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第二代生物晶片–微流體晶片與蛋白質晶片

92/09/05 瀏覽次數 13165
生物體的生命現象是透過蛋白質來呈現的,各種不同的蛋白質則輾轉來自於去氧核醣核酸(DNA)及遺傳物質訊息核醣核酸(RNA)的表達。這裡面包含了生物體的所有遺傳基因,所以要了解生物的奧祕,當然得從儲存基因的DNA或RNA下手才行。

DNA是一種線狀的巨大分子,由四種不同的核草酸排列而成,並且是以二條線狀分子靠鹼基對將特定的一組核草酸相互結合,而形成一個雙股螺旋狀結構。如果我們有一小段DNA,事先將這段DNA上的分子加以放射處理或做螢光標誌來當作探針,一旦它上面的鹼基序列與待測DNA序列或訊息RNA形成互補時,兩者即可經由鹼基對吸引而結合,此一過程稱為雜交反應,此時待測DNA就會連上標誌,借助標誌上的螢光即可加以觀察。

第一代生物晶片

DNA微陣列晶片即一般所稱的生物晶片(biochip),自一九九○年代初期完成商品化,並由艾菲量測(Affymetrix)公司推出以來,對生化分析造成了革命性的影響。DNA微陣列晶片是利用微機電技術,將不同序列且已預為標記的核草酸片段,分別植入晶片中數以萬計小至微米見方的格子內,再與待檢測的核草酸片段進行雜交配對。利用各鹼基對間的特定對應關係,藉由顯微鏡成像技術觀察,即可從探針上已知排序的DNA片段推測已成功接合的待測核草酸片段的排序。

利用DNA的檢測工作,通常需經過數個操作步驟才能完成。傳統的陣列式儀器,需藉助具有機械手臂的模組操作微量滴管,並在不同的試劑或樣品容器之間來回移動,以完成檢測步驟。

靠著第一代生物晶片的幫助,許多生物如稻米、老鼠、人類的基因排序已陸續被解碼;此外,生物晶片的開發也朝著快速、單一化操作、大分子量分析以及高科技方向發展。

第二代生物晶片

為了簡化操作程序,於是開發出微流體晶片。微流體晶片的特點是將檢測程序中所需利用的種種元件,如混合反應槽、加熱反應槽、分離管道,與偵測容槽等,都集中在同一晶片上製作,再藉由外加電壓所產生的電滲流,或利用微小化幫浦或離心力等方式,驅動樣品或試劑在各元件間相連的微管道中移動,以完成檢測。這種一體成型的多功能晶片,也稱之為「實驗室平臺晶片」(lab-on-a-chip)。

此外,由於人類基因圖譜的定序工作已告完成,下一階段的生化分析技術發展重點,將轉向「蛋白質體」的鑑定工作。蛋白體是細胞受到外在環境的改變,而表達出的數千種特定的蛋白質產物。這些產物的種類與細胞原有的DNA序列,有著密不可分的關係。因此微陣列式的蛋白質晶片,也成為下一個晶片技術研發的重點。

以下介紹兩種已經完成商品化的新型生物晶片,即安捷倫(Agilent)公司的微流體晶片,與吉歐米克斯(Zyomyx)公司的微陣列蛋白質晶片的工作原理與基本應用。

微流體晶片

如同前文中所述,微流體晶片通常是利用電滲流驅動流體在連接各元件的微管道間移動,電滲流也常應用在DNA定序的毛細管電泳技術中。最早期的微流體晶片可溯自一九九○年代初期,由歐洲著名藥廠汽巴嘉基(Ciba-Geigy)(數年前已被諾華Novartis藥廠併購)研發部門安德烈.門斯(Andrea Manz)博士領導的研究團隊所發展出來的電泳晶片。

同一時期,美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory),麥可‧倫斯(J. Michael Ramsey)博士所主持的研究室,亦發展出相同的技術。一九九五年,倫斯博士將研發成果技術轉移至產業界,創立開立普科技(Caliper Technologies)公司,致力電泳晶片的商品化生產。經數年研發,並與前惠普公司儀器部門,即現今的安捷倫儀器公司,策略聯盟後,在一九九九年推出第一部微流體晶片儀器,稱為2100生化分析儀。

這種新穎儀器的構造與工作原理,與早期倫斯研究室發表文獻中所使用的電泳晶片儀相似。在大小如信用卡的晶片上,先以一般半導體元件製程中常使用的光蝕刻方法,切割出兩條十字型的微管道(寬度與深度通常為50至100微米)。並在管道的四個末端製作微小容器槽,管道上方再用另一晶片蓋上密合。

操作時,先在其中一個容器槽中注入樣品,然後施加電壓,利用電滲流將樣品引入並充滿其中一微管道,關閉原先電壓後,再在另一垂直方向的微管道兩端施加電壓,引發另一電滲流移動。兩條十字型微管道交會處的一小段樣品,會受到電滲流的驅動,在未充滿樣品的管道上移動。

樣品在電滲流驅動下,電荷性質相異的分子會有不同的移動速率,因此樣品中各個成分移動到管道末端的時間也有先後之別,故可將薄型電極片黏在靠近管道末端的管壁上,以電化學方法偵測。或者在覆蓋在上面的晶片上製作一透明視窗,引入光源後以螢光方法偵測。此外,亦有將樣品以微小導管引出晶片外,連接離子化介面裝置,將樣品轉換為離子後,再以質譜儀偵測。

安捷倫公司微流體晶片儀器,是以電泳方法分離DNA樣品後,以螢光技術偵測。操作時,只需將樣品與試劑加入晶片上指定的樣品容器槽中,再將晶片置入儀器內大小有如CD-ROM的插槽中,儀器即會自行操作、檢測,並完成數據分析。它在新藥開發、臨床醫學檢測與鑑識科學上,都有廣泛的用途。

蛋白質晶片

利用微陣列晶片檢測DNA片段的觀念,亦可應用於蛋白質的檢測。因此,蛋白質微陣列晶片的設計與製作,與DNA晶片頗為類似。先將成千上萬種蛋白質植入固定在數微米見方的格子中,檢測樣品中的各種蛋白質,會與固定在微陣列的特定蛋白質反應。如同DNA微陣列的偵測方法,樣品中的蛋白質已事先以螢光官能基標籤以便呈色。再使用顯微鏡放大成像,完成偵測。

蛋白質之間的反應,通常是利用抗體與抗原之間特殊的辨認機制來完成,此與DNA片段利用各種鹼基對之間特定的對應關係決定序列不同。到目前為止,對於所有關於疾病發生與進展的蛋白質,其抗原對抗體的辨識反應並非都已充分了解。此外,這些抗體的合成與純化技術,亦非完全純熟。因此,必須等到抗原蛋白質研究與抗體製備技術獲得突破性進展後,微陣列蛋白質晶片的技術才會廣泛應用於多種新藥的研究上。

除了上述以吉歐米克斯公司為代表所生產的微陣列蛋白質晶片外,另有利用其他工作原理來測定蛋白質的晶片裝置。例如美國賽福基因(Ciphergen)公司所開發,利用基質輔助雷射脫附法的質譜儀技術來鑑定蛋白質結構的晶片,或是瑞典國際必亞擴(Biacore International)公司的產品,利用表面電漿共振的微流體蛋白質晶片。

結合奈米科技的生物晶片

繼DNA微陣列晶片技術對生化分析產生的深遠影響後,各種新一代晶片裝置的研發工作,有著日新月異的進展。微流體電泳晶片與蛋白質微陣列晶片是最具代表性的兩項新技術。微流體電泳晶片雖有較成熟的進展,應用上仍多以DNA定序相關技術為主。蛋白質微陣列晶片的實用性,亦有待進一步突破。近年來有越來越多科學家將奈米科技應用在其他新型生物晶片的開發上。可預期在不久的將來,其進展必將突飛猛進而有更多新型生物晶片問世。
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