本月捷克研究人員開發(fā)出一種生物芯片，可以用于檢測導(dǎo)致COVID-19的SARS-CoV-2病毒。該項(xiàng)課題的研究小組組長表示“在這一研究結(jié)果出現(xiàn)之前，該小組一直致力于開放用于檢測其他病原體的生物芯片，如引起肝炎或大腸桿菌的病原體。”新冠疫情的全球大流行，讓他們想嘗試用生物芯片去檢測SARS-CoV-2病毒。
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這款芯片可以特異性捕獲COVID病毒，通過與病毒RNA中的N蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，從而釋放出信號。目前病毒檢測使用的PCR檢測的步驟主要為：1.準(zhǔn)備反應(yīng)體系，包括擴(kuò)增緩沖液、dNTP混合物，引物，模版DNA，Taq DNA聚合酶等。2.根據(jù)擴(kuò)增對象制備模版。3.在緩沖液中加入引物經(jīng)過DNA變形、退火、延伸后樣本擴(kuò)增。4.進(jìn)行檢測，方法有電泳法、熒光探針等。PCR的流程決定這種方法需要一定的檢測的時長；同時為了避免出現(xiàn)污染，操作失誤，PCR檢測還需要在潔凈的環(huán)節(jié)由專業(yè)人士進(jìn)行操作。而如果通過生物芯片進(jìn)行檢測，會加快檢測結(jié)果的出現(xiàn)，同時降低檢測門檻。
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隨著生物技術(shù)與集成電路技術(shù)的共同發(fā)展，生物芯片市場正在不斷擴(kuò)大，除了檢測新冠病毒，生物芯片在醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。
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在芯片上的千億實(shí)驗(yàn)室?
生物芯片是從MEMS技術(shù)發(fā)展而來，最初是在硅、玻璃等材質(zhì)的基片上加工出微米至亞毫米級的微結(jié)構(gòu)單元，然后配合相關(guān)器械完成生物實(shí)驗(yàn)的相關(guān)需求如提取、擴(kuò)增、分離或細(xì)胞的培養(yǎng)、處理等。早期的微流控芯片被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺，也因此曾被稱為“微型全分析系統(tǒng)”。美國的Affymetrix公司在1992年開發(fā)了世界上最早的生物芯片。
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生物芯片也被稱作“微控流芯片”，它是一種由數(shù)百萬個生物傳感器組成的“芯片實(shí)驗(yàn)室”（lab-on-chip，LOC），其工作原理相當(dāng)于把一間實(shí)驗(yàn)室的各種器械同時縮小，然后把需要整個實(shí)驗(yàn)室完成的一套流程集中到小小的芯片上。
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根據(jù)賽迪數(shù)據(jù)，2019年全球生物芯片市場規(guī)模達(dá)到970.2億元，調(diào)研機(jī)構(gòu)RESEARCH AND MARKETS預(yù)計(jì)生物芯片市場在2020-2025年將以15%的CAGR增長，到2025年將有望接近2000億。
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?2015-2025全球生物芯片市場規(guī)模（億元）
來源：賽迪顧問
應(yīng)用廣泛的生物芯片?
基于不同關(guān)鍵技術(shù)生物芯片主要有三種類型，即微流控分析芯片、微流控反應(yīng)芯片、微流控細(xì)胞/器官操控芯片。
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微流控分析芯片的關(guān)鍵技術(shù)為新一代床邊診斷技術(shù)（point of care test，POCT），開頭提到的新冠病毒檢測就是其中的一種。POCT的應(yīng)用可以大幅度提高檢測、診斷、治療的效率，目前比較成熟的技術(shù)包括免疫驗(yàn)孕試紙盒和便攜式血糖儀。
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微流控液滴芯片則主要被藥物開發(fā)商、研究機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高通量藥物篩選和材料篩選中。微流控芯片液滴技術(shù)的本質(zhì)是利用流動剪切力或表面張力的改變，將兩種互不相溶流體中的離散相流體分割，分離成納升級及以下體積的微液滴，或者驅(qū)動微液滴運(yùn)動。
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微流控細(xì)胞/器官操控芯片也被稱作微流控芯片仿生實(shí)驗(yàn)室，通過構(gòu)建微米量級的操作單元并在其中進(jìn)行細(xì)胞的培養(yǎng)分析裂解等過程，再將這些單元延伸至組織和器官。這種芯片可以模擬一個活體的行為并且研究活體中整體與局部的種種關(guān)系，可以部分替代實(shí)驗(yàn)動物。
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通過芯片對分子進(jìn)行高通量、大規(guī)模平行測試，藥物開發(fā)商正在使用生物芯片進(jìn)行藥物研發(fā)。例如，為了讓丙型肝炎病毒增殖其中一種蛋白質(zhì)，需要以特定方式結(jié)合RNA。生物芯片篩選出1200個小分子，檢測它們中是否有任何一個抑制了蛋白質(zhì)-RNA相互作用。最終實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)了14個，而這些發(fā)現(xiàn)就可以用來開發(fā)治療丙型肝炎藥物。通過這種工作方式，生物芯片來發(fā)現(xiàn)治療更多疾病，甚至包括癌癥的藥物。
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同時生物芯片也可用作非侵入性產(chǎn)前測試，以篩查某些嚴(yán)重的染色體異常。例如測量懷孕期間母親血液中存在的胎兒DNA，以檢測21三體（唐氏綜合征）、18三體（愛德華綜合征）和13三體（帕陶綜合征）。
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被國外企業(yè)高度壟斷的生物芯片市場?
除了應(yīng)用廣泛，研究生物芯片的重要性在于其在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展意義，是真正可以造福人類的產(chǎn)品，這也是生物芯片市場迅速成長的關(guān)鍵原因。
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然而生物芯片的特點(diǎn)導(dǎo)致發(fā)展生物芯片研發(fā)、生產(chǎn)的門檻都很高。從研發(fā)層面來看，生物芯片的研究需要基于多個學(xué)科的知識，如生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理、電子、材料、機(jī)械等。而在生產(chǎn)層面上，生物芯片的材料選型相對于普通電子芯片還要考慮材料的生化特性；合理化設(shè)計(jì)閥、液路、反應(yīng)池等微單元材料從而實(shí)現(xiàn)量取、順序混合反應(yīng)等功能都是生產(chǎn)中會面對問題。
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從目前全球生物芯片相關(guān)專利數(shù)量來看，美國擁有最多的相關(guān)專利，屬于絕對領(lǐng)先。中國生物芯片目前還主要應(yīng)用于生物信息等科研領(lǐng)域，市場份額僅占全球市場的5%。
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國外市場生物芯片主要市場是面向藥廠、研究機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品主要為藥物篩選、基因組合等。例如美國賽默飛世爾科技公司（Thremo Fisher），在2016年收購了Affymetrix，以開發(fā)用于細(xì)胞轉(zhuǎn)染、神經(jīng)生物學(xué)和干細(xì)胞研究的試劑。Affymetrix正是開發(fā)出第一片生物芯片的公司。
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對于人口眾多的我國，利用生物芯片進(jìn)行診斷則有著更大的潛力。依托清華大學(xué)和生物芯片北京國家工程研究中心的博奧晶典也在遺傳病診斷、產(chǎn)前篩查與診斷、腫瘤診斷等領(lǐng)域取得了一定成果；同時延伸出了健康管理、司法鑒定、農(nóng)林畜牧和食品安全領(lǐng)域的產(chǎn)品。今年10月杭州領(lǐng)摯科技完成Pre-A輪投資，領(lǐng)摯的產(chǎn)品主要為TFT半導(dǎo)體生物芯片，是生物領(lǐng)域多元化的耗材類芯片。今年2月蘇州含光維納科技有限公司則完成了B輪融資，其產(chǎn)品主要用于POCT、基因測序等領(lǐng)域。國內(nèi)廠家晶能生物、中鼎玉鉉也可以提供生物芯片產(chǎn)品。
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2016年“十三五”相關(guān)文件中提到，體外診斷產(chǎn)品要突破生物芯片；同時加速發(fā)展體外診斷儀器、設(shè)備、試劑等新產(chǎn)品，推動生物芯片的發(fā)展，支撐腫瘤、遺傳疾病及罕見病等體外快速準(zhǔn)確診斷篩查。可以說，生物芯片已經(jīng)成為重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科之一。
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雖然我們看到，無論是國內(nèi)還是國外的生物芯片市場上，主要玩家都不是耳熟能詳?shù)男酒荆嗟氖轻t(yī)療相關(guān)公司。但多家芯片巨頭已經(jīng)圍繞生物芯片展開了布局，如英特爾、摩托羅拉、IBM、惠普等。生物芯片，是一個潛力無限的市場，更是一項(xiàng)為國為民的偉大事業(yè)。
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