微流控技術(shù)在基因分析研究中的應用
以微機電加工技術(shù)（MEMS）為基礎的微型全分析系統(tǒng)（μTAS）,在近10余年中已經(jīng)發(fā)展為當前世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一。該技術(shù)是將化學、生物學等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離和檢測等過程縮微或基本縮微到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學反應過程，并對其產(chǎn)物進行分析的技術(shù)，是一個微而全的系統(tǒng)。目前微流控芯片是μTAS中最活躍的領(lǐng)域和發(fā)展前沿，原則上微流控芯片可應用于各個分析領(lǐng)域，如生物醫(yī)學、新藥物的合成與篩選、食品和商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學、軍事科學和航天科學等其他重要應用領(lǐng)域，其中生物分析是熱點。目前其應用主要集中在核酸分離和定量、DNA測序、基因突變和基因差異表達分析等。本文將對近年國內(nèi)外利用微流控芯片進行基因分析的研究進展作一綜述。
聚合酶鏈反應
聚合酶鏈反應（Polymerase Chain Reaction , PCR）是一種對核酸分子進行體外擴增的方法 ,已經(jīng)廣泛應用于生物醫(yī)學各個領(lǐng)域，反應的主要操作過程在3個溫度區(qū)間重復循環(huán)，經(jīng)過酶促反應擴增特定的DNA片段，擴增后的產(chǎn)物可用于診斷疾病、檢驗組織或血樣中的特殊細菌或病毒。常規(guī)的PCR過程需要制樣、擴增及檢測等步驟 ,既費時又費力，而微流控芯片技術(shù)用于PCR擴增及相關(guān)檢測時，既能簡化操作步驟，又能顯著提高檢測效率。目前，反應池內(nèi)固定擴增式PCR和連續(xù)流動式PCR已經(jīng)成為芯片上PCR擴增的2種主要形式。前者基于靜態(tài)反應，通過反應池內(nèi)溫度的周期性變化實現(xiàn)擴增，后者是依靠生物樣品順序流過3個不同的溫度區(qū)實現(xiàn)擴增。
但在多個樣品連續(xù)擴增時，由于通過人工換樣，降低了單位時間擴增的樣品數(shù)，也增加了交叉感染的可能。為克服以上缺陷 ,有團隊研制了具有35個擴增循環(huán)的螺旋通道微流控PCR玻璃芯片，在 26 min內(nèi)成功擴增了質(zhì)量濃度僅為10 ng/ml的6012 bp的DNA。在芯片內(nèi)液流由內(nèi)向外流 ,減少了反應液在微通道中流動時的分散和阻力 ,將小孔徑石英毛細管作為順序注射系統(tǒng)（SI）的連接通路，將死體積降低至0.3 nl，從而完成了擴增過程中微升級樣品的自動控制，實現(xiàn)了在芯片上進行多個樣品的連續(xù)自動擴增、微升級樣品的自動換樣、連續(xù) PCR 擴增和微通道洗滌等功能 ,樣品間無交叉污染。由此可見 ,利用流通式微流控PCR芯片已成功地實現(xiàn)了PCR的快速擴增 ,其優(yōu)點是擴增速度快，操作簡便，使用樣品和試劑少，芯片可以重復使用。
核酸分離與測序
微流控芯片分析在生命科學領(lǐng)域的主要應用對象之一是核酸分析。由于在微通道條件下 ,施加電場產(chǎn)生的焦耳熱效應低 ,注入的試樣量少 ,分子擴散程度低 ,因此微流控電泳分析在核酸診斷分離中的分辨能力遠遠好于平板凝膠電泳。微芯片的快速高質(zhì)量的分離效能在寡核苷酸、DNA、RNA片段分析以及基因表型和測序應用中得到充分反映。微芯片上的DNA 基因型分析可以迅速完成基因鑒別，顯著提高其在基因組學、診斷學、遺傳藥理學、法醫(yī)學檢驗方面的性能。
近10年來，隨著微流控分析芯片在技術(shù)上的不斷完善和發(fā)展，微流控分析芯片系統(tǒng)所能分離的DNA 片段的長度也在逐步擴大，可完成對DNA片段的測序和遺傳物質(zhì)的分離、分析，并且出現(xiàn)了可同時進行平行分析的多通道陣列芯片。
多態(tài)性檢測
單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）就是人類基因組中物理圖譜的理想遺傳標記，能滿足對代謝、生長和疾病相關(guān)基因的定位。SNP在人類基因組中出現(xiàn)的頻率非常高，平均每500～1000個堿基對中就有一個SNP，估計其總數(shù)在300 萬個以上。
基因多態(tài)性是人類各種可遺傳變異中常見的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為長度和序列多態(tài)性兩個方面。長度多態(tài)性包括大片段 DNA 插入或缺失引起的基因突變以及高度重復序列中小衛(wèi)星或微衛(wèi)星位點的重復串聯(lián)數(shù)目不同而引起的多態(tài)性；而序列多態(tài)性則來源于單堿基的替換、插入或缺失，也叫基因的點突變。病態(tài)下許多突變涉及到大范圍的基因缺失或復制。如杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD）是一種 X 染色體連鎖的隱性遺傳病，60 %的患者可伴有抗擊萎縮蛋白基因的缺失 ,且主要發(fā)生在9個突變熱點區(qū)。SNP檢驗方法主要是以PCR為基礎 ,通過電泳技術(shù)分辨堿基差異造成的DNA片段的各種差異來進行基因分型。
其他
除了應用于基因多態(tài)性檢測和DNA測序，芯片電泳還可通過PCR產(chǎn)物分析進行外源性病原體基因的快速檢測 ,并具有較高的靈敏度和特異性。針對病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型、基因變異的位點及特征等，設計和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴增后檢測 ,就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達等信息，為疾病的診斷和治療提供一個很好的切入點。有關(guān)該技術(shù)的應用已有報道，應用微流控芯片可同時檢測多種病原微生物核酸的PCR產(chǎn)物如乙型肝炎病毒 ( HBV) 、丙型肝炎病毒 ( HCV)、免疫缺陷病毒 ( HIV)、梅毒等。
探針DNA分子是通過微陣列技術(shù)印制到基體表面的 ,所要分析的樣品由微流控體系加入并與探針反應。該技術(shù)吸收了微流控與微陣列兩者的優(yōu)點，微流控體系可以通過調(diào)節(jié)溫度自動控制與微陣列DNA 反應的樣品量，同時吸取了微陣列技術(shù)中可通過熒光信號對雜交進行實時監(jiān)測的長處。
經(jīng)過十幾年的發(fā)展 ,微流控技術(shù)在基因分析中的應用越來越廣泛，并不斷取得積極和具有突破性的成果 ，由于自身突出的優(yōu)點 ,可能在不遠的將來成為基因分析的主要工具，其技術(shù)可以為后基因時代的基因組學研究提供一個更為強大的平臺。
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