生物芯片开辟个性化诊治前景

　　不久前，美国《财富》杂志载文指出，二十世纪科技史上有两件事影响深远：一是微电子芯片，它是计算机和众多家电的心脏，改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片，它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。如果说二十世纪是属于微电子芯片时代的话，那么二十一世纪则是生物芯片的时代。在2005年11月第三届国际新药科技发明年会上，第四军医大学全军基因诊断技术研究所报告的用生物芯片技术构建乙肝治疗新模式，这项技术开辟了个性化治疗的前景，也标志着生物芯片技术从试验阶段走向了临床。那么，今后患者能否带“芯”看病？医生能否对“芯”  下药呢？

　　功能篇

　　乙肝治疗不再“三盲”

　　众所周知，乙肝治疗困难重重，这与治疗过程中的三个“盲区”关系密切。

　　盲区一：不知道乙肝病毒的局部点突变。临床上同样是乙肝，却可以有不同的病毒点突变，找到不同的突变从而选择不同的治疗是生物芯片——乙肝病毒基因突变检测体系的优势所在。乙肝病毒DNA有四个开放读码框，分别称为S区、C区、X区和P区，不同区域的突变直接影响着治疗方式的选择。比如，若患者S区基因发生突变，表明机体产生免疫逃避株，病人使用疫苗疗效差或无效，这对患有乙型肝炎的孕妇来讲至关重要。因为这类孕妇所分娩的婴儿在接受乙肝疫苗免疫后很可能不产生保护性作用，可能在数年后仍会在接受乙肝疫苗免疫的情况下不知不觉地患上乙型肝炎，而且他们的预后一般不好。同样，若患者P区基因发生突变，表明已经出现拉米夫定耐药，且病情易复发，应及时调整治疗方案；若C区突变，表明人体通过干扰T细胞功能而影响干扰素应答作用，病毒不易被清除；若患者X区基因突变，表明患者有可能是暴发性肝炎、进展性肝炎、慢性肝炎、肝硬化以及原发性肝癌等，应当引起高度的重视。乙肝病毒基因突变检测体系，可以准确地检测出患者体内乙型肝炎病毒的基因所发生的变化，从而帮助医生针对不同的病人确定不同的用药方案，而且可以让医生更好预测疾病的发展趋势。

　　盲区二：非“阴”即“阳”的化验单，让医患看不到病毒清除效果，生物芯片则可以更加细化、直观地显示治疗过程中病毒变化情况，从而增加医患信心，避免中途放弃。“阳转阴”是很多患者最希望看到的，然而这个转化过程往往需要几个月甚至更久地坚持，面对一成不变的“阳性”结果患者很容易丧失了耐心，这一现象在病人自己用药治疗时更常见。其结果不但是可能已产生的疗效由于检验方法的缺憾而终止，更为严重的是造成病毒的变异和病毒对机体产生耐受。

　　生物芯片技术可以针对乙肝病毒主要标志物进行系统分析，并转化为更加直观的化验结果。例如，将检测结果表现为从10个加号到0个加号的不同状态，这样当药物治疗有效时，尽管都是“阳性”，患者却可以看到加号在逐步减少，当然也就会继续坚持下去。

　　盲区三：传统的方法只能检测个别基因片段或指标，面对复杂的生物体，难免以偏概全。生物芯片对临床医学最大的好处是可以对病原微生物进行多指标平行分析。传统方法主要是对病原微生物进行单指标分析，如定量PCR是针对乙肝病毒的某个基因片段进行分析，乙肝两对半则需进行5次试验完成5个相互独立的指标。乙肝病毒虽小，但所产生的生物信息却非常巨大，较少的指标难免会产生以偏代全的错觉。就好像人们常常用成语井底之蛙来表示某个人的见识少，同样，如果我们用较少的指标来描述我们所要研究的对象，则也会像井底之蛙一样只知道天黑或天明；如果我们用含大量信息的生物芯片来研究乙肝病毒，我们就是跳出深井的青蛙，除了会知道天黑或天明之外，我们还会发现天上有彩云、有星星、有闪电等丰富的景象。因此用生物芯片技术来评价乙肝病毒的清除情况，要比用传统方法真实、可靠、安全和科学得多。

　　揪出结核耐药真凶

　　结核分枝杆菌耐药性的产生，给结核病的治疗和预防控制带来了巨大的困难，而结核分枝杆菌基因突变是引起耐药性的主要方式。能够同步分析4种基因突变的高通量靶向性基因分析技术，可以指导人们查找具体的耐药品种。系统筛查分析我国结核分枝杆菌耐药相关基因突变类型及分布特点，可揭示耐药性结核病的发生机理；向临床方向扩展，可为结核病耐药性基因诊断提供理论依据。研究表明，结核分枝杆菌katG、rpoB、embB和rpsL基因的点突变分别与结核分枝杆菌耐受异烟肼、利福平、乙氨丁醇和链霉素密切相关。

　　生物芯片技术，较之目前临床常用的药敏检测方法，具有操作简单、快速，成本较低，检测结果准确性高等优势，在结核病患者耐药性临床诊断及临床指导用药中具有很大的应用前景。


　　早期预警富贵病

　　1973年发现的ApoE是脂类代谢、心血管疾病及老年性痴呆等的重要决定因子。通过生物芯片分析ApoE基因多态性，对于协助临床疾病的诊断和风险预测有重要的应用价值。

　　ApoE基因具有多态性，形成三种主要的异构体ApoE2、ApoE3、ApoE4，进而呈现出不同的生理功能。研究发现ApoEε4基因是迟发性和散发性老年痴呆的危险因子，二者呈正相关，且ε4使患者发病年龄下降，而ε2则具有保护作用。由于老年痴呆患者中大部分均为散发或迟发家族性，因此ApoEε4基因与老年痴呆的关联就显得很有意义。

　　另外，ApoE在动脉粥样硬化中也发挥重要的作用。ApoE多态性与不同的高脂血症（HLP）、冠心病发生危险性及家族倾向有关。一般认为ApoE4是脂代谢紊乱和冠心病的重要遗传标记，可能是高胆固醇血症和冠心病的主要遗传易感因子。而ε2等位基因具有降低胆固醇作用，对冠状动脉硬化有防护作用。此外，ApoE还与缺血性脑血管病、传染病、肾病综合征、糖尿病等发病危险性相关。

　　让宫颈癌真正能预防

　　人乳头瘤病毒（HPV）是最重要、明确的致癌病毒之一，最近炒得火热的“宫颈癌疫苗”其实就是HPV疫苗，原因是99％以上的宫颈癌患者都存在HPV感染，可见HPV在宫颈癌发生、发展过程中起着决定性的作用，而针对HPV研制的TDI－FP基因检测技术则可以快速检测到HPV，帮助人们预防宫颈癌。与其他癌症不同，宫颈癌可以通过控制HPV的感染加以预防。近年国内外普遍应用脱落细胞防癌筛查，但查到细胞学改变的患者50％～80％已存在浸润性宫颈癌。高危HPV感染及相关病变分子标志的监测，对细胞学检查正常或核异变期癌症的预警、早期诊断、指导预防及治疗、判断预后极为关键。

　　从一般的宫颈癌前病变发展成宫颈癌约需10年的过程，以定期进行HPV分型检测补充取代传统的细胞学普查，对细胞学正常及高危人群，对预警宫颈细胞癌变倾向，及时发现和预防、治疗早期宫颈癌极为关键。

　　采用TDI－FP基因检测技术，对HPV常见型进行全面、高通量检测，检测结果较单纯杂交准确性更高；一次扩增反应能完成8个常见高、低危HPV型检测，计算机控制程序阅读微孔板，一次检测可完成384个样品，适于大规模临床筛选、检测应用，也为改进该类病毒感染相关疾病的诊断、预后判断、防治措施的滞后和盲目性引进了新的技术手段。

　　扩展篇

　　体细胞治疗技术（俗称细胞导弹），是目前国际公认的最具应用前景的治疗技术，尤其是对病毒性感染疾病、肿瘤、免疫缺陷等均表现出良好的治疗效果。

　　在诊疗中，阎小君和研究小组用经过尖锐湿疣疣体提取抗原来冲击病人的树突细胞，治疗1000余例的尖锐湿疣病人，仅有不到10人复发。尽管如此，仍有一些疣体比较小的患者由于难以获得足够量的抗原，而不得不等到疣体长大才能治疗。为了解决这一难题，研究小组又设计出具有病毒特征的多肽分子氨基酸组成序。经过模拟试验计算出特征更明显的多肽序列后，用人工体外合成的方法将预定的多肽进行合成。经过一系列复杂的动物和人体试验，终于成功地筛选出一些具有HPV抗原活性的多肽。这样，即便是疣体非常小的早期患者也可以接受治疗了。

　　在尝试用细胞疗法治疗HPV获得成功的基础上，研究小组又在国内率先创建了针对乙肝病毒耐药和机体易感性分析的一套技术方法和技术平台。2003年，在中国高等学校蛋白质组学研究院的帮助下，终于找到了一批极具价值的多价位优势抗原表位肽（靶向肽）。这种多价位优势抗原表位肽和细胞因子的树突状细胞结合能在短时间内“克隆”大量的淋巴细胞。“细胞导弹”疗法，就是根据这一原理，从患者体内采集出单核细胞，进行体外特殊培养，使其发育成树突细胞并大量扩增后与效应肽或靶向肽结合，然后再回输体内，成为专门攻击杀伤乙肝病毒的“细胞导弹”。这种特殊的“导弹”能精确“瞄准”乙肝病毒进行定向、定点杀伤，却不会伤及“无辜”。实验证明，这种细胞治疗的关键物不仅能给细胞导弹提供准确的靶点，而且在清除乙肝病毒过程中有特定性、靶向性、主动式细胞免疫和细胞杀伤功能，可彻底杀灭血液中和肝细胞中的HBV病毒。在此基础上形成了一套完整的治疗性细胞制备技术和方法，组成了从设备和制剂的制造，采购质控、评价体系和技术推广的储备。

　　生物芯片技术向人们展示了一幅基因诊断和治疗的美好前景，但其缺陷也是相当明显的。首先是成本的问题，由于芯片制作的工艺复杂，信号检测也需专门的仪器设备，一般实验室难以承担其高昂的费用。其次在生物芯片实验技术上还有多个环节尚待提高，如在探针合成方面，如何进一步提高合成效率及芯片的集成程度，样品制备的简单化与标准化等。尽管芯片技术还存在这样或那样的问题，但随着研究的不断深入和技术的更加完善，生物基因芯片一定会在生命科学研究领域发挥越来越重要的作用。

　　特色篇

　　实验室里，比大拇指盖稍大的生物芯片就是将影响和改变人类未来生活的神奇之物。将几个生物芯片放在检测器上，与之相联的电脑屏幕上立刻就会出现纵横交错的红绿荧光点。每一个荧光点就是一个基因片断的点阵。只要取病人的一滴血放在芯片检测卡上，经过分子杂交后，电脑就会显示基因的变化情况。再通过计算机把基因语言翻译成医生能读懂的信息，便可对疾病做出准确的诊断。这种生物芯片的诞生，标志着疾病的诊断将由细胞和组织水平推进到基因水平。

　　20世纪80年代末，生物学家发现人类的许多疾病是由人体基因排列顺序的变异所致。1993年，美国埃菲公司的科研人员受电脑芯片的启发，把已知排列顺序的基因片段像晶体管一样集成到硅片表面，通过特殊的观察手段，终于在短时间内辨认出了基因的变化。由此引发了继工业革命、信息技术革命后的第三次基因组革命。

　　诊断——方便快捷    质优价廉

　　生物芯片作为一种先进的大规模、高通量检测技术，在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤的临床诊断方面具有独特的优势。它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测，尽管单张芯片的价格并不便宜，但可以同时检测多个基因，因此整体诊断价格比传统诊断方法要低一些。对于患者来说，仅仅需要一点血液就可以一次检测多个基因，方便程度不言而喻。对于医生来说，生物芯片能检测病原微生物的耐药性，病原微生物的亚型，且具有极高的灵敏性和可靠性，自动化程度高，是他们工作中理想的助手。最后，通过生物芯片诊断，无需机体免疫应答反应，诊断速度比一些传统方法快了许多。

　　治疗——处方精确    疗效直观

　　生物芯片催生了精确处方，实现了个性化用药。个性化医疗最激动人心之处在于基因与医疗的交叉。针对不同的病人和同一个病人的不同患病时期，能够制订最恰当的治疗方案。

　　在疗效评价方面。与传统方法相比，生物芯片可以对病原微生物进行多指标平行分析。现行的病毒分析方法使医生在给病人某一种药物的治疗方案时，常常由于无法快速见到变化或起伏不定的结果而前功尽弃。

　　此外，在药物筛选和新药开发方面。生物芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分析基因表达或蛋白质状况（蛋白质芯片）的能力。用芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物实验甚至临床实验，缩短药物筛选所用时间。

　　在基因功能研究方面。生物芯片在基因组学、后基因组学和药物基因组学研究中起着重要的作用。它可以开展包括DNA测序、基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和单核苷酸多态性分析以及基因文库作图等研究。黑色素瘤生长刺激因子就是通过生物芯片技术发现的。

　　在健康查体方面。它能同时对多个遗传突变进行搜寻、加快功能基因组的研究进程。例如，体检者在医院用传统方法检测肝炎病毒，大约要等两天才能拿到结果，而利用生物芯片技术不到五分钟就可以拿到结论。
　　

　　小词典

　　肽：是人体生命活动的最基本因子，是由两个以上的氨基酸分子联结而成的蛋白质小片断。人体的很多生命活动都是由肽完成的，如传递信息、调节代谢等。

　　“细胞导弹”疗法：在生物疗法中较为成熟的有CIK细胞疗法及DC细胞疗法。CIK细胞全称为细胞因子活化杀伤细胞，是存在于人体血液中的淋巴细胞，属于可在细胞因子诱导下产生特殊功能的免疫细胞。这类细胞的特点是对肿瘤细胞的识别能力很强，好比一枚“细胞导弹”，能“瞄准”肿瘤细胞进行杀伤。而DC细胞又叫树突细胞，除CIK细胞具有的功能外，其靶向性和抗肿瘤活性比CIK细胞更强。二者共同应用时具有协同效应，即DC－CIK细胞疗法具有更好的疗效。

　　生物芯片（Biochip）：主要包括基因芯片（Genechip）和肽芯片（Peptidechip）。是将大量不同种类的探针分子高密度地排布于支持物上，然后与标记分子进行杂交，通过检测标记分子杂交信号的强度及分布，对靶分子的序列和数量进行分析，从而达到一次实验检测多项指标的目的。生物芯片是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展，它可以对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高通量快速的检测和分析，不仅在基因测序、突变检测、病原诊断等方面有巨大的应用价值，而且在保健、药物研究、优生、法医、检疫等领域都展现出极大的应用潜力。

　　第四军医大学于1999年4月成功研制开发出具有中国自主知识产权的医用蛋白质芯片。目前研发出20多种医学生物芯片，其中三种已获新药证书。产品已在国内数百家医疗单位应用。上图为同时研制的芯片阅读仪。

　　阎小君：第四军医大学全军基因诊断技术研究所所长、全军基因芯片重点实验室主任。近五年来，获省部级科技成果奖励12项，已获授权专利7个，目前承担省部级以上科研课题及项目11项。生物芯片制备技术获得了第九届中国专利金奖。