1998年時(shí)任美國總統(tǒng)的克林頓指出，“未來十二年，基因芯片將為我們一生中的疾病預(yù)防指點(diǎn)迷津”。1998年至今已過去二十年，基因芯片是否真的為我們的疾病預(yù)防指點(diǎn)迷津？答案是肯定的！而且不僅是疾病預(yù)防的指南針，未來還將擁有更為廣闊的用武之地。

1.什么是生物芯片？

生物芯片的概念來自計(jì)算機(jī)芯片，一般指通過平面微細(xì)加工技術(shù)，將生物活性大分子高密度固定于固體芯片表面等載體所形成的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)。

與計(jì)算機(jī)芯片相比，都是在微小尺寸上具有海量的數(shù)據(jù)信息。不同的是，生物芯片布列眾多生物探針分子，進(jìn)而對生物活性大分子準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測；而計(jì)算機(jī)芯片是多種電子元器件的集成，作為計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備最重要的部分，承擔(dān)運(yùn)算和存儲(chǔ)功能。

（1）三大特點(diǎn)。一是高通量，可一次并行對幾十萬到幾百萬條樣品進(jìn)行檢測，效率是傳統(tǒng)檢測方法的成百上千倍。二是微型化，試劑用量和反應(yīng)液體積較少，可提高樣品濃度和反應(yīng)速度。三是自動(dòng)化，人工成本降低，人工失誤機(jī)會(huì)減少，可提高質(zhì)量。

（2）分類。從結(jié)構(gòu)來看，可分為微陣列芯片和微流控芯片，其中前者根據(jù)生物材料種類又可分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等，因這類芯片主要是獲得大量信息，故又稱為信息生物芯片；后者因操作簡單、檢驗(yàn)快速，被稱為功能生物芯片。從作用方式來看，微陣列芯片需通過生物信息學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，屬于被動(dòng)式芯片，微流控芯片將多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟集成、一步反應(yīng)主動(dòng)完成，屬于主動(dòng)式芯片。

（3）工作原理。利用特異性的分子間相互作用，將待測樣品標(biāo)記后與生物芯片反應(yīng)，樣品中的標(biāo)記分子與芯片上的探針對號入座，標(biāo)記的待測樣本與之結(jié)合、反應(yīng)后，通過檢測掃描手段獲取信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，分析得到信號值。具體實(shí)施步驟如圖1所示：

圖1.生物芯片工作原理示意圖

（4）所用技術(shù)。生物芯片技術(shù)涉及領(lǐng)域眾多，涵蓋生物、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、（微）加工、制造、微流體力學(xué)、電子學(xué)、儀器分析化學(xué)、傳感器學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、信號采集與處理、軟件設(shè)計(jì)、數(shù)字圖像處理等，反應(yīng)信號的檢測是技術(shù)核心。具體涉及技術(shù)圖2所示：

圖2.生物芯片所涉及技術(shù)領(lǐng)域

2. 生物芯片發(fā)展情況

（1）發(fā)展歷程。1980s初，生物芯片首次被美國提出，當(dāng)前，美國引領(lǐng)全球市場發(fā)展，行業(yè)處于大規(guī)模擴(kuò)張期。我國起步較晚，1997年之前該領(lǐng)域尚為空白，1998年中科院將基因芯片列為“九五”特別支持項(xiàng)目，目前處于發(fā)展期。具體發(fā)展階段如圖3所示：

圖3.全球及我國生物芯片發(fā)展歷程

（2）市場規(guī)模。2015年全球市場約47億美元，并正以逾30%的速度增長，2020年市場將達(dá)184億美元。我國自2008年以來，市場一直以40%的速度快速增長，預(yù)計(jì)2020年市場規(guī)模可達(dá)57億美元，屆時(shí)將占全球市場約1/3。具體市場情況如圖4所示：

圖4.2008-2020年全球及我國生物芯片市場情況（單位：億美元）

（3）應(yīng)用領(lǐng)域。在生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等與生命活動(dòng)有關(guān)的領(lǐng)域中均有重大應(yīng)用，尤其是在疾病診斷、預(yù)防醫(yī)學(xué)、新藥開發(fā)等領(lǐng)域，需求市場極為廣闊。目前，疾病診斷領(lǐng)域，可為傳染病、腫瘤、心腦血管等疾病的個(gè)性化治療提供精準(zhǔn)、快速、經(jīng)濟(jì)的檢測，便于醫(yī)生精準(zhǔn)診斷并實(shí)施精準(zhǔn)醫(yī)療。具體應(yīng)用如圖5所示：

圖5.生物芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域

企業(yè)布局。全球領(lǐng)先機(jī)構(gòu)多誕生于美國，極具代表性的包括昂飛、安捷倫、珀金埃爾默、illumina等，國內(nèi)多分布于高校院所或創(chuàng)新資源密集之地，目前形成以北京、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家研發(fā)機(jī)構(gòu)和30多家企業(yè)蓬勃發(fā)展的局面。

——國際龍頭在技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)、儀器等各方面都處于領(lǐng)先地位，尤其是在基因芯片領(lǐng)域，具體如圖7所示：

圖7.生物芯片國際巨頭優(yōu)勢領(lǐng)域

3. 生物芯片發(fā)展制約因素及未來趨勢

（1）制約因素。目前生物芯片發(fā)展主要受三方面因素制約：一是成本問題，蛋白芯片除了多肽外還難以做到高通量的化學(xué)合成，導(dǎo)致其成本仍居高不下，微陣列芯片一般為一次性使用，回收再利用困難，微流控芯片可重復(fù)使用十至千次，但維護(hù)費(fèi)用較高。二是技術(shù)制約，芯片集成度越高，所用反應(yīng)物量越少，產(chǎn)生信號越弱，對檢測器精度要求就越高，而且國內(nèi)微加工技術(shù)、結(jié)果掃描、數(shù)據(jù)處理分析等技術(shù)都亟需提升。三是應(yīng)用市場開發(fā)不足，目前目標(biāo)用戶多為科研機(jī)構(gòu)和少量醫(yī)院，大眾市場尚未打開。

（2）發(fā)展趨勢。從技術(shù)看，自動(dòng)化、集成化、微型化、微量化、定量化和數(shù)據(jù)庫完善化是發(fā)展方向。從產(chǎn)品看，以基因芯片為主的局面想蛋白質(zhì)芯片、組織芯片、細(xì)胞芯片等全面發(fā)展，尤其是蛋白質(zhì)芯片，隨著抗原抗體制備技術(shù)的進(jìn)步，有可能成為繼基因芯片后的另一種重要芯片。從應(yīng)用看，未來不僅在臨床診斷、疾病預(yù)防、藥物開發(fā)等大健康領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，食品安全、農(nóng)林科學(xué)等多個(gè)市場也將打開。

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