生物芯片(Biochip)技术是微加工技术与生物科技的结晶,涉及生物学、化学、微加工、光学、微电子、信息技术等多种前沿科学,其研究领域具有综合性。生物芯片能将研究中分散的反应、检测、分析等过程连续化、自动化、集成化、微型化，具有高通量、高敏感性、高准确率等突出优点。利用生物芯片技术可以快速、准确地对基因进行测序、扫描;对蛋白质进行定性、定量分析;对细胞进行分离、鉴定等。肿瘤是一类常见病、多发病，目前恶性肿瘤已成为危害人类健康最严重的疾病之一。肿瘤是机体在多因素作用下，局部组织的细胞基因调控失常，导致克隆性异常增生而形成的新生物。目前已经证实肿瘤的发生发展是一个多基因参与、多步骤、多阶段的过程,因此研究肿瘤发生和演进过程中的生物化学基础及发病机制，探索有关诊断、预后的生物学标记以及新型治疗靶点，寻找更好的诊断和治疗办法有很重要的现实意义。生物芯片技术可大大提高相关研究的效率和可靠性,现主要应用于肿瘤基因的筛选、肿瘤病因学研究、癌前病变的判断、提高诊断特异性和敏感性、分子治疗干预、肿瘤相关预后指标的评估等。
一、生物芯片的分类
目前,生物芯片根据检测分析的生物组分不同分为：基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片和细胞芯片。又可以根据工作原理不同分为：微阵列芯片、毛细管电泳芯片、免疫芯片、质谱分析芯片、液态芯片等。
1.基因芯片
基因芯片(Genechip)又称DNA芯片或微阵列(DNAchip或DNAmicroarray)，即在固相载体上按特定顺序，高密度地排列已知的特定序列核苷酸，形成核苷酸微阵列，检测待测供试品中的互补序列。通常，提取供试品中的mRNA，通过逆转录形成荧光标记的cDNA，将荧光标记的cDNA与基因芯片上的已知序列进行杂交，通过激光共聚焦系统或电荷耦合器(CCD)检测形成的荧光信号，然后利用计算机软件对数据进行处理，即可得到供试品中大量基因序列特征或基因表达特征信息。
2.蛋白质芯片
蛋白质是生物体中各种具体功能的行使者，随着蛋白质组研究的不断展开，可以应用蛋白质芯片对细胞或组织所表达的众多蛋白质进行研究。蛋白质芯片是由固定于不同介质的蛋白微阵列组成，阵列中固定分子的位置及组成已知，用未经标记或标记(荧光物质、酶等标记)的生物分子与芯片的探针反应，通过特定的扫描进行检测及分析处理，以检测蛋白质的存在情况。根据用途，可分为蛋白质功能芯片和蛋白质检测芯片。
3.组织芯片
组织芯片是将数十个甚至数千个不同个体的组织标本按预先设计的顺序排列在一张固相载体上所形成的组织微阵列。组织芯片为医学病理学提供了一种高通量、大样本及快速的分子水平的分析工具，可对组织标本进行特定基因表达产物分析，对基因产物进行组织与细胞定位，可在基因、转录和表达产物的生物学功能这三个水平上进行研究。用组织芯片可研究肿瘤的扩增基因的筛选，对疾病的诊断、治疗及预后都有重要作用，可以为肿瘤的研究提供一种快速的高通量、大样本的疾病分析工具。
二、生物芯片的功能
1.突变基因检测
机体在内外环境的作用下，会发生基因突变的现象，基因突变是导致肿瘤发生的重要条件，检测基因突变对于阐明肿瘤的分子机制、肿瘤的早期诊断防治有重要的意义。基因芯片检测基因突变既可以准确地定位突变位点，又可以快速高效地同时检测多个基因乃至整个基因组突变。在1.28cm×1.28cm的芯片上，固定了个长度为20nt的寡核苷酸探针，用于检测乳腺癌基因BRCAI的exonⅡ(3.45kb)中所有可能的碱基置换、插入和缺失(1～5bp)突变。研究了BRCAI和卵巢相关癌基因可能发生关系。在15例样本中，发现14例基因突变，类型包括点突变、入及缺失等。在20例对照样本中均未发现假阳性情况。使用这种芯片一次即可检出BRCAI基因的所有突变位点，其敏感率高达93%，特异率为%。由此可见，基因芯片在肿瘤的诊断及肿瘤患者的筛查中有重要作用。
2.肿瘤相关扩增基因的筛选
肿瘤是多基因变异积累的结果,基因扩增或删减在不同类型多种肿瘤中广泛存在，使用常规方法很难大规模对基因进行分析，应用基因芯片，可快速大量地研究肿瘤的分子改变，筛选目的基因。经过对肺癌细胞的遗传特征进行了描述，认为人类肺癌、肿瘤中50多个基因组区域会时常发生增加或删减。
3.对肿瘤基因表达谱的检测
用基因芯片技术可以比较正常组织和肿瘤组织的基因表达谱的差异，以此来筛选新的肿瘤基因或肿瘤特异性基因。肿瘤在增殖周期中不同阶段、不同病理分期以及不同的诱导环境下，肿瘤细胞的基因表达均不相同，因此可利用基因芯片比较差异基因表达谱，从基因水平来检测肿瘤细胞的生长调节过程。经过用基因芯片测定了肺鳞状细胞癌的基因表达，发现有17条基因呈现高表达，其中4条为新基因，并通过Northern杂交和逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)证明了基因芯片的检测结果。基因芯片检测出的肿瘤特异性高，表达基因参与细胞信息传递、酶类及肿瘤共有抗原等3类。利用cDNA芯片研究恶性胶质瘤与正常脑组织基因表达谱的差异，发现28条差异基因中19条为新基因，其中一条高表达的微粒体蛋白基因与胶质瘤生长调控有关，表明该基因在原发脑肿瘤的发病机制与恶性转变过程中有重要作用。
4 基因芯片在肿瘤病因学研究方面
在肿瘤病因学研究中，基因芯片能在分子水平上进一步揭示传统方法(如形态学方法等)不能揭示的特征。因此，可将形态学、组织学相同的肿瘤，根据基因芯片揭示的基因表达图谱分成不同的亚类，以解释形态学、组织学相同的肿瘤对相同的治疗表现出不同的效果的原因，从而达到个性化治疗的目的。在对*曲霉*素B1(AFB1)诱导肝癌形成过程中基因的差异表达的研究中。应用AFB1建立动物模型，用AtlasTMcDNA基因芯片分析样本在不同时间点的基因表达水平，发现了89个基因表达差异，通过比较肝癌形成过程中不同时间点的基因表达水平，对了解功能基因的定位和AFB1诱导肝癌形成的机制有所帮助。有学者〕应用肿瘤的cDNA表达阵列检测了砷剂暴露人口中发生基因表达的改变。组织学检查显示肝脏出现变性，如慢性炎症、空泡变性和局灶性坏死。约60个基因(10%)在砷剂暴露肝脏中存在表达差异，包括细胞周期调节基因、凋亡相关基因、DNA修复基因等。这些基因的改变在砷剂*性和砷剂致癌中起重要作用。
5.基因芯片在肿瘤药物病理学研究方面
药物病理学是从病理学角度识别某个体是否存在某种药物的治疗性分子靶点的学科，是一种基于遗传学特征的用药个体的选择过程。对肿瘤发生与发展分子机制的研究进展将导致肿瘤治疗形式的改变，以此提高治疗效果。而且依据肿瘤发生机制中不同分子机制的研究，可针对此开发新药，以实现肿瘤治疗中的靶向治疗，尽快实现针对每个不同病人而进行的个性化治疗。基因芯片分析和构建相关网络分析资料，客观评价化疗敏感性和人肝癌细胞基因表达之间的关系。结果提示系统评价转录子在肝癌耐药研究中起重要作用，在指导调整抗癌药物合成方面有十分重要的价值。
6.肿瘤标志物的筛选与检测
随着生物芯片的发展，可利用蛋白质芯片的高通量优点，使肿瘤标记物的筛选和检测速度加快。蛋白质芯片技术和SDLD-MS对来自胰腺癌患者和非胰腺癌患者的胰腺进行分析，发现67%(10/15)的胰腺癌患者和17%(1/7)的其它胰腺病患者出现16.57kD蛋白的高表达。免疫分析证实为肝癌-肠-胰腺/胰腺炎联合蛋白I(HIP/PAP-I)。该蛋白≥20mg/ml时，患者患胰腺癌的可能性增大。
7.抗肿瘤药物筛选和检测
通过对肿瘤相关蛋白质的检测不仅可以了解疾病的进展，也有可能发现新的诊断标志物或蛋白质类的药物。运用蛋白质芯片可分析每种药物对蛋白质水平的影响，以完成对抗肿瘤药物的筛选与测试，并进行新药的研发。利用生物芯片技术研究中草药的有效组分T3d时发现，T3d可以阻断肿瘤血管内皮细胞的部分细胞信号转导通路，最终使肿瘤细胞发生凋亡，并对抑制肿瘤的侵袭和转移有一定的作用。用含00个基因的微阵列对60个细胞系的基因表达谱进行分析，获得一系列的标准曲线，发现大部分细胞系保留了其原代分离组织的特征基因表达;又进一步评价了种化合物对这些细胞系基因表达的影响，从中筛选出抗肿瘤药物候选化合物，并对其作临床评价。用基因芯片快速地检测肿瘤患者对Cisplatin作用后的反应，发现肿瘤细胞受到药物作用24h后，mRNA的表达发生改变，推断出该药物的药理作用及对不同肿瘤细胞的杀伤效应。生物芯片的高通量检测技术，同时可应用于中医药有效成分的检测与分离，对中药分子机理、药物活性、*性评价等基础研究带来了契机。
8.在肿瘤预后和疗效评价的作用
很多种类的肿瘤治疗复发率高,传统方法对准确预测复发有局限性，而基因芯片可以从基因水平对肿瘤进行预后和疗效方面的评价，以指导对病症的治疗。在肝癌的治疗中，应用高密度寡核苷酸基因芯片，研究1组含33个HCC患者的组织样本的mRNA表达谱，预测1年内外科术后早期肝外复发或非复发率为93(25/27)、阳性预测值为88%、阴性预测值为95%。肿瘤是多基因变异累计的结果，每个肿瘤中异常基因数量达～，传统基因分析法分析的基因数目少，无法全面研究如此复杂的肿瘤基因作用机制及基因之间的相互关系，而具有高通量、高灵敏度、高特异性的特点的基因芯片则适于肿瘤基因的表达研究，与传统方法相比，基因芯片可以更多地揭示基因之间的内在作用，能更全面地研究某一病症的相关基因,使研究更具有目的性、全面性和系统性。
三、生物芯片存在的问题
肿瘤的发生是多种蛋白参与的复杂过程。目前肿瘤的治疗尚未取得突破的主要原因就是因为各种癌变细胞的生物学特性复杂以及肿瘤发生癌变的机制不清。生物芯片作为多学科的综合研究领域，在肿瘤的研究中具有重要的地位，以其独特的优势为肿瘤的诊断和治疗提供了不可替代的作用，生物芯片虽然经历了十多年的发展，但将生物芯片应用于临床尚有许多问题亟待解决。例如：①如何降低成本、提高生物芯片的特异性、简化样品制备和标记操作、提高检测的灵敏度,以及如何将生物芯片技术与其他生物学技术联合应用以提高检测水平等；②在诊断方面，需要确定生物芯片诊断的指标和统一标准，便于执行操作；③充实与各种类型的肿瘤相关的基因表达的数据库，使之能够准确地评价所观察基因的表达量；④应建立高效完善的蛋白质数据库，建立完整而无冗余的蛋白质数据库是肿瘤蛋白质组学发展的关键因素之一；⑤与组织芯片相配套的读片系统、信息处理系统还不够完善，大部分还需要人工处理，工作量大且降低了检测效率。因此急需开展生物芯片生物信息学技术的研究工作。
四、生物芯片的应用前景
短短几年，生物芯片技术已在生物学、医学、农业、环保和食品科学等领域取得了丰硕的成果。生物芯片容纳的信息量大，并可以根据不同的目的和需要进行构建，可用于基因表达和功能的研究。当前无论是疾病基因组计划、蛋白质组计划或是肿瘤基因组计划的实施，都离不开生物芯片技术。目前生物芯片技术虽然还处于不断完善成熟的过程中，许多问题都有待于在实际工作中加以解决，但其巨大的经济潜力和重要的科研及应用价值已引起了科学家的极大