基因芯片技术具有平行化、微型化、多重化、自动化的特点，可以平行分析大量的基因组信息，研究基因的印迹和泛基因组的表达，发现和确定疾病相关的系列基因。早期的基因芯片主要用于基因鉴定识别或对基因点突变进行研究。随着基因芯片技术的发展，芯片密度不断提高，其应用领域也得到了很大的扩展，已成功地应用于法医学上进行亲子鉴定、罪犯甄别等。此外，在各种疾病的基因诊断、环境保护及农业育种等方面，都有重要的应用前景。
基因芯片的应用主要有3个方面。
（一）生物医学研究
从遗传和环境两方面来看，芯片技术可作为疾病功能基因研究的平台，用于疾病的发生、诊断、预后和治疗等方面的研究。目前，其主要应用领域为肿瘤、结缔组织病、感染、药理与毒理等。
1．恶性肿瘤 选用来自恶性肿瘤细胞系UACC903中的1 161个cDNA克隆制成芯片，通过比较正常细胞和肿瘤细胞的表达差异，可以发现在恶性肿瘤细胞中，p21基因处于失活或关闭状态，但在逆转的细胞系中呈高表达。
运用基因芯片技术探索某些恶性血液病的发生与分类，同样成为当今研究的热点。如通过对霍奇金病衍生的细胞系L428和LMH2的952个基因的研究发现，霍奇金病细胞白介素－13的表达明显增高，提示白介素－13可能通过自主分泌机制，刺激霍奇金病细胞的增殖。
运用基因芯片从分子水平对白血病加以分型，检测基因表达的差异，成功区分出急性中幼粒细胞性白血病和急性淋巴细胞性白血病及其亚型，预期这种方法还能诊断出新的白血病种类。
通过对儿童横纹肌肉瘤之小泡型横纹肌肉瘤的研究发现，约60%的人有染色体易位t（2；13）（g35；g14），形成PAX3－FKHP融合基因，PSX3－FKHP可以激活肌肉生成的转录过程，如诱导某些转录因子和与肌肉功能相关基因的生成，提示这一融合基因的致癌机制可能是通过诱导癌基因转录因子，使癌基因表达增多。
基因芯片技术还有助于发现新的肿瘤相关的突变位点和基因表达序列标识。国外有人据此描绘出了人乳腺癌体内的基因表达图谱。Leman调查了42例家族性乳腺癌，发现3例有p53内含子突变，此突变位点与既往已发现的两个已知位点无关。经体外试验证实，含突变位点的细胞对顺铂治疗反应欠佳，化疗诱导的凋亡减少。运用这一手段，首次发现了p53内含子的突变位点，而且证实此突变具有功能活性。
2．结缔组织病 为多脏器损害性疾病，涉及到多种细胞成分。研究者比较类风湿关节炎与炎症性肠病的病变组织发现，两者与许多基因有关，基因表达研究中可检测出炎症疾病诱导的基因，如肿瘤坏死因子－α或粒细胞集落刺激因子。同时，发现一些以前未发现的基因如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子，均有白介素－3、化学因子（Groa）和基质金属弹性蛋白酶表达，但外周血中金属弹性蛋白酶1抑制因子Z、铁蛋白轻链和过氧化锰歧化酶的表达不同。有人通过对多发性硬化脑组织急性损害处与正常白质的5 000个基因表达的比较分析发现，62个基因异常表达，包括Duffy化学因子受体、干扰素调节因子Z和肿瘤坏死因子α受体Z，这些基因可能与其发病有关。
3．感染性疾病 有人分析艾滋病病毒感染后2d和3d宿主细胞的cDNA基因，发现感染后2d基因表达变化很少，但3d后则有20个基因表达异常，这些基因包括T细胞信号传导、细胞亚成分转运、转录调节和其他基因，为研究这一超级病毒感染提供了有价值的相关基因框架。
在结核病领域本技术亦取得了很大成功，有人用以分析比较结核分枝杆菌、牛型分枝杆菌和卡介苗菌株基因组之间的差异发现，前者H37RV株缺少11个区域，牛型菌多5个额外的区域，但卡介苗菌株无区域的增加。这些菌株基因组之间的差异，可能对结核病的诊断与疫苗改良有益。
4．用于疾病干预 目前，基因芯片技术已用于研究药物干预的分子机制、药物安全性和毒理学方面。如有人将耐激素的前列腺癌细胞植入褐鼠和激素敏感褐鼠后，比较二者基因表达的差异，结果在5 184个基因中发现，前者有37个基因表达增加，有135个基因表达减少50%以上。国外最近已完成结核杆菌的全部测序，有人用包含97%结核杆菌的开放读码框架（ORFs）的基因芯片，测定抗结核药物异烟肼对结核菌基因表达的作用，发现异烟肼相关基因包括两类，其一为药物作用相关蛋白基因，其二为药物毒性相关基因。因此，可用以筛选和确定药物作用的靶位点。
（二）人类基因组研究
基因表达图谱的绘制是目前基因芯片应用最广泛的领域，也是人类基因组工程的重要组成部分，它提供了从整体上分析细胞表达状况的信息，而且为了解与某些特殊生命现象相关的基因表达提供了有力的工具，对于基因调控以及基因相互作用机制的探讨有重要作用。人类基因组编码大约10万个不同的基因，因此，具有监测大量mRNA的实验工具很重要。基因芯片技术可清楚地直接快速地检测出以1∶30万水平出现的mRNA，且易于同时监测成千上万的基因。目前，已能够在1．6cm2面积上合成和阅读含400 000个探针的阵列，可监测10 000个基因的表达状况。在开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性的研究时，应用DNA芯片，可同时监测千百个基因，甚至全部基因。
DNA芯片技术既是人类基因组研究成果的重要应用，又是促进人类基因组学、后基因组学和功能基因组学研究的革新手段。它使生命科学研究从单个基因、孤立地研究，发展到多基因、基因组整体上研究的崭新阶段。例如单核苷酸多态性是研究中非常重要的现象，平均每1 000个碱基序列中，就可能有一个单核苷酸多态性发生，在整个人类基因组中，即有300万个单核苷酸多态性存在。正是单核苷酸多态性构成了生命的多样性和个性。不同的外貌特征就是由单核苷酸多态性所致，生长发育的差异也是由单核苷酸多态性造成的。单核苷酸多态性还是一种新的遗传标记物系统，有人称为第三代遗传标记系统。由于它数目多，覆盖密度大，在基因定位中有着巨大的优越性和潜力，并为DNA芯片应用于连锁图提供了基础。
基因芯片的另一重要应用是基因多态位点及基因突变的检测，已有大量实例说明，基因组多样性的研究对阐明不同人群和个体在疾病的易患性和抵抗性方面表现出的差异具有重要意义，一旦对基因组的编码序列进行系统筛查，就有可能找出与疾病易患性有关的大量基因变异。基因芯片技术可大规模地检测和分析DNA的变异及多态性。随着大量疾病相关基因的发现，在疾病的诊断与治疗方面，变异与多态性分析将体现出越来越重要的价值。
芯片技术中杂交测序技术（sequencing by hybridization，SBH）是一种新的高效快速测序方法，也是基因芯片的另一重要应用。其原理是通过与一组已知序列的核酸探针杂交，进行序列测定，用荧光标记的待测序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补配对时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列互补的探针序列，据此可重组出靶核酸的序列。
目前，大量涌现的人类基因表达序列标识（ESTs）给cDNA微阵列提供了丰富的序列资源，数据库中ESTs代表了人类基因，因此ESTs微阵列可在缺乏其他序列信息的条件下用于基因的发现和基因表达的检测，从而加快人类基因组功能分析的进程。
（三）未来的医学临床诊断
一旦弄清了疾病与基因的相关性，DNA芯片就可提供高效而简便的诊断手段。利用DNA芯片技术，定量监测基因表达水平，在阐述基因功能、探索疾病原因及机制、发现可能的诊断及治疗的靶基因等方面具有重要价值，寻找基因与疾病（癌症、传染病、常见病和遗传病）的相关性，进而可以开发相应的治疗药物。此外，对于癌症的研究显得更为重要，目前的研究表明，人类60%的癌症与一种抑制肿瘤基因p53有关。正常的p53基因使细胞在其DNA遭到无法弥补的损坏时自我毁灭；但当p53基因有突变时，就丧失了抑制肿瘤发生的功能。利用DNA芯片技术，可以迅速地探测到患者p53基因所发生的任何变异。
总之，基因芯片技术是生物医学与生物信息学相结合的产物，是研究功能基因的基石。基因芯片技术的出现不过短短几年时间，其发展势头十分迅猛，在生命科学的各个领域得到了广泛的应用，在某些疾病相关基因可能变异的检测方面，DNA芯片技术所具有的灵敏度与特异性是令人满意的。但目前仍有许多问题亟待揭示，首先是成本的问题，由于芯片制作工艺复杂，信号检测也需专门的仪器设备，一般实验室难以承担其高昂的费用；其次，在芯片实验技术上，还有多个环节尚待提高，如在探针合成方面，如何进一步提高合成效率及芯片的集成程度等；如何选择恰当的参照系统，即使获得了大量的描述性结果，其功能又是什么？这些问题均需要进一步研究探讨。而样品制备的简单化与标准化，则是进一步普及芯片应用的前提。
虽然芯片技术还存在这样或那样的问题，但其在基因表达谱分析、基因诊断、药物筛选及序列分析等诸多领域，已呈现出广阔的应用前景。随着研究的不断深入和技术的更加完善，基因芯片一定会在生命科学研究领域发挥越来越重要的作用。
