全自动原位杂交仪 荧光原位杂交技术的发展历程

在FISH技术基本确立之后,FISH不仅用于单基因或核酸检测,FISH 技术的进一步发展扩展到多色FISH多基因位点同时检测,全自动原位杂交仪从基因检测发展到基因组、染色体、活细胞中转录产物mRNAs原位检测以及组织水平的核酸检测,并且在今后的研究中还有可能应用到整个生物体的检测。早期的探针较大,是通过载体的增殖、缺口平移法、体外转录法和随机引物DNA合成法来制备以获得特异性杂交克隆。然而大片断的探针通常带有重复序列造成高荧光背景,采用未标记的核酸进行预处理使其与非特异性位点结合用于抑制非特异性杂交可以克服上述问题,同时也使得研究者扩大了检测目标,实现了整条染色体染色。在细胞遗传学上FISH技术在染色体分析方面也因此得到了显著的提高。如通过比较基因组杂交(Comparativegenomic hybridization)用于检测染色体区域的缺失和重复。大片段探针一旦和样品非特异性结合就会形成一个信号,混淆染色体上基因的检测,就需要剪切成小片段<200核苷酸。现在检测手段的提高以及检测软件的不断发展使得FISH技术的检测要求越来越低,灵敏度越来越高。精确的计算机图片处理算法的不断改进形成了亚显微水平的探针高分辨技术。随着检测目标越来越小,FISH技术已用于隐蔽的亚端粒核型基因重排和精确的染色体作图及单拷贝mRNA的检测。FISH检测范围的扩大,使得FISH技术的应用在20 世纪90 年代急速增长。由FISH技术应用而形成的分支技术实现了越来越多的不同类型位点同时检测。首先是采用不同的荧光素来检测多位点,如双色荧光用于检测特异的核酸序列,每一条染色体、基因或者转录产物分别由一种可以分辨的荧光信号来表示。之后是采用两种色彩译码方案进一步扩大了FISH应用范围。译码方案主要是针对色彩比例,即每一种颜色在总颜色中所占的比例来描绘多位点。前述的每一种方法,或是两种方法的结合都已经将可检测位点多达12个。采用计算机翻译的五色方案可同时检测出人类所有染色体代表着FISH 技术多位点检测的里程碑。尽管可以采用多种方法观测到mRNAs,但是FISH对整个转录产物的原位分析似乎更有应用前景。色彩译码技术已经实现了对整个组织的检测。 Pinkel 等(1986)首次将荧光图像定量分析用于基本细胞遗传检测,采用双色激发块装置照相机检测荧光信号,而且定量分析技术很快用于了mRNA检测。荧光检测的关键是信号的重现性、无规律性及背景的自发荧光。不仅不同的样品之间荧光不同,而且同一载玻片上的材料或者同样的细胞都有可能显示出不均衡的荧光。目前已有多种方法用于消除一些组织中的自发荧光:如样品制备过程中,采用的消除自发荧光试剂包括硼氢化钠或者采用光照辐射进行预处理以消除非特异性背景信号。这些消除自发荧光的方法并不完全有效,通常在进行图像分析时通过计算机算术除去自发荧光信号。荧光图像的光谱数据包括真正的信号和许多杂噪,分别进行分析并且通过单独的光谱组分分析除掉杂噪数据。全自动原位杂交仪多色FISH 有自身的限制,包括不同的荧光强度和颜色重叠。但是通过计算机算法分析平衡了多色图像,包括强度变化和自动纠正信号重叠。FISH图像自身的限制并没有影响到自动破译算法的发展。采用序列较大探针进行DNA位点检测和多色荧光计数算法辅助病理学家实现了自动化分析。此外,检测探针试剂盒和点计数方法的应用为便捷的检测结果提供了一个平台。尽管多种方法已经用于分析或优化自动细胞检测系统,人工的细胞病理检测仍是可信度高的组织分析方法。然而,细胞制备、鉴别、固定介质上细胞样品计算机化检测在未来的医学诊断中的高效益性不容忽视,快速检测细胞内的分子信号只有通过计算机辅助方法进行检测。现在,自动化检测程序已经扩展到采用多基因转录模型检测特异的DNA 簇和转录位点以确定功能细胞的状态。 鉴于FISH起始阶段的发展主要是探针类型和检测位点的扩展,荧光检测技术将来的发展可能包括检测领域的扩展。荧光图像临床诊断应用需要在检测体系上进一步提高,如探针的结合,照相和分析的自动化,因此避免了不同操作间的误差。样品厚度是荧光显微镜检测样品类型的一个限制因素。近来的激光共聚焦显微镜和光学X射线断层摄影技术要求样品厚度达到1~2mm。一种改进的光学投射X 显微断层摄影技术可以获取到15mm 厚样品的图像扩大了生物学和诊断样品的检测范围。活细胞的RNAs FISH技术检测也有报道。既可以采用体内释放的荧光集团也可以采用杂交后探针的荧光素进行检测。这两种新方法都可以降低非特异性标记探针存在时的高背景(如活细胞),可以用于追踪mRNA的合成和转移途径。这些方法较绿色荧光蛋白(Green fluorescence protein, GFP)更易于检测不同靶分子。相对于GFP活细胞原位杂交检测,FISH易受到细胞内合成探针的影响。FISH 需要进一步的改进以降低活体基因表达检测时的干扰背景,避免细胞内自身杂交物的干扰。其实完全可以不必考虑FISH 检测和荧光检测蛋白技术的差异,将FISH技术和荧光蛋白技术结合起来可以同时检测目的核酸和蛋白。多光子显微技术的应用进一步扩大了荧光图像的应用范围。采用多光子显微镜,激光块可以发射光子聚焦于显微镜两到三次激发目的荧光素。采用近红外激发光可以更深层次穿透生物样品,比可见光对活体样品造成的毒性低。这种新方法的应用已将荧光图像用于活体系统的检测,甚至整个动物体。由于还不能合成生物体标记探针,因此目前生物体内荧光图像的应用只限于检测荧光分子或生物体自发荧光。生物组织在正常的生理或者病理生理过程中产生的自发荧光信号可以作为一种重要的诊断信号。一旦生物体探针成为可能,将会成为鉴别特异核酸序列,进行非入侵诊断,获取诊断图像的一种有力辅助手段。


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