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预防医学领域中生物芯片的作用
时间:2011-01-23 浏览次数:1016次 无忧论文网
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寻找致病基因或疾病相关基因

利用生物毖片通过比较组织细胞基因在正常和疾病状态下表达谱的差异,可以发现新的可能致病基囚或疾病相关基因已有国外公司提取作为对照的人黑色素细胞瘤细胞株uAC一c)(j3的:11RNA和插人人6号染色体的该细饱株的111RNA,逆转录为。DNA,采用两种不同的荧光物分别标记,再与分别f七表时,瘤抑制基因和肿瘤分化基因的。DNA』陈片杂交。同时从胰腺癌细月包株PATu、胰腺癌组织、慢性胰腺炎组织及对照胰腺组织的CDN八文库巾随机挑选了共2()73(’个。D-NA克降点样于尼龙膜上,做成。DNA芯片,分别以放射性物质标记以上各组织来源的nlRNA后与芯片杂交,发现胰腺癌存在129个新序列和97个EST。其中有参与细胞结构和骨架改变或转录翻译刁儿制的,还有一参与恶性表型等的多个在肿瘤形成过程中发挥作用的基因。美国学者首次提出厂参与胰腺癌恶性表型形成的特异基因表达谱和可能的致病基因或疾病相关基因。确定肿瘤和其他疾病的诱因是疾病预防工作的第•步,很多种疾病受环境因素的影响,这其中包括了上千种合成或天然化合物、射线、病毒、食品,甚至某些很难确定的因素(如社会经济地位)。如何从大多数是无害的化合物中确定何种干匕合物与现行或可能的人类疾病有关乃是一个艰巨的工作。传统毒理学常利用啮齿类动物作生物检测以确定那些潜在的可能危害物。这样的检测常是在高剂量的条件下,需大量的实验动物、实验次数来满足完成一项研究的要求。这无疑是一项耗时耗力又耗资的工作。但通常还只不过是这项研究的开始:确定毒素如致癌剂的种类,分析其可能的作用机制。考虑到人类和实验动物的种间差异以及人类在实际环境中的低剂量等因素,单纯的生物检测所得结论还需作进一步分析。由于毒素无论是直接还是间接几乎都要改变基因表达模式,这使得基因表达成为目前在毒理学研究中广泛应用的一个高敏感、高信息量以及可在毒素作用的早期进行检测的生物标记。研究基因表达的方法不断推出,推动了毒理学研究的发展。20世纪90年代末期发展的DNA微列阵技术更是使研究者得以自动化、快速、平行地对大量的生物信息加以分析,在基因组水平上研究基因表达模式,成为当代毒理学研究的有力工具。实验中,研究者可将许多与毒素作用相关的基因固定在一张芯片上,研究这些在生命活动中发挥基本作用且已被很好研究过的基因的表达,称为毒理芯片。利用毒理芯片,研究者可以快速确定由于某一种毒素作用产生特征性的基因表达模式,作为这一种毒素的标记;或由一组毒素产生的基因表达上一系列共同的改变作为这一组毒素的标记。在同一实验系统内,这些标记的总和构成了一幅由于有毒化合物作用产生的基因表达图。由此可按图索骥,根据待测化合物产生的基因表达模式与此的匹配情况,判断这种化合物的毒性、类别以及可能的作用机制。美国国家人类基因组研究所NIEHs组的科学家已成功的将包括凋亡基因、细胞周期调控基因、细胞色素基因、DNA复制与损伤修复、热体克基因、管家基因、激酶基因、癌基因与抑癌基因、过氧化与氧化还原自稳基因、磷酸化酶基因、受体基因、转录因子基因以及雌激素、多环芳香族化合物、过氧化物酶体增殖因子反应基因在内的这几大类基因固定在毒理芯片上,用以在人类或其他实验模型如老鼠、酵母中进行研究。毒理芯片虽不能完全取代生物检测,但两者的结合,可大大降低传统实验所需实验动物数目和实验次数,从而节约了大量的财力、物力和人力。未来战争对军人的身体健康要求很高,不仅是生理的健康,还包括心理健康及智力方面的要求。目前,威胁军人身体健康的疾病主要包括各种传染病、遗传病、神经精神系统疾病等。随着人类基因组计划完成及后基因组计划的实施,微生物基因组计划的完成,许多威胁人类健康的疾病基因将被发现,此外,随着军事医学的发展,各种与体能有关的基因及机体对特殊环境的适应基因也将陆续被发现,这些都有助于生物芯片技术在选兵领域的应用。可以预测,在21世纪,分子选兵将有可能代替现行的健康选兵,生物芯片技术将广泛用于分子选兵、特别是对特种士兵的

监控有害微生物的发生和传播

利用生物芯片技术在整个微生物基因组水平丘进行的快速、平行的分析,联合其他生化及遗传学手段,加速了对已确定及新发现的微生物基因组功能的研究,加强了人类监测、预防传染性疾病白勺发生,控制其传播的能力。生物芯片技术在营养研究领域将发挥重要作用:营养与肿瘤相关基因表达的研究,如癌基因、抑癌基因的表达与突变;营养与心脑血管疾病关系的分子水平研究;营养与高血压、糖尿病、免疫系统疾病、神经系统、内分泌系统关系的分子水平研究。近年来,在肥胖研究中人们发现了与营养及肥胖有关的蛋白和基因,如瘦素、神经肤Y、增食因子、黑色素皮质素、载脂蛋白、非偶联蛋白等。采用生物芯片技术研究营养素与蛋白和基因表达的关系,将为揭示肥胖的发生机理及预防打下基础。此外,还可以利用生物芯片技术研究金属硫蛋白/金属硫蛋白基因及锌转运体基因等与锌等微量元素的吸收、转运与分布的关系;视黄醇受体/视黄醇受体基因与维生素A的吸收、转运与代谢的关系等。生物芯片在食品卫生方面也具有较好的应用前景。食品营养成分的分析(蛋白质),食品中有毒、有害化学物质的分析、检测(农药、化肥、重金属、激素等),食品中污染的致病微生物的检测,食品中生物毒素(细菌毒素、真菌毒素)的检测等大量的监督检测工作几乎都可以用生物芯片来完成。生物芯片技术在环境卫生学领域具有广阔的应用前景。首先是环境污染物的检测、监测与评价:环境污染物主要包括有机污染物、无机污染物、微生物及毒素等,其中我们可以采用免疫(蛋白)芯片来检测有机污染物,利用酶芯片检测无机污染物,利用免疫芯片和/或基因芯{川金测环境中的各种微生物。通过这些技术,可以对环境质量进行评价。其次,可以利用生物芯片技术研究环境污染物对人体健康的影响:包括环境污染物致癌机理研究,环境污染物对人体敏感基因的作用研究等。此外,生物芯片技术还可以在环境污染物的分布与转归研究、环境污染物治理效果评价、环境生物修复微生物的筛选与改造等领域发挥作用。目前,毒理芯片已经成为环境毒理学研究的热点。毒理芯片可帮助预防环境暴露引起的某些疾病,还可用于新药的临床试验,甚至建议合适的治疗剂量。上海细胞生物学研究所、上海博道基因技术有限公司和_}二海联合基因科技集团都在进行DNA芯片的制备和应用研究,研制成功的“基因表达谱”芯片已在上海投人规模化生产。这组“基因表达谱”芯片,探针密度达6干个/卜n护,代表4万多种人类基因,价格仅为国外同类产品的1/8。我国中西部最大的生物芯片生产基地由西安高科股份实业公司与解放军第四军医大学和中科院西安光机所合作,投资1亿元人民币联合开发生产,可广泛用于临床检测的生物芯片。根据合同,三方合资合作研制、生产包括肤芯片和DNA芯片两大类8个品种以及荧光、激光芯片阅读仪。上海、深圳、北京、西安并列中国四个基因工程重要城市。

毒物的筛选及毒作用机制的研究

随着人类社会的发展和生活条件的改善,人们在从事生产或日常工作中接触化学物质的品种和数量愈来愈多,国际一流科学刊物收录报道的化学物质为2683319种,其中有杉环口无恻七合物为171()546c)种。因此,筛选出对人体有毒性作用或潜在毒作用的物质并采取适当的预防措施是毒理学研究的主要内容。目前,我们已知的明确毒物仅占很小的比例,因此,如何快速、准确、可靠的筛选毒物是毒理学家所面临的一大挑战。基因芯片的出现为此提供了一条捷径。利用基因芯片技术可以更高效地监侧环境有害物质及其DNA效应,)牛可通过化学结构的相似性和基因表达模式的匹配性来迅速确定未知毒物的作用机制。评价外来坏境因素的遗传毒性及其致癌性是遗传毒理学的重要研究内容之一。已知环境因素可与机体内的许多靶分子发生作用,但最终诱导癌变的途径有两个:其一是对某些关键基因的结构及其表达调控的影响(即基因效应);其二是重要的喇司代谢途径的改变(基因外效应)。它们都最终影响基因的表达,使细胞的遗传学特征和生物学功能发生改变。因此,基因结构和表达调控的改变是一个非常有价值的遗传监测窗口。基因芯片技术的应用,使基因结构和表达的研究变得简便易行。通过与芯片上的寡核昔酸序列的杂交,找出各类化学物质所致特异性的基因结构与表达改变,多次试验后,确定其规律性和普遍性就有可能以此为检测终点,来进行致癌性检测与评价。由于特定种类化合物质可以引起一定系列基因结构和表达异常,因此,可以建立起相应的检测模型系统,以便于同类化学物质的致癌性评价。另外,如何早期确定低剂量水平下化学物的毒性作用(包括致癌作用)亦是毒理学所迫切需要解决的一个问题,DNA芯片为其提供了一条捷径。众所周知,接触化学物后,基因结构和表达的改变要远远早于病理学的改变,因此,利用基因芯片可以及早、快速地检测基因水平的变化,以此为诊断标准,尽快采取预防措施(如避免接触或采取防护措施等),以防止进一步的损伤,真正做到“早期发现,早期诊断,早期治疗”。劳动卫生主要研究劳动生理、军事训练卫生、噪声、振动、有害气体、激光及微波辐射卫生防护等。生物芯片技术在军事劳动卫生领域主要用于特殊体质的研究与筛选(基于基因水平的)、脑功能及特殊脑作业效率的研究与评价、噪声敏感人群(噪声敏感基因携带者)的甄别与筛选、微波损伤的分子机理研究等。通过生物芯片一技术,可以建立一套评价和筛选特种兵(对体能或脑功能有特殊要求的)、炮兵(剔除噪声敏感基因携带者)等的方法,同时可以使特种武器损伤的分子机理研究方面更加深人,藉以提高我军的军事劳动卫生研究水平。环境医学主要研究寒冷、热及高原、低氧等对机体的作用以及机体对环境的适应等。生物芯片技术可用于机体对寒冷、热及高原低氧的习服与适应机理研究,并指导促进习服、适应措施的研究,如热体克蛋白、冷体克蛋白及其相关基因的变化等;还可以研究高原、低氧对机体的损伤(高原病)机理,预防与治疗药物的研制与开发等。生物战剂与化学战剂的侦检是一项很复杂且又十分重要的工作,目前很难对所有的生物与化学战剂进行快速而准确的检测。然而,采用生物芯片技术有可能较容易地完成这一艰巨任务。如可以采用基因芯片技术检测细菌、病毒、支原体、衣原体、立克次氏体等微生物;利用蛋白芯片检测各种蛋白毒素类;利用免疫或酶芯片侦检化学战剂。据悉,目前外军都在积极地研制用于生物战剂与化学战剂侦检的生物芯片〔陕西超群科技股份有限公司承担的国家“863”计划“基因工程DNA芯片项目”经国家药品监督管理局批准,成为我国第一个取得DNA芯片试生产批号的企业。该公司又获得中国农业银行1块西省分行1亿元人民币的资金支持,首批规模化生产的sPGc一2()。型DNA芯片已上市。这种DNA芯片主要用于检测乙肝病毒、丙肝病毒和爱滋病毒等传染疾病和遗传疾病,它是我国研制的第一块具有中国人知识产权的DNA芯片。国家计生委已与这家公司签订合作协议,决定将这一高新技术引人我国的出生缺陷千预工程,对我国每年4()0o万育龄人群进行婚前检查,20()O万胎儿进行产前检侧。从20()3年下半年起,DNA芯片就可在部分新生儿和育龄人群里进行疾病检测,预计在几年内这一技术就可在全国普及。有关人上预算,按照这个协议,这种DNA芯片已有了72亿元的市场,如果考虑其他方面的应用,它的市场将接近千亿元。生物芯片将帮助人们解开基因之谜,彻底地革新目前的医学诊断和治疗方式,甚至改变人们对生命的理解。生物芯片的时代就要到来了,它将比电脑芯片具有更强的冲击力,因为它关系到我们每一个人的身体健康和生命。

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