微陣列生物晶片

2015年年初,時任美國總統歐巴馬在國情咨文講演中宣布推出新的大規模研發項目「精準醫學計畫」(Precision Medicine Initiative),宣布「美國進入精準醫療時代」。由此,精準醫學的口號被廣泛宜傳,人類醫學邁入了一個新的時代。生物晶片的檢測便是精準醫療與預防性醫學的重要先鋒。

根據維基百科的定義: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:微陣列晶片(microarray)與實驗室晶片(Lab-on-a-chip)兩類。基因微陣列晶片是所有不同種類之生物晶片中發展迅速的一項領域。基因微陣列晶片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。

血醣測試晶片是目前使用最普及的生物晶片。測量個人血糖的高低,作為監控含糖食物攝取,以及胰島素注射量的參考。血醣晶片只有單點量測,屬於低密度晶片。但是在實際生活或是科學研究中,由於樣品取得不易,科學家或工程師為了快速與精確獲取更多資訊,人們便嘗試將相同反應條件的不同探針,以不同樣品點的方式,共同建構在同一晶片上面,每一樣品點皆由成千上萬相同的探針叢所構成,因此形成了微陣列式生物晶片,以達到快速、多工與有效的生物特徵檢測。

微陣列生物晶片樣品點的材料可以是DNA、RNA、胜肽蛋白質、抗體、細胞、或人體組織所構成的探針叢。該樣品點材料的設計完全取決於所要量測的生物特徵。例如,用來檢測基因排序中單一核苷酸A,T,C或G改變的DNA晶片 (Single Nucleotide Polymorphism,簡稱SNP),是由不同單鍊DNA序列的片段所組的樣品點,利用DNA序列A-T, C-G配對成雙的原理,當所設計的單鍊DNA樣品點能與樣品配對而發出螢光時,便可得知該單一核苷酸改變的DNA序列,利用該DNA序列的改變來研究探討物種之間(包括人類)的染色體基因組多樣性。又例如用來檢測食物特異性過敏原的蛋白質生物芯片,典型作法便是在標準大小為1”3”的玻璃晶片上面佈放幾十到幾百種不同的食物過敏原的樣品點,大小為200~500微米。透過樣品點的探針設計及其螢光訊號強弱,可以一次同時進行幾十到幾百種不同的食物過敏原的篩查檢測。

為了能夠正確讀取微陣列生物晶片每一樣品點的位置及反應的螢光訊號強度,以正確判讀各種生物特徵訊號,必須要有一精準且快速的掃描儀可以量測微陣列生物晶片樣品點的不同螢光訊號,以免造成誤判,尤其是絕對避免假陽性。除了精準判讀以外,對於微陣列生物晶片掃描儀的使用要求還包含: (1) 高光學解析度: 掃描儀具有愈高的光學解析度所量測得到的數值愈準確,而且生物樣品點的大小可以愈小,同樣偵測點密度的生物晶片可以愈小,使用樣品也可以愈少,反應可以愈快。(2) 高整合性: 除了硬體的功能需求以外,還必須要有精準分析的影像軟體及讓客戶很容易上手操作的軟體介面。(3) 高性價比: 目前商業化機台價格依功能而定,一般每台價格在台幣150萬元以上,甚至有些高達台幣400~500萬元。由於機台太貴,因此無法廣泛普及使用,如果每台價格可以降到台幣100萬元以下,甚至低到30~40萬元,相信生物晶片及機台使用的普及性將會大幅提昇。


圖一、微陣列生物晶片的檢測原理與應用

在應用服務方面,目前開發及已開發國家之人口老化明顯增加,更加上衛生保健及環保意識的抬頭,對於簡易、省能、及低成本的醫療保健支出如癌症、各種疾病及過敏原之偵測、藥物用藥成效、農業基因之檢定等等需求將日益增加。

此外,大陸每年會有2000萬懷孕母親,染色體(DNA)微陣列晶片檢查胎兒的染色體異常將會日益普及。以10% 市占率估算,大陸每年將會使用200萬個染色體微陣列晶片,目前每個染色體微陣列晶片測試費用為 RMB 2,400,因此預估光是胎兒染色體微陣列晶片每年測試收費將高達RMB 48億。以目前大陸二甲以上醫院有5800家,如果以30%醫院採用微陣列生物晶片掃描儀進行胎兒染色體晶片檢測,則有1700家,如果每家醫院針對不同科室買3~5台掃描儀,則估算大陸掃描儀總需求量達6000台。因微陣列生物晶片及掃描儀的應用目前僅在大陸即屬於新興需求,因此預估未來大陸與全球市場增長空間極大,成長可期。

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