生物晶片發展現狀與前景分析

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生物晶片（biochip）技術廣泛應用於基因組學與蛋白質組學的科學研究、臨床疾病診斷、新藥研發、司法鑑定和食品安全等領域。 2012年12月，我國發布了《生物產業發展規劃》，明確提到 加快發展包含生物晶片在內的新興技術，推動我國體外診斷產業的發展 ； 2017年5月，我國發布了《「十三五」生物技術創新專項規劃》，在「顛覆性技術」專欄中明確提及要 發展微流控晶片，推動生物檢測技術向微量、痕量、單分子、高通量等方向發展 。

一 生物晶片技術研發現狀 

1.生物晶片分類

全球首個生物晶片產品問世雖然已有20多年的時間，但生物晶片分類方式仍沒有完全統一的標準。 比較常見的分類方式有3種，分別是按用途、作用方式和成分來分類。

（1）用途分類

生物電子晶片 ： 用於生物計算機等生物電子產品的製造。

生物分析晶片 ： 用於各種生物大分子、細胞、組織的操作以及生物化學反應的檢測。生物電子晶片目前在技術和應用上並不十分成熟， 一般情況下所指的生物晶片主要為生物分析晶片。

（2）作用方式分類

主動式晶片 ： 是指把生物實驗中的樣本處理純化、反應標記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應就可主動完成。 其特點是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物晶片 。主要包括微流體晶片（microfluidic chip）和縮微晶片實驗室（lab on chip，也叫「晶片實驗室」，是生物晶片技術的高境界）。

被動式晶片 ： 即各種微陣列晶片，是指把生物實驗中的多個實驗集成，但操作步驟不變。 其特點是高度的並行性 ，目前的大部分晶片屬於此類 。由於這類晶片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學進行數據挖掘分析，因此這類晶片 又稱為信息生物晶片 。包括基因晶片、蛋白晶片、細胞晶片和組織晶片。

（3）成分分類

基因晶片（genechip）： 又稱DNA晶片（DNA chip）或DNA微陣列（DNA microarray），是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上製成。

蛋白質晶片（proteinchip或protein microarray）： 是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。晶片上的探針構成為蛋白質或晶片作用對象為蛋白質者統稱為蛋白質晶片。

細胞晶片（cellchip） ： 是將細胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細胞間相互影響或相互作用。

組織晶片（Tissuechip） ： 是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進行免疫組織化學等組織內成分差異研究。

2.全球生物晶片專利區域分布情況

從1997-2016年全球生物晶片專利公開量主要國家/地區分布情況（圖1）可以看出， 居前三位的分別為美國、日本和中國 ，美國有5667個專利族，日本排名第二（5223個專利族），中國以2706個專利族名列第三，韓國位列第四（1230個專利族）。

圖1 全球生物晶片專利公開量主要國家/ 地區分布情況

數據來源：Derwent Innovation

全球生物晶片相關專利公開量居前三位的研發機構分別為日本的Seiko Epson Corp（SHIH-C），中國的Shanghai BiowindowGene Dev Inc.（SHAN-N）和BodeGene Dev Co., Ltd. Shanghai（BODE-N） ，經查詢SHAN-N和BODE-N這兩家公司實際上是一家機構，即上海博德基因開發有限公司，為聯合基因科技集團下屬企業，將兩者合併處理之後，共計2625個專利族。 值得一提的是，除了SHIH-C一家遙遙領先外，其他研發機構的專利公開量相差並不是太大。 在中國公開的專利研發機構中，國內的上海博德基因開發有限公司、復旦大學、浙江大學、上海博容基因開發有限公司和博道基因技術有限公司位列前五名。

二 生物晶片應用領域 

1.生物製藥領域

各大藥廠和生物技術公司將會使用基因晶片發現篩選新藥等。採用基因晶片技術，可以大大加快人類基因組計劃的工作進度，其可用於基因測序、基因表達檢測和新的遺傳標誌等，這對尋找新的功能基因、尋找新的藥物作用靶點和開發新的基因藥物具有重要意義。新藥在實驗階段要通過人體安全性實驗，就必須觀察藥物對人基因表達的影響，由於並不知道藥物對哪一種基因起作用，因此需對已知所有或一定範圍內的基因表達進行檢測，採用基因晶片技術可以迅速而準確地完成這一任務。

2.醫學診斷領域

在優生方面 ： 目前已知有600多種遺傳疾病與基因有關。婦女在妊娠早期用DNA晶片做基因診斷，可以避免許多遺傳疾病的發生。

在疾病診斷方面 ： 由於大部分疾病與基因有關，而且往往與多基因有關，因而，利用DNA晶片可以尋找基因與疾病的相關性，從而研製出相應的藥物，提出新的治療方法。

在移植方面 ： 應用於器官移植、組織移植、細胞移植方面的基因配型，如HLA分型。

病原體診斷 ： 細菌和病毒鑑定、耐藥基因的鑑定等。

在環境對人體的影響方面 ： 已知花粉過敏等人體對環境的反應都與基因有關。若對與環境汙染相關的200多個基因進行全面監測，將對生態環境控制及人類健康有重要意義。

在法醫學方面 ： DNA晶片比早先的DNA指紋鑑定更進一步，它不僅可做基因鑑定，而且可以通過DNA中包含的生命信息描繪生命體的外貌特徵。這種檢驗常用於災難事故後鑑定屍體身份以及鑑定父母和子女之間的血緣關係。

3.食品安全領域

（1）基因晶片在食品中致病病原體的檢測

基因晶片技術可以對多指標並行檢測，同時檢測多種病毒以及病毒的多種亞型，是目前病毒檢測的熱點研究方法。

（2）基因晶片在食源性病毒方面的檢測

北京出入境檢疫檢驗局搭建了植物源性食品中植物病毒、早害基因晶片檢測技術平臺，在國內首次用於植物病毒早害檢疫，該技術成本低，僅為標準反應體系的7%，突破了基因晶片的應用瓶頸，並實現了高通量的快速檢測。

（3）基因晶片在轉基因食品檢測中的應用

2007年，天津出入境檢驗檢疫局採用目前已商品化的七種轉基因作物基因組核酸的純化試劑盒，可同時完成對多種作物、多種基因的檢測，鑑於已商品化的轉基因產品涉及多個基因，因此，應用基因晶片技術建立高通量檢測方法在檢測中具有明顯優勢。

三 生物晶片市場前景 

1.全球生物晶片市場前景

從全球範圍來看，生物晶片市場的發展主要受生物晶片技術驅動。 2016年4月，美國市場調研公司BCC Research發布的《全球生物晶片市場調查報告》顯示，2014年全球生物晶片產品市場已達39億美元，並預計2015-2020年，將以31.6%的年複合增長率快速發展，從2015年的47億美元，增長到2020年的184億美元。2016年8月，Grand View Research 公司預測，到2024年全球生物晶片市場總值將達到258億美元，其中DNA晶片約佔總值的三分之一，其發展動力主要來源於新藥開發過程中的基因組學與蛋白質組學的研究及相應的產品開發。

目前，北美地區佔據了全球生物晶片市場的主導地位，而亞太地區自2016年起進入快速發展階段，預計中國和印度將成為亞太地區增長最快的生物晶片市場。 個性化醫療、快速診斷、藥物開發和生命科學研究的興起，研發投入的增加，群眾醫療保健意識的提高，推動了全球生物晶片市場的發展。但製造生物晶片所涉及的高成本可能會給全球生物晶片市場帶來挑戰。在全球生物晶片市場中表現較好的企業主要有Affymetrix公司、Illumina公司、GE Healthcare公司、Aglient公司和Roche NimbleGen 公司等。

2.中國生物晶片市場前景

中國生物晶片研究始於20世紀90年代，2008年我國生物晶片市場約為1億美元，之後以超過20%的速度增長， 預計到2020年市場規模將達到9億美元。 市場的快速發展主要得益於基因組學與蛋白質組學的科學研究、慢性疾病（如癌症）的診斷、產前篩查檢測、中藥物種鑑定、農作物育種、司法鑑定、食品檢測等因素。

單就狹義的生物晶片技術而言，我國與世界先進水平的差距不大，但應用到民用市場的生物晶片，我國在配套的各種試劑、耗材、儀器和分析軟體，特別是晶片點樣儀器及自動化反應儀器等方面嚴重滯後。 未來支撐生物晶片的基礎核心技術（例如：表面化學技術、點樣或片上合成技術、高精密度機械技術、圖像識別、數據處理與分析技術）的發展是生物晶片技術的發展重點。 政府可通過融資、技術轉讓、參股、產業合作、股權合作等多種形式和渠道，進行生物晶片技術和個體化醫療產業的擴大和集成，形成先進的生物晶片技術和個體化醫療產業集群，政府在該產業群中需做好市場引導和服務工作，通過各種政府平臺吸引各類生物晶片技術開發團隊、臨床個體化醫療應用團隊、投融資團隊、市場營銷團隊、SFDA註冊團隊、管理團隊等集中到該產業群中。

四 小結

生物晶片是一門實用性極強的技術，因此技術的發展需要以應用為導向。 要推動生物晶片技術的發展，應打通轉化應用的三個重要環節（需求用戶，研究團隊，推廣企業），形成良性循環。 在國家大力發展轉化醫學和大健康產業的大背景下，生物晶片依靠其獨特優勢佔據著良好的發展空間，成為生物醫藥產業中有巨大發展前景的一個分支。 

文 | 錢振宇

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