生物芯片：方寸之間顯神通

　　據醫學統計顯示，60%以上的先天性耳聾是由遺傳因素引起的。由于嬰兒無法準確地表達自己，如何確定新生兒是否耳聾曾經是一個難題。現在，這個難題已經迎刃而解：只要用比巴掌還小的生物芯片檢測一下嬰兒的血液，就可以迅速地獲得準確的結論。據此，遺傳性耳聾患兒就可以及早配戴助聽器，把握住語言學習的最佳時機，從而避免因聾致啞的厄運。小小的生物芯片究竟為何具有如此神奇的“魔力”?

　　高度集成的“實驗室”

　　提起芯片，大家很可能都會想到電腦芯片。不過，雖然也叫芯片，也是把龐大的系統進行縮微、集成，但是生物芯片和電腦芯片卻有著天壤之別：電子芯片很怕水，接觸到水溶液就會短路，而生物芯片恰恰要分析液體，輸入其中的可能是血液、尿液、唾液等體液或其他化學液體，而不會出現短路現象;電子芯片是永久性固定使用，而生物芯片常常是伴隨著相應的生物化學反應一次性使用;從材料上來說，電子芯片以硅為基本材料，而制備生物芯片使用的材料則比較廣泛，除了硅，還可以使用玻璃、塑料等其他材料。

　　實際上，生物芯片只是借用了“芯片”這個概念。“芯片的概念取之于集成的概念。電子芯片把眾多電子原件變小，集中起來。生物芯片則是將生物反應器縮微而集成”，博奧生物有限公司、生物芯片北京國家工程研究中心高級副總裁孫英豪介紹。通俗地講，生物芯片就是把目前需要在實驗室中才能完成的生物檢測過程，縮小、濃縮、集成到一張小小的載體上。也就是說，生物芯片是通過微加工工藝在厘米見方的薄膜、玻璃片和硅膠晶片等載體上，集成成千上萬個與生命相關的信息分子，從而實現對基因、蛋白質、細胞等生物活性物質進行高效快捷的測試和分析。它是近10 多年來，物理學、微電子學與分子生物學等學科綜合交叉形成的一項尖端技術。

　　“芯片只是一個工具。做什么東西、檢測什么，還是靠生物學來解決。”孫英豪說。雖然僅僅是一個“載體平臺”，生物芯片具有很多常規實驗室不可比擬的優勢。傳統的實驗室檢測，需要的檢測樣品量較大，這對水稻等樣品充足的檢測項目當然不成問題。可是有些生物樣品數量有限，很難達到實驗室檢測的要求。常規的生物檢測，通常每次只能檢測一個指標，而生物芯片一次就可以同時進行多個指標的檢測，這也使得每個指標的平均檢測費用很低。比如，通過生物芯片一次就可以整體上研究人類3萬多個基因的整體表達圖譜。生物芯片還可以進行從微觀水平到相對宏觀水平的檢測，得到基因水平、蛋白質水平，甚至組織水平的全息圖像，這也是它的一大優勢。同時，同傳統的檢測方法相比，生物芯片檢測的靈敏度也更高。

　　隨著生物芯片技術的深入研究和廣泛應用，它將對21世紀人類的日常生活和身體健康產生極其深遠的影響。隨身攜帶的“化驗室” 提起白血病，很多人都會為之色變。之所以會這樣，就是因為我國骨髓庫的數量太少，難以滿足患者成功配型的需要。目前，美國骨髓庫的數量接近600萬人份，而中國只有36萬人份。如果要達到美國現在的水平，用常規的技術，我國至少需要20年，而且花費巨大。為了解決這個難題，博奧生物有限公司暨生物芯片北京國家工程研究中心成功研制出了對骨髓進行分析處理的生物芯片，這在全球尚屬首次。利用這種生物芯片對骨髓進行分型，可以把多個捐獻者的基因樣本采集到一張生物芯片上，同時進行分析處理，大大提高了骨髓分型的速度和準確度，時間可以節省一半，費用節省1/3。目前，中華骨髓庫已經采用了這項技術。

　　隨著生活水平的日益提高，食品安全越來越成為人們關注的焦點。以前，對食物安全進行監測，費時費力，難以大規模的普遍進行。而現在，生物芯片則可以成為食物安全的“把關人”。市場上供應的肉、菜、飲料是否有微生物，是否含有雜質，都可以用生物芯片進行方便、快速的檢測。博奧生物、北京出入境檢驗檢疫局等單位共同合作研制的獸藥殘留生物芯片，已經可以對9種重點獸藥進行檢測。

　　人吃五谷雜糧，沒有不生病的。致病的原因多種多樣，有的是環境因素造成的，有的是遺傳因素造成的，有的是由環境因素和遺傳因素共同導致的。生物芯片在遺傳病檢測領域也可以大顯神通，對某些遺傳性疾病在基因水平上進行預測。除了本文開頭提到的檢測遺傳性耳聾的生物芯片外，博奧生物有限公司還研發出另外一種遺傳性疾病檢測芯片。只要抽取一點血液，這種芯片就可以分析出來大約66種遺傳性疾病的患病概率。“這并不能說明天你就會得什么病，它只是根據基因預測患某種疾病的可能性。這對于疾病早期的預防、預測、診療都大有好處。當然，這只相當于綜合性體檢，不能作為治療的根據。這項成果我國在世界上處于領先水平。”孫英豪說。除了體檢，在疾病檢測診斷方面，生物芯片也具有獨特的優勢。它可以在一張芯片上同時對多個患者進行多種疾病的檢測，在短時間內，即可為醫務人員提供大量的疾病診斷信息。例如對腫瘤、糖尿病和傳染疾病等常見病和多發病的臨床檢驗，均可以應用生物芯片技術。今后人們甚至可以擁有“個人化驗室”，無論在任何地方，隨時都可以對自己的健康狀況進行監測。

　　生命科學的“助推器”,生物芯片的起源和最早的應用都是在研究領域，尤其是基礎研究中。具有劃時代意義的人類基因組計劃中，生物芯片就扮演了重要角色。雖然人類基因組的測序工作已經完成，可是人類基因的研究工作并不會因此止步。怎樣利用該計劃所揭示的大量遺傳信息，去探明人類眾多疾病的起因和發病機理，并為其診斷、治療及易感性研究提供有力的工具，就成為生命科學領域內的重大課題。而生物芯片則為這個課題提供了新型、高效、快速的檢測和分析工具，通過生物芯片就可以進行大規模的平行研究。“以前，無論是在美國或中國，如果想研究基因，把一個基因克隆出來、搞清楚，基本上就相當于一個碩士到博士的論文了。而現在利用生物芯片技術，可以同時研究幾百甚至幾千，上萬個基因。”孫英豪說。生物芯片不光可以用來研究人類基因，還可以用來研究動物、植物的基因，比如對中國具有重要經濟價值的家蠶、水稻等的基因研究。家蠶的基因序列現在也已經全部搞清楚了，但是這并不意味著對每個基因的功能都已經了解。“每個基因有什么作用，基因之間有什么作用，基因產物和環境之間的復雜作用，都可以借助生物芯片搞清楚。”孫英豪說。水稻是我國重要的糧食作物，對我國的糧食安全有著重要影響，因此水稻品種的改良一直是我國研究的重點領域之一。水稻品種改良，當然可以通過雜交進行。不過雜交方法是經驗性的實驗生物學，有些內容需要根據經驗來摸索。要真正弄清水稻改良的理論，還需要在分子水平、基因水平進行，利用生物芯片把影響產量的、抗病蟲害的、抗旱的基因檢測出來。目前，我國水稻基因組項目的相關研究已經在順利進行中。

　　除了生物品種的改良外，生物芯片在新藥的研發領域也大有可為。目前，幾乎所有國外的主要制藥公司都不同程度地采用了生物芯片技術，利用它來尋找藥物靶標，檢查藥物的毒性或副作用等。用芯片進行大規模的篩選研究，可以替代大量的動物試驗，縮短藥物篩選時間，從而帶動創新藥物的研究和開發。在臨床測試的前期，也可以通過生物芯片篩選病人，這樣就可以知道藥物大致上對哪些病人有效，從而加強臨床測試的針對性，縮短測試時間。 總之，生物芯片技術在藥業、農業、生命科學和環境科學等與生命活動有關的研究和應用領域均具有重大的應用前景。就像開創了信息時代先河的半導體芯片一樣，具有廣闊應用前景的生物芯片，也必將給我們的生活帶來巨大的改變。

　　生物芯片的分類 ,通常的生物化學反應過程包括3步：樣品制備、生化反應、結果的檢測和分析，據此可將生物芯片分為樣品制備芯片、生化反應芯片、檢測芯片及“芯片實驗室”等不同類型。

　　樣品制備芯片：是將通常需要在實驗室進行的多個操作步驟集成于微芯片上。目前，樣品制備芯片主要通過升溫、變壓脈沖以及化學裂解等方式對細胞進行破碎，通過微濾器、介電電泳等手段實現生物大分子的分離。

　　生化反應芯片：即在芯片上完成生物化學反應。與傳統生化反應過程的區別主要在于它可以高效、快速地完成生物化學反應。例如，在芯片上進行PCR(聚合酶鏈式)反應，可以節約實驗試劑，提高反應速度，并可完成多個片段的擴增反應。當前，由于檢測和分析的靈敏度所限，通常在對微量核酸樣品進行檢測時必須事先對其進行一定程度的擴增。所以用于PCR的芯片無疑為快速大量擴增樣品多個DNA片段提供了有力的工具。

　　檢測芯片：顧名思義是用來檢測生物樣品的生物芯片。例如用于DNA突變檢測的毛細管電泳芯片，用于表達譜檢測、突變分析、多態性測定的DNA微點陣芯片，用于大量不同蛋白檢測和表位分析的蛋白或多肽微點陣芯片。

　　“芯片實驗室”：是生物芯片技術的最高境界。它可以完成諸如樣品制備、試劑輸送、生化反應、結果檢測、信息處理和傳遞等一系列復雜工作。攜帶方便，可用于緊急場合、野外操作甚至放在航天器上。例如可以將樣品的制備和PCR擴增反應同時完成于一塊小小的芯片之上。