生物芯片无限希冀

2004年6月A版

生物芯片概念

　　生物芯片是一种把DNA、蛋白质、抗体、肽等生物分子或细胞固定到硅、玻璃、高分子、和金基板等固体表面上，通过固定化的生物分子、固化蛋白质(探针)等与其他化合物靶点相结合，生成并检测其特异反应的芯片。它具有能以微量样品实现大量快速检测和分析的特点。在需要大量同时并行处理的后染色体时代的生物分子功能分析技术中，以DNA芯片为首的生物芯片技术是最为重要的。基本上，生物芯片是利用生物分子的固有功能来模仿生物功能的人工器件，它是一种诱发电信号又能进行电信号处理的设备。

　　生物芯片在遗传基因功能分析领域已被广泛采用。例如核酸密集固定化在基板上，能通过杂化作用来检测互补排列存在的DNA芯片(DNA微阵列)和固定化蛋白质相互作用的蛋白质芯片等。生物芯片中目前研究最多的是DNA芯片，一般是利用它在某种条件与对照条件下分析遗传基因发现量的差异。

　　蛋白质芯片是把DNA芯片上的核酸改为蛋白质而已。但因控制非特异的吸附以保持正确的主体结构和在大气中的稳定性问题，固定化技术颇为困难，故而目前不如DNA芯片普及。

　　此外，利用微细加工技术在硅、玻璃等基板表面上形成通路和电路，在微小空间里实现反应、分离、检测等的设备，如片上实验室、mTAS(微型完整分析系统)、生物MEMS(微电子机械系统)等都已实用。这些也都称为生物芯片。

　　生物芯片的种类如表1所示。这些生物芯片随着科学技术的发展，可望给遗传基因研究新药开发及医疗诊断等领域带来巨大变化。生物芯片技术正以极快的速度发展，今后可望取得更大的进展。

　　据日本预测，世界生物芯片市场如图1所示。2001年约为4.2亿美元(DNA芯片3.7亿美元，其余3200万美元)，预计到2005年将增长到9.32亿美元，其间年均增长率22%，另外，预计到2010年将增长到66.94亿美元，2001~10年的年均增长率更高，达到36%。

　　DNA芯片市场将在2006年以后出现突破，医疗现场应用是最重要的驱动力量。要达到这一水平，还必需提高DNA的生产率，同时降低价格。此后，由于价格的下降及应用的扩大，市场将会更快增长。

　　另一方面，DNA芯片之外的生物芯片大多尚处于研究开发阶段，预计真正的实用化尚需时日。市场突破将晚于DNA芯片，大致将在2007年以后。不过，由于从日常健康管理到个体医疗、新药开发等广泛应用，预料市场将迅速扩大，2008年后的增长率将超过DNA芯片。

生物芯片的应用发展

　　生物芯片产业包括芯片制造的“硬件”部分与安放什么作为试样(内容)及用芯片来干什么(应用)的“软件”部分。

　　生物芯片的主要应用以遗传基因诊断、新药开发及临床诊断最为引人注目。疾病的遗传基因分析对疾病的早期发现及早期治疗非常重要，今后对遗传基因诊断会越来越高。此外，随着表示个人差异的所谓SNP(Single Nucleotide Polymorphism——单核苷多态性)分析的迅速推广，基于个人的SNP信息的新药开发及施行符合个人差异的个体医疗同样是最重要的应用领域。

　　同时，对各种疾病从SNP遗传变异的检测到过去必须花费很长时间培养的病原菌的检测等都有了可能。

　　在生物芯片硬件产业中，由染色体分析和芯片技术获得的大量DNA及蛋白质信息再经高速精确处理后的生物信息数据，对未来个体医疗将有巨大影响。生物芯片诊断试剂的开发涉及多种领域，一旦开发成功，效果极大。随着为弄清人种间、民族间遗传差异研究的进行，有必要开发检测物定人群的特有信息技术。估计在不久的将来，医疗费用中大约20%将是诊断费用，因而DNA芯片和蛋白质芯片将是一个很大的市场。

　　DNA芯片要能广泛采用，现行价格还太高。谁要能开发出廉价的芯片制造技术，谁就将取得主导权。另一方面，软件及内容部分也将成为今后的巨大挑战。

预计今后将对生物芯片市场产生影响的技术包括：

　　很有希望的市场领域首先是片上实验室与mTAS；其次是蛋白质芯片；第三是特殊应用的生物芯片；第四为DNA芯片，尤其是已有DNA芯片的应用。为了推广应用DNA芯片及蛋白质芯片进行诊断或对食品、化学物质作出评价，必须随着芯片硬件技术进步把价格降下来，而后确定诊断与评价芯片上是什么样的排列(即内容)。

　　预期今后几年内，从对全部遗传基因排列的大规模筛选到几个试样为靶的简易筛选的各种生物芯片技术应用都很广，并可望由此形成外部计测设备等的巨大市场。未来生物芯片发展前途无量。■(及泉)