《科學》（Science）的一篇專題文章聚焦了蛋白質芯片（protein array）技術，其中略微談到了美國亞利桑納州立大學生物設計學院（Biodesign Institute）Virginia G. Piper個體化診斷中心主任Joshua LaBaer開展的一項研究。

隨著人類基因組計劃（Human Genome Project）的順利完成，科學家們將研究日益聚焦到蛋白質上。蛋白質這一由遺傳模板生產出的產物，在維持健康和疾病發生中均發揮著主要作用。蛋白質微陣列（Protein microarray）在生成DNA和蛋白質組的核苷酸序列分析的缺口上搭起了一座橋梁。

研究人員正在利用蛋白質微陣列來開發出早期疾病的檢測方法，尤其是對于占國家大部分醫療保健開支的慢性疾病。在早期、癥狀出現前階段鑒別出糖尿病、冠心病、充血性心力衰竭和各種癌癥的征兆，提供治療成敗的*預測，大大降低醫療費用。

“蛋白質是生物學機器。疾病幾乎總是由于蛋白質功能異常所導致，大多數的藥物設計也是旨在影響蛋白質的功能。蛋白質微陣列使得我們能夠同時檢測成千上萬的蛋白質的生物化學特性，”LaBaer.說。

盡 管基因組為構建生命系統提供了指導手冊，蛋白質仍是真正的分子主力，忠實地履行基因組的指令，同時還在無數的環境影響下改變它們的行為。蛋白質為細胞和組 織提供了結構，促進了細胞內部和細胞間的信號傳遞，充當受體，催化酶活性，執行免疫功能，并執行其他無數的生物學任務。

因此，更深入地了解蛋白質組對于診斷醫學，尤其是建立生物標記物（表明早期疾病狀態的癥狀出現前指示物，可檢測到的血液中蛋白質成分）是至關重要的。LaBaer研究小組正在致力于發現一系列致命性疾病包括乳腺癌、卵巢癌、肺癌和口咽癌；I型糖尿病和各種傳染性病原體的生物標記物。

直至近來，研究蛋白質的復雜性仍是一個艱巨的任務。蛋白質微陣列通常包含一個蛋白質庫，它以2D可設定位置的網格格式固定在一個載玻片或是芯片上。這類芯片是通過表達和精心純化蛋白，然后將它們印在載玻片表面而制造成。一旦將蛋白質庫鋪在在一張芯片上，就可以利用這種高通量的技術來研究蛋白質的行為。

類似的芯片長期被應用于研究DNA，生成了對于基因組的*的新認識，在某些情況下提供了快速準確的診斷工具。研究人員想要用蛋白質芯片技術來重復DNA芯片取得的成功，然而目前仍有一些障礙存在。相比于核苷酸，蛋白質顯示出極大的結構多樣性和復雜性。蛋白質的合成、穩定和純化往往是非常艱巨的工作。將蛋白質充分附著在芯片表面相當的棘手，且隨后通過結合事件檢測這些蛋白也比核酸芯片的情況要復雜的多。

蛋白質芯片可以被分為兩大類。一種是所謂的正相芯片（forward phase arrays）， 一種蛋白質樣品可用多種試劑進行篩選。捕獲蛋白質（通常為一種抗體）首先被附著在玻片的表面。當將一份檢測樣品遍鋪在芯片上，固定的抗體就可以用來捕獲識 別的抗原。檢測樣本可以是血液、細胞、細胞裂解液或是其他一些生物學標本。捕獲的分析物隨后可利用熒光染料直接檢測。這種技術具有高度特異性，但是非常耗 時。

在反相芯片（reverse phase arrays）中，檢測樣本被直接印在玻片上，然后利用一種熒光偶聯蛋白質例如一種抗體來檢測芯片。這種反相芯片其中的一種關鍵優勢是減少了檢測蛋白質抗原所需的抗體探針的量。在當前的Science綜述中均討論了這兩種正相和反相芯片的例子。

LaBaer的研究小組利用了一種他們實驗室設計的新型蛋白質芯片來開展研究工作。這種被稱為核酸可編程蛋白質芯片（Nucleic Acid Programmable Protein Array ，NAPPA）的技術功能特別強大，因為它省卻了芯片應用前的蛋白質純化需要。并沒有利用自身蛋白，NAPPA技術將稱為質粒的蛋白質編碼DNA環狀片段置于玻片位點上，將DNA芯片技術的簡單和低成本帶到蛋白質組學的世界中。

在使用芯片前，將體外轉錄/翻譯系統作為一種涂層用于玻片上，將每個芯片轉變為生產蛋白質的納米級工廠。因為蛋白質合成后便立即付諸使用，這樣就可以避免蛋白質的穩定和純化問題。

“NAPPA的中心概念就是只在測試前時刻生成‘新鮮’的蛋白質，利用與蛋白質zui相關的機器來制造它們。目前我們正利用人類核糖體機器來生成人類蛋白質，”LaBaer說。

目前LaBaer的方法可使2300種基因排列在一個常規的顯微鏡玻片上。鑒于人類蛋白質組如此巨大，包含超過3萬種不同的蛋白質，這一技術需要大約10張陣列玻片來對蛋白質組進行*取樣。以更高密度定位放置DNA質粒需要新的印記技術來避免鄰近位置的陣列點之間發生化學串擾。利用先進的壓電式移液（piezoelectric-pipetting）技術，研究小組預計新一代蛋白質芯片可以將每張玻片的蛋白質密度提高約一個數量級。

目前，Piper 中心的一張芯片上約有1.4萬個人類蛋白質可用于檢測疾病的抗體靶標。這一技術現正用于研究蛋白質的翻譯后修飾以鑒別新型的自身抗體。

在蛋白質合成過程中或之后可能發生翻譯后改變，導致對蛋白質殘基的修飾。這樣的變化會改變蛋白質的物理和化學性質從而影響它們的形狀和功能。特殊自身抗體的存在可能會發出癥狀出現前識別疾病抗原的信號，例如惡性腫瘤所生成的那些抗原。近期一項研究鑒別了一組28種抗原，可以80-100%的特異性準確找出血清中的早發性乳腺癌。

此外，通過鑒別出與感染性疾病例如霍亂、炭疽和綠膿桿菌相關的免疫原性蛋白質，這項研究還可能有助于加速推動更有效的疫苗進入市場。

LaBaer說：“這項工作的關鍵是在于檢測大量的患者和健康個體以確定哪些反應只特異性存在于患者中。zui重要的是要在獨立實驗中確證這些研究結果。”