生物芯片

1  簡介

　　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，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過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？簡單說，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，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。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)生物探針分子。

　　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，不過是生物材料的集成。像實(shí)驗(yàn)室檢測一樣，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。這個(gè)平臺的材料則有很多種，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、檢測什么，還是靠生物學(xué)家來完成。也就是說，原來要在很大的實(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一場深刻的革命。這場革命對于全世界的可持續(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。

　　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)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，主要是指通過微加工技術(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。美國海軍實(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?。用以研制仿生信息處理系統(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。

　　●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)用生物芯片的市場銷售達(dá)到200億美元左右。

　　●2005年，僅美國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)于全球芯片市場的分析報(bào)告《世界DNA芯片市場的戰(zhàn)略分析》。報(bào)告認(rèn)為，全球DNA生物芯片市場每年平均增長6.7%，2003年的市場總值是5.96億美元，2010年將達(dá)到93.7億美元。納儂市場（NanoMarkets）調(diào)研公司預(yù)測，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?，市場增長率最快。

　　●2012年12月，三位美國科學(xué)家獲得了美國專利與商標(biāo)辦公室（ US PTO）授予的一項(xiàng)關(guān)于量子級神經(jīng)動(dòng)態(tài)計(jì)算芯片專利，該芯片功能強(qiáng)大，能夠通過高速非標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算模擬解決問題，將為未來量子計(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程和物理過程的結(jié)合，通過模仿生物系統(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  中國發(fā)展

　　基本情況

　　我國生物芯片研究始于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年我國生物芯片市場約為1億美元，并正以20%以上的速度增長，至2020年生物芯片市場將達(dá)到9億美元。

　　從2000年開始，國家就陸續(xù)投入了大筆資金對生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給予了支持，建立了北京國家芯片工程中心、上海國家芯片工程中心、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，國內(nèi)生物芯片銷售利潤率都維持在較高水平，并且競爭性企業(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)未來幾年，中國生物芯片市場盈利能力依然處在較高水平。目前，越來越多的研究機(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，生物芯片北京國家工程研究中心煙臺分中心在毓璜頂醫(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，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位持證聽力殘疾者接受了耳聾基因篩查，共有2899人因檢測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)人類生活帶來一場“革命”。生物芯片行業(yè)研究小組認(rèn)為，隨著我國生物芯片科技的發(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在這方面沒有落后，出現(xiàn)了不少研究生物芯片的廠商和科研機(jī)構(gòu)，并在國際上有了一定的影響。

　　中國生物芯片研究始于1997~1998年間，在此之前生物芯片技術(shù)在中國還是空白。盡管起步較晚，但是中國生物芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了從無到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大。截止到2006年，中國生物芯片的產(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，在市場銷售方面，2004年國內(nèi)市場分額為2億元，約占全球市場的2%左右。其中主要由863計(jì)劃支持的幾家國內(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，所有代理國外產(chǎn)品及服務(wù)總計(jì)為9000萬。

　　“十五”期間，國家“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)，對生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給與了傾斜性支持。從2000年開始，國家還陸續(xù)投入大筆資金，建立了北京國家芯片工程中心、上海國家芯片工程中心、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)在中國已初見端倪并初具規(guī)模，形成了以北京、上海兩個(gè)國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，中國已有500余種生物芯片及相關(guān)產(chǎn)品問世，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)品獲得了國家新藥證書、醫(yī)療器械證書或其他認(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)備被國家食品藥品監(jiān)督管理局(SFDAO)已批準(zhǔn)注冊，獲得新藥證書或醫(yī)療器械證書。另外，被國家食品藥品監(jiān)督管理局受理的有10 個(gè)。中國是世界上批準(zhǔn)生物芯片進(jìn)入臨床最早的國家，比美國早近3 年。

　　為了加強(qiáng)生物芯片的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，縮短與國際上的差距，中國分別在北京和上海建立了兩個(gè)國家級的研究中心。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、以市場營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。

　　在激烈的國際競爭中，中國生物芯片產(chǎn)業(yè)不僅實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，而且已經(jīng)走出國門，成為世界生物芯片領(lǐng)域一股強(qiáng)大的力量。例如中國科學(xué)家自主研制的激光共焦掃描儀向歐美、韓國等地區(qū)的出口訂單已經(jīng)達(dá)到百臺級規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了中國原創(chuàng)性生命科學(xué)儀器的首次出口，未來三年將保持更高速度的增長，這標(biāo)志著中國生物芯片企業(yè)正式邁入國際領(lǐng)先者行列，也使生物芯片北京國家工程研究中心進(jìn)入國際市場的產(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，中國生物芯片研究共申請國內(nèi)專利356項(xiàng)，國外專利62項(xiàng)。

　　●2005年4月，由科技部組織實(shí)施的國家重大科技專項(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，診斷檢測芯片產(chǎn)品、高密度基因芯片產(chǎn)品、食品安全檢測芯片、擁有自主知識產(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“長江學(xué)者特聘教授”、南開大學(xué)王磊博士任首席科學(xué)家的國家“863”專項(xiàng)—“重要病原微生物檢測生物芯片”課題組經(jīng)過兩年的潛心科研攻關(guān)，取得重大成果，“重要致病菌檢測芯片”第一代樣品研制成功，并且開始制定企業(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)世界級微生物檢測生物芯片研發(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（生物芯片北京國家工程研究中心）和美國昂飛公司(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)平臺協(xié)議》兩個(gè)重要的全面合作協(xié)議，對于中國生物芯片產(chǎn)業(yè)來說這是一個(gè)歷史的時(shí)刻，也標(biāo)志著以博奧生物為代表的中國生物芯片企業(yè)已在全球競爭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，生物芯片北京國家工程研究中心又成功研制了一種利用生物芯片對骨髓進(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)上萬個(gè)人的白細(xì)胞抗原基因。過去在中國，這種技術(shù)長期依賴進(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)只是國外的1/3，精密度可以超過99%，比國外高出好幾個(gè)百分點(diǎn)。

　　●2006年7月，中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實(shí)驗(yàn)室靳剛課題組在中科院知識創(chuàng)新工程和國家自然科學(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、腫瘤標(biāo)志物檢測、微量抗原抗體檢測、SARS抗體藥物鑒定、病毒檢測及急性心肌梗死診斷標(biāo)志物檢測等多項(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的生物芯片技術(shù)開辟新的途徑。

　　●2006年，由浙江大學(xué)方肇倫院士領(lǐng)銜國內(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)”通過驗(yàn)收，該項(xiàng)研究成果將使中國醫(yī)療臨床化驗(yàn)發(fā)生革命性變革，徹底改變了中國在微流控分析領(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。

　　●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新技術(shù)。該技術(shù)的問世，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)的檢測手段。

　　●此外，美國斯坦福大學(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癌蛋白技術(shù)，更快更方便地獲得檢測結(jié)果；中國臺北榮民總醫(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?；?，將可成為家族篩檢的利器。

　　存在問題

　　對于中國生物芯片工業(yè)來講。關(guān)鍵問題有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，中國已具有實(shí)際能力，中國發(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。如果制作用于檢測核苷酸多態(tài)性以診斷某種遺傳病，或者用于基因測序，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)不容忽視的問題就是專利和產(chǎn)權(quán)的問題。專家指出世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家已開始有計(jì)劃、大投入、爭先恐后地對該領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行跑馬圈地式的保護(hù)。北京國家工程研究中心主任程京教授說：“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，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。

　　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)記及檢測等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟集成，通過一步反應(yīng)就可主動(dòng)完成。其特點(diǎn)是快速、操作簡單，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，用來檢測細(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)生化檢測分析過程縮微到芯片上，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)到檢測分析的整個(gè)過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)光探測器等組成的芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)問世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測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、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，并對其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過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)用其自己開發(fā)的檢測設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對雜交結(jié)果的檢測與分析。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)，縮短測試時(shí)間，從而降低了測試成本。

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玻片的預(yù)處理也相對簡單易行。

　　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)在于相對簡易低廉，被國內(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?？蓪⒉溉閯?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

　　基因表達(dá)水平的檢測　用基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測可自動(dòng)、快速地檢測出成千上萬個(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文庫構(gòu)建一個(gè)代表1046個(gè)基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養(yǎng)的T細(xì)胞對熱休克反應(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)記對照和處理組及RNA印跡方法證實(shí)。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、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)文庫得到的肽庫制作肽芯片，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，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對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)致對藥物產(chǎn)生不同的反應(yīng)。如果利用基因芯片技術(shù)對患者先進(jìn)行診斷，再開處方，就可對病人實(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)性檢測芯片每隔一段時(shí)間就檢測一次，這對指導(dǎo)用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。

　　測序

　　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樣品的序列，這種測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定了全長為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。目前的問題是面對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。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，必將成為未來生物信息學(xué)研究中的一個(gè)重要信息采集和處理平臺，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，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、國防等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進(jìn)化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設(shè)計(jì)和藥物開發(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，這從中國99年3月國家科學(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。