Биочип - Biochip

На биочипе видны сотни гелевых капель.

В молекулярная биология, биочипы По сути, это миниатюрные лаборатории, которые могут одновременно проводить сотни или тысячи биохимических реакций. Биочипы позволяют исследователям быстро проверять большое количество биологических аналитов для различных целей, от диагностики заболеваний до обнаружения биотерроризм агенты. Цифровые микрофлюидные биочипы[1] стали одной из самых многообещающих технологий во многих областях биомедицины. В цифровом микрожидкостном биочипе группа (смежных) ячеек в микрожидкостном массиве может быть сконфигурирована для работы в качестве хранилища, функциональных операций, а также для динамической транспортировки капель жидкости.

История

Разработка началась с ранней работы над базовым датчик технологии. Одним из первых портативных датчиков на основе химии был стеклянный pH-электрод, изобретенный в 1922 году Хьюзом.[2] Основная концепция использования сайтов обмена для создания проницаемых мембран была использована для разработки других ионных сенсоров в последующие годы. Например, K+ датчик был произведен путем включения валиномицин в тонкую мембрану.[3]

В 1953 г. Watson и Крик объявили о своем открытии уже знакомого двойная спираль структура ДНК молекул и подготовить почву для генетика исследования, которые продолжаются по сей день.[4] Развитие последовательность действий техники в 1977 г. Гилберт[5] и Sanger[6] (работая отдельно) позволили исследователям напрямую считывать генетические коды, которые предоставляют инструкции для синтез белка. Это исследование показало, как гибридизация дополнительного сингла олигонуклеотид нити можно использовать в качестве основы для зондирования ДНК. Две дополнительные разработки позволили использовать современные технологии на основе ДНК. Сначала в 1983 г. Кэри Маллис изобрел полимеразной цепной реакции (ПЦР) метод,[4] способ увеличения концентраций ДНК. Это открытие сделало возможным обнаружение чрезвычайно малых количеств ДНК в образцах. Во-вторых, в 1986 году Худ и его сотрудники разработали метод маркировки молекул ДНК с помощью флуоресцентные метки вместо радиоактивных меток,[7] таким образом позволяя оптически наблюдать эксперименты по гибридизации.

Рис. 1. Биочипы - это платформа, которая требует, помимо технологии микрочипов, технологий преобразования и обработки сигналов для вывода результатов экспериментов по зондированию.

На рисунке 1 показан состав типичной платформы биочипа. Фактический чувствительный компонент (или «чип») - это всего лишь одна часть полной системы анализа. Трансдукция необходимо сделать, чтобы перевести фактическое событие восприятия (связывание ДНК, Снижение окисления, и Т. Д.) в формат, понятный компьютеру (Напряжение, сила света, масса, и Т. Д.), что затем позволяет провести дополнительный анализ и обработку для получения окончательного, человек читаемый выход. Множество технологий, необходимых для создания успешного биочипа - от химического анализа до микромассивы до обработки сигналов - требует истинного мультидисциплинарного подхода, что делает барьер для входа крутым. Один из первых коммерческих биочипов был представлен Affymetrix. Их продукты "GeneChip" содержат тысячи отдельных сенсоров ДНК для использования в обнаружении дефектов или однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в таких генах, как p53 (супрессор опухолей) и BRCA1 и BRCA2 (связанный с раком груди).[8] Чипы производятся с использованием микролитография методы, традиционно используемые для изготовления интегральные схемы (Смотри ниже).

Изготовление микрочипов

3D Сарфус изображение биочипа ДНК

Микроматрица - плотная двумерная сетка биосенсоров - является важным компонентом платформы биочипа. Обычно датчики размещаются на плоской подложке, которая может быть пассивной (например кремний или стекло) или активный, последний состоит из интегрированной электроники или микромеханический устройства, которые выполняют или способствуют передаче сигнала. Химия поверхности используется, чтобы ковалентно связывать молекулы сенсора к субстратной среде. Изготовление микрочипов нетривиально и представляет собой серьезное экономическое и технологическое препятствие, которое в конечном итоге может решить успех будущих платформ для биочипов. Основная производственная проблема - процесс размещения каждого датчика в определенном месте (обычно на Декартово сетка) на подложке. Существуют различные способы размещения, но обычно микропипетирование с помощью роботов.[9] или микропечать[10] системы используются для размещения крошечных пятен сенсорного материала на поверхности чипа. Поскольку каждый датчик уникален, одновременно можно разместить только несколько точек. Низкая производительность этого процесса приводит к высоким затратам на производство.

Фодор и его коллеги разработали уникальный процесс изготовления (позже использованный Affymetrix ), в котором используется серия шагов микролитографии для комбинаторно синтезировать сотни тысяч уникальных одноцепочечных датчиков ДНК на одном субстрате нуклеотид вовремя.[11][12] Для каждого базового типа требуется один шаг литографии; таким образом, требуется всего четыре шага на один нуклеотидный уровень. Хотя этот метод очень эффективен в том смысле, что можно создать множество сенсоров одновременно, в настоящее время он применим только для создания коротких цепей ДНК (15–25 нуклеотидов). Факторы надежности и стоимости ограничивают количество шагов фотолитографии, которые могут быть выполнены. Кроме того, в настоящее время методы комбинаторного синтеза с направленным светом невозможны для белков или других сенсорных молекул.

Как отмечалось выше, большинство микроматриц состоит из декартовой сетки датчиков. Этот подход используется в основном для сопоставления или «кодирования» координат каждого датчика его функции. Датчики в этих массивах обычно используют универсальную сигнальную технику (например флуоресценция), что делает координаты их единственным отличительным признаком. Эти массивы должны быть созданы с использованием последовательного процесса (т.е. требуется несколько последовательных шагов), чтобы каждый датчик был установлен в правильном положении.

«Произвольное» изготовление, при котором датчики размещаются в произвольных местах на кристалле, является альтернативой последовательному методу. Утомительный и дорогостоящий процесс позиционирования не требуется, что позволяет использовать параллельные методы самосборки. При таком подходе можно производить большие партии идентичных датчиков; Затем датчики из каждой партии объединяются и собираются в массив. Для идентификации каждого датчика необходимо использовать схему кодирования без координат. Как показано на рисунке, такая конструкция была впервые продемонстрирована (а позже коммерциализирована компанией Illumina) с использованием функционализированных шариков, размещенных случайным образом в лунках протравленного оптоволокно кабель.[13][14] Каждая гранула была уникально закодирована флуоресцентной подписью. Однако эта схема кодирования ограничена числом уникальных комбинаций красителей, которые можно использовать и успешно дифференцировать.

Массив белковых биочипов и другие технологии микрочипов

Микрочипы не ограничиваются ДНК анализ; белковые микрочипы, микрочип антител, химический состав микрочипа также можно производить с использованием биочипов. В 2003 году Randox Laboratories Ltd. запустила Evidence, первый анализатор белка Biochip Array Technology. В технологии Protein Biochip Array Technology биочип заменяет ELISA тарелка или кювета как платформа реакции. Биочип используется для одновременного анализа группы связанных тестов в одном образце, производя пациент профиль. Профиль пациента может использоваться при скрининге болезней, диагноз, наблюдение за прогрессированием заболевания или наблюдение за лечением. Одновременное выполнение нескольких анализов, называемое мультиплексированием, позволяет значительно сократить время обработки и количество требуемых образцов пациента. Технология Biochip Array - это новое применение знакомой методологии, использующей сэндвич, конкурентную технологию и захват антител. иммуноанализ. Отличие от обычных иммуноанализов заключается в том, что захватывающие лиганды ковалентно прикрепляются к поверхности биочипа в упорядоченном массиве, а не в растворе.

В сэндвич-анализах используются антитела, меченные ферментом; в конкурентных анализах используется антиген, меченный ферментом. О связывании антитело-антиген a хемилюминесценция реакция производит свет. Обнаружение осуществляется устройство с зарядовой связью (CCD) камера. ПЗС-камера - это чувствительный датчик с высоким разрешением, способный точно определять и определять очень низкие уровни света. Тестовые области располагаются с использованием сетки, затем сигналы хемилюминесценции анализируются с помощью программного обеспечения для визуализации для быстрого и одновременного количественного определения индивидуальных аналитов.

Биочипы также используются в области микрофизиометрия например в скин-на-чипе[15] Приложения.

Подробнее о других технологиях массивов см. Микроматрица антител.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Высокоуровневый синтез цифровых микрожидкостных биочипов» (PDF). Университет Дьюка.
  2. ^ W. S. Hughes, "Разница потенциалов между стеклом и электролитами при контакте с водой". Варенье. Chem. Soc. 44, стр. 2860–2866, 1922
  3. ^ Дж. С. Шульц и Р. Ф. Тейлор в Справочник химических и биологических датчиков, Дж. С. Шульц и Р. Ф. Тейлор, ред., Гл. Введение в химические и биологические датчики, стр. 1–10, Издательство Института Физики, Филадельфия, 1996 г.
  4. ^ а б Д. Л. Нельсон и М. М. Кокс, Принципы биохимии Ленингера, Worth Publishers, Нью-Йорк, 2000 г.
  5. ^ А. М. Максам и В. Гилберт, «Новый метод секвенирования ДНК». Proc. Natl. Акад. Sci. 74, стр. 560–564, 1977
  6. ^ Ф. Сэнгер, С. Никлен и А. Р. Коулсон, «Секвенирование ДНК с помощью ингибиторов обрыва цепи». Proc. Natl. Акад. Sci. 74. С. 5463–5467, 1977.
  7. ^ Л. М. Смит, Дж. З. Сандерс, Р. Дж. Кайзер, П. Хьюз, К. Додд, К. Р. Коннелл, К. Хайнер, С. Б. Х. Кент и Л. Е. Худ, "Обнаружение флуоресценции в автоматическом анализе последовательности ДНК", Природа 321, стр. 61–67, 1986
  8. ^ П. Фортина, Д. Грейвс, К. Стокерт-младший, С. Маккензи и С. Суррей в Биочип технологии, J. Cheng и L.J. Kricka, eds., Ch. Варианты технологий и применения ДНК-микрочипов, стр. 185–216, Harwood Academic Publishers, Philadelphia, 2001
  9. ^ М. Шена, Д. Шалон, Р. В. Дэвис и П. О. Браун, «Количественный мониторинг паттернов экспрессии генов с помощью комплементарного ДНК-микрочипа», Наука 270, стр. 467–470, 1995.
  10. ^ Г. МакБит, А. Н. Кёлер и С. Л. Шрайбер, «Печать малых молекул в виде микроматриц и массовое обнаружение взаимодействий белок-лиганд», Варенье. Chem. Soc. 121, стр. 7967–7968, 1999.
  11. ^ С. П. Фодор, Дж. Л. Рид, М. К. Пиррунг, Л. Страйер, А. Т. Лу и Д. Солас, «Направленный светом, пространственно-адресный параллельный химический анализ», Наука 251, стр. 767–773, 1991.
  12. ^ А. С. Пиз, Д. Солас, Е. Дж. Салливан, М. Т. Кронин, К. П. Холмс и С. П. Фодор, "Световые массивы олигонуклеотидов для быстрого анализа последовательности ДНК". Proc. Natl. Акад. Sci. 91, стр. 5022–5026, 1994.
  13. ^ Ф. Дж. Стимерс, Дж. А. Фергюсон и Д. Р. Уолт, «Скрининг немеченых ДНК-мишеней с помощью случайно упорядоченных волоконно-оптических массивов генов», Природа Биотехнологии 18, с. 91–94, 2000.
  14. ^ К. Л. Майкл, Л. С. Тейлор, С. Л. Шульц и Д. Р. Уолт, «Случайно упорядоченные адресуемые массивы оптических датчиков высокой плотности», Аналитическая химия 70, стр. 1242–1248, 1998.
  15. ^ Александер, Ф., Эггерт, С., Уист, Дж .: Кожа на чипе: трансэпителиальное электрическое сопротивление и внеклеточное закисление с помощью автоматизированного интерфейса воздух-жидкость, Genes, 2018, 9/2, 114; DOI: 10.3390 / genes9020114