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(xùn)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(lǐng)域的“生物芯片”技術(shù)。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(shù)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(shù)和微電子技術(shù)，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(zhǔn)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(yīng)標(biāo)記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應(yīng)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(yù)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(guān)技術(shù)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?。⒏叨茸詣踊?、適用于多指標(biāo)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(biāo)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?？蒲猩?，主要應(yīng)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(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)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(shè)備問世。基因芯片的市場由于較高的技術(shù)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(shù)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(guān)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(shù)的市場戰(zhàn)略相關(guān)。
1999年成立的Illumina業(yè)務(wù)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(wù)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(lǐng)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(biāo)。Affymetrix的專利是光引導(dǎo)原位寡聚核苷酸合成技術(shù)。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(shù)做產(chǎn)前和產(chǎn)后細胞遺傳學(xué)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(shù)專利，使得PE成為芯片掃描儀市場的領(lǐng)導(dǎo)者，全球市場份額躍居第一。
安捷倫是生命科學(xué)、診斷和應(yīng)用化學(xué)市場領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。安捷倫擁有專利的基因芯片的制造工藝—噴墨打印化學(xué)原位合成技術(shù)。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(zhǔn)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(yīng)用。專家認為把微陣列掃描技術(shù)帶入到臨床質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是將全基因組染色體分析的優(yōu)勢推廣到臨床領(lǐng)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(jié)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(shù)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(shù)，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(shù)。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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)：比如上海透景公司生產(chǎn)的腫瘤標(biāo)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(yīng)體系對各種標(biāo)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(shù)的核心在于精確控制在微升和納升級反應(yīng)空間中流動的液體，來完成一系列的反應(yīng)，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(yīng)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(xué)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(jié)語：
總體而言，在研究方面，我國生物芯片的綜合學(xué)術(shù)水平與國際水平差距正在逐漸縮小，但在芯片各關(guān)鍵技術(shù)如輸運和標(biāo)記整合技術(shù)、新型生物芯片設(shè)計理論體系、集成化檢測技術(shù)等方面的基礎(chǔ)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(shù)正逐步走向整體化、系統(tǒng)化，相應(yīng)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(shù)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(yīng)有的貢獻。
來源：思宇醫(yī)械觀察
