word未来 15 年 5 大生物技术前沿技术与新科技介绍摘要：生 物技术和生命科学将成为 21 世纪引发新科技 GM的重要推动力量关键字： 靶标发现技术 新一代工业生物技术 生物芯片 生物柴油国务院日前发布的《国家中长期科学和技术开展规划纲要 (2006-2020 年)》( 以下简称《纲要》 ) 中提出了五项生物技术作为未来 15 年我国前沿技术的重点 研究领域这五项生物前沿技术分别是：——靶标发现技术 靶标的发现对开展创新药物、 生物诊断和生物治疗技术具有 重要意义重点研究生理和病理过程中关键基因功能与其调控网络的规模化识别，突破疾病相关基因的功能识别、表达调控与靶标筛查和确证技术， “从基因到药物〞的新药创制技术——动植物品种与药物分子设计技术 动植物品种与药物分子设计是基于生物大 分子三维结构的分子对接、 分子模拟以与分子设计技术 重点研究蛋白质与细胞动态过程生物信息分析、整合、模拟技术，动植物品种与药物虚拟设计技术，动植物品种生长与药物代谢工程模拟技术， 计算机辅助组合化合物库设计、 合成和筛选等技术。
——基因操作和蛋白质工程技术 基因操作技术是基因资源利用的关键技术 蛋 白质工程是高效利用基因产物的重要途径 重点研究基因的高效表达与其调控技 术、染色体结构与定位整合技术、 编码蛋白基因的人工设计与改造技术、 蛋白质 肽链的修饰与改构技术、蛋白质结构解析技术、蛋白质规模化别离纯化技术——基于干细胞的人体组织工程技术 干细胞技术可在体外培养干细胞， 定向诱 导分化为各种组织细胞供临床所需， 也可在体外构建出人体器官， 用于替代与修 复性治疗重点研究治疗性克隆技术， 干细胞体外建系和定向诱导技术， 人体结 构组织体外构建与规模化生产技术， 人体多细胞复杂结构组织构建与缺损修复技 术和生物制造技术——新一代工业生物技术生物催化和生物转化是新一代工业生物技术的主体重点研究功能菌株大规模筛选技术， 生物催化剂定向改造技术， 规模化工业生产 的生物催化技术系统，清洁转化介质创制技术与工业化成套转化技术1 / 18word有关专家指出， 基因组学和蛋白质组学研究正在引领生物技术向系统化研究 方向开展， 基因组序列测定与基因结构分析已转向功能基因组研究以与功能基因 的发现和应用； 药物与动植物品种的分子定向设计与构建已成为种质和药物研究的重要方向； 生物芯片、 干细胞和组织工程等前沿技术研究与应用， 孕育着诊断、治疗与再生医学的重大突破。
我国必须在功能基因组、蛋白质组、 干细胞与治疗性克隆、组织工程、生物催化与转化技术等方面取得关键性突破 一、 生物芯片[ 关键词] 生物芯片 ; 细胞芯片 ; 细胞免疫芯片 ; 细胞检测细胞芯片技术是以活细胞作为研究对象的一种生物芯片技术 它是适应后基因组时代人类对生命科学探索的要求而产生的 作为细胞研究领域的一种新技术 ,其既保持传统的细胞研究方法的优点如原位检测等 , 又满足了高通量获取活细 胞信息等方面的要求 本文中扼要介绍细胞芯片的概念以与几种已报道的细胞芯片 , 并对细胞免疫芯片进展了简述1 细胞芯片概念生物芯片技术系指先将大量探针分子固定于支持物上 , 然后与标记的样品 分子进展杂交 , 通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息 , 以实现对细胞、 蛋白质、 基因与其他生物组分的准确、 快速、大信息量的检测 细胞作为生物有机体结构和功能的根本单位 , 其生物学功能容量巨大。
利用生物芯片技术研究细胞 , 在细胞的代谢机制、 细胞内生物电化学信号识别传导机制、 细胞内各种复合组件控制以与细胞内环境的稳定等方面 ,都具有其它传统方法无法比拟的优越性 目前 , 细胞芯片在国内外已有报道 , 一般指的是充分运用显微技术或纳米技术 , 利用一系列几何学、 力学、 电磁学等原理 , 在芯片上完成对细胞的捕获、 固定、 平衡、 运输、 刺激与培养等准确控制 , 并通过微型化的化学分析方法 , 实现对细胞样品的高通量、 多参数、 连续原位信号检测和细胞组分的理化分析等研究目的新型的细胞芯片应 满足以下 3 个方面的功能 : ①在芯片上实现对细胞的准确控制与运输 ; ②在芯 片上完成对细胞的特征化修饰 ; ③在芯片上实现细胞与内外环境的交流和联系 [1] 2 细胞芯片的特点2 / 18word基于细胞芯片的研究分析是一种具有较高通量的技术 , 以细胞作为实验平 台的细胞芯片至少具有以下 3 个方面的特点 : ①在芯片上实现对活细胞的原位监测 , 可以多参数高通量的直接获得与细胞相关的大量功能信息 〔即关于细胞对各种刺激的应答信息〕 , 这是细胞芯片最重要的特点 ; ②通过活细胞分析 , 获得 细胞相关的分析信息 〔主要是关于各种刺激物的数量、 质量等相关方面的信息〕 ;③利用显微技术和纳米技术能准确的控制细胞内的生物化学环境 , 以细胞作为 化学反响的纳米反响器 , 便于详细的研究揭示细胞内一系列过程和原理的本质[1] 。
3 细胞芯片的分类和应用整合的微流体细胞芯片 (an integrated microfluidic system) 整合的微流体细胞芯片是一种高度平行化、 自动化的集成微型芯片装置 , 对细胞样品具有预处理和分析的能力 , 又称微全分析系统〔 integrated micro total analysis system, μTAS〕 [1] 通过在芯片上构建各种微流路通道体系 , 并运用不同的方法在流体通道体系中准确控制细胞的传输、 平衡与定位 , 进而实现对细胞样品进展药物刺激等实验过程的原位监测和细胞组分的分析等研究 Larry 等[2] 在芯片上设计了一种具有三维流动控制概念的装置 , 该装置包含一条流体通道和一个中心伸展的 V 型屏障 , 屏障以具有斜坡的一面对应于流体通道 屏障斜坡是细胞平衡、 固定的关键结构 , 细胞的平衡、 固定是通过控制流体通道中试剂流 体的流动速度、 斜坡对细胞的支持力和细胞向下的重力相互作用完成的。
他们在该装置上实现了单个酵母细胞的培养、 去除胞壁、 扫描、 梯度药物浓度刺激和细胞荧光测量等研究 Yang 等[3] 在芯片上设计了一种并行于流体通道的带有“码头〞的“坝〞结构 , 该流路和 “坝〞的作用类似于 Larry 等设计的 V 型屏障和流路 , 通过网状流体通路和“坝〞的长短分配药剂流 , 产生药剂的浓度梯度他们选择了 Ca2+吸收呈 ATP依赖型的 HL60细胞作为模型 , 检测了诱导显著 的细胞内 Ca2+信号行为的 ATP浓度阈值 , 利用细胞芯片原位监测细胞对系列药 物浓度梯度刺激的胞内应答行为 瑞典兰德大学神经生理学院的 Davidsson 等[4] 选用 HeLa细胞作为模式细胞 , 在芯片上监测细胞内已报道的基因活性并检测了这些基因表达的条件 , 以减少基因的不确定表达 Munce等[5] 在芯片上进展了单细胞毛细管电泳别离 , 他们在芯片上构建多重并联的毛细管通道 , 以满足高3 / 18word通量分析和防止别离样品交叉污染的需求。
此外 , 还有在芯片上同时构建流路和别离、 排列、 定位细胞所需空间的微孔或沟槽等结构的芯片类型 , 用于细胞的多参数检测筛选整合的微流体细胞芯片制作方法多样 应用的 X围也比拟广泛 , 内容涉与细胞的固定培养、位检测、 药物开发筛选和组分分析等各个方面, 类型不一 , 开展较快 ,鉴定筛选、 分化刺激、 原微量电穿孔细胞芯片 (microelectroporation cell chip) 当给细胞一定的阈电压时 , 细胞膜具有短暂的强渗透性利用细胞膜的这种特性将外源 DNA、RNA、 蛋白质、 多肽、 氨基酸和药物试剂等准确的转导入靶细胞的技术称为电 穿孔技术 该技术能直接应用于基因治疗 微量电穿孔细胞芯片正是将这种技术 与生物芯片技术相结合的产物 , 是细胞操作调控微型化的一种手段 该技术采用 一种微型装置 , 将细胞与芯片上的电子集成电路相结合 , 利用细胞膜微孔的渗 透性 , 通过控制电子集成电路使细胞面临一定的电压 , 电压使细胞膜微孔 X开 ,从而在不影响周围细胞的情况下可将外源 DNA, RNA、 蛋白质、 多肽、 氨基酸和药物试剂等生物大分子或制剂等顺利的导入或从靶细胞中提取出来 , 并进展后续研究。
这种技术为研究细胞间遗传物质的转导、 变异、 表达以与控制细胞内化学反响提供了可能最先进展这种单细胞电穿孔尝试的是 Huang和Rubinsky[6] 的科研小组 , 他们最终找到了一种利用电穿孔细胞芯片控制人体细胞活动的方法 Shin 等[7] 运用聚二甲基硅氧烷等材料构建了电穿孔细胞芯片 ,他们在芯片上构建一条长 2 cm高 20 μm的流体通道 , 通过指数衰变式脉冲发生 器对通道内的细胞进展电穿孔实验 , 测量了细胞电穿孔时各种参数 , 原位观察 了碘化丙啶被 SKOV3细胞株吸收的全过程 , 并成功的将绿色荧光标志的蛋白基 因转染了 SKOV3细胞 , 监测了活细胞内 DNA逆传的规律需要指出的是 , Shin等制作的芯片也是通过流体通路来实现对细胞的控制的 此外 , 也可以采用纳米针和纳米管等显微操作穿刺细胞膜 , 并在芯片上构建纳米通道 。