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1、 什么是生物芯片 生 物 芯 片 （biochip）是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，組成密集而為分子排列，然后與已標(biāo)記的待測(cè)生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影相機(jī)對(duì)雜交信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測(cè)分析，從從而判斷樣品中把分子的數(shù)量。 生物芯片掃描儀 近年來 ,生物芯片技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域中得到了飛速的發(fā)展 ,并已開始用于藥物毒理學(xué)領(lǐng)域:包括基因芯片技術(shù)在藥物毒理機(jī)制研究中的應(yīng)用;發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中藥物毒性的預(yù)測(cè);化學(xué)物代

2、謝特性分析與評(píng)價(jià);化學(xué)致癌物篩選和識(shí)別 ,以及藥物臨床前安全性評(píng)價(jià)等。一 些 研 究 表 明 ,基 因 表 達(dá) 圖 譜 能 夠 正 確 區(qū)分 不 同 的 毒 理 現(xiàn) 象 ,因 此 可 以 利 用毒理芯片（ toxic chip ） 技 術(shù) 研 究 和 預(yù) 測(cè) 藥 物 毒性 。 毒理芯片的工作原理毒理芯片技術(shù)是 在 基 因 組 技 術(shù) 和 DNA微 陣 列 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 上 發(fā)展 起 來 的 分 子 生 物 學(xué) 技 術(shù) ,它 從 基 因 組 水 平 上 研 究 藥 物與 基 因 表 達(dá) 的 相 互 影 響 ,可 使 科 學(xué) 家 在 分 子 水 平 上 評(píng) 價(jià)藥 物 的 毒 性 狀 況 。 其

3、工 作 原 理 是 根 據(jù) cDNA微 陣 列 可 以 測(cè)定 基 因 表 達(dá) ,反 過 來 特 定 的 基 因 表 達(dá) 就 可 以 作 為 被 測(cè) 試 樣品 毒 性 信 息 的 標(biāo) 記 物 。 通 過 構(gòu) 建 大 量 模 型 化 合 物 的 毒 理 效 應(yīng) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ,分析 大 量 某 類 化 學(xué) 物 質(zhì) ,可 揭 示 出 遭 受 特 定 暴 露 時(shí)開 放 或 關(guān) 閉 的 基 因 模 式 。 由 于 一 類 毒 性 終 點(diǎn) 的基 因 表 達(dá) 變 化 具 有 其 共 性 的 “ 標(biāo) 記 ” ,故 一 旦 建立 起 毒 物 標(biāo) 記 庫(kù) ,研 究 人 員 就 可 以 在 同 一 模 型 系統(tǒng) 下

4、將 未 知 藥 物 所 引 起 的 基 因 表 達(dá) 與 庫(kù) 中 的 數(shù) 據(jù)相 對(duì) 比 ,通 過 這 種 對(duì) 比 匹 配 ,就 能 獲 得 未 知 藥 物的 毒 理 作 用 機(jī) 制 。 每 種 化 合 物 都 有 其 基 因 指 紋 圖 譜 ,如 果 得 到所 有 藥 物 的 基 因 指 紋 ,就 得 到 了 輪 廓 或 識(shí)別 模 式 ,有 了 這 一 模 式 ,當(dāng) 對(duì) 一 個(gè) 新 藥 物進(jìn) 行 測(cè) 試 時(shí) ,通 過 微 陣 列 芯 片 測(cè) 定 得 到 基因 表 現(xiàn) 性 輪 廓 ,就 能 預(yù) 測(cè) 出 該 藥 物 的 毒 理性 質(zhì) 。 毒理芯片技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)介藥物毒理機(jī)制研究5在發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中進(jìn)行毒性

5、篩選和預(yù)測(cè) 毒 理 基 因 組 學(xué) 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 藥物毒理機(jī)制的研究 藥 物 毒 理 學(xué) 家 在 研 究 藥 物 毒 性 時(shí) ,其 面 臨 的 重 大 問 題 就是 了 解 藥 物 的 毒 性 作 用 機(jī) 制 。 傳 統(tǒng) 的 方 法 是 進(jìn) 行 體 內(nèi)動(dòng) 物 實(shí) 驗(yàn) ,該 法 既 慢 又 難 以 確 定 毒 性 作 用 機(jī) 制 。 現(xiàn) 在使 用 微 陣 列 技 術(shù) 分 析 檢 測(cè) 基 因 表 達(dá) 的 改 變 ,可 確 定 該藥 物 的 作 用 模 式 ,更 好 地 從 機(jī) 制 上 將 基 因 效 應(yīng) 和 毒 性反 應(yīng) 聯(lián) 系 起 來 。 但 重 點(diǎn) 是 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng) 要 符 合 生 物

6、 體 的 變化 過 程 ,盡 最 大 可 能 利 用 已 經(jīng) 確 定 的 毒 性 終 點(diǎn) 、 合 適的 模 型 系 統(tǒng) 和 利 用 合 適 的 原 代 或 已 經(jīng) 建 株 的 細(xì) 胞 系 。這 樣 最 大 的 好 處 就 是 能 夠 理 解 短 期 或 體 外 分 析 難 以 解釋 清 楚 的 毒 性 機(jī) 制 。 例 如 ,非 基 因 毒 致 癌 劑 的 評(píng) 價(jià) 通 常 利用 長(zhǎng) 期 動(dòng) 物 致 癌 生 物 分 析 ,而 芯 片 分析 將 有 助 于 鑒 定 在 這 種 表 型 發(fā) 展 過 程中 的 基 因 變 化 ,最 后 根 據(jù) 其 基 因 表 達(dá)的 改 變 來 說 明 其 毒 理 機(jī) 制

7、 。 在發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中進(jìn)行毒性篩選和預(yù)測(cè) 在發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)中的應(yīng)用是基于一組化合物或一類化合物（根據(jù)毒性終點(diǎn)、機(jī)制、結(jié)構(gòu)和靶器官等劃分） 能夠引導(dǎo)出獨(dú)特的基因表型或指紋圖譜。因此 ,利用基因芯片技術(shù)在體內(nèi)外分析mRNA表達(dá)的圖譜將能預(yù)測(cè)與其相同毒性或生物終點(diǎn)的這一類藥物相關(guān)的基因表達(dá)模型。隨著單一毒性機(jī)制可參考化合物數(shù)據(jù)庫(kù)的增加 ,基于同參考物基因轉(zhuǎn)錄模型對(duì)比 ,利用基因芯片技術(shù)鑒定特定毒性終點(diǎn)進(jìn)行藥物毒性篩選和預(yù)測(cè)成為可能。某些具有期望藥理效應(yīng)的新化合物實(shí)體 ,也可能同時(shí)干擾細(xì)胞組織代謝的其他環(huán)節(jié)而導(dǎo)致毒副作用。 在用化合物處理靶細(xì)胞前后分別檢測(cè)分析基因表達(dá)圖譜 ,就可以在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)前預(yù)測(cè)

8、該藥物的毒性反應(yīng)。除了更早和更有效地優(yōu)選目標(biāo)化合物外 ,毒理芯片技術(shù)分析所得結(jié)果還可用于選擇合適的動(dòng)物模型進(jìn)行相應(yīng)的臨床前安全性評(píng)價(jià) ,也可選擇更好的“臨床生物標(biāo)志物進(jìn)行臨床試驗(yàn) 。 毒理基因組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用 由于具有大規(guī)模地快速檢測(cè)基因表達(dá)的能力 ,基因芯片技術(shù)是目前毒理基因組研究的主要手段。cDNA可以從接觸了藥物的組織或細(xì)胞中獲取。DNA 芯片中含有與特定的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的DNA 片斷 ,如與化學(xué)物代謝或DNA 修復(fù)有關(guān)的基因片斷。這些片斷的數(shù)量可以多達(dá)數(shù)千個(gè)甚至整個(gè)小鼠內(nèi)的基因組 ,這就使得科學(xué)家們可以從整個(gè)基因組的范圍研究基因的功能與特定毒性反應(yīng)的關(guān)系。 例如 ,Incyte 公司將DN

9、A 芯片技術(shù)與 Zooseq 數(shù)據(jù)庫(kù)中存有的小鼠和猴等的基因組序列結(jié)合 ,在研究不同生物基因表達(dá)的同時(shí) ,對(duì)新藥物藥理學(xué)和毒理學(xué)進(jìn)行研究 ,推出了一種小鼠毒理學(xué)芯片 ,使研究者能定量研究外源性受試物對(duì)大鼠基因表達(dá)的影響。 但 是 毒 理 芯 片 技 術(shù) 在 藥 物 毒 理 學(xué) 研 究 方 面 也 具 有 一 定 的 局 限 性 其一，毒理芯片技術(shù)僅能用于檢測(cè)在mRNA水平上所發(fā)生的變化，不能檢測(cè)由該基因翻譯的功能蛋白質(zhì)所發(fā)生的變化。另外，蛋白修飾（如磷酸化）也許更能夠影響蛋白質(zhì)的功能，還不能利用芯片技術(shù)直接分析。 其二，許多藥物是通過與蛋白質(zhì)的結(jié)合或改變大分子的結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)最初毒性的，而并不是直

10、接有到基因表達(dá)或是基因表達(dá)發(fā)生改變。 其三，對(duì)于多機(jī)制作用藥物的分析，利用基因表達(dá)圖譜則很難描繪出藥物最初的毒性作用。如有些藥物能引起染色體畸變、DNA斷裂、程序外DNA合成、氧化應(yīng)激、鈣平衡改變和抑制細(xì)胞增殖等。這么多的途徑如果作用在同一基因產(chǎn)物上，將導(dǎo)致很難從基因表達(dá)上來鑒別出起作用的過程，并且單一機(jī)制在最初階段是很難產(chǎn)生毒性的，多途徑多機(jī)制共同作用將知識(shí)細(xì)胞受到損傷或死亡。因此，在利用基因表達(dá)圖譜說明藥物毒理作用機(jī)制時(shí)就有一定的困難 其四，雖然在單一因素下能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)和基因表達(dá)圖譜預(yù)測(cè)出藥物毒性，但如果試驗(yàn)條件不同則不能肯定其預(yù)測(cè)性。例如，不同種的細(xì)胞模型、體內(nèi)和體外、動(dòng)物和人的轉(zhuǎn)錄水

11、平是不一樣的。因此，基因表達(dá)圖譜的預(yù)測(cè)能力將很大程度上依賴于其所使用的模型及其所依靠的典型藥物所產(chǎn)生的基因表達(dá)圖譜 盡管基因芯片技術(shù)發(fā)展的時(shí)間不長(zhǎng),迄今在藥物毒理上的應(yīng)用尚處在起步階段 ,但由于基因芯片技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)相比 ,具有效率高、靈敏、經(jīng)濟(jì)和低毒等優(yōu)點(diǎn) ,毒理芯片技術(shù)在藥物毒理上的應(yīng)用將越來越廣泛。 目前 ,基因芯片技術(shù)還處在一個(gè)不斷發(fā)展、完善的階段 ,有待于進(jìn)一步提高芯片檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率和靈敏度 ,同時(shí)基因芯片技術(shù)有待實(shí)現(xiàn)常規(guī)化和自動(dòng)化。 對(duì)于基因芯片表達(dá)數(shù)據(jù)改變的解釋 ,如何從中了解其內(nèi)在的作用規(guī)律 ,還迫切需要新的分析模型和方法來確定基因表達(dá)的含義。并且還需要建立和制定基因芯片實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn) ,用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的方法在不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行比較 ,從而可以更好地了解藥物的毒理作用機(jī)制。 因此 ,相信毒理芯片技術(shù)將在醫(yī)學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 資料參考： 微 陣 列 技 術(shù) （ 基 因 芯 片 ） 在 毒 理 學(xué) 研 究 中 的 應(yīng) 用 廣 西 職 業(yè) 病 防 治 研 究 所 黃 曙 海 毒 理 芯 片 技 術(shù) 在 藥 物 毒 理 學(xué) 中 的 應(yīng) 用 軍 事 醫(yī) 學(xué) 科 學(xué) 院 毒 物 藥 物 研 究 所 王 全 軍 廖 明 陽(yáng) 毒 理 學(xué) 研 究 的 新 方 向 -毒 理 基 因 組 學(xué) 廣 西 職 業(yè) 病 防 治 研 究 所 翟 日 洪