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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 7 期
基因芯片在临床诊断方面的应用
杨蒙 何竹青
(西安职业技术学院生物工程系，西安 710077)
摘 要: 基因芯片自问世以来，以其操作简单、信息量大、快速便捷等优点迅速受到人们的关注。经过半个世纪的研究
发展，基因芯片技术现已广泛运用于科学研究、生活生产的各个领域。现重点介绍基因芯片在临床诊断方面的应用。
关键词: 基因芯片 临床诊断 应用
Application of Gene Chip in Clinical Diagnosis
Yang Meng He Zhuqing
(Department of Biological Engineering，Xi’an Vocational Technical College，Xi’an 710077)
Abstract: Gene chip technology，featured by easy performance，large information capacity，and rapid response，has became a re-
search hotspot in recent years． After half a century of research and development，gene chip technology have been used by scientific re-
search and all areas of life． This article reviewed the production，application and development of gene chip technology．
Key words: Gene chip Clinical diagnosis Application
收稿日期:2010-04-27
作者简介:杨蒙，男，硕士，助教，研究方向:畜牧兽医及微生物;E-mail:yangmeng4306@ 163． com
基因芯片(Gene chips) ，又称 DNA 芯片(DNA
chips)或 DNA 微阵列(DNA mircoarray) ，是生物芯
片(Biochip)技术中实用性最强、最先投入应用的技
术之一。该方法是指以大量人工合成的或应用常规
分子生物学技术获得的核酸片段作为探针，采用原
位合成或合成点样方法将探针密集、规律地排列在
支持载体上(硅片、载玻片或塑料片等)。一个
1 cm2大小的芯片上排列的探针可以多达上万个，利
用核酸杂交原理，通过激光共焦扫描及分析软件，可
对上千种基因的表达水平、突变和多态性进行快速、
并行、准确、高效地检测分析［1］。由于基因芯片技
术具有微型化、集约化和标准化的特点，在分子生物
学研究、生物制药领域和环境学等领域显示出了超
凡的生命力。就基因芯片在临床诊断方面的应用进
行综述。
1 基因芯片技术流程
基因芯片主要由载体材料和固定于载体上的寡
核苷酸探针两部分组成，其制作技术流程包括探针
的设计、支持载体的选择、芯片的制作处理、样品的
准备、样品杂交处理及最后的检测分析 6 个主要步
骤。基因芯片的技术流程如图 1 所示。
2 基因芯片在临床诊断方面的应用
2． 1 感染性疾病的诊断
伴随病原微生物基因组计划的逐步完成，利用
基因芯片技术诊断病原微生物感染成为其最主要的
应用之一。基因芯片技术不仅避免了繁琐而费时的
病原微生物培养，而且不需要等到抗体的出现，能够
快速对病原微生物进行检测，从而为病原微生物诊
断、预防提供了强有力的技术手段。
赵伟等［2］利用基因芯片技术对乙型、丙型肝炎
病毒进行检测，试验证实其制备的肝炎基因诊断芯
片可以同时检测乙型和丙型肝炎，诊断乙型肝炎血
清准确率可达 80%，假阳性率低。Lipshutz 等［3］应
用基因芯片技术对 HIV 基因组中蛋白酶基因和反
转录酶基因的多态性进行了分析。分析结果表明，
这两个基因在疾病发生的过程中易发生突变，由于
这两个基因的突变，导致病毒表现出对抗生素如
AZT的抗性，从而使得 HIV 病毒不受抗生素的影
响。由此证实基因芯片技术可为艾滋病病毒抗药性
的判断提供可靠的依据。
2010 年第 7 期 杨蒙等:基因芯片在临床诊断方面的应用
周琦等［4］以 SARS 冠状病毒 TOR2 株序列为设
计标准，研制出用于检测 SARS 病毒的全基因芯片。
应用该基因芯片对病人、出入境食品、动植物及其产
品进行检测，结果显示该基因芯片技术检测 SARS
冠状病毒灵敏度高，特异性强，准确性好，稳定快速。
2009 年下半年在墨西哥首次发现甲型 H1N1 病毒
之后，该病毒肆虐全球，造成了极大的恐慌。日前，
中国军事医学科学院军事兽医研究所研制出一种新
型基因芯片，借助这种芯片能在 5 h 内获得甲型
H1N1 病毒检测结果。与试剂盒检测相比，基因芯
片具有用时短、一次性检测样品多等优点，将为中国
应对潜在疫情提供有力的技术支持［5］。
图 1 基因芯片主要制作流程
2． 2 肿瘤的诊断
肿瘤是由于人体中被抑制表达的原癌基因受到
理化因素的诱发而产生。现阶段可通过基因芯片技
术对各种导致肿瘤产生的基因进行检测，从而能筛
查健康人群中的潜在肿瘤发病基因，以达到早期诊
断预防的目的。据报道兰州生物化学工程技术中心
已研制出肿瘤基因芯片的诊断试剂盒。该试剂盒在
德国临床应用中，通过对 200 例病人的肿瘤发病基
因的诊断，准确性达到 95%以上;在国内进行的 100
余例检测验证表明，筛查健康人群中具有潜在肿瘤
发病基因的准确率达到 98%以上。
此外，基因芯片技术还可用于肿瘤细胞特异性
基因的定位筛选。彭桂福等［6］应用基因芯片技术
筛选人白血病 K562 细胞中的肿瘤特异性基因，发
现 42个 K562细胞肿瘤特异性基因，进一步用序列分
析证实，其中有 1 个为 BCR(breakpoint cluster gene)
基因。由此确定其自制的 K562 细胞基因组 DNA芯
片可以成功地用于筛选肿瘤特异性基因。刘丽
等［7］选取人早期肺鳞癌组织以及相应正常组织提
取 RNA，与含 480 个与肿瘤相关基因的芯片杂交，
对结果进行分析后比较两种组织中的差异表达基
因，共筛查出差异表达基因 192 条，其中表达上调基
因 127 条，下调基因 65 条;按照基因功能可分为运
输载体、代谢相关基因、细胞信号转导分子、细胞骨
架、转录调控因子基因，表明早期肺鳞癌的发生与上
述基因的表达变化有关。Wang等［8］将一种包含 EB
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 7 期
病毒 BARF1 基因全序列的逆转录病毒载体转染至
胃癌肿瘤细胞株 BGC-823，并用芯片来检测其与无
转染细胞株的差异表达谱。发现胃癌细胞中
BARF1 的表达使与增殖和凋亡有关的基因表达发
生改变;同时，表达 BARF1 的细胞 Bcl22 和 Bax 比
率升高，而 PARP的比率降低，导致了其对化疗药的
抵抗。因此，研究者认为 BARF1 在胃癌细胞中的表
达可能主要是抗凋亡作用，从而使肿瘤细胞存活。
2． 3 遗传性疾病的诊断
人体的遗传性状是由基因决定的。当基因有缺
陷而影响其行使正常功能时，就会引起遗传病。以
往遗传病的诊断主要是通过对病史、症状、体征、家
系分析以及某些异常基因产物进行分析，这些方法
属于表型诊断方法，即首先对疾病结果的分析，再由
结果追溯原因，得出结论。但导致遗传性疾病的原
因就是遗传物质发生异常，所以分子诊断的方法更
为直接、可靠。目前可以采用多种分子检测手段对
其进行诊断，如核酸分子杂交、限制性内切酶酶谱分
析、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、RFLP、PCR 测序
等，每种方法均有各自的优点，但都有共同的缺点就
是通量低。此类疾病是由众多位点中的一个或多个
位点突变引起的，因此对多位点的同时检测就显得
尤为重要，这就需要有与之对应的高通量的检测手
段，基因芯片是遗传病的分子诊断的最佳手段，对疾
病的早期诊断甚至产前诊断具有重要意义。通过制
作基因芯片，使生物学家可通过遗传病家谱进行研
究，将某一遗传病和基因的一种或多种多态性联系
在一起，从而对遗传性疾病进行诊断。
李明等［9］分别利用 PCR /RDB 方法及基因芯片
技术对地中海贫血症进行检测，比较后发现基因芯
片方法可同时检测 3 种类型 α 珠蛋白基因缺失，除
对 HbH 患者可同时检测出 3 个 α珠蛋白基因(东南
亚缺失 αα / --SEA、右缺失 α-3． 7 /αα，左缺失 α-4． 2 /
αα)缺失外，对临床上较难诊断的静止型 α 地贫
(α2)亦能作出基因诊断，表明其具有很强的优越性
和敏感性。
2． 4 免疫性疾病的诊断
免疫性疾病是自身免疫系统紊乱所导致的一种
疾病，其对机体的危害十分巨大，且由于其属于自身
免疫亢奋导致的疾病，非常难以治疗。现阶段人们
正尝试使用基因芯片技术定位导致免疫性疾病的相
关基因，以便对免疫性疾病进行深层次的研究。
陈凌［10］利用基因芯片技术对系统性红斑狼疮
(systemic lupus erythematous，SLE)的遗传易感相关
基因进行了研究，结果表明基于单核苷酸多态性
(SNP)基因芯片与 DNA 池相结合的方法是一个实
用性好的高通量的 SNP 筛选工具。由此建立了易
感基因 SNP数据库，并发现了多个新的 SLE 候选相
关基因可能参与了 SLE 的发病机制。同时新发现
并证实了一个主要高风险度的 SLE 易感 SNP 位点
rs4731117，得到该位点在中国福建汉族人群中的多
态性分布数据，为 SLE 的遗传研究提供了新的线索
和方向。结合分级消减法，Ishii等［11］利用基因芯片
技术研究了系统性红斑狼疮患者外周血单核细胞差
异表达基因，结果发现 SLE 患者的上调基因约是健
康者的 7． 8 倍，并将所得的差异基因与分级消减法所
得的基因进行比较，共发现了 4 个与 SLE 相关的基
因。这些基因的发现为彻底根治该病提供了可能。
2． 5 基因芯片技术在与疾病诊断相关的其他领域
2． 5． 1 在预防兽医学中的应用 目前基因芯片在
预防兽医领域中的应用主要是基因诊断，即比较正
常动物及患病动物的 DNA序列，获得导致动物疾病
的致病微生物特异基因序列，并以此为基础制备基
因芯片对该种动物疾病进行诊断。
王温田等［12］利用猪瘟病毒和猪细小病毒基因
的保守序列制备诊断基因芯片并通过芯片扫描来实
现对病原的高效检测和分析判断。试验证明其所制
备的猪瘟病毒和猪细小病毒检测基因芯片有效性监
控正常且两种病原的特异性和重复性均良好。韩雪
清等［13］开发出禽流感病毒亚型鉴定基因芯片试剂。
利用收集自 49 个地区的 2 653 份标本对其特异性
和敏感性进行了初步评价，结果发现用于评价的各
亚型参考毒株均出现良好的特异性杂交信号，检测
的敏感度可达 2． 47 PFU /mL 或 2． 5 ng 靶 DNA 片
段，而且与禽类常见的 IBV、NDV等 6 种病毒均无交
叉反应。证明该病毒分型基因芯片具有良好的特异
性、敏感性。王建东等［14］设计了一种口蹄疫病毒基
因芯片，这种口蹄疫病毒基因芯片包括 155 个寡核
苷酸探针，总长 35 － 45 bp，设计在 VP3-VP1-2A 区，
既有共有的病毒型别，也包含特异的血清型别。这
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项技术的优点是能在单一的芯片上检测多元病原
体，并且能在很短时间区分各血清型口蹄疫和其他
水泡性疾病。
2． 5． 2 在代谢性疾病研究中的应用 基因芯片技
术在内分泌代谢疾病研究中的应用也已起步，例如
已用于糖尿病发病机制及内分泌激素作用机制的研
究等，在内分泌代谢疾病的研究中具有广泛的应用
前景。林忆阳［15］运用基因芯片技术对比 2 型糖尿
病伴胰岛素抵抗患者与无胰岛素抵抗正常对照的骨
骼肌组织，筛选出差异表达基因 37 条，均呈下调表
达，它们参与包括细胞能量代谢与信号转导、原癌与
抑癌、离子的转运、细胞凋亡、免疫防卫、蛋白的翻译
合成、细胞的增殖与分化、细胞骨架组成等多种生命
活动。提示胰岛素抵抗与多种基因表达异常有关。
并进一步对基因 FABP3 与 PDEZA 进行验证，结果
表明两条基因的下调表达与骨骼肌胰岛素抵抗有
关，为探索胰岛素抵抗的机制提供了新的方向，也为
2 型糖尿病的防治提供新的靶点。龚海洋等［16］采
用基因芯片技术，首次测定中国成年肥胖者的外周
血基因表达谱。发现与体质量正常者相比，肥胖者
外周血基因表达谱显著上调的基因有 66 个，显著下
调的基因有 28个。肥胖者表达上调超过 4 倍的基因
为 HLA-DQA1，CRAT，MAPK8I3 和 DKFZP434N1923，
其中表达上调超过 20 倍的基因为 HLA-DQA1。由此
得出结论，肥胖与 MHCⅡ类抗原的基因表达密切
相关。
2． 5． 3 在致病菌研究中的应用［17］
2． 5． 3． 1 致病菌的种和型的鉴定 Carl 等采用基
因芯片对痢疾杆菌、伤寒杆菌等致病菌进行诊断和
鉴别，可达到种或属的水平，表明基因芯片技术可以
用于致病菌的鉴定。翟俊辉等设计了检测 16 种常
见临床细菌的寡核苷酸探针，通过 16S rDNA 对临
床上常见微生物进行检测，证明基因芯片检测的灵
敏度比 PCR电泳灵敏度高 10 倍。同时，有报道指
出基因芯片与 PCR 技术相结合可以提高检出病原
菌的灵敏度。
2． 5． 3． 2 细菌耐药性的检测 进行耐药性检测的
传统方法主要是依靠培养法，而因其时效性差为临
床检验、选择用药带来麻烦。采用基因芯片技术，准
确及时的检测病原菌的耐药性可以指导临床合理用
药，有效预防耐药菌以及多药耐药菌的产生具有重
要意义。将耐药菌分成不同的亚型，在临床上针对
不同的亚型使用相应的抗生素，对临床用药具有指
导作用。
Liang等可以同时检测耐药菌的多个耐药基因，
也可以通过检测基因组序列的突变位点及耐药基因
来分析其耐药性，或利用寡核苷酸检测序列的亚型
或突变位点分析其耐药性。Troesch 等报道利用基
因芯片检测耐利福平结核菌标本，结果显示与测序
结果完全相符，说明基因芯片可用于检测致病菌的
耐药基因。
2． 5． 3． 3 毒力基因的检测 Chizhikov 等设计了代
表肠杆菌科细菌 6 个常见抗原决定簇或毒力因子的
寡核苷酸芯片，能同时检测大肠埃希菌、沙门菌和志
贺菌的不同菌株，表明将致病菌的毒力因子作为检
测的目的靶点是完全可行的。更尤为可贵的是该技
术只需 3 － 4 h即可得出鉴定结果，大大地缩短了检
测周期。
3 结论
综上所述，基因芯片用于临床诊断具有以下几
个方面的优点:1)高度的灵敏性和准确性。基因芯
片的原理是利用碱基互补配对原则将两条互补链连
接在一起，碱基对之间的配对是十分严格的，这就保
证了基因芯片技术的准确性;2)快速简便，基因芯
片技术的操作步骤相对比较简单，并且获取结果的
时间也较短;3)可同时检测多种疾病或多个检测位
点。由于其具有高通量的特性，可以固定多种探针，
做多种疾病或多个检测位点的检测。随着人类基因
组计划的完成，后基因组时代已经到来。现阶段的
主要任务便是如何尽快地发现人类基因组中各种基
因的功能，并把其应用于人类的疾病诊断和治疗中。
由于基因芯片技术具有以上优点使其在临床诊断方
面得到了广泛应用，相信随着科学技术的发展，基因
芯片技术将会迅速成熟起来并将渗透到生命科学的
各个领域。
虽然基因芯片技术具有如此多的优点，但是同
样存在许多问题，主要表现在样品的制备、探针合成
与固定、分子的杂交、数据的读取与分析等几个方
面。样品的制备需进行一定程度的扩增以便提高检
测的灵敏度;探针的合成与固定比较复杂，特别是对
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 7 期
于制作高密度的探针阵列，不能保证探针的高密度
性及强聚合性很好地共存;目标分子与探针的杂交
会出现一定程度的空间阻碍作用并且探针分子的 G
+ C含量、长度以及浓度等都会对杂交产生一定的
影响;在信号的获取与分析上，当前多数方法使用荧
光法进行检测和分析，重复性较好，但灵敏度仍然不
高。这些问题都是基因芯片技术当前及今后亟待解
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