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营口市科学技术馆

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            内容摘要: 生物芯片:规模千亿的低调玩家 本月捷克研究人员开发出一种生物芯片,可以用于检测导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒。该项课题的研究小组组长表示“在这一研究结果出现之前,该小组一直致力于开放用于检测其他病原体的生物芯片,如引起肝炎或大肠杆菌的病原体。”新冠疫情的全球大流行,让他们想尝试用生物芯片去检测SARS-CoV-2病毒。 这款芯片可以特异性捕获COVID病毒,...

    生物芯片:规模千亿的低调玩家

    本月捷克研究人员开发出一种生物芯片,可以用于检测导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒。该项课题的研究小组组长表示“在这一研究结果出现之前,该小组一直致力于开放用于检测其他病原体的生物芯片,如引起肝炎或大肠杆菌的病原体。”新冠疫情的全球大流行,让他们想尝试用生物芯片去检测SARS-CoV-2病毒。

     

     

    这款芯片可以特异性捕获COVID病毒,通过与病毒RNA中的N蛋白结合形成复合物,从而释放出信号。目前病毒检测使用的PCR检测的步骤主要为:1.准备反应体系,包括扩增缓冲液、dNTP混合物,引物,模版DNA,Taq DNA聚合酶等。2.根据扩增对象制备模版。3.在缓冲液中加入引物经过DNA变形、退火、延伸后样本扩增。4.进行检测,方法有电泳法、荧光探针等。PCR的流程决定这种方法需要一定的检测的时长;同时为了避免出现污染,操作失误,PCR检测还需要在洁净的环节由专业人士进行操作。而如果通过生物芯片进行检测,会加快检测结果的出现,同时降低检测门槛。

     

     

    随着生物技术与集成电路技术的共同发展,生物芯片市场正在不断扩大,除了检测新冠病毒,生物芯片在医疗行业已经有了广泛的应用。

     

     

    在芯片上的千亿实验室

     

     

    生物芯片是从MEMS技术发展而来,最初是在硅、玻璃等材质的基片上加工出微米至亚毫米级的微结构单元,然后配合相关器械完成生物实验的相关需求如提取、扩增、分离或细胞的培养、处理等。早期的微流控芯片被认为是一种分析化学平台,也因此曾被称为“微型全分析系统”。美国的Affymetrix公司在1992年开发了世界上最早的生物芯片。

     

     

    生物芯片也被称作“微控流芯片”,它是一种由数百万个生物传感器组成的“芯片实验室”(lab-on-chip,LOC),其工作原理相当于把一间实验室的各种器械同时缩小,然后把需要整个实验室完成的一套流程集中到小小的芯片上。

     

     

    根据赛迪数据,2019年全球生物芯片市场规模达到970.2亿元,调研机构RESEARCH AND MARKETS预计生物芯片市场在2020-2025年将以15%的CAGR增长,到2025年将有望接近2000亿。
    2015-2025全球生物芯片市场规模(亿元) 来源:赛迪顾问

     

     

    2015-2025全球生物芯片市场规模(亿元) 来源:赛迪顾问

     

     

    应用广泛的生物芯片

     

     

    基于不同关键技术生物芯片主要有三种类型,即微流控分析芯片、微流控反应芯片、微流控细胞/器官操控芯片。

     

     

    微流控分析芯片的关键技术为新一代床边诊断技术(point of care test,POCT),开头提到的新冠病毒检测就是其中的一种。POCT的应用可以大幅度提高检测、诊断、治疗的效率,目前比较成熟的技术包括免疫验孕试纸盒和便携式血糖仪。

     

     

    微流控液滴芯片则主要被药物开发商、研究机构等机构应用于高通量药物筛选和材料筛选中。微流控芯片液滴技术的本质是利用流动剪切力或表面张力的改变,将两种互不相溶流体中的离散相流体分割,分离成纳升级及以下体积的微液滴,或者驱动微液滴运动。

     

     

    微流控细胞/器官操控芯片也被称作微流控芯片仿生实验室,通过构建微米量级的操作单元并在其中进行细胞的培养分析裂解等过程,再将这些单元延伸至组织和器官。这种芯片可以模拟一个活体的行为并且研究活体中整体与局部的种种关系,可以部分替代实验动物。

     

     

    通过芯片对分子进行高通量、大规模平行测试,药物开发商正在使用生物芯片进行药物研发。例如,为了让丙型肝炎病毒增殖其中一种蛋白质,需要以特定方式结合RNA。生物芯片筛选出1200个小分子,检测它们中是否有任何一个抑制了蛋白质-RNA相互作用。最终实验者发现了14个,而这些发现就可以用来开发治疗丙型肝炎药物。通过这种工作方式,生物芯片来发现治疗更多疾病,甚至包括癌症的药物。

     

     

    同时生物芯片也可用作非侵入性产前测试,以筛查某些严重的染色体异常。例如测量怀孕期间母亲血液中存在的胎儿DNA,以检测21三体(唐氏综合征)、18三体(爱德华综合征)和13三体(帕陶综合征)。

     

     

    被国外企业高度垄断的生物芯片市场

     

     

    除了应用广泛,研究生物芯片的重要性在于其在医疗领域的发展意义,是真正可以造福人类的产品,这也是生物芯片市场迅速成长的关键原因。

     

     

    然而生物芯片的特点导致发展生物芯片研发、生产的门槛都很高。从研发层面来看,生物芯片的研究需要基于多个学科的知识,如生物、化学、医学、物理、电子、材料、机械等。而在生产层面上,生物芯片的材料选型相对于普通电子芯片还要考虑材料的生化特性;合理化设计阀、液路、反应池等微单元材料从而实现量取、顺序混合反应等功能都是生产中会面对问题。

     

     

    从目前全球生物芯片相关专利数量来看,美国拥有最多的相关专利,属于绝对领先。中国生物芯片目前还主要应用于生物信息等科研领域,市场份额仅占全球市场的5%。

     

     

    国外市场生物芯片主要市场是面向药厂、研究机构,产品主要为药物筛选、基因组合等。例如美国赛默飞世尔科技公司(Thremo Fisher),在2016年收购了Affymetrix,以开发用于细胞转染、神经生物学和干细胞研究的试剂。Affymetrix正是开发出第一片生物芯片的公司。

     

     

    对于人口众多的我国,利用生物芯片进行诊断则有着更大的潜力。依托清华大学和生物芯片北京国家工程研究中心的博奥晶典也在遗传病诊断、产前筛查与诊断、肿瘤诊断等领域取得了一定成果;同时延伸出了健康管理、司法鉴定、农林畜牧和食品安全领域的产品。今年10月杭州领挚科技完成Pre-A轮投资,领挚的产品主要为TFT半导体生物芯片,是生物领域多元化的耗材类芯片。今年2月苏州含光维纳科技有限公司则完成了B轮融资,其产品主要用于POCT、基因测序等领域。国内厂家晶能生物、中鼎玉铉也可以提供生物芯片产品。

     

     

    2016年“十三五”相关文件中提到,体外诊断产品要突破生物芯片;同时加速发展体外诊断仪器、设备、试剂等新产品,推动生物芯片的发展,支撑肿瘤、遗传疾病及罕见病等体外快速准确诊断筛查。可以说,生物芯片已经成为重点发展的学科之一。

     

     

    虽然我们看到,无论是国内还是国外的生物芯片市场上,主要玩家都不是耳熟能详的芯片公司,更多的是医疗相关公司。但多家芯片巨头已经围绕生物芯片展开了布局,如英特尔、摩托罗拉、IBM、惠普等。生物芯片,是一个潜力无限的市场,更是一项为国为民的伟大事业。 

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