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生物芯片技术与产品发展趋势

生物芯片是一类快速、高效、高通量的生物分析器件或集成化分析系统,包括微阵列芯片、微流控芯片芯片实验室以及相关的仪器和设备。它集合计算机、微电子、微机械、生物化学、分子生物学和生物信息学等技术,在一个微小的芯片表面或芯片内部的微流体系统研究生物大分子之间或者生物大分子与其他化学小分子之间的反应。

生物芯片

生物芯片能整合样品制备、分子识别和反应、信号检测和信号放大等独立的分析过程,使之连续化、平行化、集成化和微型化。生物芯片被认为是当今十分重要且具有战略意义的前沿高新技术。它们不仅在功能基因组学、蛋白质组学、代谢组学和毒理组学等领域研究中发挥了重要的作用,而且在疾病诊断和治疗、新药研究和开发、农业、环境、食品安全、国防等领域中已经显示出了非常广阔的应用前景和巨大的商业市场。截至目前,共有13000多篇生物芯片相关论文发表,其中1000多篇发表在Cell、Nature、Science等国际顶级学术刊物上。经过了十多年的发展,生物芯片技术日趋成熟。其中技术较为成熟的微阵列芯片已经大量进入实用。

微流体芯片等技术正在逐渐成熟并开始被各领域应用。同时,新世纪是大生命科学的世纪,功能基因组、蛋白质组、代谢组等大科学研究计划强力地推动了基于生物芯片的高通量生物分析技术和研究平台的市场需求。

1国际生物芯片领域相关技术产品的发展现状以及趋势

以生物芯片为核心的相关产业正在全球崛起。当前主要把生物芯片相关产品分为DNA芯片及相关耗材、试剂盒,DNA芯片相关仪器类产品,软件及相关服务;芯片实验室相关产品;蛋白芯片及相关耗材、试剂盒,蛋白芯片相关仪器以及服务,特制以及其他生物芯片。

DNA芯片及相关耗材方面,所有知名的DNA芯片公司都在尽可能地扩大自有产品线以迎合更多客户提出的不同需求,新型芯片密度也将会越来越高。例如美国昂飞(Affymetrix)公司提供的GeneChip®Mapping500KArraySet,覆盖全基因组的500000SNPs,可得到数倍至数十倍的遗传信息;病毒及细菌的基因组DNA芯片也已经研制成功;各种全基因组DNA芯片如酵母、蚕、大鼠、小鼠、猪、鱼、鸟以及人类的等等均已普遍应用。2005年1月,美国FDA批准罗氏公司的CYP450基因诊断芯片上市。CYP450基因诊断的结果将对心脏病、疼痛和癌症的治疗提供有价值的参考。这项技术也是基于昂飞公司的定制GeneChip系列和3000Dx仪器平台。该诊断产品的批准预示着更多的分子诊断产品将陆续得到认可。荷兰的Agendia公司也与Agilent公司合作开发以DNA芯片为基础的诊断产品。不少大型诊断公司开始关注生物芯片市场,更多的制药以及生物制药公司也正在加大这方面的投入。

DNA芯片相关仪器类产品方面,逐渐降低价格以及恰当地提高自动化水平将很大程度上成为今后国际市场上仪器产品的走向。对于相关软件的发展方向来说,主要包括两个方面:一是寻求更有用的工具进行整和,二是寻求更亲和的界面。

其他方面来说,芯片实验室被视为分子诊断领域的一个巨大的潜在市场。它将在疾病控制和预防,食品和环境安全,公安和国防等诸多领域发挥重要作用。还有,芯片服务的供应商将竭尽所能满足逐渐增长的客户需求。目前客户需求的服务主要包括扫描、杂交、靶标制备、DNA芯片点样、探针制备和核酸靶样品制备。随着业务的逐渐扩大,服务供应商将投资下一阶段的新微阵列技术和仪器。另外,由于人类蛋白组太大以至于无法放到一张芯片上,许多公司将选择最小范围的蛋白靶目标以获得研发的最大回报。特制芯片技术也处于持续的发展变化当中,产品多样化将是下一代特制芯片的主要特点。该市场的主要驱动在于客户独特应用的需求,其主要发展方向在于芯片中的芯片(arraytoarray)、基于孔板和磁珠等的多样化技术,以及这些技术在高通量的基因突变筛选和疾病诊断中的应用。

2国内生物芯片领域相关技术产业的发展现状及趋势

经过国家近10年来特别是“十五”期间的强力资助,我国生物芯片研究已取得一定成果。国家科学技术部关于“功能基因组和生物芯片”重大专项研究中的生物芯片研究,近5年来在NatureBiotechnology、ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica、ClinicalChemistry、JournalofVirology等国际权威刊物上发表论文近20篇,申报了具有自主知识产权的与感染性疾病和肿瘤相关的标志基因簇和新基因753个,获得了可用于病毒、细菌感染和肿瘤诊治的标志基因(簇)和靶向小分子干扰RNA分子等一批重要成果。“十五”期间共申请国内专利356项,国外专利62项,其中国内授权专利105项,国外授权专利8项。在国家科学技术部等单位的支持下,我国已主办了3届国际生物芯片技术论坛,累计参会人数超过千人,交流研究论文200余篇。

我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。迄今已有8个芯片及相关产品拿到了不同形式的新药及医疗器械证书。“十一五”期间,国家对生物芯片及其相关仪器和试剂的研究开发与产业化发展继续给予了重点支持,在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门设立了“生物芯片仪器和试剂”重点项目,目标是瞄准生物芯片的发展前沿和我国生物芯片仪器与试剂技术研发的需求,在“十五”的研发基础上进一步发展多项具有自主知识产权的专利技术与产品,抢占行业发展的制高点,建立起具有国际竞争力的生物芯片仪器和试剂技术体系和品牌。

在微阵列芯片方面,目前已开发出肝炎病毒检测芯片、呼吸道病原微生物检测芯片、性传播疾病病原体检测芯片,并有多家单位正在进行遗传疾病诊断芯片、肿瘤评价芯片、心血管疾病诊断芯片的研发。生物芯片北京国家工程研究中心、国家质量监督检验检疫总局的部分单位、军事医学科学院、西北大学等单位已开始了用于食品检测的生物芯片的研发工作,并已取得一些成果。细胞微阵列芯片和组织微阵列芯片的研发工作相对滞后,尚处于探索阶段,但已有数篇研究论文在国际刊物上发表[6,7],部分组织微阵列芯片的产品已开始为医学研究服务。

微流控芯片的制作和应用方面,浙江大学、南京大学、清华大学、中国科学院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所等单位均开展了研究并取得了可喜的成就[8,9],尤其在毛细管电泳芯片方面。但是,在微流控芯片的模块化、集成化方面还有很多工作要做。根据当前微流控芯片的迅猛发展及其在生命科学领域中应用的激烈竞争形势,迅速开展微流控芯片的应用基础性研究已刻不容缓,我们有必要通过加强应用基础研究与开发,推出具有自主知识产权的微流控分析芯片来满足大部分中国市场的需求。

在生物芯片仪器类产品研发方面,在“十五”863计划的支持下,以博奥生物有限公司暨生物芯片北京国家工程研究中心(以下简称“博奥生物”)为主的国内相关公司已研制出与生物芯片配套的具有部分自主知识产权的生物芯片点样仪、杂交仪、扫描仪等仪器产品并投放市场,产品已达到国外同类产品的性能和质量,同时具有高性价比,在国内外市场上获得了用户的好评。2005年,这些产品在国内的市场份额已达到30%。为了满足上述产品的产业化、应用推广和出口创汇的需要,我国部分企业及其产品还获得了国际标准化组织(ISO)的ISO9001、ISO13485认证、美国FDA备案、欧盟理事会(CE)认证和中国食品药品监督管理局医疗器械证书,这些认证使其中部分仪器产品得以直接出口到欧、美、亚、澳等四大洲。例如,博奥生物生产的LuxScanTM10K激光共焦扫描仪已有数十台次出口到美国和欧洲、澳洲、亚洲的部分国家和地区,今年又与西班牙签订了总值过100万美元、完全自主研发的9套HLA分型系统的出口贸易合同。另外高层次的国际商业合作也已展开。去年,博奥生物与全球最大的基因芯片公司——美国昂飞公司签订了共同投入、共同开发新品、共同开发市场和知识产权共享的战略合作协议。今年已实现出口创汇上百万美元。今年上海生物芯片公司与跨国制药公司Merck也签订了微阵列芯片的服务合作协议。从耗材类产品来看,尽管国际竞争十分激烈,但博奥生物立足于自主研发,开发和生产出了与国际竞争对手产品性能相同的系列化基片产品,以及具有自主知识产权的盖片,杂交盒和点样液等,在很大程度上填补了整个中国生物芯片自主产品线的空缺,同时极具竞争力的价格也为进一步开拓海外市场确立了基础。

在临床检测方面,低密度的临床检测芯片将成为生物芯片进入临床的切入口。生物芯片技术的主要特点是高密度(多指标检测)和高通量(多样品检测),但实际上低密度生物芯片的检测是近期生物芯片技术临床应用发展的热点。其原因主要有两点:一是虽然多数疾病的影响因素很多,但在诊断和鉴别诊断中的检验指标并不一定要多,故低密度检测芯片在大多数情况下可以满足检测需要;二是低密度芯片检测的指标少,检测时各指标间的相互影响小,在制作工艺、检测结果上,能够较好地保证重复性。相信在不远的将来,更多成熟的生物芯片产品可以从实验室走入临床常规检测,临床医生可以借助生物芯片技术对许多疾病实现早期诊断和个体化诊断治疗。

另外,我国在生物芯片产业的设计与发展方面非常重视与人民生活和健康相关的各种应用技术和产品的开发。随着国内人民生活水平的逐渐提高以及健康意识的逐渐增强,快速、小巧和准确性高的芯片实验室系统终将成为家庭健康护理市场的主流,以满足更多的需求。博奥生物在与健康领域相关的基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和微流体芯片技术的研究已达到或超过了国际水平。例如,其开发的自身免疫性疾病检测、病原微生物检测、食品安全检测、HLA分型检测(骨髓建库分型)、健康筛查等与全民健康息息相关的诸多应用型芯片技术已领先于西方发达国家。

3全球生物芯片产业所面临的机遇与挑战

随着整个生命科学领域市场以及产业规模的不断扩大,全球包括中国在内的生物芯片以及相关行业正面临着前所未有的机遇与挑战。在临床领域,美国FDA批准首例生物芯片诊断产品,将为其他芯片产品研制与开发带来更大的驱动效力。在研发领域,高密度全基因组芯片已经上市,为今后的国际间竞争带来更大的挑战。在产业化方面,商业用生物芯片价格将普遍下调,竞争将日趋激烈。商业用生物芯片质量、客户满意程度以及可信程度将成为影响今后芯片服务的主要因素。生物芯片市场将出现更多的应用领域,家庭市场、农业、食品安全以及环境检测可能占据更多的市场份额。在其他产品以及应用领域方面,中高通量的多元化芯片将更具竞争力。全自动的芯片实验室产品增长势头强劲,将为今后的芯片市场格局带来新的变化。蛋白芯片市场将持续增长。药物安全评价以及生物标志物检测需要生物芯片的充分介入,其市场需求也将会持续增加。

总体而言,在研究方面,我国生物芯片的综合学术水平与国际水平差距正在逐渐缩小,但在芯片各关键技术如输运和标记整合技术、新型生物芯片设计理论体系、集成化检测技术等方面的基础研究水平仍有待提高。在产业化方面,随着国内GDP和科研投入的逐年增长,在国内外生命科学、医学等领域需求的推动下,我国生物芯片的产业发展在面临着巨大挑战的同时,正面临着良好的机遇。生物芯片技术正逐步走向整体化、系统化,相应的配套试剂、仪器和软件的研究越来越受到重视,我国生物芯片技术将在不远的将来与世界同行更强地同台竞争,为国民生活质量的提高,为人类的科技进步和文明发展做出应有的贡献。

(文章来源:中国医药生物技术作者:何鹏,程京转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)