生物芯片是基于生物分子间特异性相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，由相关仪器接收信号，从而实现高通量快速检测DNA、RNA、多肽、蛋白质等生物分子的一种微型化、集成化平台^[1-2]。生物芯片起源于20世纪70年代，经历数十年发展，已成为当前极为重要的检测分析手段^[1]。作为一种前沿的分析技术，生物芯片种类繁多，因其具有高通量、微型化、高灵敏度等优点，被广泛用于药物研发^[3-4]、司法鉴定^[5-6]、食品卫生监督^[7-8]、环境检测^[9-10]等领域。

中药是疾病防治的重要载体，在保障人民生命健康方面发挥着非常重要的作用。当前，说清楚、讲明白中药的作用原理，阐明其“物质-功能-机制”是推动中药现代化、产业化和面向国际发展的关键问题。中药与现代科学的结合，多学科交叉技术的互融，可助推中药现代化进程。其中，生物芯片技术作为一种新兴技术，在中药研究领域中的应用愈加广泛，为中医药现代化研究提供了新的思路与方法。

1 生物芯片的发展

生物芯片起源于20世纪70年代英国分子生物学家Edwin Mellor Southern提出的Southern印迹杂交技术，Southern杂交被看作是生物芯片的雏形；在20世纪80年代初，生物芯片这一名词被首次提出，但当时主要指分子电子器件；进入20世纪90年代，人类基因组计划和分子生物学相关学科的发展为生物芯片的进一步发展提供了有利条件，第一块基因芯片也于1992年面世。至此，生物芯片技术进入高速发展时期，蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等相继出现^[2]。生物芯片技术已成为当前极为重要的检测分析手段（图 1）。

2 生物芯片的分类

生物芯片的种类众多，不同种类的芯片可应用于不同的实验研究。一般来说，生物芯片按用途分类可分为生物电子芯片、生物分析芯片；按作用方式分类可分为主动式芯片、被动式芯片；按载体材料分类可分为硅芯片、玻璃芯片、陶瓷芯片、塑料芯片等；按固定的探针种类分类可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等^[2]。笔者主要按固定的探针种类进行分类介绍（图 2）。

3 生物芯片在中药研究中的应用 3.1 生物芯片在中药活性成分评价中的应用

中药活性成分的评价是中医药现代化系统工程中的重要内容，阐明中药的活性成分，有利于科学地解析中药作用机制，指导创新中药研发及中成药大品种二次开发。传统的药物筛选方式周期长、通量低，不适合化学成分繁多、作用机制复杂的中药及其复方的活性成分筛选^[11]。而运用生物芯片技术能在短时间内进行大规模的成分筛选，使筛选过程从“大海捞针”变为“碗里捞针”。

微流控技术可把生化实验的基本操作（样品制备、反应、分离、检测等）集成到一块芯片上，通过与生物系统相互作用，在微米尺度范围内对流体和细胞进行精确操控，全自动完成整个分析过程^[12-13]，具有分析快、自动化、通量高等优点^[14]。将微流控技术与生物芯片相结合，可加速中药活性成分发现（图 3）。孙悦等^[15]构建了一种多功能药物筛选微流控芯片，结合Hoechst 33342/PI双染法分析复方木鸡颗粒及其组分对人肝癌（HepG2）细胞凋亡的影响，发现复方木鸡颗粒、核桃楸皮黄酮、菟丝子黄酮、山豆根生物碱均具有诱导HepG2细胞凋亡的作用。Gao等^[16]构建了一种新型的三相层流芯片，并应用于博落回中抗肿瘤活性成分的筛选，得到了血根碱和白屈菜红碱两个高效低毒的抗肿瘤活性成分。Shi等^[17]构建了由原代人脑微血管内皮细胞、人脑血管周细胞、人星形胶质细胞等构成的“体外血脑屏障-胶质瘤”芯片模型，并应用于抗胶质瘤活性成分的筛选，发现汉黄芩素、槲皮素和白藜芦醇可透过血脑屏障杀死人胶质瘤细胞。田露露^[18]、韩康^[19]利用微流控芯片，分别检测仙鹤草中不同组分、不同产地地榆有效组分及单体成分对HepG2细胞凋亡的影响，发现仙鹤草黄酮体外抗肝肿瘤作用最强，其次为鞣质、生物碱、多糖；没食子酸可能是地榆发挥抗肝肿瘤作用的主要成分。

除微流控芯片外，其他类型的芯片也可用于中药活性成分筛选。Qin等^[20]在细胞-基质电阻抗传感芯片上构建了一种基于气道平滑肌（ASM）细胞的仿生体外呼吸系统，筛选中药苦味成分中潜在的抗哮喘活性成分，发现金鸡纳碱、川陈皮素、苦玄参苷IA对ASM细胞毒性较低，能有效抑制平滑肌收缩，对支气管具有一定的保护作用。杨雷等^[21]应用基因芯片筛选了骨关节炎患者差异表达基因，共筛选出上调基因382个，下调基因334个，并结合CIBERSORT反卷积算法预测出青风藤、姜黄、雷公藤等11种中药与骨关节炎相关免疫途径及核心靶基因关系最为密切，可作为潜在的药物分子来源。

综上所述，生物芯片技术的应用有助于研究者更加高效、系统地探索及评价中药活性成分，为中医药现代化研究提供了有力的技术支持。但在适应中药复杂性、技术成熟度等方面还存在一定的局限性，例如中药成分的多样性和复杂性使得设计一个能广泛适用于多种中药评价的通用芯片非常困难，且生物芯片产生的数据通常需要复杂的处理和分析技巧，可能还需要结合多学科知识来综合解释。未来的研究应致力于提高芯片的灵敏度和特异性，简化数据处理过程，并开发成本效益更高的设备，以更好地服务于中药活性成分评价研究。

3.2 生物芯片在中药作用机制解析中的应用

中药具有多成分、多靶点、多途径的作用特点，传统的“单分子、单靶标”研究模式难以满足临床复杂疾病的研究要求。生物芯片因具有高度的并行性，能够从疾病及药物两个方面同时对生物体的多个参量进行研究，快速筛选出药物的作用靶点，再结合基因组学、蛋白质组学等进一步阐明药物作用机制^[22]。

基于微流控技术的细胞芯片，是近年来在药效作用与机制研究过程中应用较多的芯片之一^[23-24]。包永睿等^[25]构建了一种集成浓度梯度及微阀结构的细胞芯片，发现菟丝子黄酮具有明显促大鼠肝星状细胞株凋亡坏死的作用，揭示了菟丝子黄酮抗肝纤维化作用的潜在细胞靶点。樊佳新等^[26]将人非小细胞肺癌（A549）细胞接种于聚二甲基硅氧烷（PDMS）-玻璃复合芯片中，结合实时荧光定量聚合酶链式反应（qPCR）等技术揭示了橙皮苷可干扰PI3K-Akt信号通路，从而诱导A549细胞凋亡。

蛋白质芯片可用于筛选药物作用的靶蛋白，针对性强，匹配度高^[27]。Yao等^[28]采用蛋白质芯片发现正常大鼠与急性痛风性关节炎模型大鼠滑膜中存在14种差异蛋白，而穿山龙提取液可通过调控TRAIL和Neuropilin-2这两种差异蛋白起到治疗急性痛风性关节炎的作用。王志华等^[29]通过蛋白质芯片筛选出与大黄酸特异性结合的57种蛋白，发现大黄酸可通过调节精氨基琥珀酸合成酶1（ASS1）来调节精氨酸和NO代谢，发挥抗肿瘤作用。Cui等^[30]将无标记差示扫描荧光法与蛋白质芯片相结合，成功筛选出人参皂苷Rg2的潜在靶蛋白KRAS（G12C），发现人参皂苷Rg2可减少人非小细胞肺癌细胞NCI-H23中KRAS蛋白数量，抑制KRAS下游关键信号蛋白ERK1、RPS6和P70S6K的磷酸化。

基因芯片是进行药物基因组学研究的重要平台，可通过比较药物干预前后基因表达谱的差异揭示药物作用的靶基因^[31-32]。张祎冰^[33]采用全转录组芯片发现lncRNA H19和PKCβ Ⅰ是淫羊藿苷发挥抗动脉粥样硬化作用的潜在关键基因。从美丽等^[34]运用全基因组表达谱芯片发现甘草酸可通过调节多基因可变剪切改善酒精性肝损伤病变。杨爱琳等^[35]、Fang等^[36]利用基因芯片研究槐耳蛋白聚糖、猕猴桃根提取物的抗肝癌分子作用机制，发现丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、JNK/AKT信号通路是测试药物发挥抗肝癌作用的关键靶点及通路。

综上所述，生物芯片的应用为深入研究中药作用机制提供了一个强有力的工具。目前其局限性在于中药的活性成分可能通过多条通路联合作用，而当前的生物芯片技术还无法全面模拟和评估这些复杂的生物途径。此外，中医理论中的许多概念（如气、血、阴阳平衡等）难以用现代科技完全解释，这限制了生物芯片在中药机制解析中的应用。因此，在未来应用时需注意保留中医药的独特理论体系，将现代技术与传统智慧相融合。

3.3 生物芯片在中药毒性成分筛选中的应用

近年来，随着中药的广泛应用，其不良反应事件时有报道，严重影响了中药临床应用的安全性。因此，系统开展中药毒性成分研究，保障临床用药安全，对中药高质量发展至关重要^[37]。传统的中药毒性成分研究大多采用动物实验或体外细胞实验，成本高，耗时长。而生物芯片技术具有高通量、低成本、低污染等特点，在毒性成分辨识和毒性机制研究中具有独特优势^[38]。

基于微流控技术的类器官芯片可在微观水平上模拟复杂的人体器官功能，实现实时、连续的指标测量及药物毒性的动态评价^[39-40]（图 4）。与静态类器官培养不同，芯片上的器官允许体液灌注，能促进动态营养交换和理化信号传输（剪切应力、机械力、生物电刺激等），从而更好地模拟活体组织中的生理条件^[41-43]。王帅等^[44]构建了一种在体外模拟心肌细胞与毛细血管相互作用的心脏芯片，通过检测给药前后心肌细胞搏动的状态变化及细胞培养液中乳酸脱氢酶和肌钙蛋白的含量变化，发现雷公藤甲素、氯化两面针碱、莨菪碱均有剂量依赖的心脏毒性。蔡乐^[45]研制了一款具有3层结构的肝小叶芯片并应用于肝毒性成分的筛选，通过对芯片培养液中谷草转氨酶、谷丙转氨酶含量的检测，发现氧化苦参碱、吴茱萸碱、油酸及氯化两面针碱均具有不同程度的肝细胞毒性。Chang等^[46]采用基于微流控技术的人肝-肾芯片研究马兜铃酸的肝肾毒性，发现马兜铃酸-Ⅰ经肝脏醌氧化还原酶1、磺基转移酶等代谢产生的硫酸盐复合物（AL-Ⅰ-NOSO₃）会导致肝肾毒性。

基因芯片在中药毒性成分研究中的应用也较为广泛。Li等^[47]采用小鼠全基因组表达谱芯片研究白藜芦水提取物对短脚乌头诱导的小鼠严重肝毒性模型的影响，发现白藜芦水提取物具有明显的解毒作用。杨爱文等^[48]利用晶芯大鼠27K全基因组表达谱芯片研究蟾酥对大鼠心脏的急性毒性，发现低剂量蟾酥可以通过干扰离子稳态和肌动蛋白构建影响心脏收缩；高剂量蟾酥除进一步干扰离子稳态和肌动蛋白构建外，还会引发铁离子蓄积，导致细胞凋亡。

相较于传统的毒性成分研究方法，生物芯片可以在短时间内完成多批次实验，节省时间和实验成本，且由于缺乏物种特异性效应而能在体外更准确地预测人类反应^[49]。但因用于毒理研究尤其是仿生性的生物芯片起步较晚，仍有许多难题有待解决，如人源原代细胞或组织存在伦理及供给稀少、干细胞的分化和表型难维持、永生化细胞代谢与人体正常细胞存在差距等^[50]。

3.4 生物芯片在中药质量评价中的应用

中药材及饮片是中药产业链条的最前端，也是中医药健康产业的基石，中药质量是中药临床用药安全性和有效性的重要影响因素^[51]。中药基原鉴定是中药真伪鉴别的重要内容，经典的鉴定方法包括性状鉴别、显微鉴别、薄层色谱鉴别等。基因芯片因其快速、高效、经济等优点，已成为中药品种鉴别的重要技术手段^[52]。李同祥等^[53]利用抑制性差减微阵列技术构建以尼龙膜为载体的基因组DNA（gDNA）芯片，将不同品种的石斛DNA与gDNA芯片杂交，经化学发光或荧光扫描检测，快速准确地实现了石斛种属的鉴定。刘杰等^[54]运用聚合酶链式反应（PCR）技术和电泳芯片，确定了区分宽体金线蛭、日本医蛭、菲牛蛭及其正伪品的特异性引物，建立了有效鉴别水蛭品种的分子生物学标准。宋沁馨等^[55]利用PCR技术和电泳芯片测定人参和西洋参基因组DNA中的单核苷酸多态性，成功实现了人参、西洋参及两种样品混合物的品种鉴别和质量检测。Carles等^[56]构建了基于DNA多态性分析结合PCR技术的硅基DNA微阵列芯片，快速鉴别曼陀罗、马钱子、金莲花等20种毒性中药。

生物芯片技术在中药质量评价方面具有多重优势，可助力中药标准化生产。在今后的发展中，应聚焦于关键技术的突破，加速产品的落地，将生物芯片应用于药材市场、研究机构、医院等各个场景的中药质量评价中。

3.5 生物芯片在其他方面的应用

生物芯片技术广泛应用于中药研究的各个领域，除上述应用外，生物芯片在萃取与富集、成分检测、微生物检测等方面也有巨大发展潜力。

在萃取与富集方面，Qin等^[57]设计了用于人参皂苷富集的三相层流芯片和连续两相层流芯片，均取得良好效果。Tetala等^[58]开发了一种可快速、高效纯化植物提取物中生物碱的三相微芯片，并成功应用于马钱子中士的宁和马钱子碱的纯化。

在成分检测方面，乐薇等^[59]基于智能手机的数码成像功能，制备了一种对芦丁具有高选择性的分子印迹纸芯片，该方法所需试剂量少、成本低、速度快，能满足现场快速分析的需求。吴剑等^[60]制备了一种简易纸芯片，用于检测凤丹皮中有效成分丹皮酚的含量，该产品可用于牡丹种植基地、中药生产基地的快速样品分析检测，应用前景广阔。

在微生物检测方面，曹亚楠^[61]将微流控芯片与环介导等温扩增技术相结合，用于枸杞子、甘草、生地黄等中药饮片的病原菌污染检测。史亚等^[62]采用微生物组分析芯片，检测白芍等11种常用中药饮片中所携带的细菌、真菌和病毒，初步建立了饮片污染微生物数据库，为中药饮片的微生物质量控制提供支撑。

4 结语与展望

现代科学技术助推了中药的传承创新发展，对说清楚、讲明白中药“物质-功能-机制”具有重要意义。生物芯片技术的出现是包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和生物信息学的系统生物学研究领域的一个革命性里程碑^[63]。作为一种检测分析手段，生物芯片因分析设备小型化、自动化和便携化等优点，在中药领域有着广阔的应用前景。但生物芯片作为一种新兴的分析技术，也存在诸多局限性，例如自主研发生物芯片成本高、周期长、需突破诸多技术壁垒；生物芯片的批次间差异会影响检测结果的稳定性，限制其大规模推广应用；研究成果难以走出实验室，实现产业化，投入到社会等。在未来的研究发展中，生物芯片还需加强标准的建立，以可重复和规范化的方式进行低成本、大规模的芯片制造，提高分析的可靠性^[64]；加强多学科交叉互融，共同推进生物芯片在中药研究中的应用；注意将技术的应用与传统中医药理论及实践相结合。相信在国内外生命科学、医药学等领域需求的推动下，生物芯片技术会日趋完善，逐步走向整体化、系统化，以更加崭新的面貌应用于各个领域，为人类的科技进步和文明发展作出更大的贡献。