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清华大学生物芯片研究与开发中心

简介

清华大学生物芯片研究与开发中心由程京教授、周玉祥教授等创立于1997年。2000229日,程京教授在中南海召开的国务院办公厅第十次科技讲座上,为国务院及各部委领导作了题为《生物芯片--- 下个世纪革命性的技术》的主题报告,呼吁中国应加大在生物芯片研发方面的投入,实施强强结合,尽快建立国家级工程研究中心,迅速研究开发出一批具有我国知识产权的专门技术,积极参与到国际竞争的行列中去2000930日,根据国家发展计划委员会批示,依托清华大学生物芯片研究与开发中心,联合华中科技大学、中国医学科学院和军事医学科学院共同成立生物芯片北京国家工程研究中心,并于200110 月正式授牌。
  
中心自成立以来,在国家自然基金、教育部985工程、科技部863计划、卫生部重大专项等国家重大、重点科技项目的支持下,以转化医学为己任,致力于开发包括核酸、蛋白和细胞分析在内的多类生物芯片技术、器官和人体成像技术以及生物信息学分析等平台工具,并进一步将它们应用于医学系统生物学研究。通过联合国内多家权威临床医院,针对重大疾病的生物标志物发现、临床诊断和后、生殖医学和药物开发,中心积累了丰富的转化合作经验,做了大量开拓性工作。
  
中心创立20年来,经过中心老师、学生和员工的不懈努力,在生物芯片的若干关键技术领域取得了一批具有自主知识产权的原创性技术成果。中心自主研发的生物芯片相关产品与服务包括各类生物芯片、生命科学仪器、软件与数据库、生物材料与试剂、对外技术服务等五大类共70余项,目前已陆续投放市场并远销欧美等三十多个国家,为科学研究、生物安全检测、药物开发和临床诊断等诸多应用领域提供了全新的高通量技术平台和整体解决方案。到目前为止,中心在Nature BiotechnologyNature Communications 等期刊上发表SCI论文150余篇;主编专著9部,参编著15部;获得国内外授权发明专利近350项,专利转化率近50%。累计培养毕业研究生130名,在读研究生47名,出站博士后15名。作为全国生物芯片标准化委员会的主任委员和秘书处承担单位,中心主导制定的14 项国家标准、6项医药行业和1 项检验检疫行业标准获得颁布。两次荣获国家技术发明二等奖(“系统化生物芯片和相关仪器设备的研制及应用”2007年,遗传性耳聋基因诊断芯片系统的研制及应用项目”2018 ),此外还获得北京市科学与技术奖7 项,另有5 项科技成果通过部级鉴定。

研究方向

研究生物芯片与药物开发

§1.细胞分析芯片Chips for Cellome Study

电阻抗芯片:细胞电阻抗传感技术是一种能够对细胞的生物学行为进行实时、定量、非标记和自动化检测的细胞分析技术。我们设计的传感芯片采用微加工技术制备,有插指阵列式和环岛阵列式两种类型,分别针对不同的生物学应用量身定制。该技术在为细胞生物学研究提供了一种独特的观察平台,以期借助细胞电阻抗传感技术以动态视角,在细胞水平定量地研究生命现象。

细胞活力电旋转检测芯片:细胞活力电旋转检测芯片的原理是,当细胞被置于一个由外加高频交流电所产生的旋转电场中时,会受转动力矩的作用。当细胞生理状态不同时,其旋转情况也不同。通过观测细胞在芯片上的旋转情况,就可以了解细胞的生理状态。属于非侵入式、非标记、无损伤的检测方式,可以实现细胞活性的实时在线检测。

神经细胞网络电生理监测芯片:神经细胞网络电生理检测芯片是通过与细胞接触的金属微电极实现检测神经元自发的或者受到外界刺激(电刺激、化学刺激等)时电信号发放变化的情况。该芯片巧妙地利用负向介电力快速有效地定位不同数量的细胞至记录微电极上,以形成不同复杂程度的神经网络,同时提高芯片的检测性能。此类型芯片是神经网络研究的有力工具,有助于探索神经元群体信息传递和储存的过程,揭示电活动参与大脑的生长发育、学习记忆、感觉运动整合等过程的相关机制。

·         •"Analysis of the sensitivity and frequency characteristics of coplanar electrical cell-substrate impedance sensors"Wang, L., Wang, H., Mitchelson, K., Yu, Z. and Cheng, J. Biosensors and Bioelectronics, 2008, 24(1):14-21.

·         •"Real-time, label-free monitoring of the cell cycle with a cellular impedance sensing chip"Wang, L., Yin, H., Xing,W., Yu, Z., Guo, M. and Cheng, J. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(5):990-995.

·         •"Automatic positioning and sensing microelectrode array (APSMEA) for multi-site electrophysiologicalrecordings" Pan, L., Xiang, G., Huang, L., Yu, Z., Cheng, J., Xing, W. and Zhou, Y. Journal of Neuroscience Methods,2008, 170:123-129.

§2.细胞操作芯片Chips for Cell Manipulation

高通量细胞培养芯片:药物开发需要高通量的细胞培养与操作平台,我们成功开发了一款阵列式微坑细胞培养芯片。该芯片表面具有一层超疏水聚合物,可以将每一个微坑彻底隔绝开来,实现对细胞培养微环境的独立控制。该芯片具有操作简便、通量高等多种优势,并且可以在芯片上实现对细胞的培养、转染和染色分析等操作。

高通量电转染芯片:细胞电穿孔是一种通过脉冲电场作用使细胞膜表面形成可恢复的微孔从而将外源物质(质粒、RNA、蛋白、药物等)导入细胞的一项技术,具有转染效率高、无细胞毒性、成本低等优点。我们成功开发了一系列用于贴壁和悬浮细胞转染的电穿孔芯片和装置,为基因功能研究、药物开发提供高效、高通量的转染工具。

 ·         •"High-throughput in situ cell electroporation microsystem for parallel delivery of single guide RNAs intomammalian cells" Bian, S., Zhou, Y., Hu, Y., Cheng, J., Chen, X., Xu, Y., Liu, P. Scientific Reports, 2017, 7:42512.

·         •"High-throughput superhydrophobic microwell arrays for investigating multifactorial stem cell niches."Zhang, P.,Zhang, J., Bian, S., Chen, Z., Hu, Y., Hu, R., Li, J., Cheng, Y., Zhang, X., Zhou, Y., Chen, X. and Liu, P. Lab on a Chip,2016, 16: 2996-3006.

·         •"Cell electroporation with a three-dimensional microelectrode array on a printed circuit board" Xu, Y., Su, S.,Zhou, C., Lu, Y., Xing, W. Bioelectrochemistry, 2014, 102:35-41.

§3.中药鉴定与功能研究 Identification and Screening of Traditional Chinese Medicine

中药材是中华民族的珍贵宝藏,中药材的真伪、品质和道地性鉴定是保证中药疗效的重要基础,我们利用多样性微阵列芯片技术、简化基因组测序等方法为重要的中药检测开发新的标志物,实现客观、精确、快速的鉴定。

中药与茶的功能研究:传统中药越来越多地被应用于新的治疗领域,例如黄连被证明具有良好的降血脂、降血糖功能。我们利用生物芯片以及细胞分子生物学手段对重要中药进行了系统的功能研究,努力实践中药西释。此外,我们也在对茶进行深入研究,力求从分子水平对茶的功效加以诠释。

高通量筛选:为了快速、自动化、灵敏、定量以及成本低廉地进行药物开发,我们建立了基于高通量测序的高通量药物筛选平台,可以对成千上万种药物单体或粗提物进行功能筛选。

·         •ZL201510419214.7 璐琦,孙义民,谢兰,袁媛,李好勋,穆婧,程京。检测黄连分子标记多态性的物质在鉴定或辅助鉴定黄连属植物中的应用。

·         •CN201610806231.0 谢兰,王栋,张卫东,孙义民,安燕南,邵伟,李慧梁,郭弘妍,李莎莎,邢婉丽,程京。童子益母草的新用途。CN201710300531.6 谢兰,张卫东,孙义民,王栋,郭弘妍,邢婉丽,程京,李慧梁。芫根苷或其衍生物在制备降脂药物中的应用和产品。

·         •CN201710526965.8 谢兰,郭弘妍,邢婉丽,程京,党红蕾。荻的新用途及一种抗肿瘤药物

·         •CN201710570325.7 冯娟,谢兰,郭弘妍,邢婉丽,程京。天青地白或其提取物在制备降脂药物中的应用。

 

生物芯片与疾病诊断

§1.全集成核酸分析系统 Intergated Nucleic Acid Analysis System

针对临床精准医疗和法医DNA检验等领域对基因分型检测的需求,我们成功开发了多套全集成核酸分析系统,包括:一套全集成、自动化的基因分析系统,该系统将DNA检测的全部流程从核酸提取、PCR扩增到毛细管电泳检测全部集成到一张微流控芯片之上,配合检测控制仪器,实现了样品入- 结果出式的基因分析;一套基于碟式微流控技术的细菌鉴定系统,该系统能自动化完成细菌机械裂解、核酸释放与扩增试剂的混合、及往固定有不同扩增引物的多个反应孔的分配,该系统能快速完成对原始样本的多种细菌的鉴定。

·         •"Multiplex detection of bacteria on an integrated centrifugal disk using bead-beating lysis and loop-mediatedamplification" Yan, H., Zhu, Y., Zhang, Y., Wang, L., Chen, J., Lu, Y., Xu, Y. and Xing, W. Scientific Reports, 2017, 7: 1460.

·         •"Fully Automated Sample Preparation Microsystem for Genetic Testing of HereditaryHearing Loss Using Two-Color Multiplex Allele-Specific PCR"Zhuang, B., Gan, W., Wang, S., Han, J., Xiang, G., Li, C., Sun, J., Liu,P.Analytical Chemistry, 2015, 87 (2):1202-1209.

·         •"A filter paper-based microdevice for low-cost, rapid, and automated DNA extraction and amplification from diversesample types ( 封面)"Gan, W., Zhuang, B., Zhang, P., Han, J.,Li, C., Liu, P.Lab on a Chip, 2014,14(19):3719-3728.

§2.遗传病和传染病诊断 Inherited Diseases & Infectious Diseases Diagnosis

遗传性疾病的产前诊断或早期准确诊断对于早期干预和预防治疗具有重要意义。耳聋是我国第一大残疾人群,我们研制成功了国际上第一款经过政府批准可用于临床诊断的遗传性耳聋基因检测芯片。传染性疾病是危害人类健康的重大疾病,其中分枝杆菌的早期鉴别诊断,结核耐药的快速诊断,乙肝耐药的快速诊断工作具有重要的临床意义。这些传染病疾病诊断芯片已陆续获得医疗器械批文。

·         •"Validation of amobile phone-assisted microarray decoding platform for signal-enhanced mutation detection"(2011)  Zhang, G., Li, C., Lu, Y., Hu, H., Xiang, G., Liang, Z., Liao, P., Dai, P., Xing, W. and Cheng, J. Biosensors andBioelectronics, 26 (12): 4708-4714.

·         •"Rapid, accurate determination of Multidrug resistance in M. tuberculosis isolatesand sputum using a biochip system" (2009Guo, Y., Zhou, Y., Wang, C., Zhu, L., Wang, S., Li, Q., Jiang, G., Zhao, B., Huang, H., Yu, H., Xing W., Mitchelson, K.,Cheng, J. and Zhao, YInternational Journal of Tuberculosis and Lung Disease,13(7):914-920

基于微流控技术的核酸多指标扩增检测系统能快速准确完成包括物种鉴定、病原体检测、细菌耐药突变检测以及遗传突变检测等检测,具有防污染、多指标、快速、节约人力和试剂成本等优势。目前我们已成功研制包括基于恒温扩增(LAMPNASBA等)技术的碟式微流控分析系统和基于PCR技术的IMAP系核酸分析平台,其具有广泛的应用前景。统的两大核酸分析平台,其具有广泛的应用前景。 

生物芯片与疾病标志物

§1.肿瘤诊断与预后 Cancer Diagnosis and Prognosis

  肿瘤的发生和发展是一个长期、渐进的过程,涉及细胞生命活动的多个方面,如生长、分化、凋亡、运动等。我们利用不同的生物芯片平台,如mRNA表达谱芯片、microRNA表达谱芯片、SNP分型芯片、转录因子芯片、细胞芯片和组织芯片等,全面系统地研究了肿瘤的发病机制,对肿瘤进行诊断、分子分型和个体化用药。

·         •"MicroRNA-133b is a key promoter of cervical carcinoma development through the activation ofthe ERK and AKT1 pathways" (2011) Qin, W., Dong, P., Ma, C., Mitchelson, K., Deng, T., Zhang, L., Sun, Y., Feng, X., Ding, Y., Lu, X., He, J., Wen, H. andCheng, J.  Oncogene, 2011(12):1-9.

·         •"A 5-MicroRNAsignature for lung squamous cell carcinoma diagnosis and hsa-miR-31 for prognosis" (2011Tan, X., Zhang, L., Qin, W., Hang, J., Chen, Z., Li, B., Zhang, C., Wan, J., Zhou, F., Shao, K., Sun, Y., Wu, J., Qiu, B., Li, N.,Shi, S., Feng, X., Zhao, S., Wang, Z., Zhao,X., Yu, Z., Mitchelson, K., Cheng, J., Guo, Y. and He, J. Clinical Cancer Research,17(21):6802-6811.

§2.重大疾病关联分析研究 Genome-Wide Association Studies

   我们利用基因芯片对重大疾病作了全基因组关联分析,可以帮助寻找与患病风险关联的遗传因
子,为预测医疗、预防医疗和个体化诊疗打下了基础。

·         •"Genome-wide association study identifies a new susceptibility locus for cleft lip with or without a cleft palate"Sun, Y., Huang, Y., Yin, A., Pan, Y., Wang, Y., Wang, C., Du, Y., Wang, M., Lan, F., Hu, Z., Wang, G., Jiang, M., Ma, J.,Zhang, X., Ma, H., Ma, J., Zhang, W., Huang, Q., Zhou, Z., Ma, L., Li, Y., Jiang, H., Xie, L., Jiang, Y., Shi, B., Cheng, J.,Shen, H., Wang, L. and Yang, Y. Nature Communications, 2015, 6:6414.

·         •"Genome-wide copy-number-variation study identified a susceptibility gene, UGT2B17, for osteoporosis"Yang, T.,Chen, X., Guo, Y., Lei, S., Wang, J., Zhou, Q., Pan, F., Chen, Y., Zhang, Z., Dong, S., Xu, X., Yan, H., Liu, X., Qiu, C., Zhu, X.,Chen, T., Li, M., Zhang, H., Zhang, L., Drees, B., Hamilton, J., Papasian, C., Recker, R., Song, X., Cheng, J. and Deng, H.The American Journal of Human Genetics, 2008, 83(6):663-674.

生物芯片与生殖医学

§1.体外受精芯片 In Vitro Fertilization Chip

我们在微流控芯片上设计了微坑阵列和围栏阵列两种结构,均能集成实现精子活力筛选、卵细胞定位、体外受精、连续换液与早期胚胎培养。

§2.精子健康评价芯片 Sperm Health Evaluation Chip

生殖健康正成为困扰人类社会的一大问题。据统计,在上世纪的后50年间,男性精液中精子的平均密度每年以1%的速度下降。不孕不育正困扰着10%-15%的家庭。针对临床需求,我们提出了健康精子的筛选标准,并以此开展了相关芯片的设计和制作,除了临床常用的活力指标,更加入化学趋向性和温度趋向性等评价指标。

§3.受精卵体外培养Development of Blastocyst

为了尽可能的模拟体内的发育状况,我们构建了受精卵与三维体细胞共培养的微型系统,来改善囊胚的培养条件。我们构建了具有三维管腔结构的仿生子宫和血管,在体外实现胚胎培养并对此过程中的血管生成过程进行研究。

·         •"Separation of sperm and epithelial cells based on the hydrodynamic effect for forensic analysis"Liu,W., Chen, W., Liu, R., Ou, Y., Liu, H., Xie, L., Lu, Y., Li, C., Li, B. and Cheng, J. Biomicrofuidics, 2015,9(4):044127.

·         •"In vitro fertilization on a single-oocyte positioning system integrated with motile sperm selectionand early embryo development" Ma, R., Xie, L., Han, C., Su, K., Qiu, T., Wang, L.,Huang, G., Xing, W.,Qiao, J., Wang, J. and Cheng, J. Analytical Chemistry, 83(8): 2964-2970.


生物芯片与POCT和移动健康

目前,在后基因组时代各项研究计划和广阔的市场需求的双重推动下,DNA测序技术正在呈现加速发展的势头。毫无疑问,测序技术将被更广泛地应用于科学研究、药物开发和医疗诊断等多个领域,并将深刻地改变我们的生活。

§1.多重PCR芯片

多重PCR能够同时完成多个基因位点的扩增。传统多重PCR是将不同的引物对加入到一个EP管内进行扩增,但不同引物之间存在十分严重的相互干扰,限制了该方法重数的提高。我们设计的多重PCR芯片,将不同的引物物理隔离在不同的反应孔内,有效避免了引物对之间的相互干扰,通过离心操作,使得反应体系均匀地分配,从而在一张芯片(75mm×25mm)上完成最多150重的PCR,能够以此芯片为平台,完成多重基因的扩增与分析,检测方式可为原位或杂交检测。 

·         •"A fully sealed plastic chip for multiplex PCR and its application in bacteria identification" (2015) Xu, Y., Yan, H., Zhang, Y., Lu, Y., Xing, W. Lab on a Chip, 15:2826-2834.

§2.便携血液生化分析仪

血液生化检测是常规体检中的必备项,其检测项目均与人的健康状态密切相关。如血糖、血脂等是糖尿病、高血压、冠心病等慢性疾病的通用风险指标,因此这类慢病患者有长期监测自身血糖血脂等指标的需要。我们开发了一款基于微流控芯片的便携式血液生化分析系统,只需一滴血(10微升)就能快速(20分钟)自动化地检测出血糖、胆固醇、甘油三酯等多项指标,便于用户自助监测自身健康水平。      

生物医学测量方法与新型仪器研究

§1.生物医学测量方法与新型仪器研究 Advanced Instrument Development of Microarray Detection Systems

生物芯片检测技术与系统研究:围绕生物芯片技术研究与应用,本研究发展相关配套的高性能检测仪器设备,进行大数值孔径(NA=0.72)、长工作距离(3.22mm)的共焦光学检测系统设计与高品质光学镜头开发,如下图a所示,最终研制先进的生物芯片检测科学仪器,为生物芯片技术的发展及其在临床医疗领域的大面积推广应用提供先进的科学仪器工具和配套的临床医疗仪器装备。已经成功研制了国际上第一款CCD数字成像微阵列芯片扫描仪和高性能双激光共焦扫描仪,如图b 所示,获得了国内发明专利3项、国际专利2项、外型设计专利1项、软件著作权2项、CFDA国家类医疗器械产品证书2 项和CE 证书1 项,仪器除在国内大面积推广应用外,已经成功进入欧美国际市场销售,实现国产仪器出口创汇。解决微纳升体系生化反应在线检测的相关科学技术难题,研制新型微流控芯片分子诊断仪器系列产品,如图c 所示,反应体系小于1.5微升,检测指标≥10个,检测时间45分钟。获得了国内发明专利4 项、CFDA 国家类医疗器械产品证书1 项和CE 证书1 项,仪器已经在国内大面积推广示范应用。白光干涉高光谱超分辨率成像技术与系统研究。如d 所示,通过该技术可以实现单分子层纵向厚度变化分辨率1nm的超分辨率原位测量,动态范围达到10μm,无荧光标记和光晕影响。该方法克服了常规白光干涉方法低信噪比的缺陷,相比荧光共振能量转移方法、快速傅立叶变换方法、位相算法、差分算法等更精确,测量动态范围突破了FRET方法的10nm限制,且不受样品浓度的影响。该研究将为原位测量生物分子相互作用、非标记检测微阵列芯片上分子反应结果和单细胞多模分析等提供了全新的思路。

 ·         •"Novel micro-nanofluidic chip and device for fast identifying pathogenic bacteria" Huang, Q., Han, S., Zhang,Y., Qu, X., Fu, J., Zhang, Z., Ding, L., Qian, Y., Zhao, X. and Huang, G. Journal of Computational and ThroreticalNanoscience, 2015, 12:1-6.

·         •"fM to aM nucleic acid amplification for molecular diagnostics in a non-stick-coated metal microfluidicbioreactor" Huang, G., Huang, Q., Ma, L., Luo, X., Pang, B., Zhang, Z., Wang, R., Zhang, J., Li, Q., Fu, R. and Ye, J.Scientific Reports, 2014, 4(7344):1-9.

§2.中医眼像成像仪 A TCM-based Sclera Imaging System for Health Assessment

眼睛是人类获取外界信息的重要器官之一,同时也是人体生理病理健康状况的透视窗口,目前流行采用裂隙灯、眼底成像等技术扫描分析眼睛病变、而忽略了透视眼睛分析人体生理病理健康状况的中医眼象研究。本研究提出了一种基于白睛无影成像的人体健康状况在体分析技术与眼象健康成像系统,无需移动图像采集装置的位置或进行光照扫描,也无需进行图像拼接,便能对白睛进行宽场无影一次性成像,形成白睛图像的过程耗时短、成像质量好,并且可以根据获取的白睛图像分析眼睛病变和人体生理病理变化的健康状况,如图7 所示,申请了国内发明专利1项、国际专利1项、外型设计专利1项。这是一种新型的可长期跟踪采集人体健康信息的在体无损成像技术,利用它可以进行包括眼睛病变在内的人体生理病理变化的早期分析,形成人体健康状况大数据库,是对现有影像技术(X 射线成像、CTMRIPETSPECT和超声等)的重要补充,可作为人体健康监护平台技术,更好地满足人体健康在体分析的巨大需求。