微流控芯片已經(jīng)廣泛于醫(yī)學(xué)、生物、電子、流體、化學(xué)等領(lǐng)域，且微流控芯片可把樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測、擴(kuò)增、分析等集成到一塊幾微米至幾百微米尺度的芯片上并自動完成所有基本過程。目前，微流控芯片已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)基因診斷方面，例如基因多態(tài)性檢測、基因高效性測序、基因快速性擴(kuò)增等，為此，本文主要對微流控芯片與基因診斷關(guān)系進(jìn)行綜述。

微流控芯片簡介

微流控芯片主要是指在幾微米至幾百微米的通道內(nèi)將系統(tǒng)化、規(guī)范化、程序化的操作單元集成到一塊芯片上，且對微小體積的液體樣品進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化、處理或操作的一門系統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)。微陣列芯片主要是指將一個或者多個相同或者相似的系統(tǒng)化、規(guī)范化、程序化的操作單元或單元群平行地集成在同一芯片上的一門系統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)。生物芯片主要是指將已經(jīng)知曉的生物信息包括DNA與RNA核酸序列固定于經(jīng)過表面修飾的載體上，以此進(jìn)行特異性地檢測未知DNA核酸序列、RNA核酸序列的一門系統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)。

微流控芯片制備方法

實(shí)驗(yàn)室制備微流控芯片需要采用電子計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)出簡易型或者復(fù)雜型的微流控芯片圖紙，應(yīng)用激光雕刻技術(shù)在由聚二甲基硅氧烷、聚吡咯烷酮、線性聚丙烯酰胺、聚二甲基丙烯酰胺、羥乙基纖維素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酯等混合材料制備的雙面黏性薄膜上切割出微米級、納米級的微流控芯片流體通道，將由聚二甲基硅氧烷制備的蓋片、雙面黏性薄膜、基片采用高溫加熱的方式進(jìn)行封接組裝，然后將制備好的微流控芯片與注射器、注射泵、熒光倒置顯微鏡、圖像記錄儀等連接起來，以此就建立起微流控芯片反應(yīng)系統(tǒng)，隨后還需要進(jìn)行微流控芯片表面修飾化、抗體固定化，其中前者多采用巰基-馬來酰亞胺基團(tuán)硅烷化耦聯(lián)法為微流控芯片表面修飾方法，而后者多采用鏈霉親和素-生物素親合法進(jìn)行抗體固定的優(yōu)化，之后就可以進(jìn)行微流控芯片的反應(yīng)、分離、檢測、擴(kuò)增、分析。

微流控芯片與基因診斷的關(guān)系

微流控芯片與基因多態(tài)性檢測的關(guān)系

微流控芯片檢測基因缺失

一般而言，基因缺失主要是指高等動物、低等動物基因由于受到體內(nèi)外各種因素的干擾促使機(jī)體部分基因區(qū)域缺如，由此將會影響高等動物、低等動物的部分結(jié)構(gòu)和功能。目前，微流控芯片可以將高等動物、低等動物基因的大片段缺失區(qū)域進(jìn)行確定，例如X染色體連鎖的隱性遺傳病抗肌萎縮蛋白基因的缺失，使用微流控芯片可以進(jìn)行檢測分析。國外一項(xiàng)研究顯示，通過直接監(jiān)控微流體平臺單菌株生長，可以檢測大腸桿菌菌株中的基因組缺失效應(yīng)，與野生型菌株相比，清潔基因組菌株的平均生長速度下降、平均滯后時間延長，且個體細(xì)胞生長速度和滯后時間之間直接相關(guān)，會表明清潔基因組種群更加不均勻，可見單菌株微流控芯片可以揭示細(xì)微的單個菌株反應(yīng)。另外，使用微流控芯片系統(tǒng)能夠?qū)⒃S多不同出芽酵母菌株高通量地開展研究，選擇野生型芽殖酵母和62個不同芽殖酵母大小對照相對基因缺失株進(jìn)行掃描，將可以獲得不同基因缺失菌株的母細(xì)胞倍增時間、子細(xì)胞倍增時間、母細(xì)胞大小、子細(xì)胞大小等結(jié)果，可見微流控芯片可以對基因缺失進(jìn)行基因診斷。一項(xiàng)亞細(xì)胞水平研究報告顯示，線粒體是人體和動物細(xì)胞的能量產(chǎn)生和代謝中心，為維持生理功能提供大部分能量，其在細(xì)胞死亡過程中發(fā)揮重要作用，但是其缺失有效的修復(fù)系統(tǒng)，線粒體DNA受到的氧化損傷要高得多，而使用微流控芯片還可以應(yīng)用于線粒體DNA缺失的診斷，與傳統(tǒng)的檢測方法相比，微流控芯片系統(tǒng)開發(fā)的樣品和試劑消耗較少，提取的線粒體DNA提取率較高，可以在150 min內(nèi)自動化進(jìn)行所有的檢測過程，可見微流控芯片為分析線粒體 DNA缺失提供了一個有力的工具。近年來國外一項(xiàng)研究顯示，微流控芯片可以診斷非小細(xì)胞肺癌常規(guī)樣本表皮生長因子受體(EGFR)基因缺失且顯示非小細(xì)胞肺癌與EGFR外顯子19缺失明顯相關(guān)。

微流控芯片檢測基因重排

基因重排主要是指高等動物、低等動物基因從遠(yuǎn)離啟動子的地方且轉(zhuǎn)移到距離啟動子比較近的地方，從而促使各類動物基因重新啟動轉(zhuǎn)錄的調(diào)控方式，其結(jié)合了傳統(tǒng)誘變技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、基因突變技術(shù)等。研究顯示，基因重排利于消化道淋巴瘤和非小細(xì)胞肺癌的診斷。國外研究顯示，通常高等動物、低等動物T、B惡性淋巴瘤多表現(xiàn)T細(xì)胞受體(TCR)基因、免疫球蛋白(Ig)H基因高度表達(dá)，通過以DNA交聯(lián)染料(YO-PRO)-1為熒光標(biāo)記染料標(biāo)記基因片段，經(jīng)微流控芯片分析后可以明確單一IgH或TCR基因重排方式，且明顯節(jié)省檢測時間，以此最終診斷出T、B惡性淋巴瘤。國外研究顯示，拷貝數(shù)變異將會導(dǎo)致基因組變異且是引起基因組重排的一種現(xiàn)象，通過微流控芯片結(jié)合微流體毛細(xì)管電泳可以有效地檢測基因重排且此方法非?？煽?。

微流控芯片檢測微小衛(wèi)星DNA

微小衛(wèi)星DNA主要是指廣泛存在于高等動物、低等動物基因組中長度100～500 bp多態(tài)性的DNA序列且微小衛(wèi)星DNA核心序列僅僅是2～5bp,其也稱為短串聯(lián)重復(fù)(STR)，使用微流控芯片檢測可以積極克服傳統(tǒng)的垂直板凝膠電泳背景模糊、費(fèi)時費(fèi)力、誤差較大等，但是也有相對不穩(wěn)定的部分缺點(diǎn)，微流控芯片檢測應(yīng)用的范圍非常廣闊例如脆性X綜合征(FraX)精氨酸編碼的CGG STR序列、造血干細(xì)胞移植(HSCT)后可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)序列(VNTR)、法醫(yī)鑒定所需的多重擴(kuò)增STR基因座(DYS390、DYS393、DYS439)等，這與通過STR來分析識別微流控芯片系統(tǒng)的快速化(3 h)、模塊化、集成化(同時檢測17個STR)的積極優(yōu)勢有一定關(guān)系。國外法醫(yī)學(xué)資料研究顯示，微流控芯片可以通過檢測微小衛(wèi)星DNA來進(jìn)行法醫(yī)篩選和基因分型，尤其是可以快速對那些在爆炸或恐怖事件附近被拘留的嫌犯、企圖非法出入境的被拘留者、大規(guī)模災(zāi)害的受害者等人群，可見微小衛(wèi)星DNA快速篩查就顯得尤為重要，使用改進(jìn)的Agilent 2100生物分析儀可以在80 s內(nèi)檢測6個微小衛(wèi)星DNA，且精確度為0.09～0.21 bp、分辨率值為2.5～4.1 bp，可見微流控芯片檢測微小衛(wèi)星DNA具有快速化、準(zhǔn)確化、高效化等基本特點(diǎn)。

微流控芯片檢測基因突變

基因突變主要是指高等動物、低等動物受到各種因素的作用下，基因出現(xiàn)改變，包括單個堿基、多個堿基的改變，使用微流控芯片可以檢測基因突變，例如秀麗隱桿線蟲cwn-1突變、循環(huán)系統(tǒng)腫瘤細(xì)胞基因突變。一般而言，所有疾病相關(guān)基因逐漸被克隆基因突變包括單鏈構(gòu)象多態(tài)性、限制性片段長度多態(tài)性所取代，其中，單鏈構(gòu)象多態(tài)性主要是指等長DNA單鏈出現(xiàn)單個堿基差異，隨后由于鏈內(nèi)彼此作用而形成構(gòu)象差異，使用熒光染料標(biāo)記引物，使用微流控芯片分析乳腺癌易感基因，可以在2 min內(nèi)就可以對乳腺癌易感基因的單鏈構(gòu)象多態(tài)性檢測，這比毛細(xì)管電泳所需的時間要明顯縮短；制性片段長度多態(tài)性是指某些特殊的點(diǎn)突變會促使某些特異性的限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)缺失，使用微流控芯片可以檢測分析限制性片段長度多態(tài)性。國外研究資料顯示，非小細(xì)胞肺癌樣品進(jìn)行表皮生長因子受體(EGFR)基因突變的驗(yàn)證研究測試可以使用微流控芯片來進(jìn)行，通過一種快速而靈敏的微流控芯片技術(shù)可以將EGFR快速檢測出來且成本低廉。

微流控芯片與基因高效性測序的關(guān)系

基因測序主要是指采用先進(jìn)的方法對高等動物、低等動物核酸序列進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化、快速化分析，此過程需要的工程量尤為巨大。目前，對微流控芯片實(shí)驗(yàn)室主要采用96根陣列毛細(xì)管電泳對基因序列進(jìn)行系統(tǒng)化測定，雖在一定程度上加快了人類基因組項(xiàng)目，但是還不能實(shí)現(xiàn)高效、靈敏、快速、價廉、自動、準(zhǔn)確等基本特點(diǎn)，而微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)高效基因測序，例如腸道微生物基因測序、酵母基因測序、肺癌腫瘤細(xì)胞基因測序等檢測效率非常高。

微流控芯片與基因快速性擴(kuò)增的關(guān)系

基因快速性擴(kuò)增通常是指采用聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)將目標(biāo)靶點(diǎn)DNA片段呈倍數(shù)量增加并通過電泳方式將目標(biāo)靶點(diǎn)DNA片段識別、分離、分析等，此過程有需要較多的試劑、加熱時間長、冷卻時間長等缺點(diǎn)。目前，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)基因快速性擴(kuò)增可采用微流控芯片，通過將微流控芯片與PCR結(jié)合，以此建立起微型化的微流控芯片-PCR反應(yīng)體系，將會明顯克服PCR的缺點(diǎn)包括PCR需要較多的試劑、加熱時間長、冷卻時間長等，同時微流控芯片-PCR反應(yīng)體系擴(kuò)增產(chǎn)物很容易與樣品分離且可實(shí)現(xiàn)檢測的自動化、集成化、微型化。目前，微流控芯片PCR反應(yīng)體系可以檢測土壤細(xì)菌基因、腫瘤細(xì)胞基因、血液細(xì)菌基因等，足見其應(yīng)用十分廣闊。

綜上，微流控芯片可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)基因診斷方面，例如基因多態(tài)性檢測、基因高效性測序、基因快速性擴(kuò)增等，可見微流控芯片與基因診斷均是密切相關(guān)的，推測使用微流控芯片將是今后基因診斷檢測分析的新方法之一。