蛋白质芯片技术

蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，以及DNA-蛋白质、RNA-蛋白质的相互作用，并可用于筛选药物作用的蛋白靶点等。

中文名	蛋白质芯片	用途	蛋白质表达谱分析
含义	蛋白功能分析技术	原理	对固相载体进行特殊的化学处理
分类	微孔板蛋白质芯片等	外文名	Protein chip

原理

蛋白芯片技术以蛋白质为研究对象，其原理是通过对固相载体进行特殊化学处理，将已知蛋白分子（如酶、抗原、抗体等）固定其上，依据这些生物分子的特性，捕获与之特异性结合的待测蛋白（来源于血清、尿液等），经洗涤、纯化后进行确认和生化分析，为获取重要生命信息提供技术支持。

固体芯片的构建

固体芯片的构建材料多样，包括玻片、硅、云母及各种膜片等。理想的载体表面为渗透滤膜或包被了不同试剂的载玻片，外形可多样。探针制备方面，低密度蛋白质芯片的探针涵盖特定抗原、抗体等生物活性蛋白，制备时多用直接点样法以维持其结构与活性；高密度蛋白质芯片则多为基因表达产物，如cDNA文库产生的蛋白质排列于载体表面，芯池数目多且呈微距阵排列，点样需机械手完成。

生物分子反应

生物分子反应时，将待检的含蛋白质标本（如尿液、血清等）经前处理后，按需点入芯池，依据目的选用不同探针结合或与生物制剂相互作用，洗去未结合物质后固定样品待检。

信号检测分析

信号检测分析有直接和间接两种模式：直接检测是将待测蛋白用荧光素或同位素标记，结合到芯片的蛋白质会发出信号，用芯片扫描仪和计算机软件分析；间接检测类似ELISA，标记第二抗体。此外，还有基于质谱分析的新技术，如SELDI-TOF-MS，可使芯片上的靶蛋白离子化并计算其质量电荷比以确定分子量和含量，以及光学蛋白芯片技术，基于光学椭圆生物传感器概念，利用芯片上靶蛋白感应表面及生物分子特异性结合性，在椭偏光学成像下测定多种生物分子。

分类

蛋白芯片主要分为以下三类：蛋白质微阵列、微孔板蛋白质芯片、三维凝胶块芯片。

蛋白质微阵列

哈佛大学的 Macbeath 和 Schreiber 等通过点样机械装置制作蛋白质芯片，将针尖浸入装有纯化蛋白质溶液的微孔中，然后在载玻片表面点样，机械手可重复操作以点不同的蛋白质。此装置可固定约 10,000 种蛋白质，用于研究蛋白质与蛋白质、蛋白质与小分子间的特异性相互作用。他们首先用小牛血清白蛋白（BSA）修饰玻片，防止固定在表面的蛋白质变性。BSA 中的赖氨酸通过活性剂与点样蛋白质样品中的赖氨酸反应，使其结合在基片表面，同时一些蛋白质的活性区域露出，从而制作成蛋白质微阵列。

微孔板蛋白芯片

Mendoza 等在传统微滴定板基础上，利用机械手在 96 孔的每个孔的平底上点样成 4×36 阵列的四组蛋白质，每组 36 个点，包含 8 种不同抗原和标记蛋白。可直接使用配套的全自动免疫分析仪测定结果，适合蛋白质的大规模、多种类筛选。

三维凝胶块芯片

三维凝胶块芯片由美国阿贡国家实验室和俄罗斯科学院恩格尔哈得分子生物学研究所开发。其实在基片上点布 10000 个微小聚苯烯酰胺凝胶块，每个凝胶块可用于靶 DNA、RNA 和蛋白质分析，适用于抗原抗体筛选、酶动力学反应研究。其优点在于三维结构能容纳更多已知样品，提高检测灵敏度，且蛋白质可保持天然状态，便于进行免疫测定、受体与配体研究及蛋白质组分分析。

应用

基因表达的筛选

Angelika L. 等人从人胎儿脑的 cDNA 文库中选出 92 个克隆的粗提物制成蛋白质芯片，用特异性抗体进行检测，准确率在 87% 以上，而传统原位滤膜技术准确率仅为 63%。与原位滤膜相比，蛋白质芯片在相同面积上可容纳更多克隆，灵敏度可达 pg 级。

抗原抗体检测

在 Cavin M. 等人的实验中，蛋白质芯片上的抗原抗体反应表现出良好的特异性，在一块含有 10800 个点的蛋白质芯片上，根据抗原抗体的特异性结合检测到唯一的 1 个阳性位点。Cavin M. 指出，这种特异性的抗原抗体反应一旦确立，就可以利用这项技术来测量整个细胞或组织中的蛋白质的丰富程度和修饰程度。此外，利用蛋白质芯片技术，可以根据与某一蛋白质的多种组分亲和的特征，筛选某一抗原的未知抗体，将常规的免疫分析微缩到芯片上进行，使免疫检测更加方便快捷。

筛选及研究

常规筛选蛋白质主要是在基因水平上进行，但这种方法存在局限性，如许多蛋白质不是全长基因编码，真核基因在细菌中往往不能产生正确折叠的蛋白质，且噬菌斑转移不能缩小到毫米范围进行。蛋白质芯片技术可以弥补这些不足。酶作为一种特殊的蛋白质，可以用蛋白质芯片来研究酶的底物、激活剂、抑制剂等。蛋白质芯片为蛋白质功能研究提供了新的方法，合成的多肽及来源于细胞的蛋白质都可以用作制备蛋白质芯片的材料。Uetz 将蛋白质芯片引入酵母双杂交研究中，大大提高了筛选率。建立了含 6000 个酵母蛋白的转化子，每个都具有开放性可阅读框架（Open Reading Frame，ORF）的融合蛋白作为酵母双杂交反应中的激活区，此蛋白质芯片检测到 192 个酵母蛋白与此发生阳性反应。

生化反应的检测

对酶活性的测定一直是临床生化检验中不可缺少的部分。Cohen 用常规的光蚀刻技术制备芯片，将酶及底物加到芯片上的小室，在电渗作用中使酶及底物经通道接触，发生酶促反应。通过电泳分离，可得到荧光标记的多肽底物及产物的变化，以此来定量酶促反应结果。动力学常数的测定表明该方法是可行的，而且，荧光物质稳定。Arenkov 进行了类似的试验，他制备的蛋白质芯片的一大优点是可以反复使用多次，大大降低了试验成本。

药物筛选

疾病的发生发展与某些蛋白质的变化有关，如果以这些蛋白质构筑芯片，对众多候选化学药物进行筛选，直接筛选出与靶蛋白作用的化学药物，将大大推进药物的开发。蛋白质芯片有助于了解药物与其效应蛋白的相互作用，并可以在对化学药物作用机制不甚了解的情况下直接研究蛋白质谱。还可以将化学药物作用与疾病联系起来，以及药物是否具有毒副作用、判定药物的治疗效果，为指导临床用药提供实验依据。另外，蛋白芯片技术还可对中药的真伪和有效成分进行快速鉴定和分析。

疾病诊断

蛋白质芯片技术在医学领域中有着潜在的广阔应用前景。蛋白质芯片能够同时检测生物样品中与某种疾病或者环境因素损伤可能相关的全部蛋白质的含量情况，即表型指纹（phenomic fingerprint）。表型指纹对监测疾病的过程或预测，判断治疗的效果也具有重要意义。Ciphelxen Biosystems 公司利用蛋白质芯片检测了来自健康人和前列腺癌患者的血清样品，在短短的三天之内发现了 6 种潜在的前列腺癌的生物学标记。Englert 将抗体点在片基上，用它检测正常组织和肿瘤之间蛋白质表达的差异，发现有些蛋白质的表达，如前列腺组织特异抗原，明胶酶蛋白在肿瘤的发生发展中起着重要的作用，这给肿瘤的诊断和治疗带来了新途径。应用蛋白质芯片在临床上还发现乳腺癌患者中的 28.3KD 的蛋白质；存在于结肠癌及其癌前病变患者的血清 13.8KD 的特异相关蛋白质。

优势

蛋白质芯片技术具有以下优势：

可直接分析粗生物样品（如血清、尿液、体液等）。
能够同时快速发现多个生物标志物。
所需样品量少。
具备高通量的验证能力。
有助于发现低丰度蛋白质。
可测定疏水蛋白质，相比“双相电泳加飞行质谱”，其功能相似，但增加了测定疏水蛋白质的能力。
在同一系统中集成了发现和检测功能，特异性高，利用单克隆抗体芯片，可鉴定未知抗原/蛋白质，减少蛋白质测序工作量。
可以定量分析，利用单克隆抗体芯片，由于芯片上结合的抗体是定量的，因此可以测定抗原量，而飞行质谱通常不用于定量分析。
功能广泛：
- I. 利用单克隆抗体芯片，可替代Western Blot。
- II. 利用单克隆抗体芯片，可弥补流式细胞仪功能的不足，例如在细胞溶解后，可测定细胞内的抗原，且灵敏度远高于流式细胞仪。

名称	货号	规格
Sera-Mag SpeedBeads 蛋白 A/G 磁性颗粒	17152104010150	5ml
HOIL-1 蛋白	bulk-HOIL-1-EA	EA
重组人GroEL（HSP60）蛋白	abs44073570-5ug	5ug
Claudin18.1蛋白服务	bulk-Claudin18.1-ea	ea

蛋白质芯片技术：原理、分类与应用

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