3月6日，韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院(UNIST)宣布，生物醫(yī)學(xué)工學(xué)系樸太恩教授的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種仿生芯片，可以模擬人體的生理和病理特征人類白色脂肪組織。

研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的仿生芯片由水凝膠組成，水凝膠由細(xì)胞外基質(zhì)制成，采用了一種使正常和肥胖脂肪組織脫細(xì)胞的技術(shù)；形成的水凝膠具有組織特異性生理和病理特征，準(zhǔn)確復(fù)制了人體脂肪組織的特殊微環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)解釋說，它還有助于長期維持培養(yǎng)的原代脂肪細(xì)胞的功能。

研究團(tuán)隊(duì)成功地用仿生芯片重現(xiàn)了在人體脂肪組織中觀察到的血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙。脂肪組織引起的脂肪炎癥反應(yīng)增加會(huì)激活血管內(nèi)皮細(xì)胞并增加脂肪中免疫細(xì)胞的數(shù)量。這些病理特征可以通過仿生芯片中約兩倍高的免疫細(xì)胞附著來觀察。

研究團(tuán)隊(duì)還利用仿生芯片對肥胖與癌癥的關(guān)系進(jìn)行了研究，證實(shí)在肥胖的情況下，癌細(xì)胞的流動(dòng)性和對組織的附著量翻倍。由此表明，脂肪組織和癌細(xì)胞之間的直接相互作用可以很容易地可視化和量化。

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。


1、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(jí)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(tái)，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。

生物芯片也被稱作“微控流芯片”，它是一種由數(shù)百萬個(gè)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(shí)縮小，然后把需要整個(gè)實(shí)驗(yàn)室完成的一套流程集中到小小的芯片上。

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。


2、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。

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。

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(dòng)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(jí)及以下體積的微液滴，或者驅(qū)動(dòng)微液滴運(yùn)動(dòng)。

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(jí)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(gè)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(dòng)物。

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(gè)小分子，檢測它們中是否有任何一個(gè)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(gè)，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。

同時(shí)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）。


3、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。

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(gè)學(xué)科的知識(shí)，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(huì)面對問題。

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%。

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。

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(shí)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。

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(shí)加速發(fā)展體外診斷儀器、設(shè)備、試劑等新產(chǎn)品，推動(dòng)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。

雖然無論是國內(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?，更多的是醫(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(gè)潛力無限的市場，更是一項(xiàng)為國為民的偉大事業(yè)。