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【产业观察】生物芯片:走出深闺,对接民生

微流控生物芯片

     1998年时任美国总统的克林顿指出,“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年至今已过去二十年,基因芯片是否真的为我们的疾病预防指点迷津?答案是肯定的!而且不仅是疾病预防的指南针,未来还将拥有更为广阔的用武之地。

1.什么是生物芯片?

生物芯片的概念来自计算机芯片,一般指通过平面微细加工技术,将生物活性大分子高密度固定于固体芯片表面等载体所形成的微型生物化学分析系统。

与计算机芯片相比,都是在微小尺寸上具有海量的数据信息。不同的是,生物芯片布列众多生物探针分子,进而对生物活性大分子准确、快速、大信息量的检测;而计算机芯片是多种电子元器件的集成,作为计算机或其他电子设备最重要的部分,承担运算和存储功能。

1)三大特点。一是高通量,可一次并行对几十万到几百万条样品进行检测,效率是传统检测方法的成百上千倍。二是微型化,试剂用量和反应液体积较少,可提高样品浓度和反应速度。三是自动化,人工成本降低,人工失误机会减少,可提高质量。

2)分类。从结构来看,可分为微阵列芯片和微流控芯片,其中前者根据生物材料种类又可分为基因芯片、蛋白质芯片等,因这类芯片主要是获得大量信息,故又称为信息生物芯片;后者因操作简单、检验快速,被称为功能生物芯片。从作用方式来看,微阵列芯片需通过生物信息学进行数据挖掘分析,属于被动式芯片,微流控芯片将多个实验步骤集成、一步反应主动完成,属于主动式芯片。

3)工作原理。利用特异性的分子间相互作用,将待测样品标记后与生物芯片反应,样品中的标记分子与芯片上的探针对号入座,标记的待测样本与之结合、反应后,通过检测扫描手段获取信息,经计算机系统处理,分析得到信号值。具体实施步骤如图1所示:

图1.生物芯片工作原理示意图

1.生物芯片工作原理示意图

(4)所用技术。生物芯片技术涉及领域众多,涵盖生物、医学、材料学、(微)加工、制造、微流体力学、电子学、仪器分析化学、传感器学、电化学、光学、信号采集与处理、软件设计、数字图像处理等,反应信号的检测是技术核心。具体涉及技术图2所示:

图2.生物芯片所涉及技术领域

2.生物芯片所涉及技术领域

2. 生物芯片发展情况

(1)发展历程。1980s初,生物芯片首次被美国提出,当前,美国引领全球市场发展,行业处于大规模扩张期。我国起步较晚,1997年之前该领域尚为空白,1998年中科院将基因芯片列为“九五”特别支持项目,目前处于发展期。具体发展阶段如图3所示:

图3.全球及我国生物芯片发展历程

3.全球及我国生物芯片发展历程

(2)市场规模。2015年全球市场约47亿美元,并正以逾30%的速度增长,2020年市场将达184亿美元。我国自2008年以来,市场一直以40%的速度快速增长,预计2020年市场规模可达57亿美元,届时将占全球市场约1/3。具体市场情况如图4所示:

图4.2008-2020年全球及我国生物芯片市场情况(单位:亿美元)

图4.2008-2020年全球及我国生物芯片市场情况(单位:亿美元)

(3)应用领域。在生命科学、农业、环境科学等与生命活动有关的领域中均有重大应用,尤其是在疾病诊断、预防医学、新药开发等领域,需求市场极为广阔。目前,疾病诊断领域,可为传染病、肿瘤、心脑血管等疾病的个性化治疗提供精准、快速、经济的检测,便于医生精准诊断并实施精准医疗。具体应用如图5所示:

图5.生物芯片主要应用领域

5.生物芯片主要应用领域

企业布局。全球领先机构多诞生于美国,极具代表性的包括昂飞、安捷伦、珀金埃尔默、illumina等,国内多分布于高校院所或创新资源密集之地,目前形成以北京、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家研发机构和30多家企业蓬勃发展的局面。

——国际龙头在技术、产品、服务、仪器等各方面都处于领先地位,尤其是在基因芯片领域,具体如图7所示:

图7.生物芯片国际巨头优势领域

7.生物芯片国际巨头优势领域

3. 生物芯片发展制约因素及未来趋势

1)制约因素。目前生物芯片发展主要受三方面因素制约:一是成本问题,蛋白芯片除了多肽外还难以做到高通量的化学合成,导致其成本仍居高不下,微阵列芯片一般为一次性使用,回收再利用困难,微流控芯片可重复使用十至千次,但维护费用较高。二是技术制约,芯片集成度越高,所用反应物量越少,产生信号越弱,对检测器精度要求就越高,而且国内微加工技术、结果扫描、数据处理分析等技术都亟需提升。三是应用市场开发不足,目前目标用户多为科研机构和少量医院,大众市场尚未打开。

(2)发展趋势。从技术看,自动化、集成化、微型化、微量化、定量化和数据库完善化是发展方向。从产品看,以基因芯片为主的局面想蛋白质芯片、组织芯片、细胞芯片等全面发展,尤其是蛋白质芯片,随着抗原抗体制备技术的进步,有可能成为继基因芯片后的另一种重要芯片。从应用看,未来不仅在临床诊断、疾病预防、药物开发等大健康领域有广泛应用,食品安全、农林科学等多个市场也将打开。

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