簡介
随着人類基因組(human genome p roject，HGP)、多種模式生物(model organism)和部分病原體基因組測序的完成，基因序列數據以前所未有的速度不斷增長。傳統實驗方法已無法系統地獲得和诠釋日益龐大的基因序列信息，研究者們迫切需要一種新的手段，以便大規模、高通量地研究衆多基因在各種生理、病理狀态下的多态性及其表達變化，從而揭示它們的功能、相互作用和調控關系。
在此背景下，20世紀80年代末基因芯片(gene chip)技術應運而生，它利用微電子、微機械、生物化學、分子生物學、新型材料、計算機和統計學等多學科的先進技術，實現了在生命科學研究中樣品處理、檢測和分析過程的連續化、集成化和微型化。基因芯片技術在疾病易感基因發現、疾病分子水平診斷、基因功能确認、多靶位同步超高通量藥物篩選以及病原體檢測等醫學與生物學領域得到廣泛應用。
基本原理
基因芯片又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)。其原理是采用光導原位合成或顯微印刷等方法将大量特定序列的探針分子密集、有序地固定于經過相應處理的矽片、玻片、硝酸纖維素膜等載體上，然後加入标記的待測樣品，進行多元雜交，通過雜交信号的強弱及分布，來分析目的分子的有無、數量及序列，從而獲得受檢樣品的遺傳信息。
其工作原理與經典的核酸分子雜交如Southern和Northern印迹雜交一緻，都是應用已知核酸序列與互補的靶序列雜交，根據雜交信号進行定性與定量分析。經典雜交方法固定的是靶序列，而基因芯片技術固定的是已知探針，因此基因芯片可被理解為一種反向雜交。基因芯片能夠同時平行分析數萬個基因，進行高通量篩選與檢測分析，解決了傳統核酸印迹雜交技術操作複雜、自動化程度低、檢測目的分子數量少等不足。
根據所用探針類型，基因芯片可分為cDNA(comp lement DNA)芯片和寡核苷酸芯片;根據檢測目的又可分為表達譜芯片和單核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)芯片。随着芯片技術在其他生命科學領域的延伸，基因芯片概念已泛化到生物芯片，包括基因芯片、蛋白質芯片、糖芯片、細胞芯片、流式芯片、組織芯片和芯片實驗室(laboratory on a chip)等。
芯片基片可用材料有玻片、矽片、瓷片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜和尼龍膜，其中以玻片最為常用。為保證探針穩定固定于載體表面，需要對載體表面進行多聚賴氨酸修飾、醛基修飾、氨基修飾、巯基修飾、瓊脂糖包被或丙烯酰胺矽烷化，使載體形成具有生物特異性的親和表面。最後将制備好的探針固定到活化基片上，目前有兩種方法:原位合成和合成後微點樣。
根據芯片所使用的标記物不同，相應信号檢測方法有放射性核素法、生物素法和熒光染料法，在以玻片為載體的芯片上目前普遍采用熒光法。相應熒光檢測裝置有激光共聚焦顯微鏡、電荷偶合器(charge coup led devices，CCD)、激光掃描熒光顯微鏡和激光共聚焦掃描儀等。其中的激光共聚焦掃描儀已發展為基因芯片的配套檢測系統。經過芯片掃描提取雜交信号之後，在數據分析之前，首先要扣除背景信号，進行數據檢查、标化和校正，消除不同實驗系統的誤差。
對于簡單的檢測或科學實驗，因所需分析基因數量少，故直接觀察即可得出結論。若涉及大量基因尤其是進行表達譜分析時，就需要借助專門的分析軟件，運用統計學和生物信息學知識進行深入、系統的分析，如主成分分析、分層聚類分析、判别分析和調控網絡分析等。芯片數據分析結束并不表示芯片實驗的完成，由于基因芯片獲取的信息量大，要對呈數量級增長的實驗數據進行有效管理，需要建立起通行的數據儲存和交流平台，将各實驗室獲得的實驗結果集中起來形成共享的基因芯片數據庫，以便于數據的交流及結果的評估。
技術應用
在瘧原蟲研究中的應用
基因芯片技術的出現有力地促進了人們對瘧原蟲生物學的認識。早在2000年，惡性瘧原蟲的基因組測序尚未完成，Hayward等根據惡性瘧原蟲綠豆核酸酶基因文庫，制成"鳥槍"DNA(shotgunDNA)芯片，分析了瘧原蟲滋養體和配子體之間的基因表達差異，為瘧原蟲發育阻斷劑和疫苗研究提供了有益線索。
惡性瘧原蟲全基因組測序完成後，瘧原蟲高通量表達譜芯片的應用得到進一步推廣。為闡明瘧原蟲發育的分子調節機制，多位研究者以cDNA或寡核苷酸為探針制成芯片，比較分析瘧原蟲不同發育周期的基因表達變化。如Le Roch等比較了惡性瘧原蟲紅細胞内各發育階段2号染色體上轉錄組的差異。
Ben Mamoun和Isokpehi等研究了惡性瘧原蟲紅細胞内各發育階段的基因表達變化。Bozdech等分析了惡性瘧原蟲裂殖子與滋養體表達譜的差異。Young等則觀察了惡性瘧原蟲配子體Ⅰ~Ⅳ期轉錄組的變化。此外，Vontas等還利用芯片技術分析了伯氏瘧原蟲動合子及其早期卵囊體外培養的基因表達差異。
基因芯片技術也可用于比較不同種或同種不同株瘧原蟲的基因表達差異，Ganesan等利用芯片研究了惡性瘧原蟲Dd2和HB3株基因表達差異。Hall等比較了伯氏、夏氏、約氏和惡性瘧原蟲的基因表達差異。Gissot等利用芯片技術分析了紅内期不同時點惡性瘧原蟲3D7株及F12株之間表達譜的差異，并發現了影響配子體生成的候選基因。
近年，基因芯片在瘧原蟲研究中的應用範圍進一步拓寬，研究内容涵蓋瘧原蟲新基因發現、疫苗靶标篩選、轉錄因子調控網絡、瘧原蟲适應人體宿主機制、瘧原蟲比較基因組雜交分析、惡性瘧原蟲抗原變異分子機制以及瘧原蟲攻擊紅細胞機制等。總之基因芯片技術正逐步成為瘧原蟲分子生物學研究的有力工具。
在傳瘧按蚊研究中的應用
基因芯片在按蚊研究中最先用于探讨按蚊對原蟲的抗性機制，在2003年，Kumar等利用基因芯片比較了對瘧原蟲易感和抗性的岡比亞按蚊基因表達的差異，發現岡比亞按蚊對瘧原蟲的抗性與活性氧(reactive oxygen species，ROS)的産生和代謝關系密切。
按蚊對殺蟲劑的抗性問題日益突出，給瘧疾的預防和控制帶來困難，芯片技術的出現為人們認識按蚊殺蟲劑抗性的産生機制提供了新手段。2005年David和Vontas等設計出岡比亞按蚊基因芯片，比較了殺蟲劑敏感按蚊與抗性按蚊中230個殺蟲劑代謝相關基因的表達情況，結果發現谷胱甘肽S轉移酶(glutathione-S-transferase，GST)、細胞色素314A1(CYP314A1)、細胞色素P450s等基因與滴滴涕(dichloro-diphenyl-trichloroethane，DDT)抗性有關，拟除蟲菊酯抗性按蚊的P450、CYP325A3基因表達上調。
2005年Dana和Marinotti等分别借助cDNA和表達序列标簽(exp ressed sequence tag，EST)芯片，觀察血餐前後不同時間點岡比亞按蚊基因表達的變化，探讨了按蚊對血細胞的消化、免疫反應以及卵的形成和運動的分子機制。2006年Dissanayake和Strode等利用基因芯片技術比較了岡比亞按蚊不同發育階段和不同組織的基因表達譜差異，發現約1/4基因的表達受發育調節。
此外，另有研究者分别利用基因芯片研究了按蚊與原蟲之間的相互作用機制、按蚊基因調控網絡、按蚊唾液腺轉錄本、按蚊對原蟲的免疫應答等。總之，基因芯片技術的應用已顯著拓寬和提高了傳瘧按蚊的研究領域和研究水平。
在瘧疾動物模型研究中的應用
動物模型在人類瘧疾的病理學研究、疫苗開發和治療試驗等方面發揮着不可替代的作用，基因芯片技術與動物模型的結合，更進一步加深了人類在分子水平上對瘧疾的認識。
2004年Sexton等利用基因芯片分析了鼠瘧原蟲轉錄組的變化，結果發現鼠感染原蟲後腦部400餘基因及脾髒600餘基因的轉錄發生了變化，這些變化反映了鼠紅細胞生成抑制、糖酵解和幹擾素介導的免疫應答增強，從而找到瘧疾導緻中樞神經系統症狀、貧血和乳酸增多症的可能機制。
2005年Sarfo等利用cDNA芯片分析了趨化因子及其受體在約氏瘧原蟲感染小鼠腦部的表達情況，結果發現趨化因子RANTES(regulatedon activation， normal T cell exp ressed and secreted)及其相應受體CCR1、CCR3和CCR5的mRNA在感染小鼠的腦部表達上調，參與了小鼠小腦的炎症介導、細胞降解和超微結構改變。2006年Delahaye等利用cDNA芯片比較了腦型瘧易感型與抵抗型小鼠腦部的基因表達差異，分析确定了可能與小鼠腦型瘧易感性有關的31個候選基因。
為探讨病原體間的免疫協同作用，2005年Page等利用芯片分析了結核分支杆菌與約氏瘧原蟲混合感染及單獨感染時小鼠脾髒細胞的Ⅰ型免疫應答情況，發現混合感染組小鼠脾髒細胞γ幹擾素(interferon gamma，IFN2γ)和腫瘤壞死因子α(tumornecrosis factor alpha，TNF2α)的生成水平顯著高于單獨感染組。
結論認為結核分支杆菌可以增強Ⅰ型免疫應答來保護小鼠免受緻死性鼠瘧損傷。2006年有研究者利用cDNA芯片分析了惡性瘧原蟲紅細胞膜蛋白Ⅰα(CDCRⅠα)的活化對人類基因表達的影響，結果提示CDCRⅠα可以激活多條免疫途徑，促進B細胞多克隆活化和凋亡延遲。從而找出了瘧疾流行區Burkitt's淋巴瘤危險性增加的潛在原因。
