光学蛋白质芯片关键技术研究及生物医学应用

蛋白质芯片，又称蛋白质微阵列，是继基因芯片之后又一对生物医学研究乃至人类健康具有重大应用价值的生物芯片。目前，蛋白质芯片的发展还处于初级阶段，还没有真正走出基因芯片的阴影，在蛋白质芯片的制作和检测中借用了很多基因芯片技术。许多在基因芯片上没有解决的问题，如低丰度信号的检测、不同的点样质量带来的干扰和基于标记方法的检测技术问题，也同样在蛋白质芯片上出现，并表现得更为突出，主要原因在于蛋白质分子与DNA分子之间的巨大差异。基于椭偏光学成像技术的无标记光学蛋白质芯片技术的提出正是为了解决目前蛋白质芯片发展中存在的一些问题。椭偏光学成像技术是近来发展起来的一种新型的光学检测技术，目前国际上尚未发展出适合于其检测特点的蛋白质芯片技术。本文研究的无标记光学蛋白质芯片是多学科高度交叉的生物技术，它主要包含五方面的内容：（1）芯片设计；（2）配基装配；（3）芯片反应器；（4）芯片信号采样和处理；（5）芯片数据库。本文的研究工作集中在前三部分内容，创新性主要表现在以下几方面：研制了微流道蛋白质芯片系统；建立了高通量蛋白质芯片制备方法；发展了多种芯片表面改性和配基固定方法；开展了无标记光学蛋白质芯片在生物医学领域的应用。本文研制了微流道蛋白质芯片系统，建立了化学格式化法高通量蛋白质芯片制备方法。通过这两种方法制备的蛋白质芯片能够满足椭偏光学成像技术定量检测的要求，而且这两种蛋白质芯片与本实验室早期发展的生物活性探针和多元蛋白质芯片结合在一起形成了较为完整的无标记光学蛋白质芯片系列，使之不但能够简单方便地进行低通量蛋白质检测，而且也具有了高通量蛋白质分析的能力。本文建立的微流道蛋白质芯片系统把微流控芯片和微阵列芯片二者的优势结合在一起，以微型流动控制见长的微流控芯片被设计成微阵列芯片的微型点样仪与微型高效率反应器，而以并行分析见长的微阵列芯片成为微流道系统的专用传感器件，并且实现了在同一微型分析系统中进行蛋白质芯片的制备与检测。微流道蛋白质芯片系统改变了阵列式生物芯片整体反应模式，使得芯片的使用更加灵活方便。通过微流道蛋白质芯片系统进行蛋白质芯片制备与检测，显著降低了试剂和样品的消耗，缩短了检测时间，把检测灵敏度提高到了纳克／毫升量级。能够多次重复使用的微流道蛋白质芯片系统，使得蛋白质芯片的使用成本大幅度降低。本文针对椭偏光学成像技术的检测特点、不同的芯片设计和配基发展了多种表面改性及配基固定技术，实现了配基分子共价连接、抗体分子定向固定、混合硅烷膜层对硅基底的表面改性以及混合烷硫醇SAM对金基底的表面改性。这些技术的使用明显提高了配基分子在蛋白质芯片表面上的稳定性，较好地保持了配基分子的生物活性，从而大幅度提高了无标记光学蛋白质芯片的检测灵敏度。本文在上述关键技术发展的基础上，还成功地开展了无标记蛋白质芯片在生物医学领域的应用。实现了在一块蛋白质芯片上进行乙肝五项指标同时检测；通过蛋白质芯片对病毒一噬菌体进行了直接检测；乙肝表面抗原检测和乳腺癌标志物定量检测已经能够达到临床免疫检测的水平；还通过无标记蛋白质芯片技术同时研究了多对生物分子之间的相互作用，并通过模型化分析获得了相互作用动力学常数。