基因芯片(gene chip)，又称DNA微探针阵列(microarray)，是在固体基片表面上集成已知序列的基因探针，将被测生物细胞或组织中大量标记的核酸序列与上述探针阵列进行杂交，通过检测杂交探针的位置，实现基因信息的快速检测。基因芯片技术能够对微量样本中的核酸序列信息进行快速、高通量和低成本检测和分析，特别是其高通量并行化采集生物信息的特点是目前其他分析技术所无法比拟的。基因芯片已经成为药物基因组学研究和应用的一种不可代替的工具，在药物前体化合物的筛选和评价、新的药物作用靶分子的确定、药物的代谢和毒性分析及其个体差异检测、药物作用机制等方面得到了应用，并将在中药分子作用机制、新药发现和开发的研究等方面发挥越来越重要的作用。 (1)基因芯片技术  基因芯片技术是指采用原位合成或显微打印手段，将数以万计的DNA探针固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号来实现对生物样品快速、并行、高效地检测或医学诊断。由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程运用了计算机芯片的制备技术，所以称之为基因芯片技术。 1)基因芯片的分类：基因芯片的分类从不同的角度会分成不同的类别。如果按DNA的种类分，基因芯片主要分为两类：cDNA微阵列芯片和寡核苷酸微阵列芯片。 （ⅰ）cDNA芯片：用点样法把cDNA片段固定在基片表面上，用标记的被测基因与cDNA阵列杂交。cDNA芯片直接利用cDNA克隆库制备芯片，将微量cDNA片段在玻璃等载体上按矩阵密集排列并固化，制作技术较为成熟、成本较低，可用于基因表达差异的检测。cDNA芯片的优点是靶基因检测特异性非常好，目前多用于实验室和大制药公司。缺点是点样密度不及原位合成寡聚核苷酸芯片等，但也可达到每张载玻片6万个基因。cDNA芯片主要用于表达谱研究。 （ⅱ）寡聚核苷酸微阵列芯片：寡核苷酸是用点样法或在基片上直接化学合成的寡核苷酸探针阵列。通常与荧光标记的被测基因进行杂交和检测。寡核苷酸阵列芯片的特异性强，可进行单个碱基错配的检测，杂交信号检测的动态范围大，杂交时间短，特别是芯片合成法，把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以通过提高光刻的分辨率提高芯片上的探针密度，实现高密度芯片的标准化和规模化生产。寡核苷酸微阵列芯片的优点是密集程度高，可合成任意序列的寡聚核苷酸，适用于DNA序列测定、SNP分析等；缺点是合成长度有限，特异性差，随着合成长度增加，错误率随之增高。寡核苷酸主要用于点突变和测序等，也可以用于表达谱研究。 2)基因芯片的基本技术环节：基因芯片技术包括：①芯片制备。主要采用表面化学的方法或组合化学的方法来处理固相基质如玻璃片或硅片，然后使DNA片段或蛋白质分子按特定顺序排列在片基上。②生物样品的制备和处理。生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片进行反应。要将样品进行特定的生物处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA等信息分子并加以标记，以提高检测的灵敏度。③生物分子与芯片进行反应。芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配比率，从而获取最能反映生物本质的信号。④芯片信号检测和分析。目前最常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可以获得有关生物信息。 3)基因芯片的一般检测过程：基因芯片的检测过程为：组织取材→组织匀浆→mRNA提取→cDNA荧光标记合成→与基因芯片杂交→杂交信号检测。因此，利用基因芯片检测某类基因表达情况，首先要从组织上提取mRNA，再反转录成标记cDNA，基因芯片要求有一定量的标记cDNA才能有效检测。杂交信号检测时，用连有“电荷耦联照相机”(CCDcamera)的荧光显微镜或激光共聚焦荧光检测系统(1aser confocal fluorescence detection)分析杂交信号的荧光强度，用带有专用软件的计算机处理信号后重建靶DNA序列。  (2)基因芯片在中药研究中的应用 1)基因芯片在中药新药筛选中的应用：如何分离和鉴定药物的有效成分是目前新药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选，在药物和基因之间架起一座桥梁，从基因水平解释药物的作用机制。 （ⅰ）在基因水平上寻找药物靶标：可以利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异，从而发现一组病症相关基因和药物效应基因作为药物筛选靶标；也可利用基因芯片比较正常组织(细胞)及病变组织(细胞)中大量相关基因表达的变化，从而将所发现的一组疾病相关基因作为药物筛选靶标。表达明显发生变化的基因常与发病过程及药物作用途径密切相关，很可能是药物作用的靶点或继发事件，可作为药物进一步筛选的靶点或验证已有的靶点。基因芯片可以从疾病及药物两个角度对生物体的多个参数同时进行研究，以发现和筛选靶标(即疾病相关分子)，并同时获取大量其他相关信息。 （ⅱ）中药不良反应研究：中药不良反应的研究是中药研究和开发中非常重要的工作之一，在中药开发与研究的实践中，通过明确候选药物的间接作用，可决定下一步的工作是否继续进行，许多药物就是因为未能预料到的不良反应而导致开发最终失败。如用生物芯片研究某种中药作用细胞后基因表达的变化，如发现一些重要的功能基因表达有明显改变，则提示此中药在研究剂量下可能有一定的毒性。观察药物处理后细胞基因表达谱的变化，可使研究者对药物的毒性及代谢特点有大致的估计，有利于进一步研究。毒理学研究的芯片称作‘Tox Chip’或‘Tox Blot’，包含了可能受毒性物质影响的上千个基因，所涉及的基因包括凋亡、细胞周期调控、药物转化和代谢、DNA复制与修复、热休克、氧化应激反应等相关基因，这些基因排列在载玻片大小的塑料或玻璃板上。从动物或暴露于药物的培养组织中提取的相匹配遗传物质与芯片上的探针结合，可以减少对实验动物的依赖。 （ⅲ）反义寡核苷酸药物：反义寡核苷酸药物是生物药物研究的一个方向和热点，反义核苷酸是一种以天然DNA为模板(如乙肝病毒的DNA)，人工合成一种与其相补的DNA片段，即反义核苷酸。此种反义核苷酸与天然DNA相配对后，可抑制天然DNA复制。目前部分反义核酸药物已进入临床研究阶段。利用基因芯片高通量、大规模筛选的特点，可以协助设计反义寡核苷酸最佳序列，一方面可以在很大程度上减轻工作量，另一方面也在一定程度上提高了反义寡核苷酸药物筛选的效率。 （ⅳ）药物代谢的单核苷酸多态性(SNP)研究：在遗传药理学领域需要确定人类的基因型，以鉴别出影响药物代谢的SNPs。SNPs有助于解释不同人之间、不同人群之间对药物敏感性的差异。同一物种不同个体的同一条染色体和同一个位置的核苷酸序列中，有可能存在绝大多数核苷酸排列序列一致、只有一个地方的核苷酸序列不同的现象，这种现象就是“单核苷酸多态性”(single nucleotide polymorphisms，SNP)。SNP导致了每个个体的与众不同。植物的这种现象是在其进化过程和多年的栽培过程中发生突然变异的结果，这些差别决定着植物的品种、形态及个体等的不同特性。遗传药理学研究的目标是利用所有相关的SNP变异，提高疾病的诊断和治疗水平。 2)基因芯片在中药作用机制研究中的应用：中药防病治病的作用机制，有其性味的物质基础，长期的研究表明：辛温药大多以挥发油为有效成分；苦寒药多以生物碱、苷类为有效成分；体现甘平药物药理活性的是多糖类成分；酸味药物多是以酚酸、鞣质为其有效成分；而小分子寡肽的作用有待进一步研究。 （ⅰ）研究方法 a．研究材料：研究材料的选择，首先应该考虑的是药物的有效性，它既是研究的起点，又是研究的终点；其次需要考虑的问题是治疗疾病的选择，中药有其独特疗效的疾病类型。发挥中医药整体综合调节的特长，应利用有限的资源，选择疗效明确、功能独特的中药方为切入点。①单味药：单味药相对于复方来讲比较简单，研究起来较为方便。但单味药并非是由单一成分组成的，通常从单味药里能分离的化学成分有上百种，且均为比较复杂的复合物，例如，板蓝根的化学成分包括吲哚类、喹唑类、芥子苷类、含硫类、有机酸类、腺苷类等化合物，具有清热解毒、凉血利咽、消肿等确切功能，如此功效是由单一成分起作用还是由多种成分协同作用，有待于深入研究。②复方：复方是中药的重要组成部分，成药中复方占多数，中药复方的药效物质基础和药理研究正成为中药研究的热点和核心。复方的选择一般可考虑以下几个原则：方中药味少，临床常用，疗效确切；把原始组方和以该组方衍生的药方结合起来研究，有可能发现该类药物共同的作用途径；药对搭配固定，互相配合，互相制约。在复方的选择过程中，应综合考虑中医、中药和生物技术等多方面的知识。③民间药和民族药：我国是一个多民族的国家，各少数民族充分利用了生息地的药物资源，积累了很多的药方，这些成果都是宝贵的财富。常用的藏药400多种、蒙药500多种、维药310多种，其他如壮药70多种、彝药324种、白药151种、苗药163种。有些传统药方用四气五味等理论解释起来很牵强，但是在实践中却有效。那些用中医药理论难以解释的验方，更应该得到研究人员的重视，这也许是发现新的药物作用靶点的捷径。 b．细胞系和动物整体两个水平研究：细胞和个体水平的研究是不可分割的两个部分，细胞水平的研究相对较为简单，但它可为整体动物模型的筛选提供线索。中药是多组分、多途径、多靶点的作用，很多中药的有效物质尚不清楚，兼之人体肠道是微生态体系，血液和组织内有丰富的酶类，影响中药药效的因素不确定，所以很多中药的真正有效成分可能是中药的代谢产物。因此，细胞水平的研究并不十分可靠，只有动物整体水平的实验才能提供更多和更可靠的信息。另外，考虑到动物和人体的差异，对动物实验结果的解释要慎重一些。因此，从现代生物医学的角度寻找理论根据，再以此为新的起点，研究更加有效和服用方便的药物是目前的研究重点。 c．研究细胞和动物水平的基因表达图谱变化：提取组织中的mRNA，反转录成cDNA，掺入荧光素或其他标记分子，杂交后，在基因芯片的扫描仪上，观察着色结果，处理图像，获取数据并存储及芯片数据归一化，对数据进行统计学分析。 d．芯片数据的生物学分析和结果解释：目前对基因表达数据的处理主要是进行聚类分析，将表达规律相似的基因分为一类，在此基础上寻找相关基因，分析基因的功能，探索基因的转录调节网络，发现基因在环境或药物作用下表达模式的变化，阐明一些基因对另一些基因的调节作用；利用聚类分析的结果还可以研究基因的启动子，分析表达模式相同或相反的一类基因启动子的组成特性，在多个基因序列的上游区域寻找共同的启动子。 将得到的基因表达信息与人类基因组学、蛋白质组学研究成果等相结合，充分利用公共数据库和专业数据库，分析表达变化的基因，从cDNA推导出蛋白质。由于很多蛋白质的功能已经了解，所以有可能推导出药物的作用机制。 根据表达变化的基因性质不同，考虑选用不同的研究方法。如果是编码重要酶的基因发生变化，则可以考虑从物质代谢途径去研究；若是细胞信号传导中的重要分子，则可以通过分析信号传导通路而研究药物的作用；将不同的基因进行综合分析，探究药物的作用机制。 （ⅱ）在分子水平上研究中药作用机制：中药的制作工艺多样，但是成药的成分应该是稳定和可控的，和汤药相比，成药和西方医学更接近，因而可将治病和辨证结合起来，先将注意力定位在成药的作用机制方面，而暂且回避中药的制作过程中发生的各种化学反应，以加快中药分子水平作用机制研究。 a．在分子水平研究中药作用机制，采用分子生物学技术应为首选。目前分子生物学技术的发展已较为成熟，从基因、蛋白质水平研究中药的作用机制完全可行，并已有许多成功的范例。此外，西方医药相对中药组成简单，作用靶点单一，而目前，许多疾病是多因素的，疾病相关基因不止一种，含多个化学实体和具有多靶点作用的中药，及强调复方与整体调节优势的中医，在治疗西方医药难以治疗疾病方面，有可能发挥自身独特优势。 b．现代生物科学研究表明，特异性蛋白的表达是细胞分化的基础，而蛋白的表达受到转录因子的调控，由于DNA结合蛋白的多样组合，某一个转录因子在不同的细胞中，可以影响不同功能蛋白的表达，从而使细胞表现相异的功能。研究中药有效成分在体内的分布，和中药有效成分受体及其与人类基因表达的关系，结合生物信号传导的作用机制，对于解密许多中医用药原则的辨证理念，如“同病异治，异病同治”的分子基础，明确归经的物质基础，从理论上，有可能解释中医药中的一些辩证思维，可以为中药学的研究提供一些新思路。 c．在目前的医疗实践中，西医中的一系列不同的病，因为有相同的中医症，因而中医常采用相同的方法治疗，从理论上讲，这其中必定有其相类似的物质基础。现代生物技术对包括细胞因子、转录因子等信号分子的传导和作用机制的研究，揭示了细胞信号传导的复杂性和整体性。在信号传导通路中，转录因子调节基因的表达，转录因子有通用性和相对特异性之分，而且存在复杂的组合模式。信号传导途径又影响转录因子的表达和作用，而且也是一种相对复杂和整体性的网络，既存在正向调控，也存在负向调控，这和中医药的整体观有共同之处。以这些研究为基础，从中寻找到中医症的物质线索可能是一条有效途径。 3)基因芯片在中药新药研发中的应用 （ⅰ）中药有效部位和单体的筛选研究：利用基因芯片以及其他研究技术，通过大规模的拆方研究和数据的积累，建立开放式数据库，比较拆方前后药物对基因芯片上基因表达图谱；变化的影响，结合“君、臣、佐、使”等方剂理论，分析中药方剂理论和基因的关系，这可从现代生物医学的角度解释中药的作用机制，探索方剂组方原则与配伍规律，并有可能出现新的观点。利用基因芯片技术，在拆方研究的基础上，结合服药后症状的改善，体内组织学和生物化学改变，与基因的功能相联系，搞清受不同组方中药影响的重要基因群，并以此为依据，探索中药发挥作用的物质基础及存在状况，优化作用靶点，分析“证”的相关基因，并据此寻找有效部位和单体，这有助于开发作用机制明确、容易被现代生物医学认可的新中药。 （ⅱ）中药有效成分相近化合物群的筛选：中药的主要有效成分含量甚微，有效成分的稳定性容易受到破坏，而且在治疗某一疾病时，有效成分一般以协同、增效或拮抗的方式发挥作用，所以一旦分离成为单一成分，反而可能会因为失去配伍而药效大降，甚至毒性增强。若将中药复方作为一个整体，通过高通量筛选技术，将其分离为性质相近的化合物群，再进一步采用多种分离手段研究有效部位或化学单体，筛选有效成分，开发新药，基因芯片技术可供作为适宜的高通量筛选技术。除了分离有效成分外，还可以考虑比较用药前后对细胞系的影响，研究胞系基因表达图谱变化，这样就比较直接地将中药效性、中药有效成分、症状和基因表达四者结合起来，从而了解中药的主要作用途径和基本原理。 4)基因芯片技术在中药质量控制中的应用：细胞系在合适的培养条件下，对外界刺激的反应相对稳定，因而可以筛选有重要作用的部分基因构建特定的基因芯片，以此对成药生理活性的稳定性进行研究。由于细胞系易于操作，构建特定的基因芯片相对容易，在检测成药生理活性的稳定性时，可考虑选用该方法。此方法有可能成为检测成药质量稳定性的方法之一。 目前各种组织类型的细胞系很多，虽然细胞系水平的研究结果远远不能反映药物在整个机体中的作用，但是以上方法如果和细胞生物学的指标相结合，例如抗原的表达、细胞的生长状态，以及与细胞的其他特性相结合，这样，虽然中药的化学成分和有效组分不清楚，但仍可以利用所测得的生物学的作用结果，进行质量控制。 值得注意的是，基因芯片只是生物芯片的一种，并且有一定的局限性。细胞基因功能的表达往往是通过蛋白质等成分来实现的，而且在许多情况下，细胞内mRNA的含量并不和细胞内相应蛋白质的含量呈正相关。基因表达的变化则受到许多复杂因素的影响，而蛋白质只需要经过磷酸化／去磷酸化等简单的化学修饰，就可能极大地改变其生理活性。因此，基因芯片必须和蛋白质芯片及其他技术有机结合，才能在中药学现代化这一系统工程中发挥最佳的作用。