生物芯片

1  簡(jiǎn)介

　　生物芯片技術(shù)起源于核酸分子雜交。所謂生物芯片一般指高密度固定在互相支持介質(zhì)上的生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白質(zhì)、糖分子、組織等）的微陣列雜交型芯片（micro-arrays），陣列中每個(gè)分子的序列及位置都是已知的，并且是預(yù)先設(shè)定好的序列點(diǎn)陣。微流控芯片（microfluidic chips）和液相生物芯片是比微陣列芯片后發(fā)展的生物芯片新技術(shù)，生物芯片技術(shù)是系統(tǒng)生物技術(shù)的基本內(nèi)容。

　　生物芯片（biochip或bioarray）是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過(guò)程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測(cè)。狹義的生物芯片概念是指通過(guò)不同方法將生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomic DNA、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝膠、尼龍膜等固相遞質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣。因此生物芯片技術(shù)又稱微陳列（microarray）技術(shù)，含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎(chǔ)上又發(fā)展出微流體芯片（microfluidics chip），亦稱微電子芯片（microelectronic chip），也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片。

　　什么是生物芯片呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，生物芯片就是在一塊玻璃片、硅片、尼龍膜等材料上放上生物樣品，然后由一種儀器收集信號(hào)，用計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　人們可能很容易把生物芯片與電子芯片聯(lián)系起來(lái)。事實(shí)上，兩者確有一個(gè)最基本的共同點(diǎn)：在微小尺寸上具有海量的數(shù)據(jù)信息。但它們是完全不同的兩種東西，電子芯片上布列的是一個(gè)個(gè)半導(dǎo)體電子單元，而生物芯片上布列的是一個(gè)個(gè)生物探針?lè)肿印?/p>

　　芯片的概念取之于集成的概念，如電子芯片的意思就是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物芯片也是集成，不過(guò)是生物材料的集成。像實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)一樣，在生物芯片上檢查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同樣的生物反應(yīng)原理。所以生物芯片就是一個(gè)載體平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的材料則有很多種，如硅，玻璃，膜（纖維素膜）等，還有一些三維結(jié)構(gòu)的多聚體，平臺(tái)上則密密麻麻地?cái)[滿了各種生物材料。芯片只是一個(gè)載體。做什么東西、檢測(cè)什么，還是靠生物學(xué)家來(lái)完成。也就是說(shuō)，原來(lái)要在很大的實(shí)驗(yàn)室中需要很多個(gè)試管的反應(yīng)，現(xiàn)在被移至一張芯片上同時(shí)發(fā)生了。

2  世界發(fā)展

　　進(jìn)入21世紀(jì)，隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合誕生了半導(dǎo)體芯片的兄弟——生物芯片，這將給我們的生活帶來(lái)一場(chǎng)深刻的革命。這場(chǎng)革命對(duì)于全世界的可持續(xù)發(fā)展都會(huì)起到不可估量的貢獻(xiàn)。

　　生物芯片技術(shù)的發(fā)展最初得益于埃德溫·邁勒·薩瑟恩（Edwin Mellor Southern）提出的核酸雜交理論，即標(biāo)記的核酸分子能夠與被固化的與之互補(bǔ)配對(duì)的核酸分子雜交。從這一角度而言，Southern雜交可以被看作是生物芯片的雛形。弗雷德里克·桑格（Fred Sanger）和吉爾伯特（Walter Gilbert）發(fā)明了現(xiàn)在廣泛使用的DNA測(cè)序方法，并由此在1980年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。另一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡里·穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先發(fā)明了PCR，以及后來(lái)在此基礎(chǔ)上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，并能用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)。

　　生物芯片這一名詞最早是在二十世紀(jì)八十年代初提出的，當(dāng)時(shí)主要指分子電子器件。它是生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，主要是指通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固格體芯片表面構(gòu)建的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研究員卡特（Carter） 等試圖把有機(jī)功能分子或生物活性分子進(jìn)行組裝，想構(gòu)建微功能單元，實(shí)現(xiàn)信息的獲取、貯存、處理和傳輸?shù)裙δ堋Ｓ靡匝兄品律畔⑻幚硐到y(tǒng)和生物計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn)生了"分子電子學(xué)"，同時(shí)取得了一些重要進(jìn)展：如分子開(kāi)關(guān)、分子貯存器、分子導(dǎo)線和分子神經(jīng)元等分子器件，更引起科學(xué)界關(guān)注的是建立了基于DNA或蛋白質(zhì)等分子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室模型。

　　進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project，HGP)和分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也為基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展提供了有利條件。與此同時(shí)，另一類"生物芯片"引起了人們的關(guān)注，通過(guò)機(jī)器人自動(dòng)打印或光引導(dǎo)化學(xué)合成技術(shù)在硅片、玻璃、凝膠或尼龍膜上制造的生物分子微陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞或其它生物組分準(zhǔn)確、快速、大信息量的篩選或檢測(cè)。

　　●1991年Affymatrix公司福德（Fodor）組織半導(dǎo)體專家和分子生物學(xué)專家共同研制出利用光蝕刻光導(dǎo)合成多肽；

　　●1992年運(yùn)用半導(dǎo)體照相平板技術(shù)，對(duì)原位合成制備的DNA芯片作了首次報(bào)道，這是世界上第一塊基因芯片；

　　●1993年設(shè)計(jì)了一種寡核苷酸生物芯片；

　　●1994年又提出用光導(dǎo)合成的寡核苷酸芯片進(jìn)行DNA序列快速分析；

　　●1996年靈活運(yùn)用了照相平板印刷、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒光標(biāo)記探針雜交等多學(xué)科技術(shù)創(chuàng)造了世界上第一塊商業(yè)化的生物芯片；

　　●1995年，斯坦福大學(xué)布朗（P．Brown）實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一塊以玻璃為載體的基因微矩陣芯片。

　　●2001年，全世界生物芯片市場(chǎng)已達(dá)170億美元，用生物芯片進(jìn)行藥理遺傳學(xué)和藥理基因組學(xué)研究所涉及的世界藥物市場(chǎng)每年約1800億美元；

　　●2000-2004年的五年內(nèi)，在應(yīng)用生物芯片的市場(chǎng)銷售達(dá)到200億美元左右。

　　●2005年，僅美國(guó)用于基因組研究的芯片銷售額即達(dá)50億美元，2010年有可能上升為400億美元，這還不包括用于疾病預(yù)防及診治及其它領(lǐng)域中的基因芯片，部分預(yù)計(jì)比基因組研究用量還要大上百倍。因此，基因芯片及相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)將取代微電子芯片產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)。

　　●2004年3月，英國(guó)著名咨詢公司弗若斯特·沙利文(Frost & Sulivan)公司出版了關(guān)于全球芯片市場(chǎng)的分析報(bào)告《世界DNA芯片市場(chǎng)的戰(zhàn)略分析》。報(bào)告認(rèn)為，全球DNA生物芯片市場(chǎng)每年平均增長(zhǎng)6.7%，2003年的市場(chǎng)總值是5.96億美元，2010年將達(dá)到93.7億美元。納儂市場(chǎng)（NanoMarkets）調(diào)研公司預(yù)測(cè)，以納米器械作為解決方案的醫(yī)療技術(shù)將在2009年達(dá)到13億美元，并在2012年增加到250億美元，而其中以芯片實(shí)驗(yàn)室最具發(fā)展?jié)摿?，市?chǎng)增長(zhǎng)率最快。

　　●2012年12月，三位美國(guó)科學(xué)家獲得了美國(guó)專利與商標(biāo)辦公室（ US PTO）授予的一項(xiàng)關(guān)于量子級(jí)神經(jīng)動(dòng)態(tài)計(jì)算芯片專利，該芯片功能強(qiáng)大，能夠通過(guò)高速非標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算模擬解決問(wèn)題，將為未來(lái)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。該電腦芯片是生物過(guò)程和物理過(guò)程的結(jié)合，通過(guò)模仿生物系統(tǒng)在接口界面運(yùn)用突觸神經(jīng)元連接并反饋學(xué)習(xí)，有潛力賦予計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的運(yùn)算能力和超快的速度，可廣泛運(yùn)用于軍用和民用領(lǐng)域，而該專利則涉及生產(chǎn)該電腦芯片的幾種不同途徑。

3  中國(guó)發(fā)展

　　基本情況

　　我國(guó)生物芯片研究始于1997-1998年間，盡管起步較晚，但是技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大，生物芯片已經(jīng)從技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段走向技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品銷售階段，在表達(dá)譜芯片、重大疾病診斷芯片和生物芯片的相關(guān)設(shè)備研制上取得了較大成就。2008年我國(guó)生物芯片市場(chǎng)約為1億美元，并正以20%以上的速度增長(zhǎng)，至2020年生物芯片市場(chǎng)將達(dá)到9億美元。

　　從2000年開(kāi)始，國(guó)家就陸續(xù)投入了大筆資金對(duì)生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給予了支持，建立了北京國(guó)家芯片工程中心、上海國(guó)家芯片工程中心、西安微檢驗(yàn)工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片實(shí)驗(yàn)室等研發(fā)機(jī)構(gòu)，為我國(guó)在這一新型高科技領(lǐng)域的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化能力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，由此形成了以北京、上海兩個(gè)國(guó)家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地50余家生物芯片研究機(jī)構(gòu)和百余家生物芯片企業(yè)的蓬勃發(fā)展局面，形成了“北有博奧，南有博星”的企業(yè)格局。

　　目前，由于技術(shù)壁壘的限制，國(guó)內(nèi)生物芯片銷售利潤(rùn)率都維持在較高水平，并且競(jìng)爭(zhēng)性企業(yè)少；但是也有一些企業(yè)連續(xù)幾年處于虧損狀態(tài)，主要是由于技術(shù)商業(yè)化程度比較低或者存在困難。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，中國(guó)生物芯片市場(chǎng)盈利能力依然處在較高水平。目前，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入到生物芯片這一領(lǐng)域，雖然還有很多相關(guān)技術(shù)仍然制約著生物芯片技術(shù)的快速發(fā)展。

　　2011年6月24日，生物芯片北京國(guó)家工程研究中心煙臺(tái)分中心在毓璜頂醫(yī)院落成。這是既2007年在新疆建起第一家分中心，包括山西、寧夏、山東煙臺(tái)，已經(jīng)建起四家分中心。

　　2011年，博奧生物生物芯片產(chǎn)業(yè)化道路進(jìn)一步推進(jìn)。其研發(fā)的全球第一張用于臨床的致聾基因檢測(cè)芯片在北京市高危人群致聾基因篩查項(xiàng)目中得到完美應(yīng)用。北京市16個(gè)區(qū)縣20839位持證聽(tīng)力殘疾者接受了耳聾基因篩查，共有2899人因檢測(cè)出攜帶致聾基因突變而初步確定或疑為遺傳性聾或藥物性聾，平均突變檢出率高達(dá)13.92%。

　　生物芯片將會(huì)給21世紀(jì)整個(gè)人類生活帶來(lái)一場(chǎng)“革命”。生物芯片行業(yè)研究小組認(rèn)為，隨著我國(guó)生物芯片科技的發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)化水平快速提高，雖然仍有許多技術(shù)難題制約著生物芯片技術(shù)的快速發(fā)展，但隨著投入的加大和技術(shù)水平的提高，生物芯片產(chǎn)業(yè)也有望與“微電子芯片”并列成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)之一。

　　生物芯片從上世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展，一直屬于尖端科學(xué)，同樣參與了人類基因組的中國(guó)在這方面沒(méi)有落后，出現(xiàn)了不少研究生物芯片的廠商和科研機(jī)構(gòu)，并在國(guó)際上有了一定的影響。

　　中國(guó)生物芯片研究始于1997~1998年間，在此之前生物芯片技術(shù)在中國(guó)還是空白。盡管起步較晚，但是中國(guó)生物芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大。截止到2006年，中國(guó)生物芯片的產(chǎn)值已達(dá)到2億多元，生物芯片研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入應(yīng)用階段。據(jù)有關(guān)資料表明，在市場(chǎng)銷售方面，2004年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)分額為2億元，約占全球市場(chǎng)的2%左右。其中主要由863計(jì)劃支持的幾家國(guó)內(nèi)企業(yè)出售的生物芯片以及提供的相關(guān)服務(wù)累計(jì)銷售收入約1.1億元人民幣，所有代理國(guó)外產(chǎn)品及服務(wù)總計(jì)為9000萬(wàn)。

　　“十五”期間，國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)組織實(shí)施了“功能基因組及生物芯片研究”重大專項(xiàng)，對(duì)生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給與了傾斜性支持。從2000年開(kāi)始，國(guó)家還陸續(xù)投入大筆資金，建立了北京國(guó)家芯片工程中心、上海國(guó)家芯片工程中心、西安微檢驗(yàn)工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共五個(gè)生物芯片研發(fā)基地，為加強(qiáng)中國(guó)在這一新興高科技領(lǐng)域的自

　　主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化能力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，生物芯片產(chǎn)業(yè)在中國(guó)已初見(jiàn)端倪并初具規(guī)模，形成了以北京、上海兩個(gè)國(guó)家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地近50家生物芯片研發(fā)機(jī)構(gòu)和30多家生物芯片企業(yè)蓬勃發(fā)展的局面。到2006年為止，中國(guó)已有500余種生物芯片及相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世，從2002到2005年累計(jì)銷售額近2.5億元，10余個(gè)芯片或相關(guān)產(chǎn)品獲得了國(guó)家新藥證書(shū)、醫(yī)療器械證書(shū)或其他認(rèn)證，并已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

　　例如深圳益生堂研制的丙型肝炎病毒分片段抗體檢測(cè)試劑(蛋白質(zhì)片)、北京博奧公司的微陣列芯片掃描儀等六種芯片及設(shè)備被國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局(SFDAO)已批準(zhǔn)注冊(cè)，獲得新藥證書(shū)或醫(yī)療器械證書(shū)。另外，被國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局受理的有10 個(gè)。中國(guó)是世界上批準(zhǔn)生物芯片進(jìn)入臨床最早的國(guó)家，比美國(guó)早近3 年。

　　為了加強(qiáng)生物芯片的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，縮短與國(guó)際上的差距，中國(guó)分別在北京和上海建立了兩個(gè)國(guó)家級(jí)的研究中心。中心現(xiàn)已初步形成了生物芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合艦隊(duì)式的企業(yè)發(fā)展格局，通過(guò)了IS09001：2000版質(zhì)量管理體系認(rèn)證，成立基因芯片部、蛋白抗體部、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部、生物信息部和以組織芯片為特色的上海芯超生物科技有限公司、以基因分型為特色的上海南方基因科技有限公司、以市場(chǎng)營(yíng)銷為主的上海滬晶生物科技有限公司以及以專業(yè)診斷產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的上海華冠生物芯片有限公司、江蘇海晶診斷科技有限公司、中美合資上海英伯肯醫(yī)學(xué)生物技術(shù)有限公司等多個(gè)為產(chǎn)業(yè)化依托的具有良好的自我循環(huán)能力的專業(yè)子公司。

　　在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)生物芯片產(chǎn)業(yè)不僅實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，而且已經(jīng)走出國(guó)門(mén)，成為世界生物芯片領(lǐng)域一股強(qiáng)大的力量。例如中國(guó)科學(xué)家自主研制的激光共焦掃描儀向歐美、韓國(guó)等地區(qū)的出口訂單已經(jīng)達(dá)到百臺(tái)級(jí)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)原創(chuàng)性生命科學(xué)儀器的首次出口，未來(lái)三年將保持更高速度的增長(zhǎng)，這標(biāo)志著中國(guó)生物芯片企業(yè)正式邁入國(guó)際領(lǐng)先者行列，也使生物芯片北京國(guó)家工程研究中心進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的產(chǎn)品達(dá)到了5 種。

　　近年成果

　　近年取得的科研成果如下：

　　●“十五”期間，中國(guó)生物芯片研究共申請(qǐng)國(guó)內(nèi)專利356項(xiàng)，國(guó)外專利62項(xiàng)。

　　●2005年4月，由科技部組織實(shí)施的國(guó)家重大科技專項(xiàng)“功能基因組和生物芯片”在生物芯片產(chǎn)業(yè)取得階段成果，診斷檢測(cè)芯片產(chǎn)品、高密度基因芯片產(chǎn)品、食品安全檢測(cè)芯片、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物芯片創(chuàng)新技術(shù)創(chuàng)建等一系列成果蜂擁而出。

　　●2005年，由“長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授”、南開(kāi)大學(xué)王磊博士任首席科學(xué)家的國(guó)家“863”專項(xiàng)—“重要病原微生物檢測(cè)生物芯片”課題組經(jīng)過(guò)兩年的潛心科研攻關(guān)，取得重大成果，“重要致病菌檢測(cè)芯片”第一代樣品研制成功，并且開(kāi)始制定企業(yè)和產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著中國(guó)第一個(gè)具有世界水平的微生物芯片研究進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，從而使天津市建設(shè)世界級(jí)微生物檢測(cè)生物芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基地，搶占全球生物芯片研發(fā)制高點(diǎn)邁出歷史性的一步。

　　●2005年4月26日，中國(guó)生物芯片產(chǎn)業(yè)的骨干企業(yè)北京博奧生物芯片有限責(zé)任公司（生物芯片北京國(guó)家工程研究中心）和美國(guó)昂飛公司(Affymetrix)建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，并共同簽訂了《生物芯片相關(guān)產(chǎn)品的共同研發(fā)協(xié)議》和《DNA芯片服務(wù)平臺(tái)協(xié)議》兩個(gè)重要的全面合作協(xié)議，對(duì)于中國(guó)生物芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)這是一個(gè)歷史的時(shí)刻，也標(biāo)志著以博奧生物為代表的中國(guó)生物芯片企業(yè)已在全球競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的生物芯片產(chǎn)業(yè)中躋身領(lǐng)跑者的地位。

　　●2006年，生物芯片北京國(guó)家工程研究中心又成功研制了一種利用生物芯片對(duì)骨髓進(jìn)行分析處理的技術(shù)，這在全球尚屬首次，可以大大提高骨髓分型的速度和準(zhǔn)確度。這種用于骨髓分型的生物芯片，只有手指大小，僅一張就可以存儲(chǔ)上萬(wàn)個(gè)人的白細(xì)胞抗原基因。過(guò)去在中國(guó)，這種技術(shù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，價(jià)格很高。每進(jìn)行一份骨髓分型，就要支付500元的費(fèi)用，而這種芯片的造價(jià)只是國(guó)外的1/3，精密度可以超過(guò)99%，比國(guó)外高出好幾個(gè)百分點(diǎn)。

　　●2006年7月，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室靳剛課題組在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，主持研究的“蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，目前已實(shí)現(xiàn)乙肝五項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)檢測(cè)、腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)、微量抗原抗體檢測(cè)、SARS抗體藥物鑒定、病毒檢測(cè)及急性心肌梗死診斷標(biāo)志物檢測(cè)等多項(xiàng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。全程只需40分鐘，采血只需幾十微升血液。該項(xiàng)研究成果有望為中國(guó)的生物芯片技術(shù)開(kāi)辟新的途徑。

　　●2006年，由浙江大學(xué)方肇倫院士領(lǐng)銜國(guó)內(nèi)10家高校、科研單位共同打造的芯片實(shí)驗(yàn)室“微流控生物化學(xué)分析系統(tǒng)”通過(guò)驗(yàn)收，該項(xiàng)研究成果將使中國(guó)醫(yī)療臨床化驗(yàn)發(fā)生革命性變革，徹底改變了中國(guó)在微流控分析領(lǐng)域的落后面貌。

　　●2006年，第四軍醫(yī)大學(xué)預(yù)防醫(yī)學(xué)系郭國(guó)禎采用輻射生物學(xué)效應(yīng)原理，應(yīng)用Mpmbe軟件設(shè)計(jì)探針篩選參與輻射生物學(xué)效應(yīng)基因，成功研制出一款由143個(gè)基因組成的電離輻射相關(guān)低密度寡核苷酸基因芯片，該芯片為檢測(cè)不同輻射敏感性腫瘤細(xì)胞的差異表達(dá)基因提供了一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)。

　　●2006年03月西安交通大學(xué)第二醫(yī)院檢驗(yàn)科何謙博士等成功研發(fā)出丙型肝炎病毒(HCV)不同片段抗體蛋白芯片檢測(cè)新技術(shù)。該技術(shù)的問(wèn)世，為丙型肝炎患者的確診、獻(xiàn)血人員的篩選及治療藥物的研發(fā)等，提供了先進(jìn)的檢測(cè)手段。

　　●此外，美國(guó)斯坦福大學(xué)華裔科學(xué)家王善祥及其研究團(tuán)隊(duì)利用磁納米技術(shù)有望取代通常采用的熒光探測(cè)癌蛋白技術(shù)，更快更方便地獲得檢測(cè)結(jié)果；中國(guó)臺(tái)北榮民總醫(yī)院和賽亞基因科技共同研發(fā)生物芯片，可快速找出遺傳疾病的異常基因，將可成為家族篩檢的利器。

　　存在問(wèn)題

　　對(duì)于中國(guó)生物芯片工業(yè)來(lái)講。關(guān)鍵問(wèn)題有3個(gè)：

　　(1)制作技術(shù)：芯片制作技術(shù)原理并不復(fù)雜，就制作涉及的每項(xiàng)技術(shù)而言，中國(guó)已具有實(shí)際能力，中國(guó)發(fā)展生物芯片的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)各種相關(guān)技術(shù)的整合集成。

　　(2)基因、蛋白質(zhì)等前沿研究：除去制作技術(shù)外，關(guān)鍵就是芯片上放置的基因和蛋白質(zhì)等物質(zhì)了。如果制作用于檢測(cè)核苷酸多態(tài)性以診斷某種遺傳病，或者用于基因測(cè)序，那么芯片探針上一般放置的是有8個(gè)堿基的寡核苷酸片段，基因芯片和蛋白質(zhì)芯片則相應(yīng)放置的是基因標(biāo)志性片段EST(表達(dá)序列標(biāo)簽)、全長(zhǎng)基因或蛋白質(zhì)。因此制作生物芯片首先要解決的是DNA探針、基因以及蛋白質(zhì)的盡可能全面和快速地收集問(wèn)題。

　　(3)專利和產(chǎn)權(quán)：以生物芯片技術(shù)為核心的各相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在全球崛起，一個(gè)不容忽視的問(wèn)題就是專利和產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題。專家指出世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始有計(jì)劃、大投入、爭(zhēng)先恐后地對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行跑馬圈地式的保護(hù)。北京國(guó)家工程研究中心主任程京教授說(shuō)：“就生物芯片領(lǐng)域而言，目前全世界都在‘跑馬圈地’，專利和自主產(chǎn)權(quán)比什么都重要。我們不能再像計(jì)算機(jī)芯片那樣受制于人。”現(xiàn)在，科學(xué)家、企業(yè)家和金融界已經(jīng)聯(lián)起手來(lái)，組成了結(jié)構(gòu)上更為合理、運(yùn)作上更具可操作性的商業(yè)運(yùn)行構(gòu)架，通過(guò)全球定位布局，建立產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)清晰的公司．為生物芯片在中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化奠定良好基礎(chǔ)。

4  分類

　　生物芯片雖然只有10多年的歷史，但包含的種類較多，分類方式和種類也沒(méi)有完全的統(tǒng)一。

　　用途分類

　　(1)生物電子芯片：用于生物計(jì)算機(jī)等生物電子產(chǎn)品的制造。

　　(2)生物分析芯片：用于各種生物大分子、細(xì)胞、組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢測(cè)。

　　前一類目前在技術(shù)和應(yīng)用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。

　　作用方式分類

　　(1)主動(dòng)式芯片：是指把生物實(shí)驗(yàn)中的樣本處理純化、反應(yīng)標(biāo)記及檢測(cè)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟集成，通過(guò)一步反應(yīng)就可主動(dòng)完成。其特點(diǎn)是快速、操作簡(jiǎn)單，因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室(lab on chip，也叫“芯片實(shí)驗(yàn)室”，是生物芯片技術(shù)的高境界)。

　　(2)被動(dòng)式芯片：即各種微陣列芯片，是指把生物實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)集成，但操作步驟不變。其特點(diǎn)是高度的并行性，目前的大部分芯片屬于此類。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過(guò)生物信息學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。

　　成分分類

　　(1)基因芯片(gene chip)：又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。

　　(2)蛋白質(zhì)芯片(protein chip或protein microarray)：是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體上獲得。芯片上的探針構(gòu)成為蛋白質(zhì)或芯片作用對(duì)象為蛋白質(zhì)者統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)芯片。

　　(3)細(xì)胞芯片(cell chip)：是將細(xì)胞按照特定的方式固定在載體上，用來(lái)檢測(cè)細(xì)胞間相互影響或相互作用。

　　(4)組織芯片(tissue chip)：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來(lái)進(jìn)行免疫組織化學(xué)等組織內(nèi)成分差異研究。

　　(5)其他：如芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on chip)，用于生命物質(zhì)的分離、檢測(cè)的微型化芯片?，F(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個(gè)生化檢測(cè)分析過(guò)程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab on chip）。芯片實(shí)驗(yàn)室是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。它將樣品的制備、生化反應(yīng)到檢測(cè)分析的整個(gè)過(guò)程集約化形成微型分析系統(tǒng)。由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學(xué)和電子發(fā)光探測(cè)器等組成的芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)問(wèn)世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測(cè)和分析等部分集成的芯片）。“芯片實(shí)驗(yàn)室”可以完成諸如樣品制備、試劑輸送、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)、信息處理和傳遞等一系列復(fù)雜工作。這些微型集成化分析系統(tǒng)攜帶方便，可用于緊急場(chǎng)合、野外操作甚至放在航天器上。例如可以將樣品的制備和PCR擴(kuò)增反應(yīng)同時(shí)完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設(shè)計(jì)制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過(guò)固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡核苷酸探針時(shí)便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列。應(yīng)用其自己開(kāi)發(fā)的檢測(cè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜交結(jié)果的檢測(cè)與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測(cè)到稀有基因的變化。同時(shí)，由于該芯片設(shè)計(jì)的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應(yīng)，縮短測(cè)試時(shí)間，從而降低了測(cè)試成本。

5  主要特點(diǎn)

　　高通量

　　提高實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，利于顯示圖譜的快速對(duì)照和閱讀

　　微型化

　　減少試劑用量和反應(yīng)液體積，提高樣品濃度和反應(yīng)速度

　　自動(dòng)化

　　減低成本和保證質(zhì)量

6  制備

　　載體材料及要求

　　作為載體必須是固體片狀或者膜、表面帶有活性基因，以便于連接并有效固定各種生物分子。目前制備芯片的固相材料有玻片、硅片、金屬片、尼龍膜等。目前較為常用的支持材料是玻片，因?yàn)椴Ｆm合多種合成方法，而且在制備芯片前對(duì)玻片的預(yù)處理也相對(duì)簡(jiǎn)單易行。

　　載體種類

　　玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝膠、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

　　生物樣品的制備

　　分離純化、壙增、獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA、RNA并用熒光標(biāo)記， 才能與芯片進(jìn)行反應(yīng)。用DNA芯片做表達(dá)譜研究時(shí)，通常是將樣品先抽提MRNA，然后反轉(zhuǎn)錄成CDNA。同時(shí)摻入帶熒光標(biāo)記的dCTP或dUTP。

　　芯片制備方法

　　包括原位合成和預(yù)合成后點(diǎn)樣。

　　原位合成：適用于寡核苷酸，通過(guò)光引導(dǎo)蝕刻技術(shù)。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2 等基因突變的基因芯片。

　　預(yù)合成后點(diǎn)樣：是將提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因組DAN等通過(guò)特定的高速點(diǎn)樣機(jī)器人直接點(diǎn)在芯片上。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)簡(jiǎn)易低廉，被國(guó)內(nèi)外廣泛使用。

　　接觸式點(diǎn)樣：是指打印針從多孔板取出樣品后直接打印在芯片上。打印時(shí)針頭與芯片接觸。優(yōu)點(diǎn)是探針密度高，通常一平方厘米可打印2500個(gè)探針。缺點(diǎn)是定量準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性不太好。

　　非接觸式點(diǎn)樣：針頭與芯片保持一定距離。優(yōu)點(diǎn)是定量準(zhǔn)確重現(xiàn)性好，缺點(diǎn)是噴印的斑點(diǎn)大，密度低。通常一平方厘米只有400點(diǎn)。但是日本佳能公司能把噴印點(diǎn)直徑大小由150-100μm降到30-25μm。可將哺乳動(dòng)物整個(gè)基因組DNA點(diǎn)陣于一張芯片上成為可能。

7  使用壽命

　　按照美國(guó)生物芯片制備標(biāo)準(zhǔn)，使用壽命約為10-15年。

8  應(yīng)用領(lǐng)

　　輯最大用途在于疾病檢測(cè)

　　基因表達(dá)水平的檢測(cè)　用基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測(cè)可自動(dòng)、快速地檢測(cè)出成千上萬(wàn)個(gè)基因的表達(dá)情況。謝納(M.Schena) 等用人外周血淋巴細(xì)胞的cDNA文庫(kù)構(gòu)建一個(gè)代表1046個(gè)基因的cDNA微陣列，來(lái)檢測(cè)體外培養(yǎng)的T細(xì)胞對(duì)熱休克反應(yīng)后不同基因表達(dá)的差異，發(fā)現(xiàn)有5個(gè)基因在處理后存在非常明顯的高表達(dá)，11個(gè)基因中度表達(dá)增加和6個(gè)基因表達(dá)明顯抑制。該結(jié)果還用熒光素交換標(biāo)記對(duì)照和處理組及RNA印跡方法證實(shí)。在HGP完成之后，用于檢測(cè)在不同生理、病理?xiàng)l件下的人類所有基因表達(dá)變化的基因組芯片為期不遠(yuǎn)了。

　　基因診斷　從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過(guò)比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速、高效、敏感、經(jīng)濟(jì)、平行化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，將成為一項(xiàng)現(xiàn)代化診斷新技術(shù)。例如Affymetrix公司，把p53基因全長(zhǎng)序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成p53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用。又如，Heller等構(gòu)建了96個(gè)基因的cDNA微陣，用于檢測(cè)分析風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）相關(guān)的基因，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應(yīng)用。

　　藥物篩選　利用基因芯片分析用藥前后機(jī)體的不同組織、器官基因表達(dá)的差異。如果再cDNA表達(dá)文庫(kù)得到的肽庫(kù)制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質(zhì)。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，更有利與靶分子相結(jié)合，可將核酸庫(kù)中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質(zhì)-RNA或蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術(shù)和RNA庫(kù)的結(jié)合在藥物篩選中將得到廣泛應(yīng)用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學(xué)合成及DNA芯片技術(shù)篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結(jié)構(gòu)的抑制物，實(shí)驗(yàn)表明，這種篩選物對(duì)HIV感染細(xì)胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術(shù)使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測(cè)試的速度大大提高，成本大大降低。

　　個(gè)體化醫(yī)療　臨床上，同樣藥物的劑量對(duì)病人甲有效可能對(duì)病人乙不起作用，而對(duì)病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應(yīng)差異很大。這主要是由于病人遺傳學(xué)上存在差異（單核苷酸多態(tài)性，SNP），導(dǎo)致對(duì)藥物產(chǎn)生不同的反應(yīng)。如果利用基因芯片技術(shù)對(duì)患者先進(jìn)行診斷，再開(kāi)處方，就可對(duì)病人實(shí)施個(gè)體優(yōu)化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應(yīng)因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個(gè)位點(diǎn)如S、P及C基因區(qū)易發(fā)生變異。若用乙肝病毒基因多態(tài)性檢測(cè)芯片每隔一段時(shí)間就檢測(cè)一次，這對(duì)指導(dǎo)用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。

　　測(cè)序

　　基因芯片利用固定探針與樣品進(jìn)行分子雜交產(chǎn)生的雜交圖譜而排列出待測(cè)樣品的序列，這種測(cè)定方法快速而具有十分誘人的前景。研究人員用含135000個(gè)寡核苷酸探針的陣列測(cè)定了全長(zhǎng)為16.6kb的人線粒體基因組序列，準(zhǔn)確率達(dá)99%。用含有48000個(gè)寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外顯子約3.4kb長(zhǎng)度范圍內(nèi)的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進(jìn)化上的高度相似性。

　　生物信息學(xué)研究　人類基因組計(jì)劃是人類為了認(rèn)識(shí)自己而進(jìn)行的一項(xiàng)偉大而影響深遠(yuǎn)的研究計(jì)劃。目前的問(wèn)題是面對(duì)大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現(xiàn)HGP計(jì)劃的價(jià)值--破譯人類基因這部天書(shū)。后基因組計(jì)劃、蛋白組計(jì)劃、疾病基因組計(jì)劃等概念就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的。生物信息學(xué)將在其中扮演至關(guān)重要的角色。生物芯片技術(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的，使對(duì)個(gè)體生物信息進(jìn)行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來(lái)生物信息學(xué)研究中的一個(gè)重要信息采集和處理平臺(tái)，成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。生物芯片作為生物信息學(xué)的主要技術(shù)支撐和操作平臺(tái)，其廣闊的發(fā)展空間就不言而喻。

　　在實(shí)際應(yīng)用方面，生物芯片技術(shù)可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測(cè)、國(guó)防等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識(shí)生命的起源、遺傳、發(fā)育與進(jìn)化、為人類疾病的診斷、治療和防治開(kāi)辟全新的途徑，為生物大分子的全新設(shè)計(jì)和藥物開(kāi)發(fā)中先導(dǎo)化合物的快速篩選和藥物基因組學(xué)研究提供技術(shù)支撐平臺(tái)，這從中國(guó)99年3月國(guó)家科學(xué)技術(shù)部剛起草的《醫(yī)藥生物技術(shù)“十五”及2015年規(guī)劃》中便可見(jiàn)一斑：規(guī)劃所列十五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目中，就有八個(gè)項(xiàng)目（基因組學(xué)技術(shù)、重大疾病相關(guān)基因的分離和功能研究、基因藥物工程、基因治療技術(shù)、生物信息學(xué)技術(shù)、組合生物合成技術(shù)、新型診斷技術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物芯片技術(shù)）要使用生物芯片。生物芯片技術(shù)被單列作為一個(gè)專門(mén)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃?？傊?，生物芯片技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等凡與生命活動(dòng)有關(guān)的領(lǐng)域中均具有重大的應(yīng)用前景。