結合生命與科技的黃金－生物晶片(中)

三、生物晶片（Biochip）

• 生物晶片（Biochip）的概念　

生物晶片（圖八）是指在玻璃、矽片、塑膠等不同材質上，利用先進的科技如微電子、微機械等工業技術來製成應用於基因工程分析的產品，為在微小面積上同步快速進行大量生化感測或反應的晶片，其作用對象可以為基因、蛋白質或細胞組織等。生物晶片技術的主要特點是具有高度的分析可信度及精確性、分析速度快，所使用的樣品及試劑少，卻可獲得整體性(平行化)的實驗數據，因此改變了從前研究人員終其一生只鑽研一種基因的研究方式。

而發展生物晶片的目的是把巨量生物訊息如DNA或蛋白質縮小貯存在一片晶片（如DNA晶片-DNA Chip或蛋白質晶片-Protein Chip），另一方面也可生物儀器微型化成為一片晶片（如實驗室晶片-Lab-on Chip），也就是說實驗室晶片是將目前造型頗大且過程繁複的檢驗機器利用微液晶片可以設計得像郵票一樣大小的一片晶片上。在這些晶片上，粘附著各種序列不同的DNA小片段，排列整齊成陣，二至三釐米的薄片可容納高達幾十萬個DNA片段。

圖八、生物晶片

資料來源：中興投顧，2001年6月

• Biochip的歷史　

生物晶片的概念起源於1980年代，應用生物分子於電腦晶片上，接下來一個重要的發展是 Manz及其伙伴在Ciba Geigy發展出第一件uTAS (micro Total Analytical System)。進一步則是由Affymax (Affymetrix的母公司)，應用半導體中光化學技術，合成寡核酸陣列。另一個重要的進展，是由賓州大學和Lawrence Livermore實驗室所發展出的微小PCR反應器。

目前Biochip的製作方式主要分成兩種方式，一是「光罩法」，另一種是「點樣法」，以下就分別介紹。

• 光罩法

利用半導體光微影製造技術（Semiconductor Photolithographic Fabrication Techniques），又可稱為光罩法。（圖九）

圖九、光罩法

資料來源：www.affymetrix.com，中興投顧整理，2001年6月

此技術仿半導體製程，生物探針直接在晶片上合成，將DNA的組成單元-含氮鹼基（A、T、C、G），如堆積木般地（20~25層），用連續光罩法置於一個小小的玻璃片上（圖十），稱為探針陣列（Probe Array）。也就是用此方法，可在一片玻璃片上，製造出數千或數萬個DNA或互補核甘酸cDNA（complement DNA）。

圖十、探針陣列合成過程

資料來源：www.affymetrix.com，中興投顧整理，2001年6月

利用「光微影製造技術」可瞬間合成已知的核甘酸序列在一個晶片的某個特殊位置上。「光微影製造技術」係利用光束照射晶片使其產生某種曝光型式（exposure pattern），稱做”Feature”，同時發生化學反應。

目前在每個微陣列上可製造出100,000 個 “Feature”，而每個 ”Feature” 可包含幾百萬條相同的單股DNA序列或是探針。

• 點樣法

主要是利用從病人的檢體或是其他的生物體抽取出的已知的互補核甘酸，然後將這些互補核甘酸點在晶片上。一般而言，在點樣法中，cDNA是有機物質，而不論玻璃或矽皆是無機物質，因此要將有機物質（即cDNA）點在無機物質（即玻璃或矽）上，勢必要在玻璃或矽上塗上一種介質，此過程叫為Coating（圖十一），而點樣法的點樣頭如圖十二。兩種方法的差異比較於表一。

圖十一、點樣法的Biochip側面圖

資料來源：中興投顧，2001年6月

圖十二、Microarray的點樣頭

資料來源：中興投顧，2001年6月

表一、光罩法與點樣法的差異比較

資料來源：中興投顧，2001年6月

• iochip的檢測原理

含氮鹼基（A、T、C、G）有一特性，即含氮鹼基A會與含氮鹼基T相連接（以2個氫鍵連接），而含氮鹼基C會與含氮鹼基G相連接（以3個氫鍵鍵結），因此在Biochip上，已燒錄進去含氮鹼基（A、T、C、G），且在燒錄的過程中，我們已知在chip上含氮鹼基（A、T、C、G）的順序，也因此當chip上的含氮鹼基會與受測試的含氮鹼基相接合時，我們即可以反推回去受測試的含氮鹼基順序，也因此得知DNA上的含氮鹼基順序（圖十三）。例如，在圖十二的最左側探針順序為GCATA，而受測樣品若與探針結合，則我們就可判斷受測樣品的基因片段順序為CGTAT。

圖十三、Biochip的檢測原理

資料來源：中興投顧，2001年6月

檢測過程如圖十四，放大在Chip上的鹼基（圖十四、N及O）來看，當外來的受測試的含氮鹼基（圖十四、P-右上角的受測試鹼基）放在Chip上時，若是能與Chip上的鹼基成“互補”，則會形成鍵結狀態（圖十四、R），若無法鍵結（圖十四、Q），則再繼續找尋可以鍵結的cDNA Probe，最後則可能形成游離狀態（圖十四、P）。若形成鍵結，則可以了解受測樣品的基因片段順序。

圖十四、檢測過程

資料來源：www.affymetrix.com，中興投顧整理，2001年6月

• Biochip的技術障礙 　

• 光罩法 　

在Biochip中的單一cDNA，所能擁有最多約20個核?酸直立於Biochip，主因是超過20個核?酸鍵結後，cDNA就會呈現彎曲，不再呈直線，

1. 也因此再用光罩法執行光罩過程時，並無法控制cDNA準確的連續鍵結。
2. 即使在製作完成，因cDNA呈現彎曲，因此對於受測樣品與cDNA的鍵結並不完全，可能影響實驗的準確性。

• 點樣法

在Biochip上的單一cDNA因是受到玻璃上的一層物質（Coating）而相互以化學鍵結連結在一起（圖十一），但cDNA可能並非只在Chip上接觸一點，可能一條cDNA平躺在Chip（圖十五、A）上，因此減少受測樣品與cDNA的鍵結面積，進而產生實驗誤差。但目前微晶生物科技公司已開發出可使cDNA直立於Chip上的技術（圖十五、B）。以直立的cDNA而言，增加鍵結的面積，而使得實驗結果更精確。

圖十五、點樣法的技術障礙

資料來源：中興投顧，2001年6月　

• Biochip的動力原理 　

Biochip是使用微小化高通量分析方式來進行生物反應的平台技術，主要在Biochip上受測試的含氮鹼基的動力原理分成：被動式晶片-以擴散方式使受測試的含氮鹼基能均勻分佈在Biochip上，以使受測試的含氮鹼基達到定位；主動式晶片-以直流電所造成的電場，而以電磁力產生的主動力來加速反應，使得含氮鹼基能達到Biochip上的定位來檢測。

• Biochip的檢測過程

以血庫血液篩檢為例，使用「微陣列晶片」，血液必須做前置處理，經過純化、核酸粹取、核酸複製放大、標示等步驟之後，才能在微陣列晶片上做雜交反應，最後用偵測儀器分析結果（圖十六及圖十七），因而只能在實驗室裡使用。相對的，「處理型晶片」則將實驗室中的前處理步驟放到晶片上來做，使用者只要直接將血液滴到處理型晶片上，就可以得知結果。目前微流體晶片的技術尚未成熟，全世界都還沒有商品問世，但可以預見的，這是未來晶片的發展趨勢。

圖十六、Biochip的檢測過程

資料來源： School of Medicine, Stanford University，中興投顧整理，2001年6月

圖十七、Biochip掃瞄後之結果

資料來源：中興投顧，2001年6月

四、Biochip的應用

首先Biochip的最早應用是在一九九一年波灣戰爭，美軍為了預防伊拉克發動生化戰，需要一種能大量供應部隊使用，快速偵檢多種生化毒性的試劑，因此Biochip的最早應用便應運而生。

生物晶片的潛力就如同今天發展成功的將龐大數量資料微縮數位化成體積相當小的空間使用，生物晶片未來將運用在生命科學並結合IC的運用，預估將擴展適用的範圍將非常龐大，未來的商機也將顯現。

至於目前最為廣泛的運用Biochip是在基因的分析，而分析的方向有基因的表現、基因的定序、基因多形性（Polymorphisms）的變化，除了對基因方面的研究，另外的應用有免疫反應分析、生物武器的偵測、臨床檢驗用途、藥物的篩選、法醫上的應用。以下針對上述各點應用加以說明。

基因的表現：部分的疾病通常牽涉到不止一段基因的變化，而是多數或多段基因的先後或同時變化，為了了解在病人和正常人體中的蛋白合成的差異，就必須要觀察不同時間點上這些多數基因的表現。而經由這許多時間點上基因表現的形式，研究人員可以去了解我們複雜的人體如何去產生各種不同類型的蛋白。基於這種需求，Biochip正可以大量且快速的檢測，以提供這種需求。

基因的定序：雖然人類的基因體計畫已完成，但仍需利用Biochip來定序其他物種的基因序列，例如稻米、豬，找出提高產量的基因或強化抗病能力或基因片段。而檢測原理與前述相同，也就是把所有可能的核醣核酸基的可能排列放在晶片上，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。

基因多形性的變化：所謂「基因多形性」的意義，就是指一段基因段在不同的人種（或族群）卻有不同的鹼基排列，即單一核醣核酸的個體差異(SNPs) (Single Nucleotide Polymorphisms)，在圖十八中，即可看出此兩段DNA中，大多數人類DNA排列（TCGACC）與少部分人類DNA（TCGTCC）-A與T的排列差異。此種一、兩個鹼基排列的不同，可能導致某種人種有特殊的先天遺傳疾病，例如亞洲人較易得的肝炎。利用Biochip即可快速又正確的檢驗出其間的不同。

圖十八、基因多形性

資料來源：中興投顧，2001年6月

免疫反應分析：利用抗原與抗體的互相結合之特性，而將抗原或抗體放在晶片上，以期用來做一些免疫反應上的分析。

生物武器的偵測：為了在戰場上可以快速、準確的檢定有害的生物武器，過去這幾年，美國國防部已經提供上百萬元的經費給一些生技公司，希望能找出一些對付生物武器的工具。但首先必備的是如何偵測和可攜式系統去檢驗有害的細菌，而Biochip就可以符合此要求。

臨床檢驗用途：可以節省檢驗時間，以結核病為例，傳統的細菌培養方式，因為結核桿菌十七個小時才分裂一次，大概要九個星期才能知道結果，但是，用生物晶片檢驗，只要四十分鐘。甚至可以把很多病原菌基因集中在一片晶片上，一次做很多病原菌檢驗。目前，台灣工研院生物醫學中心正在研發一次可以檢驗大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、腦膜炎雙球菌、肺炎等二十五種會導致發燒的疾菌基因製成一顆生物晶片。

藥物的篩選：人體基因定序所獲得資訊，對於新藥的開發，絕對有深遠的影響。特別是透過基因定序，可以讓新藥開發者，取得新藥開發的「目標基因」，使開發的新藥更能確證其療效，並降低在治療上所產生的副作用。只不過，過去新藥的開發時程，大多需要十年，預計在五年後要上市的新藥，多半是在五年前已開始進行的研究。由於人體基因定序是近期才完成，採用基因定序資料所進行的藥品開發，還在起步中，所以，現階段還不容易看到基因體的研究對製藥業的影響。但預估，在五年後，基因工程研究對製藥業的效益影響，就會慢慢浮現。屆時一些運用蛋白質或基因的資訊，所從事的大分子藥物，也就是抗體新藥的開發，因為比現有傳統的化學合成藥物的開發，更具體化，也就能省略現有一些藥物開發的步驟。而新藥開發的成本，會比現在一項新藥約需六至七億美元，有相當大幅度的縮減。如此，過去一些因為受到市場有限，藥廠不願意投入開發的「孤兒疾病」問題，應當也能獲得解決。對於藥物的毒理反應也可應用。因藥物的治療，主要是以藥物刺激細胞增加或減少分泌特殊的蛋白質（?或酵素），以達到治療的目的（圖十九、A）。但當增加或減少分泌時，不可避免的可能伴隨其他的毒理反應，輕則如過敏反應，重則可能導致人體的死亡，則可利用Biochip去了解何段DNA在投入藥物後，特別具有活性（分泌特殊的蛋白質而引起毒理反應），甚至可以再利用別種方法來阻斷其分泌（圖十九、B）。若新藥物所引起的毒理反應太大，則可能取消此藥物的繼續研發。另外值得一提的是，此毒理反應可能是在一連串的複雜反應而顯示的最終結果，因此若能在啟動這一連串的毒理反應之前就阻斷其起始反應，這也是Biochip的另一延伸。

圖十九、藥物的篩選

資料來源：中興投顧，2001年6月

法醫上的應用：在各刑案現場、醫學遺傳鑑定等其他應用，皆可利用Biochip來做為快速、準確且易於攜帶的工具。