生物晶片

生物晶片

生物晶片簡介

生物晶片（英語：biochip）是運用分子生物學、基因資訊、分析化學等原理進行設計，以矽晶圓、玻璃或高分子為基材，配合微機電自動化、或其他精密加工技術，所製作之高科技元件，有如半導體晶片一般能快速進行繁複運算；生物晶片具有快速、精確、低成本之生物分析檢驗能力。在分子生物學，生物晶片基本上是小型化的實驗室，可以同時執行數百個或數千個生化反應。生物晶片使研究人員能夠快速篩選大量的生物分析物用於各種目的，從疾病的診斷到生物恐怖主義的檢測。

目前發展中之生物晶片可大略分成：基因晶片（gene chip or DNA microarray）與實驗室晶片（Lab-on-a-chip）兩類。

• 基因晶片是所有不同種類之生物晶片中發展最快的一種。指的是在數平方公分之面積上安裝數千或數萬個核酸探針，經由一次測驗，即可提供大量基因序列相關資訊。
• 實驗室晶片的例子包括可以進行電泳分析之毛細管電泳晶片，或是可以從細胞中純化核酸之樣品前處理晶片等，已有微電泳晶片上市。

生物晶片之演進

1. 第一代生物晶片

   •是加速基因解碼的工具。

   •臺灣的研究發展或生技產業所指的生物晶片大都是指基因晶片( Gene Chip )，又稱為DNA微陣列。

   •運用微陣列晶片進行人類衰老、藥物反應、激素反應、腦疾病及其他臨床相關研究，可大量提供分析資訊。

   •微陣列技術也用來檢測基因序列的變異，在遺傳篩檢與診斷領域建立新的方法。

2. 第二代生物晶片
   微流體晶片

   •微流體晶片的特點是將檢測程序中所需利用的元件，都集中在同一晶片上製作。

   •流體晶片可溯自1990年代初期。

   •這種一體成型的多功能晶片，也稱之為「實驗室平台晶片」。

   •在新藥開發、臨床醫學檢測與鑑識科學上，都有廣泛的用途。

    

蛋白質晶片

•蛋白質微陣列晶片的設計與製作，與DNA晶片頗為類似。

•成千上萬種蛋白質植入固定在數微米見方的格子中，檢測樣品中的各種蛋白質，會與固定在微陣列的特定蛋白質反應。

•到目前為止，對於所有關於疾病發生與進展的蛋白質，其抗原對抗體的辨識反應並非都已充分了解。

•這些抗體的合成與純化技術，亦非完全純熟。因此，必須等到抗原蛋白質研究與抗體製備技術獲得突破性進展後，微陣列蛋白質晶片的技術才會廣泛應用於多種新藥的研究上。

3. 結合奈米科技的生物晶片

   •繼DNA微陣列晶片技術對生化分析產生的深遠影響後，各種新一代晶片裝置的研發工作，有著日新月異的進展。

   •近年來有越來越多科學家將奈米科技應用在其他新型生物晶片的開發上。

   •可預期在不久的將來，其進展必將突飛猛進而有更多新型生物晶片問世。

檢測型晶片

• 蛋白質晶片
  ​​​​​以各種不同蛋白質作為生物探針，排列在晶片上以進行反應，偵測蛋白質與蛋白質之間的交互作用，作為疾病病原之追蹤與判斷。
• 醣晶片
  將不同結構的醣類分子固定在晶片表面上，進行結合反應，分析醣類分子所參與之抗原抗體反應機制。
• 細胞晶片
  ​​​​​​​用來分離某些特定細胞。

生物晶片原理

• 製造原理
  將特徵基因之對偶鹼基序列，稱為探針，排列放置在微晶片上。
• 應用原理
  將含基因序列之樣品液體倒在微晶片上
  利用互補鹼基雜交作用的原理，由樣品與微晶片上基因序列相互作用的情形摘取所需的資訊。

生物晶片應用

• 開拓新藥物方面
  利用 DNA 晶片來比較經新藥物處理的細胞與未經處理的細胞中基因的表現，能迅速了解藥物功能。
• 醫療診斷方面
  以 DNA 晶片迅速檢測基因表現，可以全面了解一些疾病，特別是癌症的發生和發展。
  製造可放置於醫院診所的微型診斷器，進行現場即時化驗診斷。

生物晶片之用途

1. 基因表現的藍圖
   經由觀察不同時間點上基因表現的形式，研究人員可以了解我們複雜的人體如何去產生各種不同類型的蛋白。

2. 毒理學上的分析
   DNA晶片可以用來檢測有機毒物對某些特定基因的表現。

3. 基因定序
   把所有可能的核醣核酸基排列放在晶片上，然後將未知的基因放在晶片上，應該只有順序完全相同的探針可以與之互補，因而得知未知基因的定序。

4. 單一核醣核酸的多形性檢定
   為了找到個體的基因型態以期知道個體的多形性，第一步就是需要做大量基因定序的工作，並建立自己的基因多形性的資料庫。

5. 法醫學上的應用
   由於DNA晶片的檢定快速，準確且易於攜帶，不久的將來或許可以成為法醫現場辦案的工具之一。

6. 免疫反應分析
   有些晶片公司發展的技術是可以將DNA以外的東西放在晶片上，例如：利用抗原、抗體之間的緊密結合，用來做一些免疫反應上的分析。

7. 生物武器的偵測
   各國都在研發希望找出對付生物武器的工具。首先必備的是如何偵測和檢定它，而生物晶片則剛好可以用來檢測出對人體有害的生物武器且攜帶方便。

8. 藥物的篩選
   藥品和它的接受器之間的結合也可以被應用在晶片上，就類似DNA和互補探針之間的緊密結合一般。這種晶片的推出後可以達到節省藥品篩選所耗費許多的時間和經費。

9. 電腦硬體上的應用
   由於利用DNA的自我組合性，類似電腦程式的語言，所以合成的片段DNA可以結合在一些不是生物的物質上，例如一些光源或是一些微電子的零件上，以期利用DNA的這種特性，將這些物質帶到特定的位置上，而達成目標。

生物晶片優點

• 尺寸小，所需要的生物樣品量相當的少。密度大，能提供快且大的檢測。

• 藥物的篩選，將所有天然或合成的藥物候選者製成生物晶片， 在和特定的病毒或細菌反應，以篩選出少數的可能有效藥物。

• 可以用來檢測基因的表現，將基因的片段製成生物晶片, 再和螢光標示的已知ＣDNA或RNA反應來獲得這些未知片段的資訊。

• DNA晶片的問世，將開發新藥物及醫療診斷帶到一個新紀元。

生物晶片缺點

• 品質不穩定、產品單價高

• 重大疾病檢驗上，病患即使以生物晶片檢驗後，通常還是會要求醫生用傳統方式再做一次檢驗。

• 阻礙生物晶片商品化的原因，也和消費者的習慣有關。

生物晶片在臺灣發展

• 立刻發現癌病變
  將晶片植入人體後，能二十四小時偵測你的血糖、血壓和脈搏，再把資料傳到你的手機或電腦裡，一有異常，馬上自動通知醫院。

• 發病時自動給藥
  當晶片偵測到病人發病時，還能自動釋出藏在晶片裡的藥物急救。
  研發出新型的止痛晶片，利用微量電流刺激神經止痛。

• 用腦波控制機器
  研究成熟後，人也可以靠腦波，控制身邊的物體。