小芯片上的大文章

想象一下，在一块指甲大小的玻片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物探针，它首先与待检测样品进行反应，然后对与反应结果相关的信号进行收集，最后再用计算机或其他方法分析数据结果，会产生什么效果呢？答案就是对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。这也就是我们所说的生物芯片。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成千上万倍。

早在1997年，《财富》杂志就报道说，“在20世纪科技史上有两件事影响深远：一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的‘心脏’，改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一就是生物芯片，它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。”

生物芯片这一名词最早是在二十世纪八十年代初提出的，当时主要指分子电子器件。它是生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。原来要在很大的实验室中需要很多个试管来完成的实验反应，现在在一张小小的芯片上就完成了。

生物芯片技术的发展最初得益于Ed Southern提出的核酸杂交理论，即标记的核酸分子能够与被固化的与之互补配对的核酸分子杂交。从这一角度而言，Southern blot可以被看作是生物芯片的雏形。

而生物芯片的真正出现还是在二十世纪90年代初期，当时的人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)和分子生物学相关学科的发展为基因芯片技术的出现和发展提供了有利条件。Affymetrix公司Fodor领导的小组，组织半导体专家和分子生物学专家共同研制出利用光蚀刻技术光导合成多肽。

1992年，首次报道了运用半导体照相平板技术对原位合成制备的DNA芯片，这是世界上第一块基因芯片。该技术是指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于 400 ）探针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，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。通俗地说，就是通过微加工技术 ，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm 的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，所以被称为基因芯片。基因芯片主要用于基因检测工作。

随后在1993年，一种寡核苷酸生物芯片出现，寡核苷酸芯片的主要原理与cDNA芯片类似，主要通过碱基互补配对原则进行杂交，来检测对应片段是否存在、存在量的多少。

1994年又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析。

1995年，生物芯片继续发展。Stanford大学的P．Brown实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微阵列芯片。

直到1996年，灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片。

我国生物芯片研究始于1997-1998年间，在国家政策的大力支持和产业界的高度重视下，我国生物芯片技术和产业发展迅速。

2000年2月29日，在中南海召开的“国务院办公厅第十次科技讲座”上，程京博士（现中国工程院院士）为国务院及各部委领导作了题为《生物芯片—下个世纪革命性的技术》的主题报告，呼吁“中国应加大在生物芯片研发方面的投入，实施强强结合，尽快建立国家级工程研究中心，迅速研究开发出一批具有我国知识产权的专门技术，积极参与到国际竞争的行列中去”。 就是在这次会议上，国家领导人确定要发展中国的生物芯片产业。同年9月，生物芯片北京国家工程研究中心正式成立。这代表着中国的生物芯片产业正式起步。

“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予了积极支持，越来越多的民间资本投入芯片产业，资本运营进入良性循环。经过数年的发展，我国生物芯片产业已经从技术研究和产品开发阶段走向了技术应用和产品销售阶段。部分技术和产品已经达到了国际领先水平，在表达谱芯片、重大疾病诊断芯片和生物芯片相关设备的研制上取得了较大的突破。

生物芯片可用于疾病预测、预防和个体化治疗。医生们可以通过研究个人的基因序列，向携带了不良基因的人士提出健康管理和医疗建议，从而更有效地预防和治疗精神疾病、癌症、糖尿病等复杂疾病。

生物芯片可以用于遗传性疾病诊断。在中国，遗传病种类较多，仅单基因遗传病就有4,000多种。这些病的预防和早期干预很重要，但以前缺乏有效的手段进行早期诊断。遗传性疾病发生的根本原因，是由于正常的基因序列发生改变，而通过基因芯片（生物芯片的一种）可以准确测定基因序列改变的位置和改变的类型。生物芯片还可以在感染性疾病诊断和耐药检测、器官移植、药物筛选、指导个体化用药、卫生检疫、司法鉴定等多个方面发挥作用。

随着生物芯片技术的发展和成熟，未来它将极大的改善和提高我们的生命质量，为我们的生命健康保驾护航。

转自：科普中国