發(fā)布日期：2019-05-22
前言：
去年，中興被美國開罰單禁止購買核心零件的教訓仍然歷歷在目；近日，華為備胎“芯片”轉(zhuǎn)正的新聞又刷爆了朋友圈。芯片之殤讓國人痛定思痛，一定要掌握核心科技，自力更生。談起電子芯片讓人難免聯(lián)想到體外診斷IVD領域的“生物芯片”技術。我國的生物芯片行業(yè)在1997-1998年開始蓬勃發(fā)展，盡管目前的市場份額和核心技術仍主要由外資企業(yè)壟斷，但國內(nèi)已經(jīng)有多家公司開始奮力追趕。
一、生物芯片是生物材料的集成
生物芯片借鑒計算機平行分析的思想，對海量的生物信號進行平行分析。被動式生物芯片，又稱微陣列芯片，通過微加工技術和微電子技術，將成千上萬個生物信息密碼集中到一小片固相基質(zhì)上，以實現(xiàn)對細胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準確、快速、高通量的檢測。主動式生物芯片把生物實驗中的樣本處理純化、反應標記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應就可主動完成。 其特點是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物芯片 。主要包括微流控芯片（microfluidic chip）和芯片實驗室（lab on chip）。專家預測芯片實驗室會是生物芯片的主流發(fā)展方向。這些年來，片上系統(tǒng)的相關技術已經(jīng)逐漸成熟。今后幾年，多款芯片實驗室產(chǎn)品將會上市。
生物芯片的基質(zhì)材料有尼龍膜、玻璃片、塑料、硅膠晶片、微型磁珠等；而根據(jù)所檢測的生物信號分類，分為核酸芯片、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片甚至組織碎片芯片等；按工作原理分，有雜交型、合成型、連接型、親和識別型等。
生物芯片有高通量性（可同時分析成千上萬種分子）、微型化（所需試劑用量小）、高度自動化、適用于多指標檢測等優(yōu)點，但也會受到在同一溫度下雜交，不同探針雜交效率不同等因素的制約。
二、基因芯片
基因芯片利用大規(guī)模集成電路的手段控制固相合成的成千上萬個寡核昔酸探針，并把它們密集、規(guī)律地排列在1cm見方大小的硅片或玻璃晶片上，其容量可達20—40萬個基因探針。然后將熒光標記的DNA或cDNA樣品在芯片上與探針雜交，經(jīng)激光共聚焦顯微鏡掃描，以計算機系統(tǒng)對熒光信號作出比較和檢測。科研上，主要應用于發(fā)現(xiàn)新的功能基因，基因表達分析﹑DNA序列測定和比較﹑突變體和多態(tài)性的檢測等方面。
在臨床上，基因芯片技術已經(jīng)成熟應用于產(chǎn)前染色體微陣列分析（CMA），胚胎植入前染色體異常（PGS）等方面，罕見遺傳病診斷，耳聾基因突變位點檢測，呼吸道病原體檢測與分型等多個方面。
現(xiàn)在全世界已有十多家公司專門從事基因芯片的研究和開發(fā)工作，且已有較為成型的產(chǎn)品和設備問世。基因芯片的市場由于較高的技術門檻、研發(fā)投入要求高、昂貴的使用成本等原因，整體呈現(xiàn)寡頭壟斷的格局。
2007年，Roche以2.725億美元收購了NimbleGen公司，總銷售額位居第四。NimbleGen成立于1999年，主要研發(fā)基因組分析所用的高密度芯片，這家位于麥迪遜的生物技術公司，在全球芯片市場上排名第4。但是Roche于2018年宣布，它將在未來兩年內(nèi)關閉位于麥迪遜的測序方案工廠（前身為NimbleGen）。這可能與其2012年宣布退出固相DNA芯片市場，專注于測序以及測序上游的序列捕獲技術的市場戰(zhàn)略相關。
1999年成立的Illumina業(yè)務起家主要是銷售微陣列芯片(microarray chip)，這種芯片可用來檢測基因組上特定部位的重要變化。2007年，Illumina宣布以6億美元收購基因測序公司Solexa，從而進軍基因測序市場，開始實現(xiàn)差異化的跨越式發(fā)展。主營方向改為基因測序，其2013﹑2014﹑2015的基因芯片業(yè)務占比持續(xù)下滑，分別為27%﹑19%和14%，營業(yè)額分別為3.8億美元﹑3.5億美元和3.1億美元。
美國 Affymetrix 公司目前是基因芯片行業(yè)的領頭羊（2016年被賽默飛以13億美元收購），1992-Stephen P.A. Fodor博士在硅谷成立Affymetrix公司，1994-商業(yè)化運營GeneChip，推出了第一張商業(yè)化基因芯片，并且注冊了商標。Affymetrix的專利是光引導原位寡聚核苷酸合成技術。年產(chǎn)寡聚核苷酸基因芯片達幾十萬張，占據(jù)表達譜基因科研市場的一半以上。
PerkinElmer于2010年斥資9000萬美元收購芯片制造商Signature Genomics。Signature Genomics是一家率先采用染色體微陣列技術做產(chǎn)前和產(chǎn)后細胞遺傳學檢測的公司。目前核心產(chǎn)品CGX Oligo整合了芯片雜交系統(tǒng)、芯片掃描儀ScanRI及數(shù)據(jù)可視化軟件Genoglyphix®等，組成了染色體微整列分析完整的生態(tài)系統(tǒng)。另外值得一提的是，PE旗下的Packard公司開發(fā)出第一臺商業(yè)化芯片Scan Array 3000，并擁有多項技術專利，使得PE成為芯片掃描儀市場的領導者，全球市場份額躍居第一。
安捷倫是生命科學、診斷和應用化學市場領域的領導者。安捷倫擁有專利的基因芯片的制造工藝—噴墨打印化學原位合成技術。產(chǎn)品包括：全基因組表達譜芯片、小RNA芯片、Human CGH+SNP 芯片、基因芯片微陣列掃描儀等。2015年1月27日，Agilent宣布，NMPA已批準公司的SureScan Dx微陣列芯片掃描儀作為體外診斷的醫(yī)療器械應用。專家認為把微陣列掃描技術帶入到臨床質(zhì)量標準是將全基因組染色體分析的優(yōu)勢推廣到臨床領域的一個重要里程碑。
三、蛋白質(zhì)芯片和微流控芯片
蛋白質(zhì)芯片又稱蛋白質(zhì)微陣列，可用于蛋白質(zhì)功能研究與相互作用分析。蛋白質(zhì)芯片采用原位合成，機械點樣或共價結合的方式將酶、抗原、抗體、受體、配體、細胞因子等固定于玻片、硅、云母及各種膜片形成的生物分子集陣。
不得不提的液相芯片技術是20世紀90年代后期發(fā)展起來的被喻為后基因組時代的芯片技術，由美國納斯達克上市公司Luminex研制開發(fā)，國際上又被稱為XMAP（flexible Multilyte Profiling）技術。核心專利是乳膠微球包被﹑熒光編碼以及微球分子雜交。其反應快速，靈敏度極高，微球上固定的探針與待測樣品在溶液中反應，碰撞速率是固相芯片或Elisa的10倍以上，并且采用96孔板為反應容器，通量大。
到2005年全球獲得FDA認證的液相芯片項目已近200個。其全球最達的檢測平臺為美國Luminex公司和荷蘭的QIAGEN跨國公司。而在美國Luminex公司生產(chǎn)的Luminex檢測系統(tǒng)上，目前已有國內(nèi)生產(chǎn)的商品化試劑供應：比如上海透景公司生產(chǎn)的腫瘤標志物18項檢測產(chǎn)品、HPV檢測產(chǎn)品和Torch檢測產(chǎn)品等。另外研發(fā)可根據(jù)研究需要自行制備探針微球交聯(lián)微球，建立反應體系對各種標本進行檢測，如細胞因子IL-2、IFN-r、IL-4水平檢測和抗核抗體檢測等。
微流控芯片實驗室技術的核心在于精確控制在微升和納升級反應空間中流動的液體，來完成一系列的反應，分離和檢測。目前一些商業(yè)公司如Agilent﹑Caliper為微流控分析儀開發(fā)了系列試劑盒，目前只針對毛細管電泳功能，還未達到真正的集成化。1999年惠普（現(xiàn)Agilent）與Caliper合作，首臺微流控芯片商品化儀器Bioanalyzer 2100開始在歐美市場銷售，累計銷售超萬臺。Caliper的旗艦產(chǎn)品為LabChip 3000新藥研發(fā)系統(tǒng)，主要應用是高通量藥物篩選。據(jù)Caliper稱，其占據(jù)了75%的全球市場份額。
國內(nèi)在微流控研發(fā)方面，涉及到很多的公司，包括博奧生物的呼吸道感染病原體微流控芯片、博暉創(chuàng)新的HPV基因分型檢測微流控芯片，萬孚生物參股英國的Atlas Genetics。小型化的微流控儀器有理邦儀器的M16磁敏免疫分析儀，華邁興微的M2微型化學發(fā)光分析儀。其中，博奧生物的呼吸道病原體檢測系統(tǒng)已取得不俗佳績，在全國31個省區(qū)市的200多家醫(yī)院投入使用，有些醫(yī)院的月檢測量已達600多份。博暉創(chuàng)新的24種基因型HPV病毒于2016年6月得到NMPA注冊證。
結語：
總體而言，在研究方面，我國生物芯片的綜合學術水平與國際水平差距正在逐漸縮小，但在芯片各關鍵技術如輸運和標記整合技術、新型生物芯片設計理論體系、集成化檢測技術等方面的基礎研究水平仍有待提高。在產(chǎn)業(yè)化方面，我國生物芯片的產(chǎn)業(yè)發(fā)展在面臨著巨大挑戰(zhàn)的同時，正面臨著良好的機遇。生物芯片技術正逐步走向整體化、系統(tǒng)化，相應的配套試劑、儀器和軟件的研究越來越受到重視。我們期待我國生物芯片技術將在不遠的將來與世界同行同臺競爭，為國民生活質(zhì)量的提高，為人類的科技的發(fā)展做出應有的貢獻。
來源：思宇醫(yī)械觀察
