作者:文/李淑红 马应龙 李福香 青海师范大学生命科学院

1995年，Schena在《Science》杂志上发表文章，他把拟南芥菜植物的cDNA文库中的48个cDNA用PCR方法扩增后，把PCR产物固化在玻璃上制成基因芯片；然后从拟南芥菜的不同组织中提取mRNA反转录得到带荧光标记的cDNA，把不同组织来源的cDNA混合后与玻璃片上的DNA进行杂交，用荧光双通道扫描系统时杂交点的荧光信号进行扫描分析，得到了拟南荠菜不同组织中的表达情况。自Schena的成功报道后，现在基因芯片技术作为一个技术平台已应用于生命科学的许多领域。

基因芯片的特点是高通量、大规模、平行性分析及自动化程度高,可以大规模地筛选药物,通用性强,适用范围广，不局限于一种或一类药物；能够在药物和基因之间架起桥梁，从基因水平解释药物的作用机制和研究药物的毒副作用。

中药，尤其是复方组成成分多样，作用机制复杂，这给中药研究带来很大的困难，有学者提出中药可能通过多途径、多靶点发挥作用，而基因芯片高通量筛选的特点恰好满足同时获得大量实验信息的需要，借助基因芯片技术，有可能研究药物对基因表达水平的影响，从而为研究中药作用机制提供了有效工具。近年来，国内外已出现不少将基因芯片技术应用到中药研究中的报道，现将基因芯片技术在中药中的研究进展进行综述。

化学研究

中药化学研究的主要任务是提取、分离、鉴定、合成中药材中的活性成分和有效成分。但天然药材中植物药和动物药占绝大多数，所含化学成分非常复杂，以往的分析技术在进行多组分同时分离筛选时存在很多困难，难以准确确定其中的有效成分。基因芯片高通量、多因素、微型化和自动化检测的特点，给中药分析带来了极大的便利。可以根据中药不同化学成分的分离条件，设计不同成分提取、分离、鉴定的中药分析用基因芯片，如可以设计分离生物碱的芯片，分离酮类的芯片，分离黄酮的芯片,也可以设计同时分离筛选生物碱、酮类黄酮、皂甙等成分的综合分析芯片，用于单味药进行成分筛选性分析的同时，对复方进行尝试性归类分析。当然还可以针对某味药材的多种组分设计用于该药材分析和鉴定的中药材芯片。虽然目前关于这方面的报道还较少，基因技术的发展定能大大推进中药化学的研究。

药理研究

目前，我国中药研究面临的一个重要问题是从分子水平上弄清重要作用机理及其代谢过程。中药的药理作用一般认为是多靶点和多种机理协调共同作用的结果，研究的主要任务是揭示中药治疗作用机理和机体对药物处理过程，因此药理学研究是对药物和机体两大系统相互作用过程的研究，是一个涉及多成分、多靶点、多途径的作用过程。现代生物学已经认识了从整体-器官-细胞-分子不同层次的问题。现代医学认识到,疾病的发生大多也是多种病因通过多种途径导致整体功能紊乱的过程。研究这样两个多因素系统相互作用过程,其复杂程度可想而知。药物基因组学和基因芯片为从基因网络的层次上，分析整个生物体系提供了一个重要的平台。基因芯片可以对细胞的整个基因组的情况进行分析，使我们能够通过分析和研究药物对生物体基因组的作用，从而有可能寻找多基因作用位点及其对生物体中基因网络的调控作用，从分子水平上寻找出体内阴阳平衡的分子机制，为验证传统的重要理论提供可能的途径。

中药鉴定

中药传统上是用经典的基原、性状、显微及理化等分类学和解剖学特征方面进行药材品种的鉴别。性状鉴别是利用感官对完整的药材或饮片进行鉴别；显微鉴别是用显微镜观察药材的组织构造、细胞形状以及内含物的特性；理化鉴别利用薄层层析法、荧光法、紫外、红外光谱法等物理或化学的方法对药材及其制剂所含的主要化学成分进行鉴定。这些方法简便易行，确实是可行的；但要真正用于中药材的鉴别还存在一些问题，因为中药材的活性成份除了受中药材本身的遗传物质控制外，还受地理环境、气候、纬度、污染程度等环境因素的影响，在不同的生长环境中药材所含活性成份可能不同，中药材的成份在中药材加工炮制过程中也会发生变化，因而导致传统鉴别结果不稳定。

利用基因芯片高效、高通量分析生物信息的优势先找到所需鉴定中药材的特异性DNA片段，再以这段特异性的碱基序列作为探针，用原位合成法或合成点样法将探针固定到支持物上，将经过提取、扩增和标记的药材样品与芯片进行杂交，最后用激光共聚焦显微扫描技术等手段对杂交结果进行检测，其结果可结合计算机技术建立生药标准品数据库用于快速筛选高品质药材，并建立生药质量标准。此类基因芯片也可以筛选出有效成分组成相近的稀有或濒危物种的替代者，开发新药资源。目前，这种用于药材鉴别的基因芯片仍处在研究阶段，已有人对贝母进行特异性序列和鉴别芯片的实验研究，相信不久的将来基因芯片就会广泛应用于中药研究领域。2003年,中国香港城市大学的Tsoi等对贝母几个种属遗传多态性进行了研究,结果显示,DNA芯片技术可为植物种属的鉴别与质量控制提供了一种快速、高通量筛选的检测工具。中国香港中文大学的Zhang等也用基因芯片技术对中药复方中单味药材石斛的不同种属进行了鉴别研究,将16个不同种属石斛的ITS125.8S2ITS2序列固定于玻片上制作了基因芯片,并用荧光标记的ITS2序列作为探针,检测出五种已被载入中国药典的石斛。据报道,该基因芯片还可检测出含有9种不同的中药材中药复方中的石斛。

基因芯片用于中药材鉴别研究可应用于以下3个方面：1．快速、准确地鉴别中药材；2．中药材栽培中监测药材种质的变化，可用于优质中药材种质的筛选和育种栽培研究；3．可监测含有以原药粉入药的中成药的质量。

活性应用

基因是遗传信息的载体,药物通过不同的作用靶点作用于组织细胞,直接或间接地影响细胞内基因的表达。将基因芯片技术应用到中药活性成分的筛选,不仅可以节省大量的动物实验,而且这种高通量筛选技术将会大大加快中药新药研发的进程。所以合理利用基因芯片技术有可能为研究中药作用的物质基础提供有力工具。

鉴于中药作用机制的复杂性,利用高密度的基因芯片检测给药前后基因表达谱的差异是研究者开展中药药理研究的共同途径。目前,对中药作用机制的阐述主要集中在抗癌、抗衰老及治疗糖尿病等中药的研究上。1999年由Wang等开展的对依托泊苷（etoposide）抗癌作用机制的研究将基因芯片技术运用到中药药理研究, 2002年中国香港中文大学Lee等利用基因芯片技术研究了白芍根的抗肝癌作用,结果发现白芍根水提液可以抑制肝癌细胞系的基因表达。这方面,日本的Iizuka、中国香港城市大学的Fang等也都有研究和报道。2004年Wang等对黄连水提物及单体成分小檗碱（berberine）的作用进行了对比研究,结果发现药材的水提液要比纯单体成分在杀伤肿瘤细胞方面更有效,并且从更深层次上解释了黄连水提液抗癌细胞效果强于小檗碱单体的药理机制。

在研究抗衰老中药的作用机制中的应用基因芯片技术的报道也不少, 2001年,Watanabe等的研究从基因水平解释了Egb761可能的作用机制,也展示了基因芯片技术在抗衰老中药研究中的应用前景；2005年,韩国的Rho等用基因芯片研究了六味地黄汤或丸（Yukmijihwang2tang）衍生方（YMJd,加枸杞子）醇提物的增强记忆及抗衰老的分子机制, 并初步阐明了YMJd抗衰老的分子机制与保护神经元细胞、促进细胞增殖分化及促进神经突触的生长有关。Prasad等用基因芯片研究了丁香提取物的类胰岛素样作用的分子机制,其研究结果为糖尿病患者服用植物补充剂提供了理论依据。中国香港浸会大学的Liu等对使君子多糖抗消化系统失调的分子机制作了相关的研究也初步得出了使君子多糖的促肠道表皮细胞再生的分子机制。

毒理应用

用普通的药理学方法，尤其是慢性毒性和不良反应, 费时,费力,而且还有可能忽略某些潜在毒性和不良反应。基因芯片快速和高效的特点将使其成为查找药物的毒性或不良反应的一种有力手段。Kiela等在研究印度乳香（Boswelliaserrata）的提取物、分析肝脏基因的表达谱时发现,该药高剂量不仅不改善肠炎的症状,还有肝毒性。药物毒副作用研究明确候选药物的间接作用同样重要,许多药物因未预料到的毒副作用而开发失败,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。目前国内尚未正式的进行基因芯片在毒理学研究中的应用。在国外,利用芯片进行药理学实验已相当普及，Nuwaysir等研制了包括涉及细胞凋亡、DNA复制和修复、癌基因和抑癌基因、细胞周期控制、转录因子、激酶、磷酸酶、热休克蛋白、受体、细胞色素P450等共2090个基因的毒理芯片（ToxChipv1.0）,该芯片既可用于毒物的检测和遗传多态性的检测,又可用于受检毒物的毒性作用机制研究可以预,如中药药理学研究基因芯片技术,将大大推动中药研究的国际化进程明中药作用机制,具有无可估量的重要意义。

总之,基因芯片技术虽还存在一些技术难点,但其在中药有效成分筛选、品质鉴定、对药物药理和毒理机制等的研究中已呈现出广阔的应用前景。他的出现不仅为生命科学的诸多领域研究带来了技术变革，而且给我国创新药物研究和开发及中药现代化等药学领域带来了一个新的契机。虽然我国对基因芯片技术的研究较晚，但随着研究的不断深入和完善,不久的将来,该项技术必将在中药研究领域广泛应用，必将为中药现代化做出重大贡献。

目前，几乎所有的主要制药公司都不同程度的采用了芯片技术，而且芯片技术各具特色,应用目的各不相同,但必须在解决了诸如提高基因芯片的特异性、简化样品制备和标记操作、增加信号检测的灵敏度高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发等关键问题后才有可能要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术。