蛋白质芯片及其在临床医学上的应用
摘要：对21世纪出现的新型生物芯片——蛋白质芯片的基本构成、使用方法、临床应用、目前进展等作简要介绍，并评估其独特的研究贡献及今后迅猛的发展前景。随着人类基因组大部分测序工作的完成，基因框架图已经绘就，但是，基因的功能不仅仅由排序决定，它给予生命的信息之多、变异之广使罹病机制成了一个极其复杂的问题，而基因治疗造成的患者死亡及转基因克隆物种出现的变异更促使我们认识到，目前距彻底了解它们并实施疾病治疗仍有漫长的路要走。
蛋白质能直接反映基因给予的信息，它的功能一旦出现异常就可引发疾病，因此，研究其组成及性质是揭示基因和疾病连结链条中的关键一环。以往，有关蛋白质的研究多采用色谱分离纯化、二维电泳、光谱、质谱定量定性等分析化学的研究技术。运用这些手段进行研究所必需的技术条件要求高，仪器昂贵，步骤繁琐，耗时冗长，不适应大规模的筛查和临床检测。基因芯片的诞生为今天蛋白质研究的提速提供了一条发展的高速路，美国和西方国家已率先开发研制出了一条发展的高速路，美国和西方国家已率选 开发研制出了蛋白质芯片这一高新技术。据Bioinsight公司调查，迄今为止全球至少有12家以上的公司正涉足这一领域的发展，且辐射效应之快呈几何级数迅猛递增。估计到2006年蛋白质芯片的销售额将从2000年的4500万美元一路飚升至5亿美元。
1、蛋白质芯片的构成及使用
蛋白质芯片和基因芯片一样，同属于生物芯片（biochip）的范畴，它一般包括3个基本组成部分。
1.1特殊材料制成的固相载体
呈薄片型，外观可做成长条状、圆形或椭圆形等不同形状，经特定处理后承载吸附有关的生物制剂。常用的材质有硅、云母、各种膜片等。各公司制作芯片采用的载体材料基本差不太多。
1.2以特定方式固定在载体表面且有特定功能的生物制剂
对蛋白质芯片来说，这种探针包括特定蛋白质的抗体或受体，结合某些阳离子或阴离子的化学基因、吸水或疏水物质、酶、免疫复合物等，用化学固定技术固定在载体表面上，形成一个个点状芯池。制备时常常采用直接点样法，以避免蛋白质的空间结构改变，保持它和样品的特异性结合能力。现已有预置已知探针的多种芯片系统（ciphergen biosystems）出售，如微阵的列式、微孔板式、凝胶块状等类型。一般来说，一块载体上根据需要固定的芯池可多可少，研究用芯片的芯池数目较少，大多都在6～10个左右，多者可达10多个；但供规模生产用的芯片，其芯池数量要多得多。现有一种构象型蛋白质芯片，其芯池数目高达1600个/cm2，呈微距阵排列，点样时须用机械手进行，可同时检测数千个样品。使用时先将需要检测的含有蛋白质的标本如尿液、血清、精液、组织提取物等按一定程序做好层析、电泳、色谱等前处理，然后在每个芯池内点入需要的种类，一般样品量只要2μl～μl的微量即可，根据测定目的的不同可选用含有不同探针的芯片。让标本在每个芯池中与特定的探针结合或与其中含有的生物制剂相互作用一段时间，然后洗去未结合的或多余的物质，将样品固定一下等待检测即可。
1.3准确定量检测载体探针上加入样品后发生微量变化的方法与手段
目前，国外进行蛋白质测定所使用的方针绝大部分是在质谱（MS）分析的基础上发展起来的新技术，常用且比较成熟的有基质辅助的激光解析电离化飞行时间（matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight,MALDI-TOF），以及在它基础上改进后实行的表面加强的激光解析电离化飞行时间（SELDI-TOF）。其原理是利用激光脉冲辐射使饼池中的分析物解析形成荷电离子，根据不同质荷比这些离子在仪器场中飞行的时间长短不一，由此绘制出一张质谱图，该图经计算机软件处理还可形成模拟谱图，同时直接显示样品中各种蛋白质的分子量、含量等信息，若将它与正常人或某种疾病患者的谱图，甚至基因库中的谱图进行对照，还能够最终发现和捕获新的特异性相关蛋白及其特征。整个测定过程一般可以几十分钟内就全部完成，且方法敏感，特异性高，同时不会破坏所测定的蛋白质。此外，尚在使用的方法还有原子力显微镜（atomaticforce microscopy，AFM）对测定物进行表面扫描，好激光捕获显微镜解剖技术（laser capture microdissection，LCM）以及荧光染色等，所有这些技术均是用来了解分析中目标蛋白的结合变化情况的。甚至有人正在研究将各种微泵、微阀、微流路、微电泳技术运用芯片上，以提高其分析检测的速度和灵敏度。
2、蛋白质芯片的临床应用进展
在识别特定蛋白质的表达物、进行蛋白质水平的药物筛选、揭示蛋白激酶的作用、测定血清中的小分子物质含量等方面均证实较现有技术更准确迅速。尤其在临床医学方面，对某些疾病，特别是癌症及遗传性疾病的相关蛋白的识别上取得了一系列突破性进展。
2.1老年性痴呆
应用蛋白质芯片技术对患者的组织和脑脊液进行检测，发现了一种微量的β-淀粉样蛋白肽（Abeta），约含39～43个氨基酸残端，目前它被公认为是人脑产生神经系统退行性改变的标志物，可导致基因突变并且能够毒害神经细胞。据报道，这种检测方法具有相当高的敏感性和极微量的定量分析能力，所需样品中只要有几百个有相关改变的细胞就能检测出来，实验在1周内即可完成，对早期病变的快速检出具有重大的临床意义。比传统的检测技术先进得多。目前在此基础上正在探索制成相应抗体进行人群筛查，有相当大的发展潜力。
2.2癌症相关蛋白
蛋白质芯片在此领域进展最快。有学者将乳腺癌、结肠癌、前列腺癌患者与非癌对照者的血清或排泄物样品通过蛋白质芯片进行了研究。分别用5种蛋白质芯片来分析，这些芯片包括含有反向结合的疏水表面、结合阳离子、结合与铜有亲和力的蛋白、结合与镍有亲和力的蛋白几种类型，根据特定条件下检测出的不同图谱寻找在癌症患者中存在而在正常人中没有特殊蛋白，然后从这些蛋白里选择出1～2个来进一步在其他癌症患者及健康人中加以验证。此后再在不同类型、不同阶段的恶性病变及良性病变中进行比较性研究，以确定这一蛋白的临床意义。现在经SELDI-TOF分析发现的癌症相关蛋白有以下几种。
