生物芯片：方寸之间显神通

　　据医学统计显示，60%以上的先天性耳聋是由遗传因素引起的。由于婴儿无法准确地表达自己，如何确定新生儿是否耳聋曾经是一个难题。现在，这个难题已经迎刃而解：只要用比巴掌还小的生物芯片检测一下婴儿的血液，就可以迅速地获得准确的结论。据此，遗传性耳聋患儿就可以及早配戴助听器，把握住语言学习的最佳时机，从而避免因聋致哑的厄运。小小的生物芯片究竟为何具有如此神奇的“魔力”？

　　高度集成的“实验室”

　　提起芯片，大家很可能都会想到电脑芯片。不过，虽然也叫芯片，也是把庞大的系统进行缩微、集成，但是生物芯片和电脑芯片却有着天壤之别：电子芯片很怕水，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、唾液等体液或其他化学液体，而不会出现短路现象；电子芯片是永久性固定使用，而生物芯片常常是伴随着相应的生物化学反应一次性使用；从材料上来说，电子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。

　　实际上，生物芯片只是借用了“芯片”这个概念。“芯片的概念取之于集成的概念。电子芯片把众多电子原件变小，集中起来。生物芯片则是将生物反应器缩微而集成”，博奥生物有限公司、生物芯片北京国家工程研究中心高级副总裁孙英豪介绍。通俗地讲，生物芯片就是把目前需要在实验室中才能完成的生物检测过程，缩小、浓缩、集成到一张小小的载体上。也就是说，生物芯片是通过微加工工艺在厘米见方的薄膜、玻璃片和硅胶晶片等载体上，集成成千上万个与生命相关的信息分子，从而实现对基因、蛋白质、细胞等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。它是近10多年来，物理学、微电子学与分子生物学等学科综合交叉形成的一项尖端技术。

　　“芯片只是一个工具。做什么东西、检测什么，还是靠生物学来解决。”孙英豪说。虽然仅仅是一个“载体平台”，生物芯片具有很多常规实验室不可比拟的优势。传统的实验室检测，需要的检测样品量较大，这对水稻等样品充足的检测项目当然不成问题。可是有些生物样品数量有限，很难达到实验室检测的要求。常规的生物检测，通常每次只能检测一个指标，而生物芯片一次就可以同时进行多个指标的检测，这也使得每个指标的平均检测费用很低。比如，通过生物芯片一次就可以整体上研究人类3万多个基因的整体表达图谱。生物芯片还可以进行从微观水平到相对宏观水平的检测，得到基因水平、蛋白质水平，甚至组织水平的全息图像，这也是它的一大优势。同时，同传统的检测方法相比，生物芯片检测的灵敏度也更高。

　　随着生物芯片技术的深入研究和广泛应用，它将对21世纪人类的日常生活和身体健康产生极其深远的影响。

　　随身携带的“化验室”

　　提起白血病，很多人都会为之色变。之所以会这样，就是因为我国骨髓库的数量太少，难以满足患者成功配型的需要。目前，美国骨髓库的数量接近600万人份，而中国只有36万人份。如果要达到美国现在的水平，用常规的技术，我国至少需要20年，而且花费巨大。为了解决这个难题，博奥生物有限公司暨生物芯片北京国家工程研究中心成功研制出了对骨髓进行分析处理的生物芯片，这在全球尚属首次。利用这种生物芯片对骨髓进行分型，可以把多个捐献者的基因样本采集到一张生物芯片上，同时进行分析处理，大大提高了骨髓分型的速度和准确度，时间可以节省一半，费用节省1/3。目前，中华骨髓库已经采用了这项技术。

　　随着生活水平的日益提高，食品安全越来越成为人们关注的焦点。以前，对食物安全进行监测，费时费力，难以大规模的普遍进行。而现在，生物芯片则可以成为食物安全的“把关人”。市场上供应的肉、菜、饮料是否有微生物，是否含有杂质，都可以用生物芯片进行方便、快速的检测。博奥生物、北京出入境检验检疫局等单位共同合作研制的兽药残留生物芯片，已经可以对9种重点兽药进行检测。

　　人吃五谷杂粮，没有不生病的。致病的原因多种多样，有的是环境因素造成的，有的是遗传因素造成的，有的是由环境因素和遗传因素共同导致的。

　　生物芯片在遗传病检测领域也可以大显神通，对某些遗传性疾病在基因水平上进行预测。除了本文开头提到的检测遗传性耳聋的生物芯片外，博奥生物有限公司还研发出另外一种遗传性疾病检测芯片。只要抽取一点血液，这种芯片就可以分析出来大约66种遗传性疾病的患病概率。“这并不能说明天你就会得什么病，它只是根据基因预测患某种疾病的可能性。这对于疾病早期的预防、预测、诊疗都大有好处。当然，这只相当于综合性体检，不能作为治疗的根据。这项成果我国在世界上处于领先水平。”孙英豪说。

　　除了体检，在疾病检测诊断方面，生物芯片也具有独特的优势。它可以在一张芯片上同时对多个患者进行多种疾病的检测，在短时间内，即可为医务人员提供大量的疾病诊断信息。例如对肿瘤、糖尿病和传染疾病等常见病和多发病的临床检验，均可以应用生物芯片技术。今后人们甚至可以拥有“个人化验室”，无论在任何地方，随时都可以对自己的健康状况进行监测。

　　生命科学的“助推器”

　　生物芯片的起源和最早的应用都是在研究领域，尤其是基础研究中。具有划时代意义的人类基因组计划中，生物芯片就扮演了重要角色。虽然人类基因组的测序工作已经完成，可是人类基因的研究工作并不会因此止步。怎样利用该计划所揭示的大量遗传信息，去探明人类众多疾病的起因和发病机理，并为其诊断、治疗及易感性研究提供有力的工具，就成为生命科学领域内的重大课题。而生物芯片则为这个课题提供了新型、高效、快速的检测和分析工具，通过生物芯片就可以进行大规模的平行研究。“以前，无论是在美国或中国，如果想研究基因，把一个基因克隆出来、搞清楚，基本上就相当于一个硕士到博士的论文了。而现在利用生物芯片技术，可以同时研究几百甚至几千，上万个基因。”孙英豪说。

　　生物芯片不光可以用来研究人类基因，还可以用来研究动物、植物的基因，比如对中国具有重要经济价值的家蚕、水稻等的基因研究。家蚕的基因序列现在也已经全部搞清楚了，但是这并不意味着对每个基因的功能都已经了解。“每个基因有什么作用，基因之间有什么作用，基因产物和环境之间的复杂作用，都可以借助生物芯片搞清楚。”孙英豪说。

　　水稻是我国重要的粮食作物，对我国的粮食安全有着重要影响，因此水稻品种的改良一直是我国研究的重点领域之一。水稻品种改良，当然可以通过杂交进行。不过杂交方法是经验性的实验生物学，有些内容需要根据经验来摸索。要真正弄清水稻改良的理论，还需要在分子水平、基因水平进行，利用生物芯片把影响产量的、抗病虫害的、抗旱的基因检测出来。目前，我国水稻基因组项目的相关研究已经在顺利进行中。

　　除了生物品种的改良外，生物芯片在新药的研发领域也大有可为。目前，几乎所有国外的主要制药公司都不同程度地采用了生物芯片技术，利用它来寻找药物靶标，检查药物的毒性或副作用等。用芯片进行大规模的筛选研究，可以替代大量的动物试验，缩短药物筛选时间，从而带动创新药物的研究和开发。在临床测试的前期，也可以通过生物芯片筛选病人，这样就可以知道药物大致上对哪些病人有效，从而加强临床测试的针对性，缩短测试时间。

　　总之，生物芯片技术在药业、农业、生命科学和环境科学等与生命活动有关的研究和应用领域均具有重大的应用前景。就像开创了信息时代先河的半导体芯片一样，具有广阔应用前景的生物芯片，也必将给我们的生活带来巨大的改变。

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　　生物芯片的分类

　　通常的生物化学反应过程包括3步：样品制备、生化反应、结果的检测和分析，据此可将生物芯片分为样品制备芯片、生化反应芯片、检测芯片及“芯片实验室”等不同类型。

　　样品制备芯片：是将通常需要在实验室进行的多个操作步骤集成于微芯片上。目前，样品制备芯片主要通过升温、变压脉冲以及化学裂解等方式对细胞进行破碎，通过微滤器、介电电泳等手段实现生物大分子的分离。

　　生化反应芯片：即在芯片上完成生物化学反应。与传统生化反应过程的区别主要在于它可以高效、快速地完成生物化学反应。例如，在芯片上进行PCR(聚合酶链式)反应，可以节约实验试剂，提高反应速度，并可完成多个片段的扩增反应。当前，由于检测和分析的灵敏度所限，通常在对微量核酸样品进行检测时必须事先对其进行一定程度的扩增。所以用于PCR的芯片无疑为快速大量扩增样品多个DNA片段提供了有力的工具。

　　检测芯片：顾名思义是用来检测生物样品的生物芯片。例如用于DNA突变检测的毛细管电泳芯片，用于表达谱检测、突变分析、多态性测定的DNA微点阵芯片，用于大量不同蛋白检测和表位分析的蛋白或多肽微点阵芯片。

　　“芯片实验室”：是生物芯片技术的最高境界。它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。携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。