抗体芯片技术的应用探讨

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抗体芯片（antibody microarray，抗体微阵列），是蛋白质芯片的一种，是检测生物样品中蛋白表达模式的新方法。这种新技术可以在一次实验中比较生物样品中成百上千的蛋白质的相对丰度，将极大促进蛋白质组目前的研究状况。抗体芯片可以分析样品之间的差异；确定相应蛋白质的性质；分析细胞提取物或者血清蛋白质混合物；还可以进行生物化学平行分析；检测蛋白表达水平变化。抗体芯片虽然发展的时间比较短，但是进展迅速，在多个领域中得到了较好的运用。本文将从作从抗体芯片的分类、支持介质、检测方法、优缺点和应用等方面对抗体芯片进行初步探讨[1]。

1 抗体芯片的形式和分类

根据芯片制作工艺的不同，主要有平板芯片、微孔芯片(microwell arrays)、微流芯片(microfluidic array)，也包括表面增强激光解离/离子化（SELDI）芯片、SPR芯片和磁珠为基础的芯片。

1．1 平板芯片 早期的蛋白芯片大都将蛋白质直接点样在硝酸纤维素膜或者玻片上，芯片密度低，如普通蛋白芯片系统（universal protein array system, UPA），Wildt等[2] 使用自动化的机械手挑取重组抗体库的单菌落,在22 cm×22 cm的滤膜上点18342个不同重组抗体scFv克隆的芯片,制成第一个高密度抗体芯片，对15种抗原同时进行筛选。

1．2 微孔芯片 Biran、Walt[3]通过蚀刻纤维制造了直径为2．5 mm，深度5 um的微孔芯片，能够检测携带报告基因或者荧光指示剂的单个细胞。微孔芯片能够将反应局限化，不仅减少样品的用量，而且可以减少邻近微孔之间液滴的相互流动。

1．3 微流路芯片

微流路芯片由通过管道连接微孔组成，允许在微型化的形式下处理液体，通过蛋白激酶A的变化来监测蛋白质的磷酸化水平。尽管微流路芯片处于发展早期阶段，但是Agilent Technologies公司提供Lab-on-a-Chip产品可以在芯片上分析DNA、RNA、蛋白质和细胞。

1．4 其他芯片 除了以上的芯片形式。还有SELDI芯片，表面质子共振(SPR)芯片，以及以磁珠为基础的芯片。

2 抗体芯片的支持介质

抗体芯片表面有多种支持介质包括玻璃、塑料、多孔胶片、滤膜和微孔[4]。固相支持介质对芯片质量有着重要的影响。

2．1 聚苯乙烯和滤膜 将通常在96孔板上进行的生物化学和免疫学分析微型化的夹心法芯片系统是比较常用的芯片形式。Wiese[5]使用同样形式的芯片测定人血清中的前列腺特异性抗原。在芯片表面进行ELISA反应已经显示出与传统ELISA具有同样的敏感性和特异性，但是捕获抗体的用量不到1/100。抗体片断吸附到塑料表面和吸附到硝酸纤维包被的硅表面要获得相同的荧光信号相比，所需要的抗原量要高几个数量级。

2．2 玻璃和氧化表面 玻璃和氧化表面由于容易获得，耐久性好，适合于荧光检测而成为目前最常使用的芯片平台，蛋白质通过含有醛基的硅烷试剂共价结合在玻璃表面可以用来检测蛋白质之间、蛋白质与酶靶分子，蛋白质与小分子化合物之间的作用。

2．3 以胶为基础的芯片 蛋白质在多孔胶中容易扩散，胶片固定在玻璃表面，疏水的玻璃表面阻止临近胶片之间的相互扩散，克隆抗体固定在胶片上，可以通过荧光标记的抗原检测。

2．4 金膜 在构建高效的芯片时，另外一种有效的方法就是使用金和它们的自组装原理。Pavlickova[6]将链亲和素为基础的单分子生物芯片平台组装在金膜表面检测抗原抗体的相互作用，获得了良好的效果。

3 抗体芯片的检测方法

检测方法包括标记检测和无标记检测方法，抗体芯片的检测范围理论上可以达到10-17M。

3．1 标记检测 标记检测包括放射和荧光检测。放射标记检测通常使用125I和3H，由于放射标记具有放射污染的危害，不适合大规模的高通量方法而很少使用。荧光检测是最简单的检测方法，优点是敏感性高、可以进行多颜色分析、动力学范围广泛。缺点为对生物学样本中的蛋白质进行标记存在一定困难，尤其在进行定量分析的时候，样品进行荧光标记非常适合抗体芯片的检测，目前大部分芯片的检测都是通过荧光或者化学发光为基础的检测方法来完成的。

3．2 无标记检测 无标记的检测系统在检测蛋白与固定的抗体相结合时就成为一种比较好的选择。常用的为质谱，还包括正在发展的其他的方法，如表面质子共振（SPR）、共振光散射(RLS)、纳米级的磁珠和表面增强拉曼散射显微镜（MicroSERS）。

4 抗体芯片的稳定性及优缺点

保护抗体不变性是抗体芯片一个重要参数，在点样或者后来与靶蛋白孵育的过程中的水分蒸发可以导致抗体变性。

抗体芯片的另外一个重要参数是保持芯片的长期稳定性，尤其是保持高密度抗体芯片的功能稳定性。二糖可以明显提高抗体的稳定性，效果与冻干法相似。根据框架H3-23/VL1-47设计的重组抗体显示出高稳定性，这种抗体芯片可以在干燥的情况下保持6个月以上。

抗体芯片的优点是能高通量、特异性、高灵敏的鉴定抗体与靶蛋白之间的反应，需要的样品体积小，在样品有限的情况下尤其重要，为了进一步减少所需要的样品量，可以使用微流系统制造高密度的芯片，这个方法既可以将抗体局限，又可以将少量样品传送到指定的位置。

尽管抗体芯片有很多优点，但是也存在很大的局限性：难以获得大量多样性的抗体分子；蛋白质标记是抗体芯片的瓶颈。抗体芯片上的抗体结合的表面积大，与样品蛋白结合时会出现交叉反应，因此，尽管抗体可以识别特异的表位，但不能保证一定与目的蛋白结合。

5 抗体芯片的应用

抗体芯片主要用于诊断，基础蛋白组学研究和治疗。

5．1 诊断抗体芯片可以检测血样品中的抗原或者抗体，也可以对血清中的蛋白谱进行分析，发现新的疾病标记物。抗体芯片可以检测抗体的出现或者缺乏，例如，系统性红斑狼疮患者出现高滴度的针对白或者白复合体的抗核抗体，在疾病早期阶段症状不明显的时候这就可以明确诊断疾病。Joos等将自身免疫疾病的18个已知的生物学标记固定后制成芯片，用来检测自身免疫疾病如自身免疫甲状腺炎。对25个自身免疫疾病患者血清的检测表明可以非常敏感的检测特异性，高敏感（低于40fg）的检测自身抗体，对非特异性蛋白质的交叉反应性十分小。Sreekumar等[7]用含有146个抗体的芯片检测LoVo直肠癌细胞对电离辐射的蛋白水平变化，结果显示电离辐射导致凋亡调节因子如p53，DNA破碎因子40和45的上调。

5．2 蛋白组学研究 尽管第一个抗体芯片用于诊断，但是抗体芯片的主要用途却是基础蛋白组学研究。蛋白组的研究焦点在于靶蛋白的鉴定和发现，蛋白质的功能分析，细胞表达谱的鉴定。Huang等[8]等用抗体芯片检测来源于细胞培养物和患者血清的24个细胞因子。Paweletz用器官和疾病特异性的抗体芯片同时做诊断和蛋白组学研究，将全部蛋白固定，构成一个反相芯片，可以对信号蛋白的磷酸化状态进行定量，还能够检测到正常前列腺上皮细胞到前列腺内皮细胞新生物和前列腺癌的癌变过程中，Akt的磷酸化水平升高，凋亡因子的抑制，ERK磷酸化降低。

5．3 治疗抗体芯片在临床诊断和蛋白组学研究中显示出强大的生命力，除此之外，抗体芯片可以研究药物的作用或者细胞对药物的反映，发展和鉴定新的治疗化合物。如检测毒性基因或者蛋白的表达情况，跟踪药物的疗效和剂量。发展新的治疗药物需要对靶蛋白进行高通量筛选，临床前和临床试验，获得预期的药物活性特异性和敏感性，为了确保抗体芯片获得临床试验的要求，还需要进一步努力。

6 发展前景

在以研究蛋白质功能为主的蛋白组学时代，大规模、高通量对蛋白质进行研究成为主流，抗体芯片成为与二维凝胶电泳平行的蛋白质分析手段。尽管目前抗体芯片处于发展早期阶段，但是随着噬菌体抗体库技术、抗体芯片支持介质的改进、检测灵敏度和芯片稳定性的提高，抗体芯片必然在基础研究和临床应用中发挥越来越重要的作用。

参考文献

［1］ Peluso P, Wilson DS, Do D, et al. Optimizing antibody immobilization strategies for the construction of protein microarrays. Anal Biochem, 2003,312:113- 124.

［2］ De Wildt RM, Tomlinson IM, Ong JL,et al. Isolation of receptor - ligand pairs by capture of long-lived multivalent interaction complexes. Proc Natl Acad Sci U.S.A,2002,99:8530-8535.

［3］ I. Biran, D.R. Walt,Optilal irnaging fiber-based single lrve cell arrays:a high-density cell assay patforn.Anal. Chem. 74 (2002).pp:3046-3054.

［4］ Kusnezow W, Hoheisel JD. Solid supports for microarray immunoassays. J Mol Recognit,2003,16:165-176.

［5］ Wiese R, Belosludtsev Y, Powdrill T,et al. Simultaneous multianalyte ELISA performed on a microarray platform. Clin Chem, 2001,47:1451-1457.

［6］ Pavlickova P, Knappik A, Kambhampati D, et al. Microarray of recombinant antibodies using a streptavidin sensor surface self-assembled onto a gold layer. Bio Techniques, 2003,34:124-130.

［7］ A. Sreekumar, M.K. Nyati, S. Varambally, T.R. Barrette, D. Ghosh,T.S. Lawrence, A.M. Chinnaiyan, Cancer Res,2001, 61:7585.

［8］ R.P.Huang,R.Huang,Y.Fan,Y.Lin,Anal.Biochem.294(2001)55.