2. 菌株分子流行病学及疾病病因学研究:
传统流行病学对于传染病爆发中不同菌株的代谢分析、毒力分析、年代分析缺乏有效的手段。目前,大多数传染病及地方病的病因已比较明确,但是,对于它们的分子机制却了解很少。这主要是因为传统的方法学的限制,无法用有限的人力、物力对大样本量、多地区的信息在短时间内进行分析。由于方法上的欠缺,使防疫工作者很难从分子机制上探讨导致传染病爆发的菌株之间的异同,例如在历史上几次流行性感冒和霍乱的大流行,病原体有变异,但也有联系,这对于这些疾病的今后防治有重要的指导意义。基因芯片与传统的流行病学方法相结合,恰恰解决了这个矛盾。

Fitzgerald 等[ 24 ]用芯片技术对葡萄球菌的基因组的进化进行了分析,发现大约22 %的基因对葡萄球菌是可有可无的。同时这些基因的转移在葡萄球菌的进化中起很重要的作用。对甲氧苯青霉素耐药的葡萄球菌的mec 基因(一种抗 β2内酰胺的基因) 被水平的转移了5 次,说明抗甲氧苯青霉素的菌株进化了多次,而不是从单一的原始菌株进化而来。这就可以解释在20 世纪70 年代流行的中毒性休克综合征 ( TSS) 是由宿主环境的改变造成,而不是由一个基因谱的快速变化产生的一个新的亚型。此研究说明基因芯片能够对以往流行病学不能回答的问题(如造成TSS 流行的具体原因) 进行回答。芯片的出现是对传统流行病学缺陷的有力补充。Lu 等[ 25 ]在中国贵州等地对砷中毒性肝病的分子机制进行了研究。他们用cDNA 芯片对暴露在砷环境下6～10 年、已经有部分砷中毒症状的人群进行研究。通过研究他们认为基因表达谱的变化在砷中毒性肝病及肝癌中起决定性作用。该研究对于大规模流行病的病因调查又开辟了新的途径。

3. 传染病的诊断与鉴别诊断:传染病在流行病学中占有非常重要的地位,尤其是近年来性传播疾病(STD) 、结核病等的死灰复燃和大量新发现传染病的出现,给各级防疫部门提出了严峻的考验。在传染病爆发中,传统的流行病学研究从取样、培养病原体到鉴别诊断,往往需要几天时间,这对于传染病的治疗和控制极为不利。加之人员流动的频繁和传播机会的急剧增加,需要找到一种快速、方便方法进行诊断和鉴别诊断,而基因芯片恰恰能满足以上要求。目前,在这方面已进行了初步的尝试。Chizhikov 等[ 9 ]将部分沙门菌、志贺菌及埃希菌的毒力基因作为芯片上的探针,可以对以上三种菌进行检测。另外,还出现了一些用于检测HIV 及结核杆菌的芯片[ 10 ,11 ] 。但这还远远不够。这些基因芯片的共同特点是检测的探针少,所得到的信息少,只是对一种病原体或几种相关的病原体的检测,对于多种病原体的鉴别诊断仍未进行,应当说它们只是诊断芯片的雏形。但是,由于基因芯片对于疫情爆发后快速的初步诊断、传染病的监控以及各地菌型变化的监测有得天独厚的优势,它以诊断快速、易携带及储存方便而操作不需要太强的专业性等使基因芯片极易在地区及县一级防疫部门推广。目前,在这一领域还处于探索阶段,但这是传染病诊断中主要的发展方向之一。

三、存在的问题

尽管基因芯片技术已有许多方面的进步。但是在分子流行病学的具体应用中仍存在一些问题:首先,探针的杂交也有一定的错配率,从而产生一定的背景,如何区分这种背景所造成的假阳性和由于传染病样品中由于拷贝数太低所造成的弱阳性,是传染病诊断DNA 芯片面临的主要挑战,由于在传染病诊断DNA 芯片中采用的密度较低,因此它的这些缺点就不如高密度芯片那样严重。但是,由于其结果往往伴随着许多重大疫情的处理,诊断必须十分慎重。

另一种对应用的限制来自芯片研究的成本。在芯片研究过程中,对样品的标记及探针的制备都非常耗时、耗力。对病原微生物来说,由于绝大部分的病原微生物都是原核生物,它们的共同特点是没有polyA 尾巴,因此无法象真核生物那样通过polyA 尾巴纯化mRNA ,并且用逆转录方法建立 cDNA 文库。这就给制造芯片带来很大的问题。Tao 等[ 26 ] 报道直接在混合的RNA 中(mRNA、tRNA、rRNA) 加入3’端的特异引物扩增cDNA 探针。但是,另一方面,与真核生物相比,病原微生物(原核生物或病毒) 的研究又有得天独厚的优势。因为这些微生物的基因组都较小,只有几千个ORF , 同时又没有内含子,这样就可以通过对每个ORF 进行扩增, 用扩增产物代替cDNA ,制备探针。这种探针的另外一个好处就是它包含了病原微生物所有的基因,这就避免了cDNA 文库可能使某些基因遗漏的潜在问题。这样虽然解决了建立cDNA 文库的问题, 但是, 以大肠埃希菌为例, 4 290 个 ORF 就需要4 290个特殊的引物,这大大的增加了科研难度和成本。因此,如何方便、快捷的建立病原微生物的检测探针是基因芯片研究中亟待突破的瓶颈。随着新技术的不断出现,基因芯片的成本将会越来越低。

第三,样品的获得与处理。对于传染病诊断芯片来说,
样品的来源广泛并且混杂有各种各样的干扰因素。在实际推广过程中,要使广大防疫部门在很短的时间内、在广大农村地区很快的获得象实验室中获得的样品是不可能的。因此,这就需要传染病诊断芯片有很高的特异性和敏感性。如何正确的对样品进行简单的处理,使混杂因素降到最低是广大防疫工作者所面临的主要挑战。

第四,对于数据的处理和应用仍存在问题。基因芯片的出现对生物信息学提出了新的要求,对于大量的数据需要新的方法来处理。同时,对于基因芯片所提供的信息也要求更精确的判断。Tao 等[ 26 ]对大肠埃希菌的全基因序列制成的芯片检测细菌生长在微量葡萄糖环境和含葡萄糖的Luria 肉汤环境中基因组表达方式。他们发现绝大多数基因的翻译表达明显上升,而细菌在葡萄糖缺乏的环境中一些基因的表达也上升。这么多的基因表达发生了变化,这使数据的分析和应用变的很困难。更重要的是,许多基因同时变化可能使真正的原因被掩盖,因为一个基因的变化往往导致一连串下游基因或调控基因全都发生变化,因此,如何找到真正引起这些连锁反应的基因是科研人员需要注意的问题。另一个问题是,由于绝大多数病原微生物都是原核生物,它们的mRNA 多为多顺反子,即一条mRNA 可翻译成多种相关蛋白,所以它的cDNA 就代表了多个基因。而且编码这些蛋白的基因相互交错,即使以每个基因作为探针,在杂交时也很容易发生假阳性。这就对结果的判断带来很大的不便。这就需要其他相关领域的共同研究和帮助,如基因组草图的绘制、二维蛋白电泳等。