本期关注:生物芯片 “微处理器在20世纪使我们的经济发生了根本改变,给人类带来了巨大的财富,改变了我们的生活方式。然而,生物芯片给人类带来的影响可能会更大，它可能从根本上改变我们的医学行为和生活质量，从而改变整个世界的面貌。”这是几年前美国《财富》杂志上的一段话。如今，生物芯片技术已成为国际上生物技术领域科研和开发的热点，被业内外人士称为“具有战略意义的前沿高新技术”。本期，让我们随着专家的眼光，去聚焦那块小小的薄片。责任编辑胡其峰
一块厘米见方的薄片
你的计算机CPU用的是什么芯片？是Intel还是AMD？其实无论是Intel还是AMD，其本质都一样，都属于半导体芯片。进入21世纪，随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生了半导体芯片的“兄弟”――生物芯片。
对于生物芯片，人们可能不像对计算机微处理器―――半导体芯片那样熟悉。什么是生物芯片呢？一般说来，生物芯片就是在一块厘米见方的玻璃片、硅片、塑料膜等材料上，通过特殊的表面化学处理连接上相关的生物分子，经过特殊设计的生物化学反应，然后由专用的仪器收集检测信号，再用计算机分析数据结果。生物芯片是微电子学、化学、物理学、信息学和生物学相互交叉形成的一项高新技术。生物芯片技术可以对细胞、DNA、蛋白质等生物组分进行准确、快捷和大信息量的检测分析。生物芯片的模样五花八门，有的和计算机芯片一样规矩、方正，有的是在透明的玻璃或塑料上面点上排排微米级圆点或划了一条条的蛇形细槽，还有的是由一些不同形状头发粗细的管道和针孔大小的腔体，不同结构的微型电子、机械器件紧密排列在一起形成的。
半导体芯片和生物芯片都使用了微加工、光学、光刻等类似技术，都把庞大的系统进行了缩微，最后输出的信号都是数字信号。不同点在于：第一，输入的信号不一样。半导体芯片很怕水，接触到水溶液就会短路，而生物芯片恰恰要分析液体，输入其中的可能是血液、尿液、唾液等体液，不会出现短路现象；第二，半导体芯片是永久性固定使用，而生物芯片是一次性使用，并伴随着相应的生物化学反应；第三，从材料上来说，半导体芯片以硅为基本材料，而制备生物芯片使用的材料则比较广泛，除了硅，还可以使用玻璃、塑料等其他材料。
目前常见的生物芯片分为三类：第一类为微阵列芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片；第二类为微流控芯片（属于主动式芯片），包括各类样品制备芯片、聚合酶链反应（PCR）芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片等；第三类为以生物芯片为基础的集成化分析系统（也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的最高境界）。“芯片实验室”可以完成诸如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。
科研和开发的热点
近年来，生物芯片技术成为国际上生物技术领域科研和开发的热点；基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等发展较早、技术较为成熟的微阵列芯片已经大量进入实用，微流体芯片等技术正在逐渐成熟并开始被各领域应用；同时，在新世纪这个“大生命科学”的世纪，功能基因组、蛋白质组、代谢组等大科学研究计划正强有力地推动着基于生物芯片的高通量生物分析技术和研究平台的市场需求。生物芯片不仅在科研方面发挥着重要的作用，而且广泛应用在疾病诊断治疗、新药研究开发、食品安全监测、农作物育种、环境污染检测等与国民生活息息相关的领域，显示出广阔的商业前景和巨大的消费市场，被业内外人士称为“具有战略意义的前沿高新技术”。
伴随生命科学领域的市场及产业规模的不断增长，全球（包括中国在内）的生物芯片企业以及相关行业正面临着前所未有的机遇与挑战，所有国际知名的生物芯片公司都在尽可能地扩大自有的产品线，以迎合更多客户提出的不同需求。在过去10年间，美国政府和产业界共投入将近20亿美元用于以基因芯片为主的生物芯片的研究开发与产业化。世界上几乎所有的跨国制药公司都投入巨资，利用基因芯片开展新药的超高通量筛选和药理遗传学、药理基因组学等研究。许多著名的电信、电气企业，例如摩托罗拉、IBM、日立等也参加到生物芯片的研发行列。2005年元月，美国FDA批准罗氏公司的CYP450基因诊断芯片上市――CYP450基因诊断的结果将有利于治疗心脏病、疼痛和癌症。荷兰的Agendia公司也与Agilent公司合作开发以DNA芯片为基础的诊断产品。总之，越来越多的大型诊断公司开始关注生物芯片市场，更多的制药或生物制药公司也加大了相关投入。
生物芯片在中国
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左图：各种类型的生物芯片。右图：神经细胞电生理芯片。据资料图片 |
在地区布局上，形成了以北京、上海两个国家工程研究中心为龙头，天津、西安、南京、深圳、哈尔滨等地近50家生物芯片研发机构和30多家生物芯片企业蓬勃发展的局面。北京博奥生物、上海生物芯片、天津生物芯片、陕西西大北美等企业已成为我国生物芯片产业的主导力量。在香港和台湾，分别以香港基因晶片公司和台湾晶宇公司为代表，也开始了生物芯片技术在临床诊断方面的研发。
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。某些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。
经过国家近十年来特别是“十五”期间的强力资助，我国生物芯片已取得一批研究成果：科技部重大专项“功能基因组和生物芯片”中关于生物芯片的部分在PNAS、ClinicalChemistry、JournalofVirology等国际权威刊物上发表论文近20篇；申报了具有自主知识产权的与感染性疾病和肿瘤相关的标志基因簇和新基因753个，并对其中一些基因和蛋白质的功能开展了研究，获得了诸如病毒、细菌感染和肿瘤诊治的标志基因（簇）和靶向siRNA分子等一批重要成果；“十五”期间共申请国内专利356项，国外专利62项，其中国内授权专利105项，国外授权专利8项；在国家科技部等部门的支持下，我国已主办了三届国际生物芯片技术论坛，累计参会人数超过千人，交流研究论文200余篇；此外，我国还是世界上批准生物芯片进入临床最早的国家，比美国早了近3年。
目前，我国共有500余种生物芯片及相关产品问世，2002年到2005年的累计销售额近2.5亿元；10余个芯片或相关产品获得了国家新药证书、医疗器械证书或其他认证，并已实现产业化生产。我国生物芯片产业已经实现了从无到有的阶段性突破，并正在逐步发展壮大。
在上个世纪，计算机科学的发展对今天人类生活的影响是不言而喻的。现在，生物芯片技术的发展也必将渗透到人类生活的方方面面，带动更大规模的经济发展。（作者为博奥生物有限公司化学领域首席科学家）
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