1946年世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)Pennsylvania大學(xué)問(wèn)。在隨后的50年里，以美國(guó)的硅谷為搖籃，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷飛速發(fā)展，給我們的生活帶來(lái)了巨大的變革。無(wú)獨(dú)有偶，1991年又是在美國(guó)硅谷，Affymax公司開(kāi)始了生物芯片的研制，他們將芯片光刻技術(shù)與光化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合制作了寡核苷酸陣列芯片。近年來(lái)，以DNA芯片為代表的生物芯片技術(shù)，得到了迅猛發(fā)展，已有多種不同功能的生物芯片問(wèn)世。目前生物芯片技術(shù)已應(yīng)用于分子生物學(xué)、疾病的預(yù)防、診斷和治療、新藥開(kāi)發(fā)、生物武器的研制、司法鑒定、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和食品衛(wèi)生監(jiān)督等諸多領(lǐng)域，已成為各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目并研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　生物芯片的概念源自于計(jì)算機(jī)芯片，狹義的生物芯片即微陣列芯片，主要包括cDNA微陣列、寡核苷酸微陣列、蛋白質(zhì)微陣列和小分子化合物微陣列。分析的基本單位是在一定尺寸的基片（如硅片、玻璃、塑料等）表面以點(diǎn)陣方式固定的一系列可尋址的識(shí)別分子，點(diǎn)陣中每一個(gè)點(diǎn)都可以視為一個(gè)傳感器的探頭。芯片表面固定的分子在一定的條件下與被檢測(cè)物進(jìn)行反應(yīng)，其結(jié)果利用化學(xué)熒光法、酶標(biāo)法。同位素法或電化學(xué)法顯示，再用掃描儀等儀器記錄，最后通過(guò)專門的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析。廣義的生物芯片是指能對(duì)生物成分或生物分子進(jìn)行快速并行處理和分析的厘米見(jiàn)方的固體薄型器件，其主要種類有微陣列芯片、過(guò)濾分離芯片、介電電泳分離芯片、生化反應(yīng)芯片和毛細(xì)管電泳芯片等。

　　隨著21世紀(jì)的到來(lái)，制藥公司正面臨著一次嚴(yán)峻的市場(chǎng)挑戰(zhàn)。這些公司為了保持或增強(qiáng)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，不得不尋求發(fā)展新的藥物開(kāi)發(fā)技術(shù)以提高藥物發(fā)現(xiàn)的速度，縮短新藥上市的時(shí)間，減少藥物開(kāi)發(fā)的成本。近年來(lái)生物芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了制藥業(yè)的極大興趣，使得生物芯片技術(shù)在藥物研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已逐漸滲入到藥物研發(fā)過(guò)程中的各個(gè)步驟。本文將主要討論生物芯片技術(shù)在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究、超高通量藥物篩選、毒理學(xué)研究、藥物基因組學(xué)研究以及藥物分析中的應(yīng)用。

1 生物芯片在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究中的應(yīng)用
　　藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究是生物芯片技術(shù)在藥物研發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和藥物作用機(jī)制研究中所使用的生物芯片主要是指DNA芯片。在DNA芯片的表面，以微陣列的方式固定有寡核苷酸或cDNA。使用DNA 芯片可以對(duì)研究者感興趣的基因或生物體整個(gè)基因組的基因表達(dá)進(jìn)行測(cè)定。在當(dāng)代藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和選擇合適的藥物靶點(diǎn)是藥物開(kāi)發(fā)的第一步，也是藥物篩選及藥物定向合成的關(guān)鍵因素之一。人體是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，疾病的發(fā)生和發(fā)展必然牽涉到網(wǎng)絡(luò)中的諸多環(huán)節(jié)。當(dāng)今嚴(yán)重威脅人類健康的心腦血管疾病、惡性腫瘤、老年性癡呆癥和一些代謝紊亂疾病都是多因素作用的結(jié)果，往往不能歸結(jié)于單一因素的變化。應(yīng)用一些基因?qū)ふ也呗匀鏒D PCR等雖然為發(fā)現(xiàn)新的功能基因提供了一些線索，但還是有相當(dāng)?shù)木窒扌�。而DNA芯片可以從疾病及藥物2個(gè)角度對(duì)生物體的多個(gè)參量同時(shí)進(jìn)行研究以發(fā)掘藥物靶點(diǎn)并同時(shí)獲取大量其他相關(guān)信息。因此可以說(shuō)，在這種情況下，任何一元化的分析方法均不及 DNA芯片這種集成化的分析手段更具有優(yōu)勢(shì)。

DNA芯片在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與藥物作用機(jī)制研究中的應(yīng)用具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1 比較正常不同組織細(xì)胞中基因的表達(dá)模式:
　　基因的表達(dá)模式給它的功能提供了間接的信息。例如只在腎臟中表達(dá)的基因就不大可能與精神分裂癥有關(guān)。一些藥物的靶點(diǎn)是在整個(gè)身體中分布廣泛的蛋白質(zhì)，這類藥物的不良反應(yīng)往往比較大。而選擇只在特異組織中才表達(dá)的蛋白作為藥物篩選的靶點(diǎn)，可以減少藥物對(duì)整體產(chǎn)生的不良反應(yīng)，因而更引起人們的關(guān)注。例如骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis）與破骨細(xì)胞（osteoclasts）的功能有關(guān)，破骨細(xì)胞可以破壞并吸收骨質(zhì)，當(dāng)骨質(zhì)的形成與破壞出現(xiàn)不平衡的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。如果破骨細(xì)胞的功能得到抑制，那么就可以控制骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生和發(fā)展。利用已有的人類EST序列和DNA芯片技術(shù)，可以容易地得到只在破骨細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)的基因如 cathepsink基因，它編碼半胱氨酸蛋白酶。以 cathepsink基因作為靶標(biāo)，篩選對(duì)它有抑制作用的藥物，就有可能得到治療骨質(zhì)疏松癥的藥物。但是這種方法也有其局限性，它只能得到mRNA水平的表達(dá)譜，另外組織一般由多種細(xì)胞組成，而要將這些細(xì)胞分離很困難。

2 研究正常組織與病理組織基因表達(dá)差異
　　正常組織在病變的過(guò)程中，往往伴隨著基因表達(dá)模式的變化�；�因表達(dá)水平的升高或降低，可能是病變的原因，也可能是病變的結(jié)果。若基因表達(dá)的變化是病變的原因，則以此基因?yàn)榘悬c(diǎn)的藥物就可能逆轉(zhuǎn)病變；若基因表達(dá)的變化是病變的結(jié)果，則以此基因?yàn)榘悬c(diǎn)的藥物就可能減輕病變的癥狀。DNA芯片技術(shù)可以在病理組織與正常組織之間一次比較成千上萬(wàn)個(gè)基因的表達(dá)變化，找出病理組織中表達(dá)異常的基因。Heller等提取正常及誘發(fā)病變的巨噬細(xì)胞、軟骨細(xì)胞系、原代軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞的 mRNA，用包含細(xì)胞因子、趨化因子、DNA結(jié)合蛋白及基質(zhì)降解金屬蛋白酶等幾大類基因的cDNA芯片進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)了數(shù)種變化明顯的基因。其中除了有已知與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎有關(guān)的TNF，IL－1，IL－6，IL－ 8，G－CSF，RANTES，VCAM的基因外，還有編碼基質(zhì)金屬?gòu)椥缘鞍酌窰ME，IL-3，ICE，趨化因子Groα 等的基因。而以前認(rèn)為金屬?gòu)椥缘鞍酌钢淮嬖谟诜闻菥奘杉?xì)胞和胎盤(pán)細(xì)胞中。彈性蛋白酶可以破壞膠原纖維及組織基底膜層，它在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病理組織中的出現(xiàn)，為治療該病提供了新的藥物靶點(diǎn)。
　　利用DNA芯片來(lái)尋找疾病相關(guān)基因的策略尤其適用于病因復(fù)雜的情況。例如，惡性腫瘤的發(fā)生常常是多基因共同作用的結(jié)果，DNA芯片技術(shù)在腫瘤細(xì)胞基因表達(dá)模式及腫瘤相關(guān)基因發(fā)掘中具有重要的作用。Wang等將一些看家基因、細(xì)胞因子及受體基因、細(xì)胞分裂相關(guān)基因及其他一些癌基因共5766個(gè)基因的cDNA探針固定在芯片上，對(duì)正常卵巢組織及卵巢癌組織的mRNA進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者之間30％基因表達(dá)相差2倍以上，9％相差3倍以上，其中上調(diào)較為明顯的有CD9．上皮糖蛋白（ep ithelial glycoprotein）、p27及HE蛋白激酶抑制物等。這些結(jié)果不僅進(jìn)一步證實(shí)了以前用其他方法獲得的結(jié)果，還提供了一些新的信息。再如，Kapp 等用包含950個(gè)DNA探針的DNA芯片分析比較霍奇金病細(xì)胞系L428及KMH2與EB病毒永生化的B淋巴細(xì)胞系LGL－GK的基因表達(dá)港，發(fā)現(xiàn)霍奇金病源的細(xì)胞系中白細(xì)胞介素-13（IL－13）及白細(xì)胞介素-5（IL－5）表達(dá)異常增高；用IL－13抗體處理霍奇金病源的細(xì)胞系可顯著抑制其增殖。此發(fā)現(xiàn)提示，IL-13可能以自分泌形式促進(jìn)霍奇金病相關(guān)細(xì)胞增殖。IL-13及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可能成為霍奇金病治療及藥物篩選的新靶點(diǎn)。

3 建立模式生物細(xì)胞中的基因表達(dá)模型
　　采用模式生物細(xì)胞進(jìn)行試驗(yàn)，條件容易控制，對(duì)模式生物基因表達(dá)的研究將啟發(fā)人們發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)新的藥物作用靶點(diǎn)。目前，已有多種模式生物（如酵母）的基因組計(jì)劃已經(jīng)完成。釀酒酵母（saccharomvces cerevisi ae）就是一種可用來(lái)進(jìn)行藥物篩選的較為理想的模式生物。它是真核生物而且基因組已全部測(cè)序，細(xì)胞繁殖快，易于培養(yǎng)，與哺乳動(dòng)物細(xì)胞有許多共同的生化機(jī)制。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在酵母細(xì)胞中存在許多與人類疾病相關(guān)的基因。如人類Werner''''s綜合征表現(xiàn)出早熟的特征，其細(xì)胞的生活周期變短。人類與此疾病相關(guān)的基因與酵母中編碼DNA解旋酶的 SGS1基因極為相似。Botstein等得到了SGS1基因突變的酵母菌株，此突變菌株生活周期變短，細(xì)胞的表型特征與患有Werner''''s綜合征入細(xì)胞相似。已有一些研究小組根據(jù)公布的酵母基因組序列，用PCR方法擴(kuò)增了酵母6000多個(gè)開(kāi)放閱讀框（open reading frame，ORF）片段，制成DNA芯片，在整個(gè)基因組的范圍內(nèi)對(duì)酵母的基因表達(dá)進(jìn)行檢測(cè)。

4 建立病原作基因的表達(dá)模型
　　由于病原體的基因組規(guī)模相對(duì)較小，可用包含其全部基因的DNA 芯片鑒定那些對(duì)人產(chǎn)生毒害作用的基因。異煙肼（isoniazid，INH）是治療肺結(jié)核的常用藥物，其治療結(jié)核病的機(jī)制是它阻斷了分枝茵酸的生物合成途徑。Wilson等根據(jù)已測(cè)序的肺結(jié)核桿菌基因組序列，用PCR方法擴(kuò)增了3834個(gè)ORF（占全部 ORF的97％），固化在玻片上，制成檢測(cè)肺結(jié)核桿菌基因表達(dá)的DNA芯片。用INH處理敏感菌株，發(fā)現(xiàn)除了生化途徑已清楚的與分枝菌酸合成相關(guān)的一些基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化外，還發(fā)現(xiàn)EfpA基因的表達(dá)也被誘導(dǎo)發(fā)生了變化，推測(cè)EfpA基因也參與了分枝菌酸的生物合成，而EfpA基因只在分枝菌屬中一些致病的種類中才存在，故EfpA基因可以作為治療結(jié)核病的新靶點(diǎn)。另外，分別用INH和 Ethionamide處理敏感菌株，獲得了相似的基因表達(dá)譜，證實(shí)了兩者具有相同的作用機(jī)制。

5 研究藥物處理細(xì)胞后基因未達(dá)變化
　　藥物與細(xì)胞（特別是敏感細(xì)胞）相互作用，將引起細(xì)胞外部形態(tài)及內(nèi)部正常代謝過(guò)程的一系列變化。其內(nèi)部生理活動(dòng)的變化可集中表現(xiàn)在其基因表達(dá)的變化上。通過(guò)測(cè)定分析藥物對(duì)細(xì)胞的基因表達(dá)的影響，可推測(cè)藥物的作用機(jī)制，評(píng)價(jià)藥物活性及毒性，進(jìn)而確證藥物靶點(diǎn)或者發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)。通過(guò)DNA芯片測(cè)定藥物誘導(dǎo)的細(xì)胞基因表達(dá)變化來(lái)進(jìn)行藥物篩選與研究，對(duì)那些用常規(guī)方法很難追蹤監(jiān)測(cè)的藥物或需要很長(zhǎng)時(shí)間才能得到藥物臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，顯得尤為有用。
　　通過(guò)監(jiān)測(cè)陽(yáng)性藥物處理前后組織細(xì)胞基因表達(dá)變化情況可以獲得許多十分有價(jià)值的信息。首先，經(jīng)藥物處理后表達(dá)明顯改變的基因往往與發(fā)病過(guò)程及藥物作用途徑密切相關(guān)，很可能是藥物作用的靶點(diǎn)或繼發(fā)事件，可作為進(jìn)一步藥物篩選的靶點(diǎn)或?qū)σ延械陌悬c(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證；其次，藥物處理后基因表達(dá)的改變對(duì)藥物作用機(jī)制研究有一定的提示作用。
　　理論上講，藥物作用誘導(dǎo)的細(xì)胞基因表達(dá)變化應(yīng)與缺失編碼該藥物作用靶點(diǎn)的基因引起的基因表達(dá)變化相似。Marton等使用含有6065個(gè)釀酒酵母的ORF的DNA芯片檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，由免疫抑制劑 FK506誘導(dǎo)的的基因表達(dá)變化在缺失編碼被 FK506抑制的蛋白的基因變種中未觀察到，但在缺失與FK506作用無(wú)關(guān)的基因變種中卻視察到了。于是推測(cè)FK506除了與親免蛋白（immunophilins）結(jié)合外還有其他被忽略的作用靶（off－target）。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，他們提出了所謂的解碼器戰(zhàn)略（decoder strategy），即首先比較經(jīng)過(guò)藥物作用的野生株和缺失某些基因的變種株的基因表達(dá)譜，若二者相似，則將這種變種挑選出來(lái)，并將其與藥物作用。如果突變基因所編碼的蛋白質(zhì)參與的生物途徑受藥物的影響，則藥物誘導(dǎo)該變種的基因表達(dá)變化與藥物誘導(dǎo)野生株基因表達(dá)變化將不同。用這種策略不僅可以確證藥物作用靶，還可以發(fā)現(xiàn)未曾引起人們注意的作用靶，并可從這些被忽略掉的靶中推測(cè)藥物的毒副作用。Cyclin依賴型激酶（cyclin－dependent kinas es，CDKs）在細(xì)胞增殖中有著重要的作用，是一種抗腫瘤藥物的靶點(diǎn)。Gray等從2，6，9，-三取代嘌呤化合物庫(kù)中篩選CDKs的抑制劑。他們將體外有活性的2種化合物flavopiridol和52（化合物代號(hào)）與酵母作用，然后用共含有260000個(gè)長(zhǎng)度為25個(gè)堿基的一組寡聚核苷酸芯片檢測(cè)酵母基因表達(dá)變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，幾乎所有的已知與細(xì)胞周期相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)。雖然flavopiridol和52體外活性相似，但他們引起的酵母基因表達(dá)的變化卻有顯著的差異，表明二者對(duì)酵母的作用途徑是不一樣的。
　　鬼臼亞乙苷（etoposide）是p53活化拓?fù)洚悩?gòu)酶 Ⅱ的抑制劑，在臨床上作為一種抗腫瘤藥物。Wang 等經(jīng)用鬼臼亞已苷作用人成骨肉瘤細(xì)胞系U2－ OS后，根據(jù)不同的時(shí)間間隔分別提取細(xì)胞mRNA，用寡核苷酸芯片測(cè)定6591條mRNA表達(dá)百的變化，發(fā)現(xiàn)62條mRNA表達(dá)縣有變化。通過(guò)選取其中12條基因做進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)有2條是已知的 p53調(diào)控基因（WAF1／p21和PCNA），有兩條是新的p53靶基因，其余的與p53無(wú)關(guān)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，他們提出了介導(dǎo)鬼臼亞乙苷誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的信號(hào)傳導(dǎo)途徑。此項(xiàng)研究工作使人們又多獲得一種抗腫痛藥物的靶點(diǎn)。
　　應(yīng)用DNA芯片還可直接篩選特定的基因文庫(kù)以尋找藥物的作用靶點(diǎn)。如給酵母某一特定的呈單倍體狀態(tài)的基因?qū)��?yīng)的位置上放置一個(gè)遺傳標(biāo)記，該標(biāo)記可被DNA芯片所識(shí)別，那么通過(guò)比較藥物作用前后用芯片檢測(cè)整個(gè)文庫(kù)的結(jié)果，便有可能獲得藥物作用的靶基因。研究者稱此種篩選方式為 haploinsufficiency drug screen。
　　用DNA微陣列芯片進(jìn)行藥物研究還存在如下一些缺點(diǎn)：①由于雜交樣品制備復(fù)雜，采用DNA微陣列芯片很難實(shí)現(xiàn)高通量。②DNA微陣列芯片只能用于檢測(cè)已知序列的基因。③由于靈敏度的限制，采用現(xiàn)存的DNA微陣列芯片難以檢測(cè)到表達(dá)水平很低的基因。
　　除了DNA芯片外，組織芯片、蛋白質(zhì)芯片和細(xì)胞芯片也在藥物研究中嶄露頭角。最近，耶魯大學(xué)的研究小組首次報(bào)道了真核生物蛋白質(zhì)組水平的蛋白質(zhì)微陣列芯片。他們表達(dá)和純化了酵母的 5800種蛋白質(zhì)，并將這些蛋白質(zhì)點(diǎn)樣固定在載玻片上，制作了酵母蛋白質(zhì)組微陣列芯片。他們使用這種芯片篩選能與特定蛋白質(zhì)和磷脂相互作用蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了新的能與鈣調(diào)蛋白和磷脂相互作用的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)微陣列芯片可以用于篩選與蛋白質(zhì)相互作用的藥物，還可以用于檢測(cè)蛋白質(zhì)翻譯后的修飾。他們的研究成果證實(shí)了制作和使用蛋白質(zhì)組微陣列芯片進(jìn)行功能分析檢測(cè)的可行性，并向人們預(yù)示了蛋白質(zhì)微陣列芯片在藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
Zlauddin和Sabatinl發(fā)明了一種細(xì)胞微陣列芯片。他們首先將不同的質(zhì)粒DNA點(diǎn)在玻璃片上，做成質(zhì)粒DNA做陣列芯片。接著用脂質(zhì)轉(zhuǎn)染試劑處理該質(zhì)粒DNA微陣列芯片，然后在處理好的質(zhì)粒DNA微陣列上培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞。點(diǎn)在芯片上的質(zhì)粒DNA在轉(zhuǎn)染試劑的幫助下原位轉(zhuǎn)染哺乳動(dòng)物細(xì)胞，在質(zhì)粒DNA微陣列的每一個(gè)質(zhì)粒樣品點(diǎn)的相同位置形成了轉(zhuǎn)染了該質(zhì)粒的細(xì)胞群。細(xì)胞因獲得了外源DNA而獲得了新的性狀。這樣，由質(zhì)粒DNA芯片制成了由不同性狀細(xì)胞組成的細(xì)胞做陣列芯片。他們嘗試用這種細(xì)胞芯片來(lái)確證藥物作用靶點(diǎn)，尋找能改變細(xì)胞生理狀態(tài)的基因產(chǎn)物。這種新型細(xì)胞芯片可以用來(lái)在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)高通量篩選有可能成為候選先導(dǎo)分子的化合物、蛋白質(zhì)或寡核苷酸。在功能基因組研究和藥物開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

　　2 生物芯片作為超高通量篩選平臺(tái)的應(yīng)用
　　在過(guò)去的十幾年里，隨著科學(xué)的進(jìn)步以及在巨大的經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下，藥物篩選技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。在80年代中期（高通量篩選形成之初），每天只能篩選30種化合物，到90年代中期，每天可篩選1，500種化合物，而如今每天可篩選超過(guò) 100，000個(gè)化合物。高速、低成本的高通量篩選已成為當(dāng)今藥物篩選的主流，并逐漸向超高通量方向發(fā)展。在過(guò)去的幾年中，世界上著名的制藥公司紛紛與以高通量藥物篩選技術(shù)為核心的中小型生物科技公司結(jié)盟或合作，采用高通量或超高通量藥物篩選技術(shù)進(jìn)行先導(dǎo)物分子的篩選。要進(jìn)一步提高篩選率，高通量篩選技術(shù)的各個(gè)方面均需要技術(shù)創(chuàng)新，這為生物芯片技術(shù)進(jìn)入藥物篩選領(lǐng)域提供了寶貴的契機(jī)。
　　提高藥物篩選的通量，實(shí)現(xiàn)超高通量篩選有2 條途徑：一是微型化，一是自動(dòng)化。生物芯片作為一種新型技術(shù)平臺(tái)，正可滿足超高通量篩選微型化和自動(dòng)化的需要。生物芯片技術(shù)應(yīng)用于超高通量篩選有2個(gè)發(fā)展方向：一是微孔板/微陣列技術(shù)，一是微流體芯片技術(shù)。
　　微孔板/微陳列技術(shù)
　　微孔板技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在板孔數(shù)的增加。目前，使用最多的是96孔及384孔板，也有人使用1536孔、3456孔、甚至 9600孔板。如Oldenburg等報(bào)道了用9600孔板（0.2μL/孔）分析系統(tǒng)，以金屬蛋白酶為靶，對(duì)組合及分離純化的化合物庫(kù)進(jìn)行篩選的結(jié)果。雖然隨著材料科學(xué)和加工技術(shù)的發(fā)展，微孔板技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但其發(fā)展面臨著一些不易解決的困難，主要有：微量液體極易蒸發(fā)，不適于那些不能用二甲亞砜（DMSO）作溶劑的篩選方法以及受限于當(dāng)今還不夠完善的微量液體分配技術(shù)。
　　微陣列技術(shù)是將微孔板技術(shù)進(jìn)一步微型化。最近，哈佛大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了化合物微陣列芯片，主要用于篩選能與特定蛋白質(zhì)特異性結(jié)合的化合物。他們將玻片表面進(jìn)行化學(xué)處理，使其衍生化產(chǎn)生活性基團(tuán)，然后將溶于有機(jī)溶劑中的化合物用機(jī)械手點(diǎn)在經(jīng)處理的玻片表面，化合物與玻片表面的活性基團(tuán)反應(yīng)而被固定于玻片表面，這樣就將不同的化合物排布成微陣列，固定在玻片表面，制成化合物微陣列芯片。隨后將感興趣的蛋白質(zhì)進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后與微陣列芯片上的化合物反應(yīng)，經(jīng)清洗后，再進(jìn)行熒光檢測(cè)就可以篩到能與這種蛋白質(zhì)特異性結(jié)合的化合物。他們用化合物微陣列芯片進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，使用這種化合物微陣列芯片可以并行、快速地進(jìn)行大規(guī)模的化合物與蛋白質(zhì)的結(jié)合篩選。他們最先是將玻璃片表面進(jìn)行馬來(lái)酰亞胺衍生化處理，后來(lái)采用亞硫酰氯處理，都獲得了成功。他們還嘗試了使用這種化合物微陣列芯片進(jìn)行大規(guī)模對(duì)映異構(gòu)體的分型檢測(cè)。加利福尼亞大學(xué)Davis分校的科學(xué)家們采用類似的方法也制造了一種化合物微陣列芯片。他們對(duì)玻琥載玻片表面進(jìn)行氨基化處理，在氨基玻片上進(jìn)行乙醛酰衍生化，然后將帶有連接臂的配體分子點(diǎn)在修飾過(guò)的玻片表面。在進(jìn)行化學(xué)連接反應(yīng)之后，這種固定了不同小分子配體的微陣列芯片被用來(lái)進(jìn)行了3種生物學(xué)檢測(cè)：蛋白質(zhì)結(jié)合檢測(cè)、功能磷酸化檢測(cè)和活細(xì)胞粘附檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了化合物微陣列芯片可以幫助我們對(duì)由組合合成方法獲得的大量化合物進(jìn)行快速的功能分析和篩選�；�合物微陣列芯片技術(shù)與基于微珠體的固相組合會(huì)成技術(shù)相結(jié)合為高通量藥物篩選帶來(lái)了一條新的途徑，將對(duì)高通量藥物篩選技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。
　　最近，出現(xiàn)了一種被稱為芯片膜片鉗（patch-on- a－chip）的新技術(shù)。在這種膜片鉗芯片上加工有檢測(cè)電信號(hào)的點(diǎn)陣，點(diǎn)陣中的每一個(gè)點(diǎn)是一個(gè)電信號(hào)記錄單元，同時(shí)每個(gè)點(diǎn)底部與負(fù)歷相通，可以吸位細(xì)胞。這樣膜片鉗芯片上的每一個(gè)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)膜片鉗技術(shù)的功能。膜片鉗芯片具有操作簡(jiǎn)單、快速和可實(shí)現(xiàn)高通量等優(yōu)點(diǎn)，可以用于電生理研究和高通量藥物篩選。位于美國(guó)圣地亞哥的AVIVA公司正在致力于此項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

微流體芯片技術(shù)
　　微流體裝置的發(fā)展已廣泛用于生化及細(xì)胞的分析。鑒于這項(xiàng)技術(shù)在超高通量篩選中的巨大應(yīng)用前景，吸引了眾多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。借用半導(dǎo)體工業(yè)中所用的光刻技術(shù)將內(nèi)徑在10～100μm的做通道加工在玻璃或硅片中，利用電動(dòng)泵和流體的壓力來(lái)控制皮、納升級(jí)液體的流動(dòng)。該技術(shù)可減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)的試劑消耗量，并能提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。它所采用的并行樣品處理程序可以獲得更高的篩選通量。多種類型的篩選分析方法在微流體芯片上操作的可行性（包括結(jié)合分析、酶分析和細(xì)胞分析）已得到實(shí)驗(yàn)論證。
　　Jiang等制造了2種可以用于高通量檢測(cè)食物污染物和進(jìn)行藥物篩選的微流體裝置。他們以硅為模板，采用模壓和毛細(xì)管成形技術(shù)在聚酯和多聚硅氧烷二甲酯中加工激流體網(wǎng)絡(luò)。在第1種裝置的微通道中夾著一塊PVDF（polyvinylidene fluoride）膜可用來(lái)結(jié)合、濃縮目標(biāo)化合物，然后再直接通過(guò)質(zhì)譜方法鑒定目標(biāo)化合物。第2種裝置被用來(lái)超濾分離本巴比妥和苯巴比妥與抗體的復(fù)合物。整個(gè)過(guò)程包括上樣、清洗和解離都是連續(xù)進(jìn)行的。這些微流體裝置不僅可以顯著降低系統(tǒng)死體積和所需樣品量，而且與先前報(bào)道的方法相比靈敏度至少可提高 1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　Capliper Technologies公司設(shè)計(jì)的芯片裝置，將從微孔板中取樣與隨后進(jìn)行的酶抑制劑篩選結(jié)合在一起。目前，該芯片裝置已制作完成，并通過(guò)了測(cè)試。測(cè)試的化合物通過(guò)與芯片相連的硅毛細(xì)管注射入芯片中，與酶及熒光酶底物混合以使它們?cè)谥鞣磻?yīng)通道內(nèi)發(fā)生相互作用。酶與熒光底物反應(yīng)產(chǎn)生基線熒光信號(hào)。如果測(cè)試化合物抑制酶的活性，信號(hào)將會(huì)暫時(shí)性的降低，通過(guò)檢測(cè)熒光信號(hào)的強(qiáng)度就可以測(cè)定化合物抑制酶的活性。這種裝置每次進(jìn)樣量 1～10nL，進(jìn)樣同期10～30s。利用這個(gè)系統(tǒng)，每塊芯片可對(duì)幾千種化合物進(jìn)行篩選。目前對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的努力主要集中在提高系統(tǒng)的耐用性和將不同類型的篩選方法移植到這個(gè)平臺(tái)上來(lái)。最新設(shè)計(jì)的微流體芯片將液體分發(fā)�；�合物稀釋與篩選分析 3者集成起來(lái)，由于減少了被視為瓶頸的芯片使用前的準(zhǔn)備步驟，使得該系統(tǒng)更加方便實(shí)用。
目前，致力于開(kāi)發(fā)微流體芯片技術(shù)并將其應(yīng)用于藥物篩選的公司有：Caliper Technologies，Orchid
　　BioSciences，ACLARA BioSciences，Li－Cor等。

3 生物芯片在毒理學(xué)研究中的應(yīng)用
　　對(duì)藥物進(jìn)行毒性評(píng)價(jià)，是藥物篩選過(guò)程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)�，F(xiàn)在毒理學(xué)家多采用鼠為模型通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)確定藥物的潛在毒性。這些方法需要使用大劑量的藥物，花上幾年時(shí)間，花費(fèi)巨大。 DNA芯片技術(shù)可將藥物毒性與基因表達(dá)特征聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)基因表達(dá)分析便可確定藥物毒性，使得藥物毒性或不期望出現(xiàn)的效應(yīng)在臨床實(shí)驗(yàn)前得以確認(rèn)。用DNA芯片可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)基因的表達(dá)情況進(jìn)行分析，為研究化學(xué)或藥物分子對(duì)生物系統(tǒng)的作用提供全新的線索。該技術(shù)可對(duì)單個(gè)或多個(gè)有害物質(zhì)進(jìn)行分析，確定化學(xué)物質(zhì)在低劑量條件下的毒性，分析、推斷有毒物質(zhì)對(duì)不同生物的毒性可比性。如果不同類型的有毒物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)諾有特征性的規(guī)律，那么，通過(guò)比較對(duì)照樣品和有毒物質(zhì)的基因表達(dá)譜，便可對(duì)各種不同的有毒物質(zhì)進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上通過(guò)進(jìn)一步建立合適的生物模型系統(tǒng)，便可通過(guò)基因表達(dá)港變化來(lái)反映藥物對(duì)人體的毒性。
　　已經(jīng)有不少研究工作表明，利用DNA芯片預(yù)測(cè)化合物毒性和對(duì)毒性物質(zhì)進(jìn)行分類是可行的。 Waring等用15種已知的肝毒性化合物處理大鼠。這些毒物將對(duì)肝細(xì)胞造成多種傷害，如DNA 損傷、肝硬化、肝壞死和誘發(fā)肝癌等。從大鼠肝臟中提取RNA，用DNA芯片作基因表達(dá)分析。通過(guò)將基因表達(dá)結(jié)果與組織病理分析和臨床化學(xué)分析的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者有很強(qiáng)的相關(guān)性。該結(jié)果表明，DNA芯片分析是一種可以用來(lái)分析藥物安全性和對(duì)環(huán)境毒物進(jìn)行分類的靈敏度較高的方法。在另一報(bào)道中他們用同樣的15種化合物作用大鼠的肝細(xì)胞，再用DNA芯片作基因表達(dá)分析，結(jié)果顯示具有相似毒性機(jī)制的化合物所獲得基因表達(dá)譜具有相似性。Gerhold等給大鼠服用苯巴比妥和地塞米松等藥物，使用寡核苷酸芯片，檢測(cè)了大鼠肝組織中與藥物代謝、毒性和能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)。最后，通過(guò)分析基因表達(dá)變化的結(jié)果就可以推測(cè)藥物代謝與毒性的情況。Bartosiewicz等則利用 DNA芯片對(duì)環(huán)境毒物進(jìn)行了檢測(cè)。
　　目前已有多種較為成熟的毒理學(xué)DNA芯片繼問(wèn)世。美國(guó)國(guó)立環(huán)境衛(wèi)生研究院分子致癌機(jī)制實(shí)驗(yàn)室的Barrett等人研制了一種名為ToxChip的 DNA芯片，可以靈敏的檢測(cè)有害化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體基因表達(dá)的作用（http：//dir，niehs．nih．gov/dirlmc/ lmcmain．htm）；Gene Logic公司的產(chǎn)品Flow－thru Chip已經(jīng)試投入商業(yè)運(yùn)用，可用以檢測(cè)藥物和毒物對(duì)生物體的影響，他們還建立了龐大的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以用于藥物靶點(diǎn)確認(rèn)和毒性預(yù)測(cè)（http：// www.genelogic．com/geneexp.asp）；Syngenta公司和AstraZeneca Pharmaceuticals公司的科學(xué)家設(shè)計(jì)制作了被稱為ToxBlot arrays的DNA芯片，其第代產(chǎn)品ToxBlot Ⅱ含有大約13000人的基因，包含了所有毒理學(xué)家感興趣的基因家族和信號(hào)通路；美國(guó)化學(xué)工業(yè)毒物研究所（Chemical Industry Insti tute of Toxicology）中專門有一個(gè)工作小組用微陣列 技術(shù)研究一些致癌毒物對(duì)人體的作用（http；// www．ciit．org/toxicogenomics/construction．html）

4 生物芯片在藥物基因組學(xué)中的應(yīng)用
　　藥物基因組學(xué)是在基因組學(xué)的基礎(chǔ)上研究不個(gè)體對(duì)藥物反應(yīng)的差異以便針對(duì)不同的基因型"量身定做"藥物，從而將藥物的藥效充分發(fā)揮而不良反應(yīng)減少到最小。其優(yōu)點(diǎn)為：①在進(jìn)入臨床試驗(yàn)前，藥物基因組學(xué)可以通過(guò)化合物對(duì)基因多態(tài)性的影響挑選先導(dǎo)物，從而降低由于藥效的不穩(wěn)定導(dǎo)致的失敗幾率。②在Ⅰ期臨床試驗(yàn)中，個(gè)體基因型可以預(yù)見(jiàn)基因多態(tài)性造成的藥物代謝動(dòng)力學(xué)差異。③由于藥物作用靶蛋白的差異反映在基因多態(tài)性上，因此在Ⅱ期臨床試驗(yàn)中，由個(gè)體基因型可以預(yù)見(jiàn)基因多態(tài)性造成的藥效差異，由此來(lái)指導(dǎo)Ⅲ期臨床試驗(yàn) ④一旦發(fā)現(xiàn)一種可以導(dǎo)致藥物作用差異的蛋白，其他與之相關(guān)的蛋白可作為潛在的藥物作用靶。
　　將DNA芯片技術(shù)應(yīng)用于藥物基因組學(xué)，一方面可以加速藥物基因組學(xué)的發(fā)展，主要是利用DNA 芯片進(jìn)行基因功能及其多態(tài)性的研究，以確認(rèn)與藥物效應(yīng)及藥物吸收、代謝、排泄等相關(guān)的基因，并查明這些基因的多態(tài)性；另一方面DNA芯片利用藥物基因組學(xué)的研究成果，根據(jù)基因型將人分群，以實(shí)現(xiàn)藥物基因組學(xué)研究的目的和價(jià)值。從這兩方面足以看到DNA芯片技術(shù)對(duì)藥物基因組學(xué)研究的影響之大。
　　DNA芯片可以自動(dòng)、快速地檢測(cè)那些可以影響藥物效應(yīng)的基因（如藥物代謝酶、藥物作用靶和致病因子的編碼基因）和決定個(gè)人對(duì)藥物毒性敏感性的基因。Evans和Relling就設(shè)想了一種急性原淋巴細(xì)胞白血病藥物基因組芯片，這種芯片上包括了所有可能影響急性原淋巴細(xì)胞白血病病人對(duì)化學(xué)治療反應(yīng)的基因，借助這種芯片可以根據(jù)病人的基因型對(duì)病人分群，幫助醫(yī)生為每個(gè)病人選擇合適的治療藥物和藥物劑量。

5 生物芯片在藥物分析中的應(yīng)用
　　生物芯片在藥物分析中的應(yīng)用主要是指采用毛細(xì)管電泳芯片/質(zhì)譜系統(tǒng)對(duì)化合物庫(kù)、血樣和尿樣中的藥物進(jìn)行分析鑒定。毛細(xì)管電泳芯片/貢譜系統(tǒng)是指將毛細(xì)管電泳芯片和質(zhì)譜聯(lián)用的一套裝置。毛細(xì)管電泳芯片進(jìn)行樣品的分離，而與芯片聯(lián)用的質(zhì)譜則有選擇性的對(duì)分離成分進(jìn)行檢測(cè)。美國(guó)康奈爾大學(xué)的Wachs等發(fā)明了一種微型化的離子噴霧裝置。這種裝置適合于與基于芯片的分離裝置、多孔板或帶有待測(cè)樣品殘?jiān)�的表面�?lián)用。這種裝置有兩種版本，一種稱為微型噴霧器，主要與毛細(xì)管電泳芯片聯(lián)用；另一種稱為小型噴霧器，它帶有伸長(zhǎng)的吸樣毛細(xì)管，可以插入多孔板孔的底部，所以適合與多孔板聯(lián)用。這種裝置可以幫助人們對(duì)芯片分離所得樣品或多孔板中樣品進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè)。來(lái)自康奈爾大學(xué)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的Deng等將玻璃制成的毛細(xì)管電泳芯片與他們自己設(shè)計(jì)的微型離子噴霧裝置連接，使用PE公司的質(zhì)譜系統(tǒng)做檢測(cè)，對(duì)多種藥物的標(biāo)準(zhǔn)和血漿樣品進(jìn)行了分析檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用毛細(xì)管電泳芯片/質(zhì)譜系統(tǒng)對(duì)小分子化合物進(jìn)行快速（30s）的檢測(cè)是可行的。這套裝置可以用來(lái)對(duì)合成的化合物庫(kù)和人血漿中重要成分進(jìn)行分析檢測(cè)。Ramseier等用芯片毛細(xì)管電泳和使膠毛細(xì)管電泳檢測(cè)尿中苯丙胺及其類似物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示芯片毛細(xì)管電泳的方法具有更快的分高速度和更高的分離效率。Chiem等則用毛細(xì)管電泳芯片檢測(cè)了血清中的茶堿。

6 結(jié)語(yǔ)
　　隨著一浪高過(guò)一浪的生物芯片技術(shù)研發(fā)熱潮，生物芯片技術(shù)在藥物研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用也將更廣泛更深入。特別值得一提的是，在今天"回歸自然"思潮的影響下，天然藥物的開(kāi)發(fā)成為一股強(qiáng)大的潮流，而中藥又以其豐富的資源、獨(dú)特的療效、較小的不良反應(yīng)引起世界的關(guān)注；同時(shí)人們也認(rèn)識(shí)到，從化學(xué)合成物中篩選新藥難度大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，于是中藥的研究與開(kāi)發(fā)已成為新藥研發(fā)的熱點(diǎn)。中藥現(xiàn)代化研究的難點(diǎn)就在于中藥成分的復(fù)雜性和中藥作用機(jī)制的復(fù)雜性。生物芯片由于具有高通量（或超高通量）、并行性、低消耗、微型化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，將尤其適合于中藥的研究與開(kāi)發(fā)。例如香港城市大學(xué)的生物芯片研究小組就利用DNA微陣列芯片研究了中藥對(duì)腫瘤細(xì)胞基因表達(dá)的影響；他們還致力于開(kāi)發(fā)能對(duì)中藥有效成分進(jìn)行分離和篩選的生物芯片系統(tǒng)。香港理工大學(xué)的的研究小組采用DNA芯片對(duì)中藥進(jìn)行基因分型，從而鑒定中藥的品種。生物芯片北京國(guó)家工程研究中心采用自行研制的酵母全基因組DNA芯片，與北京大學(xué)藥學(xué)院生物技術(shù)室合作研究了多種抗真菌中藥的作用機(jī)制�？梢灶A(yù)見(jiàn)，生物芯片技術(shù)將在中藥現(xiàn)代化研究與開(kāi)發(fā)中大顯身手。
　　隨著中國(guó)加入WTO日程的日益臨近，我國(guó)的制藥工業(yè)面臨著知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的強(qiáng)大壓力。加緊研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的藥物已迫在眉睫。目前國(guó)外幾乎所有的大制藥公司都不約而同地采用了生物芯片技術(shù)。我國(guó)在該領(lǐng)域雖然起步較晚，但潛力較大，以此作為突破口，將生物芯片技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新藥物的研究與開(kāi)發(fā)以及中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究將一定能夠取得令人矚目的成績(jī)。
　　（生物芯片北京國(guó)家工程研究中心，鄧沱，程京）（清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系，鄧沱，周玉祥，程京）