DNA芯片来势汹汹
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2010-10-14 00:00
前言:
标靶疗法,造就癌症的几乎可治愈年代;而DNA芯片应用于乳癌的预测检查服务,2007年2月也获得美国FDA美国食品与药品管理局的认可,能够开始销售。DNA芯片的风向已经从研究用途转入实用化的市场。而DNA芯片必要仰赖半导体微细化技术与材料科学等电子技术。DNA芯片不仅跨及医疗,也适用于食品安全应用与环境应用。数字康健(Digital Health)与绿色电子(Green Technology)也该都是后IT产业的新兴工业,是电子暨半导体厂商累积过去技术,可发挥的产业。也有可能是手机的最后应用─成为个人健康的守护神呀!
之前台湾地区卫生署公布平均每8分钟15秒就有1人罹癌,每15分钟就有一人死于癌症,这还是2005年左右的数据。癌症罹患率从以前的数小时到当前的个位数,时间还在缩短中;阁下您会惧怕吗?不怕,才怪。
“癌症”目前还是导致人类死亡的第一大敌。担负着克服癌症重任,也许有机会基于半导体微加工技术的DNA芯片。对此观点,就算心中有个问号也没有关系,此处仅就DNA芯片的根本概念与产业进展,作个详细的旁观解析。
DNA芯片是什么东西?
先来看一看DNA芯片究竟是什么玩意儿。
DNA是“Deoxyribo Nucleic Acid”三个英文字的缩写;翻成中文就是“脱氧核糖核酸”。持有生物遗传信息的化学物质,两条链结呈现逆方向的二重螺旋状构造。DNA与组蛋白质(Histon)等卷绕成的构造,就称为“染色体”。(图3)
DNA的基本单位,称为“核苷酸(Nucleotide)”,由磷酸、糖、碱基三部分所构成。DNA中完成遗传角色作成蛋白质称作遗传基因。DNA的链结由A、G、C、T四个碱基排成。其中,“A与T”、“G与C”会氢结合形成两条链结。而利用这个碱基氢结合的部件,就称为”DNA芯片”。将预先已经了解碱基配列的一条链结固定在基板上,仅有持有对应的碱基配列DNA链结会结合,反应检体。如此可以用来碱基配列不明DNA的解析,或特定病症有关系DNA存在血液中与否的判别等应用上。
话说约在公元2000年前后,DNA芯片才建立了市场的启蒙时间点。2010年间很有机会将DNA芯片的市场从研究用途转向产业规模上的应用上。主要的关键是各个研究机关、公司与学院,在实验用途的冗长历程中已经确立了,该是可以进入实用化的阶段了。
尔后,医疗现场的诊断工具(医疗/健康或个人健康守护)、食品的安全性检查(毒奶粉事件大家该不会忘怀吧)、环境分析(土壤的问题解析)甚至海关/公共场所的保全(防止生物恐怖袭击)等用途阶段的展开,已经来临。这个变化,也因而转变了DNA芯片开发的风向。
注:cDNA是互补DNA。RNA(Ribonucleic acid)核糖核酸。DNA是双链,RNA是单链。曾经看过一个比喻,想象DNA是一部电影的胶卷,RNA是放映的设备,而蛋白质便是一场声色俱佳的电影!说的真好。
以研究用途为中心的DNA芯片市场上,向来是美商Affymetrix、美商Agilent Technology(以喷墨技术作成DNA芯片是其强项)等先走在前面之公司所独占。加上lllumina三家公司就占掉80%~90%的市场占有率。要命的血滴子-专利议题,也多是把持在他们的手中。
然而,当转向产业上的用途时,市场规模展开的业界构图,就有可能彻底翻新喔。新进厂商要参与的机会大增。理由不外乎市场规模呈现几倍速的扩大以及性能要求变化的因素。2000年开始的研究热潮告一段落,市场规模的大饼增大。多数的DNA芯片厂商,共同认为当迈入产业用途之后,可以期待是两位数或三位数的成长。
在性能要求方面,与研究用途有所不同。产业用途需要更进一步小型化、高速化、自动化、低价化、高再现性以及高感度化的要求。从来尚未存在的市场开拓空间已经形成;毕竟,研究用途的DNA检验需要某种密度以上,这些是Affymetrix拥有的专利,在实际医疗用途的场合,密度稍低并不碍事,不会抵触到既存的绵密专利地雷区。而且,DNA芯片需要高超的半导体精细制程以及材料科学等电子技术。
扭转美国势力独占的变色,起始于日本厂商。目前正积极于想夺有产业用途的主导权。当然,觊觎这个市场绝非局限于美商日商。荷兰的Agendia公司所开发的”MammaPrint”,系针对乳癌患者,预测检查的服务。手术切除的癌组织的DNA状态,使用Agilent公司的DNA芯片来解析70个遗传基因的状态,能够调查出癌细胞的转移、再发可能性的高低等。2007年2月获得了FDA美国食品与药品管理局的认可,能够开始在市面上销售。
此FDA的销售认可对于产业用途来说,可以说是开启风穴的重大里程碑。日本厂商也感受到危机感的意识极为强烈,该国生物芯片业界团体”Japan MicroArray Consortium”公会就如此公开宣示。
而针对产业市场进攻的日本厂商急先锋,当属东芝(Toshiba)公司。该社开发DNA芯片用于子宫颈癌原因之HPV(Human Papilloma Virus)型的体外判别诊断药。2007年6月药剂申请。(正确来说该是由东芝、积水医学、东芝Hokuto电子等三公司共同开发。)对该公司来说,是首次的药剂申请案例。东芝这一步,是朝向感染症、癌症,药的效用、副作用的诊断为对象来开发DNA芯片的实用化。其视野是期望在2010年能够培育出数10亿日圆~100亿日圆的市场规模。
注:东芝终于在2009/7/30,取得当国卫生部药剂认可。HPV系引起子宫颈癌的原因之一。
继HPV型判别为开端,下一步则是采用独自开发“电流检出型”的DNA芯片。它是利用电流来检出DNA结合的方式。
物质材料研究机构NIMS( National Institute for Materials Science),也是利用电流检出的方式开发DNA芯片,其基本概念是伴随DNA结合的密度变化,藉由电场效应来检出。NIMS于2007年1月25日发表缔结协议,与比利时IMEC共同协力来开发,这是想结合NIMS的材料开发技术与IMEC的半导体微细加工技术的优质组合来达到1加1大于2的效果。
注:NIMS物质材料研究机构是基于“Nanotechnology Driven Materials Science for Sustainability”的理念而进行开发之研究所。
美商Affymetrix所提供的DNA芯片,到目前为止仍旧是研究用途的利用,采“荧光检出型”或称“MicroArray型”的方式。将欲调查DNA付与荧光标识,与芯片反应后,照射激光来确认荧光之有无、位置,判别与DNA结合的状况。东芝的观念,以为大规模的荧光标识工程既复杂又耗时间。主张在实际的产业用途上,便宜又迅速的方案才是王道。若是采用“电流检出型”的方式,根本不需要雷射等光学系统,检出的装置构成会比较简素。实际上,东芝所开发的装置真的很小巧,可以放在桌子上,处理时间从反应开始到结果判定,约10~60分钟的光景,很短的等待时间,是病人或检验人员相当能够承受的范围。
注:东芝早在2001年10月,就利用电流检出方式开发量身订做(Tailor made)C型肝炎诊断用的DNA芯片。
2008年8月,松下电器(松下与National、Technics等均已经更名为Panasonic一统化)发表开发DNA解析系统,目标5年后进入实用化。该社是与甲南大学共同合作,也是采用电流检出DNA结合的方式,不过是运用其独特的技术。与东芝最大的差异之处,在于探针调查(Probe)用之DNA并没有固定在基板上,其主张是固定于基板需要使用金(Au)电极,费用较高;而其独特的秘方技术就更为便宜。
像东芝、松下这些在电子领域成绩斐然的厂商,皆是活用其过去累积保有的独特核心电子线路或半导体技术来开发富有魅力的产品。电子厂商在过去数十年来累积了半导体制程、材料科学、微细加工、MEMS微机电、量测与检知技术、传感器部件、IT解析等丰富的信息技术,只须找必要的医疗/医学厂商合作,进入DNA芯片的开发就快速多了。
在电子机器量测的厂商方面,由于累积多年的计测“Know-how”,对于这方面的产业商机丝毫也不放过。以横河电机(Yokogawa)为例,在2007年6月就完成了整合型卡匣DNA解析系统μTAS(micro total analysis system)的动作检证。目前正在做再现性、使用方便度以及缩短解析时间等细节上作最后的润饰。
仪器量测厂商的Know-how,进入检知装置似乎特别风顺。若是采用“荧光检出型”,开发多光束(Multi-beam)一回读取复数的荧光方式,就无须XY轴阶段移动的机构,实现小型化、低价、低振动、低噪音,才是符合医疗现场之需求。
在光盘材料、加工技术应用颇有心得的Toray公司(以先端材料闻名于世),就活用自社的技术进行开发高感度的DNA芯片。采用立体构造的树脂基板,来实现高感度的目标。依据Toray的说法,若是与光盘的微细构造来相比,实在是简单的技术。DNA芯片世界的性能改善,丝毫不困难。
高感度带来怎样的好处呢?第一,微量的检体也能够检查出来。第二,无须DNA增幅的处理。通常,从检体抽出的DNA经过增幅后,用DNA芯片来检出。知名增幅的PCR(Polymerase Chain Reaction)法,于1986年发表,开发者Kary Mullis也获得了1993年诺贝尔化学奖。于2006年6月,Toray将此研究用途的DNA芯片经由材料加工技术商品化,高感度特征就是其迈向产业用途的威猛武器。
2007年5月,Toray与松下(旗下的环境空调工程公司、Ecosystem公司)开发污染物质分解微生物検出用超高感度DNA芯片,可以说是低价、环境低负荷的土壤、地下水净化的有力工具。与传统的方案来比较,约有100倍的感度,一个DNA芯片可以同时检出22种类挥发性有机物、VOC分解微生物。
半导体零件知名制造商STMicroelectronics利用该公司喷墨头(Inkjet Head)的术,开发微细流路的DNA芯片。芯片内整合了PCR的增幅机能。2008年3月发表与Veredus laboratories协力开发高速检知流行性感冒病毒的携带型系统“VereFlu”。透过“VereFlu”的分子诊断检查,高精度、高感度检知病原体。2个小时内就可以得知病原体的遗传基因信息。
2007年7月23日,大日本印刷发布与东京大学共同利用MEMS技术开发微流路芯片;在硅基板上形成微流路与凹下处之样式(Pattern),可以用来蛋白质或是新药的机能解析。2008年7月成功地在8吋晶圆上形成四种不同种类的流路样式。
2008年3月18日,日经产业新闻报导,新型DNA芯片由东芝公司、警察厅科学警察研究所和带广畜产大学大动物特殊疾病研究所成功研制出一种DNA芯片,能同时检测出炭疽菌等20种病原体。这种芯片技术由已经在医疗领域进入实用阶段的DNA检测技术转化而来,只需放少量可疑粉末或液体到芯片上,就可以在几小时内完成多达20种病原体检测。现有的检测方法需要在实验室中逐一分析病原体,检测多种病原体需要花费好几天的时间,不适于在机场等公共场所进行防止生物恐怖袭击的检查。
2008年5月28日,东芝发表与财团法人实验动物研究所共同开发了引起胃炎、十二指肠溃疡,胃癌之幽门螺旋杆菌判别DNA芯片。可以早期发现微生物的污染。
电子信息产业跨足DNA芯片领域的门坎
列举了这么多实际的案例。我们就认真来探讨为何有许多拥有深耕技术的电子厂商会裹足不前,徘徊烦恼。其实,电子信息产业要一脚跃进这个领域还存在着三个门坎呢!
其一,认可认证的风险不明。比如说,有开发蛋白质芯片能力的Omuron,对此不了解,唯有在展示会出展寻求伙伴协力的机会。而东芝则是与积水制药(医学)协力药事上的申请。要打破这个壁垒,唯有找寻合适的异业伙伴,对于医药、食品、环境等申请的Know how要确实把握,审查要花费的时间也要多少认知才行。
其二,诊断以外的领域应用尚未开拓。比如说,食品、环境领域等,也都尚未非常明确,非医疗的市场可以说还在摸索当中。
其三,没有任何的规格标准存在。试料的抽出法、操作的步骤,都没有共通的业界标准。缺乏这个共通的标准,彼此系统间的参照很困难,信赖性会起疑虑。还好,2007年10月设立的Japan MicroArray Consortium,就是针对产业用途的课题力求标准化。
注:分子通信是NTT Docomo于2008年3月发布成功的试验,为了与当前的电磁波世界有所区分,创造了这个新名词。分子通信是融合了通信工学与生化学的跨领域,利用生体分子来传送信息,没有外来的电源与控制,是自律动作。
具体地说,两条DNA锁结合反应,利用一种Kinesin机动蛋白质的移动机能。
当然,NTT Docomo的视野,绝不是踏入生物领域而是瞄准未来手机搭载生物芯片,利用DNA通信来达成诊断的终极目标。唉! 手机真的不知道会进化到何种程度,会不会不久又来个人工智能呢?
2008年12月底,日本产业综合研究所开发利用导电性钻石(Diamond)的NDA检出技术。据称提高感度两位数以上。
DNA芯片在分类上不属于药品,而是医疗器件。日本人以为DNA芯片是日本厂商能够致胜的技术领域,其应用范围能覆盖全球人类。因此,只要控制这一块领域,产生的影响将是巨大的。我们是不是也该多多深思呢?
就生物产业来说,DNA芯片是先行事例。还有蛋白质芯片或再生医疗iPS细胞(induced pluripotent stem cells、人工多能性细胞)的领域,有待电子信息业者的加倍速努力。DNA芯片之所以能够先开跑,乃因DNA是安定物质,容易应付。蛋白质是不安定,就比较棘手。
总之,全球的半导体厂商和电子厂商不妨向这一领域全面出击。毕竟,Bobo族还有什么各种鸟花样的新贵,是二次世界大战后最为富裕的一群,有钱的怕失去、怕死呀,商机无穷。