的核酸序列交联在固定的载体上,然后通过信号扫描记录信息后进行定性和定量分析。
     基因芯片首选荧光染料作为标记,主要是因为荧光染料具有操作简便、高稳定性、高灵敏度、高选择性等特点。基因芯片的打印方式有两种,即原位合成法和合成后交联法。原位合成法需要预先设计、制造一系列掩膜,造价昂贵;合成后交联法与原位合成法相比,成本低,交联方便,只需要将预先制备好的样品通过自动点样装置点于经过特殊处理的玻璃片或其他材料上即可。使用合成后交联法可以在1cm2的芯片区域合成2,000,000探针,如果40种探针代表一个基因,就可以在一种芯片上合成相当于五万个基因位点。
     基因芯片扫描仪采用荧光检测,即利用激光激发掺入检测点中的荧光生色基团,读取荧光报告基团发出光信号,利用光电倍增管或电荷耦合器件(CCD)将其转化为电信号,然后通过软件将电信号还原成为图形或相关数据,最后通过分析所得数据给出检测报告。目前商业化的基因芯片扫描仪主要有激光共聚焦芯片扫描仪和CCD芯片扫描仪两大类,其中前者使用最为普遍。激光共聚焦芯片扫描仪采用激光作激发光源,使荧光生色基团产生高强度的发射荧光,用光电倍增管进行检测,灵敏度和分辨率较高,可检测每平方微米零点几个荧光分子。
     基因芯片分析主要包括数据采集、处理、分析和报告等环节。芯片扫描仪对生物芯片扫描后,得到代表荧光强度的电信号,通过伪彩处理形成数字图像文件,因此必须经过图像处理提取各样品点的数据,才能进行统计分析,此过程借助专业图像分析软件完成。图像的提取过程包括:图像的平滑过滤、图像背景的确定、样片斑点的识别、数据的提取、存贮与显示等。
     国内基因芯片市场仍处于起步阶段,还未形成产业化,主要应用在科研领域,市场规模较小。主要的发展瓶颈有两点:一是国内基因芯片应用领域开发不足,下游目标用户少,主要是各类科研机构,功能集中于科研和技术的研发;二是基因芯片诊断成本较高,以华大基因已经开始临床的唐氏综合症诊断为例,单次检测的费用为几千元,考虑到患者的承受能力,目前还无法大规模推广。未来随着技术的不断进步和检测需求的增加,基因芯片技术的规模效应将使其相对传统方式存在优势,国内也将迎来产业的爆发点。