生物芯片技术的研究现状及发展前景

学士学位论文(设计) 文献综述

题目

生物芯片技术的研究现状及发展前景Biological Chip Technology The Present Research Situation and Development Prospect

姓名学号

院系专业生命科学院生物工程指导教师职称

中国·武汉

二○一二年三月

目录

摘要................................................................................................................................I 关键词 ..............................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................................II Key words ........................................................................................................................II 1 生物芯片技术的概念及类型 (1)

1.1生物芯片技术的概念 (1)

1.2生物芯片技术的分类 (1)

2生物新品技术的发展状况 (2)

2.1生物芯片技术国外状况 (2)

2.2生物芯片技术国内状况 (3)

3生物芯片技术的问题及发展方向 (3)

3.1生物芯片技术存在的问题 (3)

3.2生物芯片技术的发展方向 (4)

4结语 (4)

参考文献 (6)

致谢 (7)

生物芯片技术的研究现状及发展前景

摘要

简单介绍生物芯片技术及分类，了解生物芯片技术的国内外的发展状况，指出生物芯片技术行业存在的问题和未来的发展方向。

关键词

生物芯片技术；研究现状；用途分类；存在问题；未来方向

Biological chip technology the present research situation and

development prospect

Abstract

Simple introduction biological chip technology and the classification, understand the biological chip technology at home and abroad, the development situation of biochip technology industry points out the existing problems and future development direction.

Key words

Biochip technique；SituationofStudy；Natural grouping object classification；Problems；Future Direction

1 生物芯片技术的概念及类型

1.1生物芯片技术的概念

生物芯片，又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。生物芯片（biochip或bioarray）是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomic DNA、多肽、抗体、抗原等）固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生物芯片技术又称微陈列（microarray）技术，含有大量生物信息的固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯片（microfluidics chip），亦称微电子芯片（microelectronic chip），也就是缩微实验室芯片该技术是指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。。广义的生物芯片指一切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器。包括用于研制生物计算机的生物芯片，将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生芯片，缩微化的实验室即芯片实验室以及利用生物分子相互间的特异识别作用进行生物信号处理的基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。狭义的生物芯片就是微阵列，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。

1.2生物芯片技术的分类

根据作用方式可分为：主动式芯片、被动式芯片；根据用途可分为：生物电子芯片、生物分析芯片；根据固定在载体上的物质成分可分为：基因芯片(gene chip)、蛋白质芯片(protein chip或protein microarray)、细胞芯片(cell chip)、组织芯片(tissue chip)、芯片实验室(Lab on chip)。

根据作用方式分类：

(1)主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片(microftuidic chip)和缩微芯片实验室(labchip，也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的高境界)。

(2)被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。

根据用途分类：

(1)生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。

(2)生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。根据固定在载体上的物质成分分类：

(1)基因芯片(gene chip)：又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA microarray)，是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。

(2)蛋白质芯片(protein chip或protein microarray)：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。

(3)细胞芯片(cell chip)：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。

(4)组织芯片(tissue chip)：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进

行免疫组织化学等组织内成分差异研究。

(5)芯片实验室(Lab on chip)：用于生命物质的分离、检测的微型化芯片。现在，已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室”(Lab on chip）。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品的制备、生化反应到检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室已经问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片）。“芯片实验室”可以完成诸如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。再如Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用其自己开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，所以可以灵敏地检测到稀有基因的变化。同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。

2生物新品技术的发展状况

2.1生物芯片技术国外状况

生物芯片的设想最早起始于80年代中期，90年代美国Affymetrix公司实现了DNA探针分子的高密度集成，即将特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块玻璃、硅等固体片基上，作为核酸信息的载体，通过与样品的杂交反应获取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出优点。

1995年，斯坦福大学布朗（P．Brown）实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。美国总统克林顿在1998年1月对全国的演讲中指出“未来十二年, 基因芯片将为我们一生中的疾病预防指点迷津”。1998年6月27日华盛顿邮报在报道Motorola进入基因芯片领域时, 认为这将造福于子孙后代。美国“Fortune”杂志在1997年3月重点介绍了基因芯片技术, 论述了未来产业化的前景,该文预测“在2005年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将达约50亿美元。2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元。2000-2004年的五年内，在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元。2010年有可能上升为400亿美元”。这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域中的基因芯片，这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。

2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost & Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年将达到93.7亿美元。纳侬市场（NanoMarkets）调研公司预测，以纳米器械作为解决方案的医疗技术将在2009年达到13亿美元，并在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。

由于生物芯片的重大意义和巨大的商业潜力, 北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。如美国的国立卫生研究院、商业部高技术署、国防部、司法部和一些大公司以及风险投资者投入了数亿美元的巨资。基因芯片以及相关产品产业有可能成为下一世纪最大的高技术产业之一。

2.2生物芯片技术国内状况

中国生物芯片研究始于1997~1998年间，在此之前生物芯片技术在中国还是空白。尽管起步较晚，但是中国生物芯片技术和产业发展迅速，实现了从无到有的阶段性突破，并逐步发展壮大。截止到2006年，中国生物芯片的产值已达到2亿多元，生物芯片研究已经从实验室进入应用阶段。据有关资料表明，在市场销售方面，2004年国内市场分额为2亿元，约占全球市场的2%左右。其中主要由863计划支持的几家国内企业出售的生物芯片以及提供的相关服务累计销售收入约1.1亿元人民币，所有代理国外产品及服务总计为9000万。

“十五”期间，国家“863”计划重点组织实施了“功能基因组及生物芯片研究”重大专项，对生物芯片的系统研发给与了倾斜性支持。从2000年开始，国家还陆续投入大笔资金，建立了北京国家芯片工程中心、上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片重点实验室共五个生物芯片研发基地，为加强中国在这一新兴高科技领域的自

主创新和产业化能力奠定了坚实的基础。目前，生物芯片产业在中国已初见端倪并初具规模，形成了以北京、上海两个国家工程研究中心为龙头，天津、西安、南京、深圳、哈尔滨等地近50家生物芯片研发机构和30多家生物芯片企业蓬勃发展的局面。到2006年为止，中国已有500余种生物芯片及相关产品问世，从2002到2005年累计销售额近2.5亿元，10余个芯片或相关产品获得了国家新药证书、医疗器械证书或其他认证，并已实现产业化生产。例如深圳益生堂研制的丙型肝炎病毒分片段抗体检测试剂(蛋白质片)、北京博奥公司的微阵列芯片扫描仪等六种芯片及设备被国家食品药品监督管理局(SFDAO)已批准注册，获得新药证书或医疗器械证书。另外，被国家食品药品监督管理局受理的有10 个。中国是世界上批准生物芯片进入临床最早的国家，比美国早近3 年。

为了加强生物芯片的研发与产业化，缩短与国际上的差距，中国分别在北京和上海建立了两个国家级的研究中心。中心现已初步形成了生物芯片技术产业化式的企业发展格局，通过了IS09001：2000版质量管理体系认证，成立基因芯片部、蛋白抗体部、产品开发部、生物信息部和以组织芯片为特色的上海芯超生物科技有限公司、以基因分型为特色的上海南方基因科技有限公司、以市场营销为主的上海沪晶生物科技有限公司以及以专业诊断产品研发和生产的上海华冠生物芯片有限公司、江苏海晶诊断科技有限公司、中美合资上海英伯肯医学生物技术有限公司等多个为产业化依托的具有良好的自我循环能力的专业子公司。

在激烈的国际竞争中，中国生物芯片产业不仅实现了跨越式的发展，而且已经走出国门，成为世界生物芯片领域一股强大的力量。例如中国科学家自主研制的激光共焦扫描仪向欧美、韩国等地区的出口订单已经达到百台级规模，实现了中国原创性生命科学仪器的首次出口，未来三年将保持更高速度的增长，这标志着中国生物芯片企业正式迈入国际领先者行列，也使生物芯片北京国家工程研究中心进入国际市场的产品达到了5 种。

3生物芯片技术的问题及发展方向

3.1生物芯片技术存在的问题

尽管生物芯片技术目前得到了很大的支持与发展，但是在实际的研究、操作、生产过程中仍然存在着问题：

生物芯片的重复利用：生物芯片技术是现代的前沿科学，针对性强。

生物芯片的多重用途：如果将生物芯片更多更广泛的应用到实践生活，帮助人类切实的解决问题。

统一的行业标准：目前国际上没有一个统一、规范的行业标准体系。

降低检测生物芯片的仪器的价格：生物芯片技术是一项高端的科学技术，目前多数在实验室研发，投入到生产中得为少数，价格昂贵。

对于中国生物芯片工业来讲。关键问题有3个：

(1)制作技术：芯片制作技术原理并不复杂，就制作涉及的每项技术而言，中国已具有实际能力，中国发展生物芯片的难点是如何实现各种相关技术的整合集成。

(2)基因、蛋白质等前沿研究：除去制作技术外，关键就是芯片上放置的基因和蛋白质等物质了。如果制作用于检测核苷酸多态性以诊断某种遗传病，或者用于基因测序，那么芯片探针上一般放置的是有8个碱基的寡核苷酸片段，基因芯片和蛋白质芯片则相应放置的是基因标志性片段EST(表达序列标签)、全长基因或蛋白质。因此制作生物芯片首先要解决的是DNA探针、基因以及蛋白质的尽可能全面和快速地收集问题。

(3)专利和产权：以生物芯片技术为核心的各相关产业正在全球崛起，一个不容忽视的问题就是专利和产权的问题。专家指出世界工业发达国家已开始有计划、大投入、争先恐后地对该领域知识产权进行跑马圈地式的保护。中国国家工程研究中心主任程京教授说：“就生物芯片领域而言，目前全世界都在‘跑马圈地’，专利和自主产权比什么都重要。我们不能再像计算机芯片那样受制于人。”现在，科学家、企业家和金融界已经联起手来，组成了结构上更为合理、运作上更具可操作性的商业运行构架，通过全球定位布局，建立产权结构清晰的公司．为生物芯片在中国的产业化奠定良好基础。

3.2生物芯片技术的发展方向

技术进展与市场动态,生物芯片是一个新兴的科学领域，具有良好的发展前景。现在生物芯片主要向以下几个方向发展。

一是产业化。对于现在技术已经相对成熟的生物芯片，如基因芯片，产业化是发挥生物芯片作用的最好途径。现在很多公司已经推出各种不同种类的基因芯片。而且相关其产业，如点样设备，检测设备也有重要的价值。现在成本是束缚产业化的一个关键的因素。

二是微型化。由于微加工技术，生物芯片的尺寸范围已经从微米尺寸向纳米尺寸发展。例如在硅片上刻制的纳米尺寸的微结构阵列，可以完成生物大分子如DNA 的筛选。但是，由于细胞等生物样品本身尺寸的限制，生物芯片的微型化不是无限的。

三是集成化。对生物芯片研究人员来说最终的研究目标是对分析的全过程实现全集成，即制造微型全分析系统或微芯片实验室，在芯片上实现生化检测的全部功能。集成方面，目前已有了一些进展，并且得到了一批初步成果。

四是信息化。生物芯片可以检测到的信息量是传统检测技术无可比拟的，特别是大规模阵列芯片一次可以采集大量数据。如何从如此众多错综复杂的数据中得到真正有用的信息是一个相当烦琐的T作。生物信息技术的发展是解决这一问题的唯一途径。

生物芯片技术是现代微加工技术和生物科技的结晶。它涉及生物、化学、微加工、光学、微电子和信息技术等前沿学科，是一个综合的研究领域。上个世纪90年代以来，生物芯片的研究已有了巨大的发展，越来越多的研究机构和企业投入了这一领域。但是，这毕竟是一门新的学科，总体来说还是处于起步阶段。很多相关技术仍然制约着生物芯片技术的快速发展。例如微加工技术，如何加工更复杂、更精密而且成本低的芯片是芯片技术的一个瓶颈。微电子技术和检测技术也在很大程度上限制了芯片的集成化。但是，随着各方面的不断投入和相关技术的发展，相信在不远的将来，各具特色的生物芯片将逐渐占据未来的生命科学仪器市场，成为未来生物医学检测的主要工具。

4结语

虽然生物芯片技术是一项新兴的技术,但是由于其巨大的应用前景，它已经成为各国工业界和学术界竞相研究的热点。随着生物芯片制作工艺和检测分析手段的不断进步，可以预

期在不远的将来，生物芯片技术将渗透到生命科学研究、疾病诊断与治疗、新药开发、国防、司法鉴定、食品卫生检验、航空航天等各个领域中去，成为科学家探索未知世界奥秘的有力武器。

参考文献

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[2] 武汉中美科技有限公司生物[J].芯片的主要种类2006(8):3-4.

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[4] 药物分析网[ J ].生物芯片的发展历史2008(5):3-4.

[5] 杨军等. [ J ].生物芯片技术的现状和发展前景2007(11).

[6] 华晔等.[ J ]生物芯片技术的发展及应用.

[7] 药物分析网[ J ]. 生物芯片技术毒理研究.

[8]芯片实验室[ J ]. 新闻2011-05-19.

[9]百度百科[ J ].生物芯片技术2010-12-23.

[10]张宝等.探针的纯化与否对基因芯片重复利用的影响[ J ]生物芯片重复利用2002（3）.

致谢