stringtranslate.com

Микрочип

Диаграмма Венна , иллюстрирующая и сопоставляющая некоторые аспекты областей био-МЭМС , лаборатории на чипе , μTAS .

Микрочип — это мультиплексная лаборатория на чипе . [1] Его цель — одновременное обнаружение экспрессии тысяч биологических взаимодействий. Это двумерный массив на твердой подложке — обычно стеклянном предметном стекле или кремниевой тонкопленочной ячейке — который анализирует (тестирует) большие объемы биологического материала с использованием высокопроизводительного скрининга, миниатюризированных, мультиплексных и параллельных методов обработки и обнаружения. Концепция и методология микрочипов были впервые представлены и проиллюстрированы в микрочипах антител (также называемых матрицей антител ) Це Вэнь Чангом в 1983 году в научной публикации [2] и серии патентов. [3] [4] [5] Индустрия « генных чипов » начала значительно расти после статьи в журнале Science Magazine 1995 года , написанной лабораториями Рона Дэвиса и Пэта Брауна в Стэнфордском университете. [6] С созданием таких компаний, как Affymetrix , Agilent , Applied Microarrays, Arrayjet, Illumina и других, технология ДНК-микрочипов стала наиболее сложной и широко используемой, в то время как использование белковых, пептидных и углеводных микрочипов [7] расширяется.

Типы микрочипов включают в себя:

Люди в области биотехнологии CMOS разрабатывают новые виды микрочипов. После подачи магнитных наночастиц отдельные клетки могут перемещаться независимо и одновременно на микрочипе магнитных катушек. Микрочип ядерно-магнитных резонансных микрокатушек находится в стадии разработки. [8]

Изготовление и эксплуатация микрочипов

В основе платформы микрочипов лежит большое количество технологий, включая материальные подложки, [9] точечное нанесение биомолекулярных матриц, [10] и микрофлюидную упаковку матриц. [11] Микрочипы можно классифицировать по тому, как они физически изолируют каждый элемент матрицы: точечное нанесение (создание небольших физических лунок), синтез на чипе (синтез целевых ДНК-зондов, прикрепленных непосредственно к матрице) или на основе шариков (прикрепление образцов к штрихкодированным шарикам, случайным образом распределенным по матрице). [12]

Производственный процесс

Первая публикация о процессе производства микрочипов датируется 1995 годом, когда 48 кДНК растения были напечатаны на предметном стекле, обычно используемом для световой микроскопии, с другой стороны, современные микрочипы теперь включают тысячи зондов и различных носителей с покрытиями. Изготовление микрочипа требует как биологической, так и физической информации, включая библиотеки образцов, принтеры и подложки для слайдов. Хотя все процедуры и решения всегда зависят от используемой технологии изготовления. Основной принцип микрочипа заключается в печати небольших пятен растворов, содержащих различные виды зонда, на предметном стекле несколько тысяч раз. [13]

Современные принтеры оснащены HEPA -фильтрами и имеют контролируемую влажность и температуру окружающей среды, которая обычно составляет около 25 °C, влажность 50%. Ранние микрочипы напрямую печатались на поверхности с помощью игл принтера, которые наносили образцы в определенном пользователем шаблоне на слайд. Современные методы быстрее, создают меньше перекрестного загрязнения и обеспечивают лучшую морфологию пятен. Поверхность, на которой печатаются зонды, должна быть чистой, свободной от пыли и гидрофобной для микрочипов высокой плотности. Покрытия слайдов включают поли-L-лизин, аминосилан, эпоксидную смолу и другие, включая решения производителей, и выбираются на основе типа используемого образца. Текущие усилия по развитию технологии микрочипов направлены на создание однородных, плотных массивов при одновременном уменьшении необходимого объема раствора и минимизации загрязнения или повреждения. [13] [14]

Для процесса производства необходима библиотека образцов, которая содержит всю необходимую информацию. На ранних этапах технологии микрочипов единственным используемым образцом была ДНК , полученная из общедоступных библиотек клонов и приобретенная путем амплификации ДНК через бактериальные векторы. Современные подходы больше не включают в себя только ДНК в качестве образца, но также белки, антитела, антигены, гликаны, клеточные лизаты и другие малые молекулы. Все используемые образцы предварительно синтезированы, регулярно обновляются и более просты в обслуживании. Методы изготовления матриц включают контактную печать, литографию, бесконтактную и бесклеточную печать. [14]

Контактная печать

Контактная печать микрочипов включает печать штифтов, микроштамповку или поточную печать. Печать штифтов является старейшей и до сих пор наиболее широко применяемой методологией контактной печати ДНК- микрочипов. Эта техника использует типы штифтов, такие как сплошные штифты, разъемные или игольчатые штифты, для загрузки и доставки раствора образца непосредственно на твердые поверхности микрочипов. Микроштамповка предлагает альтернативу обычно используемой печати штифтов и также называется мягкой литографией , которая в теории охватывает различные, связанные технологии переноса рисунка с использованием узорчатых полимерных монолитных подложек, наиболее известной из которых является микроштамповка. В отличие от печати штифтов, микроштамповка является более параллельным методом осаждения с меньшей индивидуальностью. Некоторые штампы загружаются реагентами и печатаются этими растворами реагентов идентично. [15]

Литография

Литография объединяет различные методы, такие как фотолитография, интерференционная литография, лазерная запись, электронно-лучевая и погружная ручка. Наиболее широко используемым и исследованным методом остается фотолитография, в которой фотолитографические маски используются для нацеливания определенных нуклеотидов на поверхность. УФ-свет пропускается через маску, которая действует как фильтр, чтобы либо пропускать, либо блокировать свет от химически защищенной поверхности микроматрицы. Если УФ-свет был заблокирован, область останется защищенной от добавления нуклеотидов, тогда как в областях, которые подверглись воздействию УФ-света, могут быть добавлены дополнительные нуклеотиды. С помощью этого метода высококачественные индивидуальные матрицы могут быть изготовлены с очень высокой плотностью признаков ДНК с использованием компактного устройства с несколькими движущимися частями. [16] [17]

Не контактный

Методы бесконтактной печати варьируются от фотохимической печати, электропечати и капельного дозирования. В отличие от других методов, бесконтактная печать не предполагает контакта между поверхностью и штампом, штифтом или другим используемым дозатором. Основными преимуществами являются снижение загрязнения, меньшая очистка и более высокая производительность, которая постоянно увеличивается. Многие из методов способны загружать зонды параллельно, что позволяет производить несколько массивов одновременно. [14] [15]

Клетка свободна

В бесклеточных системах транскрипция и трансляция осуществляются in situ, что делает клонирование и экспрессию белков в клетках-хозяевах ненужными, поскольку не нужны целые клетки. Интересующая молекула синтезируется непосредственно на поверхности твердой области. Эти анализы позволяют проводить высокопроизводительный анализ в контролируемой среде без выводов, связанных с целыми клетками. [18]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Кэрролл, Грегори Т.; Ванг, Денонг; Турро, Николас Дж.; Коберштейн, Джеффри Т. (2008). «Фотоны, освещающие вселенную разнообразия сахаров с помощью биомассивов». Glycoconjugate Journal . 25 (1): 5–10. doi :10.1007/s10719-007-9052-1. ISSN  0282-0080. PMC 7088275.  PMID 17610157  .
  2. ^ Tse-Wen Chang, TW (1983). «Связывание клеток с матрицами различных антител, нанесенных на твердую поверхность». Журнал иммунологических методов . 65 (1–2): 217–23. doi :10.1016/0022-1759(83)90318-6. PMID  6606681.
  3. ^ Патент США 4591570, «Матрица пятен, покрытых антителами, для определения антигенов» 
  4. ^ Патент США 4829010, «Устройство для иммуноанализа, включающее матрицы пятен антител для определения клеток» 
  5. ^ Патент США 5100777, «Устройство на основе матрицы антител и метод оценки иммунного статуса» 
  6. ^ Шена, М.; Шалон, Д.; Дэвис, Р.У.; Браун, П.О. (1995). «Количественный мониторинг паттернов экспрессии генов с помощью микрочипа комплементарной ДНК». Science . 270 (5235): 467–70. Bibcode :1995Sci...270..467S. doi :10.1126/science.270.5235.467. PMID  7569999. S2CID  6720459.
  7. ^ Ван, Д.; Кэрролл, Г. Т.; Турро, Н. Дж.; Коберштейн, Дж. Т.; Ковач, П.; Саксена, Р.; Адамо, Р.; Герценберг, Л. А.; Герценберг, Л. А.; Штейнман, Л. (2007). «Фотогенерированные гликановые массивы идентифицируют иммуногенные сахарные фрагменты Bacillus anthracis exosporium». Протеомика . 7 (2): 180–184. doi : 10.1002/pmic.200600478 . PMID  17205603. S2CID  21145793.
  8. ^ Хэм, Донхи; Вестервелт, Роберт М. (2007). «Кремний, который двигает и чувствует маленькие живые существа». Информационный бюллетень IEEE Solid-State Circuits . 12 (4): 4–9. doi :10.1109/N-SSC.2007.4785650. S2CID  35867338.
  9. ^ Го, В; Вилаплана, Л; Ханссон, Дж; Марко, П; ван дер Вейнгаарт, W (2020). «Иммуноанализы на тиол-еновой синтетической бумаге дают превосходный сигнал флуоресценции». Биосенсоры и биоэлектроника . 163 : 112279. doi : 10.1016/j.bios.2020.112279. hdl : 10261/211201 . PMID  32421629. S2CID  218688183.
  10. ^ Barbulovic-Nad; et al. (2008). «Методы изготовления биомикрочипов — обзор». Критические обзоры в биотехнологии . 26 (4): 237–259. CiteSeerX 10.1.1.661.6833 . doi :10.1080/07388550600978358. PMID  17095434. S2CID  13712888. 
  11. ^ Чжоу и др. (2017). «Термореактивный материал на основе тиол–ен–эпоксидной смолы для низкотемпературного связывания с биофункционализированными поверхностями микрочипов». Lab Chip . 17 (21): 3672–3681. doi :10.1039/C7LC00652G. PMID  28975170.
  12. ^ Dufva, M (2008). "Изготовление ДНК-микрочипов". ДНК-микрочипы для биомедицинских исследований . Методы в молекулярной биологии. Т. 529. С. 63–79. doi :10.1007/978-1-59745-538-1_5. ISBN 978-1-934115-69-5. PMID  19381969 . Получено 30 сентября 2022 г. .
  13. ^ ab Петерсен, Дэвид В.; Кавасаки, Эрнест С. (2007), «Производство микрочипов», Технология микрочипов и профилирование генов рака, Достижения в экспериментальной медицине и биологии, т. 593, Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York, стр. 1–11, doi : 10.1007/978-0-387-39978-2_1, ISBN 978-0-387-39977-5, PMID  17265711 , получено 2023-05-18
  14. ^ abc Барбулович-Над, Ирена; Люченте, Майкл; Сан, Ю; Чжан, Минцзюнь; Уилер, Аарон Р.; Буссманн, Маркус (январь 2006 г.). «Методы изготовления биомикрочипов — обзор». Критические обзоры в биотехнологии . 26 (4): 237–259. doi :10.1080/07388550600978358. ISSN  0738-8551. PMID  17095434. S2CID  13712888.
  15. ^ ab Романов, Валентин; Давидофф, С. Никки; Майлз, Адам Р.; Грейнджер, Дэвид У.; Гейл, Брюс К.; Брукс, Бенджамин Д. (2014). «Критическое сравнение технологий изготовления белковых микрочипов». The Analyst . 139 (6): 1303–1326. Bibcode :2014Ana...139.1303R. doi :10.1039/c3an01577g. ISSN  0003-2654. PMID  24479125.
  16. ^ Миллер, Мелисса Б.; Тан, И-Вэй (октябрь 2009 г.). «Основные концепции микрочипов и их потенциальное применение в клинической микробиологии». Clinical Microbiology Reviews . 22 (4): 611–633. doi :10.1128/cmr.00019-09. ISSN  0893-8512. PMC 2772365. PMID 19822891.  S2CID 5865637  . 
  17. ^ Сак, Матей; Хёльц, Катрин; Холик, Энн-Катрин; Кретчи, Николь; Сомоза, Вероника; Стенгеле, Клаус-Питер; Сомоза, Марк М. (2016-03-02). "Экспресс-фотолитографический синтез ДНК-микрочипов с оптимизированной химией и высокоэффективными фотолабильными группами". Журнал нанобиотехнологий . 14 (1): 14. doi : 10.1186/s12951-016-0166-0 . ISSN  1477-3155. PMC 4776362. PMID 26936369  . 
  18. ^ Чандра, Харини; Шривастава, Санджива (2009-12-01). «Микроматрицы белков на основе бесклеточного синтеза и их применение». Протеомика . 10 (4): 717–730. doi :10.1002/pmic.200900462. ISSN  1615-9853. PMID  19953547. S2CID  22007600.