蛋白质芯片生物传感器的应用

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1无标记蛋白质芯片的目的和意义

生物芯片技术具有并行、快速和自动化分析的特点,应用前景引人注目,已成为现今生物医学工程的重要组成部分。生物芯片技术包括:基因芯片即DNA芯片、蛋白质芯片或叫生物分子芯片、细胞芯片和组织芯片以及药物芯片、生物电子芯片等技术。

蛋白质是一切生命的物质基础,到目前为止,已知的人体中存在的蛋白质种类达数十万种之多,其功能各异,在机体中各行其职。蛋白质的组成具有多样性和可变性,蛋白质的表达受多种因素的调控。在生命发育的不同阶段,蛋白质的种类和构成都是不一样的,不同组织中细胞表达的蛋白质有很大的差异;在病理或治疗过程中,细胞蛋白质的组成及其变化与正常过程中的也有不同。因此,蛋白质的研究是在一个更加深入、更贴近生命本质层面上去探讨和发现生命活动的规律,揭示生理和病理现象的本质。随着人类对于蛋白质的认识,为了解人体的健康状况,进一步诊断和治疗疾病,识别和检测蛋白质是一种非常重要的技术手段。

国际上绝大多数蛋白质芯片技术采用了标记方法(包括荧光标记法、酶标记法等)。标记方法的优势非常明确,但是也存在一定的不足,比如:(1)蛋白质分子不具有均一的化学性质,使得标记方法很难成为定量分析方法;(2)被标记蛋白质分子生物活性受到一定的影响;(3)对已知的数十万种蛋白质分子进行化学标记所耗费的财力、物力难以想象。因此无标记蛋白质芯片检测技术(如表面等离子体共振技术及其衍生技术、反射干涉光谱技术、椭偏光学成像技术等)应运而生,这些技术的优势在于采用单一无标记试剂即可检测溶液中的靶分子,很好地避免了标记所带来的问题。光学蛋白质芯片系统是探测和研究蛋白质的新技术。此方法将高分辨率的光学显微成像技术和集成化多元蛋白质芯片技术相结合,形成了新型并行、快速生物分子识别和检测技术。它无需预处理和标记样品,对生物活性影响小,还可以检测生物分子反应的动力学参数,从而获得很多传统技术所难以提供的信息,有望用于生物医学研究、健康预测、临床诊断、新药筛选和鉴定以及生物工业流程中的活性监测等。

2蛋白质芯片研究的主要内容及研制过程

概括地讲,蛋白质芯片技术主要包括以下5部分内容:(1)芯片设计。根据待测分析物及靶分子设计芯片的结构和操作流程。(2)配基装配。将具有生物特异性识别的配基分子有效组装在芯片的既定位置,并保持其生物活性。(3)芯片反应器。是配基分子与待测物反应的空间环境,可以对反应条件进行调控。(4)芯片信号采样和处理。将分子相互作用的结果读出,并转化成可视物理信号,由此反推出待测物的信息。(5)芯片数据库。提供芯片的历史数据和基本参数,供对比和参考。

蛋白质芯片是一种蕴含多学科知识的系统工程,为蛋白质的分析和检测提供了一种新型技术平台。它的应用不仅仅局限于蛋白质检测,还可以用于蛋白质识别、特异位点研究、药物筛选以及蛋白纯化等等。根据应用目标的不同,蛋白质芯片需要进行特殊设计。以疾病相关的蛋白质检测为例,在诊断乙型肝炎时,国际公认的检测指标为5项[乙肝表面抗原(HBsAg)、乙肝表面抗原抗体(anti-HBsAg)、乙肝e抗原(HBeAg)、乙肝e抗原抗体(anti-HBeAg)和乙肝核心抗原抗体(anti-HBcAg)]。这5项指标通常需要在医院化验室里经过1d或者更长的时间,用常规免疫检测方法逐项进行。如果采用蛋白质芯片来检测,可以在一片乙肝诊断芯片上分别装配针对5项检测的配体,在1h内即可同时完成5项检测,且只需要几十微升血液即可完成所有的检测,显著地降低了样品消耗[12]。

在检测对象确定以后,芯片设计的一个重要环节就是确立特异性生物学系统,即具有生物特异结合性的分子对或分子组合,如配体-受体、蛋白-蛋白、抗原-抗体、病毒-受体等等,并优选配基,以此为基础实现配基和待测生物分子在芯片表面上的特异性结合。随着分子生物学和生物化学的发展,人们已经认识到生物分子是一些空间结构非常复杂的有机大分子,而生物活性则仅表现在某些特定的位点上,配基的使用实际上是配基分子上活性位点的利用。蛋白质芯片是由装配在芯片表面上的多个表面生物探针组合而成。通常情况下,由于生物分子和芯片基底的相互作用,会造成生物分子在表面的变形和变性,使生物活性减弱甚至消失。为了充分保持配基在芯片表面上的生物活性,需要研究和设计芯片表面的蛋白质活性装配,这涉及基底的选择及生物相容性、表面化学性质、光学特性。为此进行表面改性,包括物理、化学、生物化学及其组合表面的改性,以适合配基的装配。为了获得高灵敏的检测,配基的来源、装配点、活性位点、表面位阻、非特意性阻隔、特异活性维持等诸多问题,都需要进行统筹考虑并逐一解决[5]。