生物芯片是目前生物技術(shù)中主要的技術(shù)之一。研究人員從計(jì)算機(jī)技術(shù)中借用了微型化、整合、平行化處理的技術(shù)來發(fā)展在芯片上的實(shí)驗(yàn)室裝置和處理過程。一般地，在芯片上的靶標(biāo)是有序排列的樣本，如cDNA，寡核苷酸或者蛋白質(zhì)等。宏觀矩陣（Macroarraying）也可稱之為畫格子，把樣本點(diǎn)到比較大的尼龍膜上，通過雜交來分析它們。然而，微矩陣（Microarraying）的點(diǎn)直徑小于200微米，并需要顯微分析。把那么多的信息放在一個(gè)很小的空間里使得微矩陣有明顯的優(yōu)勢。一個(gè)微矩陣（DNA microarray）只占有幾平方厘米的空間，但是包含了上千個(gè)靶點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)代表了一個(gè)基因的部分。因此，在芯片上設(shè)計(jì)包含一個(gè)復(fù)雜生物體的所有基因，大約30000到60000個(gè)是可能的。
　　隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，有很多的語言來描述它。至少有23種不同的術(shù)語來描述微矩陣。最常用的是稱之為“DNA芯片”（DNA chip），雖然“基因芯片”（geng chip）這個(gè)詞有時(shí)也用，但是GeneChip是Affymetrix公司基因分析研究用的專利微矩陣，它能夠在一片上擺放多至400000個(gè)不同的寡核苷酸片段或10000個(gè)基因的每個(gè)基因的40個(gè)片段。

　　DNA微矩陣系統(tǒng)是多用途的工具，可以用來變異分析，基因測序和基因表達(dá)分析。這些系統(tǒng)組合了DNA芯片和樣本處理裝置，用于閱讀信號分子的掃描儀，分析數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)工具等。通過與固定在芯片上的寡核苷酸雜交，可以容易地在基因組規(guī)模上來定量分析特定mRNAs的表達(dá)或檢測基因組DNA的多態(tài)性。

　　芯片技術(shù)也可以用來分析蛋白質(zhì)。如產(chǎn)品ProteinChip（Ciphergen biosystem Inc., Fremont, California）能把蛋白質(zhì)點(diǎn)陣到經(jīng)化學(xué)方法或酶、受體、抗體等生物學(xué)方法處理過的固體表面。通過衡量與芯片表面的親和力來分析未知分子，用聚焦的激光能量把它們從表面分離下來，根據(jù)分子量來檢測。這樣的芯片可以用來進(jìn)行免疫分析，蛋白—蛋白間的相互作用和配體結(jié)合分析。這兒主要集中于講DNA芯片的使用和不同類型的蛋白芯片。

　　DNA微矩陣是一種同時(shí)對上千個(gè)基因的表達(dá)進(jìn)行分析的好工具。最普遍的是，微矩陣分析是通過熒光標(biāo)記的cDNAs（來自RNA）與固定在芯片上的序列雜交。這兒，探針指的是熒光標(biāo)記的DNAs，靶標(biāo)指的是固定的序列。這些定義與傳統(tǒng)的雜交技術(shù)中的剛好相反，所以讀者需要注意。

　　用于基因表達(dá)的微矩陣分析包括以下幾個(gè)步驟：

　　1） 矩陣的構(gòu)建。點(diǎn)到芯片上的DNAs可以是cDNAs（部分或完整的），基因組DNAs，或者是化學(xué)合成的寡核苷酸序列。

　　2） 探針的準(zhǔn)備。從樣本中抽提出RNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA。后面這一步驟包括了熒光染料整合到每個(gè)樣本的探針中。

　　3） 探針與矩陣的雜交。來自兩個(gè)樣本的探針混合在一起，在芯片上都有其互補(bǔ)序列。就如傳統(tǒng)的核酸雜交，雜交條件經(jīng)過優(yōu)化使背景最小。未結(jié)合上的探針在掃描前被沖洗掉。

　　4） 掃描和檢測。用激光共聚焦的掃描儀來掃描雜交后的矩陣，檢測用來標(biāo)記探針的兩種熒光染料。熒光信息存儲在電腦中，并進(jìn)行分析和圖象建設(shè)。

　　5） 標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)分析。對每一種染料掃描后的圖象通過一定的軟件處理并合并得到每個(gè)點(diǎn)的重疊圖。點(diǎn)數(shù)和每點(diǎn)的強(qiáng)度定量確定，確定背景強(qiáng)度并被減掉。對照點(diǎn)，或是額外加入的序列，或是報(bào)道基因，或是每個(gè)樣本的總的熒光信號強(qiáng)度，來幫助校正兩種熒光染料的標(biāo)記差異和檢測效率。一般的，兩個(gè)樣本中的每個(gè)基因信號用控制好的強(qiáng)度進(jìn)行掃描測量。

　　基于DNA矩陣的技術(shù)提供了相對簡單的方法來同時(shí)測量生物體中的所有基因的差異表達(dá)，如在不同的細(xì)胞或組織樣本中的RNA轉(zhuǎn)錄物的相對水平。當(dāng)兩個(gè)不同來源（對照和疾病組織）的特定RNAs的水平差異可以通過兩種不同的顏色來代表，如藍(lán)和黃。如果在兩個(gè)組織中的一個(gè)基因的表達(dá)水平相同，電腦會用綠顏色表示。用藍(lán)或綠代表顏色的變化表明基因表達(dá)有差異。用芯片技術(shù)來平行化分析基因的表達(dá)，使得我們可以來了解參予基因表達(dá)調(diào)節(jié)的細(xì)胞中的過程。DNA矩陣的信息使研究者可以來研究在濾過性病菌感染而引起的疾病狀態(tài)下的或細(xì)胞轉(zhuǎn)化引起腫瘤狀態(tài)下的基因表達(dá)。對這些變化的更全面的了解有助于對病毒復(fù)制，發(fā)病機(jī)理和宿主抗病毒機(jī)理的了解。

　　微矩陣分析產(chǎn)生了巨大的數(shù)據(jù)組。例如，對六個(gè)樣本的芯片實(shí)驗(yàn)，約有50000個(gè)基因，以及10個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生3000000條基本數(shù)據(jù)。樣本圖象的交差對比分析將把此數(shù)據(jù)信息成倍翻番。這么多的數(shù)據(jù)需要大規(guī)模的信息存儲，分析和管理。這樣的生物數(shù)據(jù)的挖掘和存儲系統(tǒng)近來已進(jìn)入市場。軟件包幫助了研究者，使他們在進(jìn)行對矩陣的分析較為簡單，如圖象的組合、定量和轉(zhuǎn)化成表達(dá)信息，以便于進(jìn)一步的研究和確證。基因表達(dá)模式的分析有助于研究者對藥物作用機(jī)理的研究。例如通過cDNA微矩陣來研究ferrioxamine的作用，它是酵母中的鐵離子鏊合物，通過轉(zhuǎn)錄因子Aft1調(diào)節(jié)鐵的吸收，因?yàn)殍F的處理提高了Aft1的活性。這個(gè)結(jié)果說明了酵母中有兩組ATF-1調(diào)節(jié)基因，它們維持了不同的ferrioxamine介導(dǎo)的鐵離子吸收途徑。高親合性的亞鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中的一個(gè)組分Fet3p表達(dá)在細(xì)胞膜上；然而，Arn3p高鐵離子介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)表達(dá)在細(xì)胞內(nèi)小泡。

　　在藥物研發(fā)過程中高通量的基因表達(dá)分析扮演著一個(gè)重要的角色。用微矩陣，可以在基因組水平上來檢測基因表達(dá)，可以確定疾病細(xì)胞的基因表達(dá)模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標(biāo)。微矩陣技術(shù)也加快了藥物靶標(biāo)的確認(rèn)和確定二級藥物靶標(biāo)的效應(yīng)，幫助確定藥物的副作用或與其他藥物的作用。

　　分子診斷學(xué)也是微矩陣技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方面。隨著微生物基因組序列作為特定的遺傳標(biāo)記，這些遺傳標(biāo)記點(diǎn)陣到玻璃片上制成DNA芯片。靶標(biāo)DNA可以從臨床測試標(biāo)本中抽提出來，用一種熒光染料標(biāo)記，然后與芯片上的基因組序列雜交。與芯片上的靶序列形成雙聚體，在有探針的位置則有熒光信號。通過熒光信號確定靶標(biāo)序列，因此來確定樣本中是否存在這種微生物。微矩陣技術(shù)已經(jīng)用來檢測癌癥細(xì)胞中的基因表達(dá)和檢測乳腺癌中的BRCA1基因的突變。組織芯片也已發(fā)展起來，在同一芯片上可以同時(shí)分析多達(dá)1000個(gè)腫瘤樣本。這一方法已經(jīng)用來快速鑒定膀胱癌分子變異。

　　人類基因組測序工作的完成和分析序列變異的技術(shù)將促進(jìn)全球的人基因的變異研究。用微矩陣技術(shù)來進(jìn)行基因表達(dá)譜、基因型、突變檢測和基因發(fā)現(xiàn)的研究，可以探知以前僅知道序列的成千個(gè)基因的功能。基于微矩陣的比較基因組學(xué)也是富有前途的，用來探索微生物感染的分子流行病學(xué)。用高密度的微矩陣寡核苷酸技術(shù)來研究Mycobacterium tuberculosis，檢測小范圍的基因缺失和研究與病原性減弱趨向相關(guān)的特定基因突變。

　　小范圍的DNA的單個(gè)堿基的變異稱為單核苷酸多態(tài)性，通過基因來能夠區(qū)分不同的個(gè)體。把包含SNP的寡核苷酸序列固定到表面，每個(gè)序列含有一個(gè)特定的SNP。為了確定個(gè)體基因組中是否存在SNP，從個(gè)體中得到的DNA同芯片雜交。如果一個(gè)特定的SNP存在，則熒光標(biāo)記的基因組探針在相應(yīng)位置上顯示陽性信號。如果不存在，則不顯示信號。一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是對每個(gè)個(gè)體必須用一片微矩陣或芯片進(jìn)行檢測，這可能是一個(gè)大規(guī)模的昂貴的檢測。

　　OmniScan（PolyGenyx Inc., Worcester, Massachusetts）,把多個(gè)個(gè)體的基因組而不是SNPs固定到芯片上。因此，SNP的檢測通過SNPs與固體表面的靶標(biāo)結(jié)合而不是基因組序列。這樣允許多達(dá)10000個(gè)體的DNA固定到一片上，然后同時(shí)分析它們。這個(gè)平行化處理的手段比大群體的系列研究要有效的多。

　　SNP基因型和新出現(xiàn)的藥物基因組學(xué)可能領(lǐng)導(dǎo)著大規(guī)模基因掃描和個(gè)體化診療，最適合個(gè)體基因型的醫(yī)療和用藥。記錄在一個(gè)生物芯片的個(gè)體遺傳信息能夠用來確定個(gè)體的疾病易感和最佳的治療手段。在不久的將來，微芯片將作為病人手頭或醫(yī)生辦公室手持式的診斷工具。自動的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以掃描患者的基因組，通過計(jì)算機(jī)分析預(yù)測患者對特定藥物的反應(yīng)。因此，在幾分鐘內(nèi)決定每個(gè)病人的理想治療過程是可能的。但是在這樣的技術(shù)可以使用之前，伴隨著疾病遺傳譜的隱私和倫理問題需要解決。

　　醫(yī)學(xué)的一個(gè)嶄新的世紀(jì)展現(xiàn)在我們面前。微矩陣技術(shù)因?yàn)樗�的掃描和檢測能力將幫助人類實(shí)現(xiàn)全面的保健和個(gè)體化治療。