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迷你再迷你的實驗室-生物晶片

110/09/30 瀏覽次數 70

1997 年好萊塢科幻電影《千鈞一髮》劇中,主角們上班時通過管制門,僅需指尖滴血,幾秒鐘就能識別身分。想窺探對方遺傳基因優劣,只要偷根頭髮臨櫃辦理,馬上就能知道結果,像到銀行領錢般容易。在 20 世紀末看這部電影彷彿是天方夜譚,但隨著生物晶片進入 21 世紀以後的快速發展,虛幻的電影情節逐漸成為現實生活的日常!

迷你實驗室建築概論

生物晶片顧名思義就是可以處理大量生物訊息的微小薄片,體積較大者像悠遊卡,也可以縮到指甲般大小。實在很難想像科學家如何讓這麼小的空間,卻能夠處理傳統實驗室可能日以繼夜才能完成的工作,把實驗室縮小再縮小,變成可以帶著到處走的微型實驗室。

想要打造生物晶片微型實驗室,必須有承載實驗室的平台,這塊迷你的固體材料可能是尼龍膜、玻璃片、塑膠片或矽晶片等,材質的選擇與建構在上面的微型實驗室性質及功能有關,依照建構特色大致分為兩大類:微流體型和微陣列型(圖 1)。

生物晶片的種類

圖一:生物晶片的種類。圖/國立科學工藝博物館

迷你實驗室導覽

微陣列型實驗室 (微陣列晶片)
結構較為單純,就像種植整齊的稻田般,看似整齊排列的每根稻子其實是實驗室的檢測單位。依照檢測物質不同,種在平台的檢測單位組成就不一樣,例如 DNA 基因晶片種的就是各式核酸探針,透過 DNA 與核酸探針雜交反應,辨識特定 DNA;蛋白質晶片,種的就是辨認蛋白質的抗原或抗體,經由抗原與抗體的專一性結合,鑑測不同特徵的蛋白質。

微陣列晶片的核心技術在於如何把不同性質的檢測單元穩固、整齊且高密度的建構在地基上,越準確且高密度的建構,越能提高實驗室檢測效能,透過密集排列的檢測單元,將傳統實驗室反覆進行的檢驗程序一次完成,不僅產出的檢驗量與資訊量大,更有效節省時間與人力成本。相較於微流體型晶片,微陣列型實驗室構造不僅單純,技術也較為成熟,是目前最普遍應用的生物晶片(圖 2)。

不同功能的微陣列晶片局部放大示意圖

圖二:不同功能的微陣列晶片局部放大示意圖。圖/國立科學工藝博物館

 

DNA晶片

蛋白質晶片

探針

單股DNA

蛋白質、胜肽或抗體

檢測

核苷酸配對

抗原與抗體配對

應用

技術較成熟

部分技術尚待克服

微流體型實驗室 (微流體晶片)
相對於微陣列型,微流體型實驗室建構較為複雜,外觀像座設計精美的庭園造景,擁有小橋池塘與蜿蜒流水,要做出這些流體通道就必須在迷你平台蝕刻出比頭髮還細的凹槽,還要設置幫浦控制液體流動方向,甚至安裝加熱設備,複雜的機關設置涉及技術範圍廣泛,包含微機電、電子與材料化學等,讓液體自動混和或分離,進行各種實驗程序,取代傳統實驗室的人工操作。

除了節省時間與人力,也可有效降低試劑與檢體使用量,利用微流體晶片測測傳染性疾病,更降低檢驗人員感染風險。實驗室可依照需求設計建築型態,可塑性大,應用範圍廣泛,從檢體處理到各式檢驗,甚至模擬人體器官運作。然而也因為微流體實驗室建構技術門檻較高,發展速度較慢,目前尚未被普遍應用(圖 3)。

微流體型晶片

圖三:微流體型晶片就像是微縮版的無人實驗室,全自動進行各種實驗程序。圖/國立科學工藝博物館

迷你實驗室的應用(生物晶片的應用)

生物晶片體積迷你、檢測速度快、耗費成本低的特色,成為生物醫學未來利器,現有應用以發展成熟的微陣列型較多,但微流體型卻是潛力新星,從科幻電影情節逐漸成為人類的生活寫實。

DNA微陣列晶片
能夠快速且大規模地檢測各種基因表現,技術發展相當成熟,已被廣泛使用。例如透過優生診斷檢測胎兒是否具有基因缺陷;檢測藥物對人體基因表現的影響開發新藥;經由基因鑑定診斷分析癌症或各種疾病高危險群;甚至運用在個人化醫療,幫助醫生精準對症下藥!

蛋白質微陣列晶片
透過抗原與抗體專一性結合的特性,檢測檢體內特定蛋白質的表現。已有許多簡易型蛋白質晶片被普遍應用,像是驗孕棒、流感或新冠肺炎快篩試劑,都是微陣列晶片。蛋白質晶片也常應用在動植物傳染病檢測,攜帶輕便與即時快速的特性,讓檢驗人員可以現在採樣立即得知結果,以高便利便提升防疫效率。

微流體晶片
利用微流體技術透過晶片實現無人實驗室的夢想,成為可以帶著走的行動實驗室。不但能夠模擬人類器官,也可檢視細胞生理狀態,對新藥開發與醫學研究助益頗多;臨床檢驗從最初的檢體處理到後端檢驗一次完成,應用範圍涵蓋疾病診斷、微生物檢測分型、血液篩檢,還可運用於環境檢測和食品檢驗等方面。微流體晶片就座夢幻島,挑戰科學家的想像和創意,只要想得到,開發得出來,就是實現夢想的基地。

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