《科学》（Science）的一篇专题文章聚焦了蛋白质芯片（protein array）技术，其中略微谈到了美国亚利桑纳州立大学生物设计学院（Biodesign Institute）Virginia G. Piper个体化诊断中心主任Joshua LaBaer开展的一项研究。

随着人类基因组计划（Human Genome Project）的顺利完成，科学家们将研究日益聚焦到蛋白质上。蛋白质这一由遗传模板生产出的产物，在维持健康和疾病发生中均发挥着主要作用。蛋白质微阵列（Protein microarray）在生成DNA和蛋白质组的核苷酸序列分析的缺口上搭起了一座桥梁。

研究人员正在利用蛋白质微阵列来开发出早期疾病的检测方法，尤其是对于占国家大部分医疗保健开支的慢性疾病。在早期、症状出现前阶段鉴别出糖尿病、冠心病、充血性心力衰竭和各种癌症的征兆，提供治疗成败的*预测，大大降低医疗费用。

“蛋白质是生物学机器。疾病几乎总是由于蛋白质功能异常所导致，大多数的药物设计也是旨在影响蛋白质的功能。蛋白质微阵列使得我们能够同时检测成千上万的蛋白质的生物化学特性，”LaBaer.说。

尽 管基因组为构建生命系统提供了指导手册，蛋白质仍是真正的分子主力，忠实地履行基因组的指令，同时还在无数的环境影响下改变它们的行为。蛋白质为细胞和组 织提供了结构，促进了细胞内部和细胞间的信号传递，充当受体，催化酶活性，执行免疫功能，并执行其他无数的生物学任务。

因此，更深入地了解蛋白质组对于诊断医学，尤其是建立生物标记物（表明早期疾病状态的症状出现前指示物，可检测到的血液中蛋白质成分）是至关重要的。LaBaer研究小组正在致力于发现一系列致命性疾病包括乳腺癌、卵巢癌、肺癌和口咽癌；I型糖尿病和各种传染性病原体的生物标记物。

直至近来，研究蛋白质的复杂性仍是一个艰巨的任务。蛋白质微阵列通常包含一个蛋白质库，它以2D可设定位置的网格格式固定在一个载玻片或是芯片上。这类芯片是通过表达和精心纯化蛋白，然后将它们印在载玻片表面而制造成。一旦将蛋白质库铺在在一张芯片上，就可以利用这种高通量的技术来研究蛋白质的行为。

类似的芯片长期被应用于研究DNA，生成了对于基因组的*的新认识，在某些情况下提供了快速准确的诊断工具。研究人员想要用蛋白质芯片技术来重复DNA芯片取得的成功，然而目前仍有一些障碍存在。相比于核苷酸，蛋白质显示出极大的结构多样性和复杂性。蛋白质的合成、稳定和纯化往往是非常艰巨的工作。将蛋白质充分附着在芯片表面相当的棘手，且随后通过结合事件检测这些蛋白也比核酸芯片的情况要复杂的多。

蛋白质芯片可以被分为两大类。一种是所谓的正相芯片（forward phase arrays）， 一种蛋白质样品可用多种试剂进行筛选。捕获蛋白质（通常为一种抗体）首先被附着在玻片的表面。当将一份检测样品遍铺在芯片上，固定的抗体就可以用来捕获识 别的抗原。检测样本可以是血液、细胞、细胞裂解液或是其他一些生物学标本。捕获的分析物随后可利用荧光染料直接检测。这种技术具有高度特异性，但是非常耗 时。

在反相芯片（reverse phase arrays）中，检测样本被直接印在玻片上，然后利用一种荧光偶联蛋白质例如一种抗体来检测芯片。这种反相芯片其中的一种关键优势是减少了检测蛋白质抗原所需的抗体探针的量。在当前的Science综述中均讨论了这两种正相和反相芯片的例子。

LaBaer的研究小组利用了一种他们实验室设计的新型蛋白质芯片来开展研究工作。这种被称为核酸可编程蛋白质芯片（Nucleic Acid Programmable Protein Array ，NAPPA）的技术功能特别强大，因为它省却了芯片应用前的蛋白质纯化需要。并没有利用自身蛋白，NAPPA技术将称为质粒的蛋白质编码DNA环状片段置于玻片位点上，将DNA芯片技术的简单和低成本带到蛋白质组学的世界中。

在使用芯片前，将体外转录/翻译系统作为一种涂层用于玻片上，将每个芯片转变为生产蛋白质的纳米级工厂。因为蛋白质合成后便立即付诸使用，这样就可以避免蛋白质的稳定和纯化问题。

“NAPPA的中心概念就是只在测试前时刻生成‘新鲜’的蛋白质，利用与蛋白质zui相关的机器来制造它们。目前我们正利用人类核糖体机器来生成人类蛋白质，”LaBaer说。

目前LaBaer的方法可使2300种基因排列在一个常规的显微镜玻片上。鉴于人类蛋白质组如此巨大，包含超过3万种不同的蛋白质，这一技术需要大约10张阵列玻片来对蛋白质组进行*取样。以更高密度定位放置DNA质粒需要新的印记技术来避免邻近位置的阵列点之间发生化学串扰。利用先进的压电式移液（piezoelectric-pipetting）技术，研究小组预计新一代蛋白质芯片可以将每张玻片的蛋白质密度提高约一个数量级。

目前，Piper 中心的一张芯片上约有1.4万个人类蛋白质可用于检测疾病的抗体靶标。这一技术现正用于研究蛋白质的翻译后修饰以鉴别新型的自身抗体。

在蛋白质合成过程中或之后可能发生翻译后改变，导致对蛋白质残基的修饰。这样的变化会改变蛋白质的物理和化学性质从而影响它们的形状和功能。特殊自身抗体的存在可能会发出症状出现前识别疾病抗原的信号，例如恶性肿瘤所生成的那些抗原。近期一项研究鉴别了一组28种抗原，可以80-100%的特异性准确找出血清中的早发性乳腺癌。

此外，通过鉴别出与感染性疾病例如霍乱、炭疽和绿脓杆菌相关的免疫原性蛋白质，这项研究还可能有助于加速推动更有效的疫苗进入市场。

LaBaer说：“这项工作的关键是在于检测大量的患者和健康个体以确定哪些反应只特异性存在于患者中。zui重要的是要在独立实验中确证这些研究结果。”