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生物科技業

生物晶片
讓癌症檢驗比驗孕還簡單
▲小小的生物晶片,卻是協助人類基因研究的絕佳幫手
一個指甲大小的晶片,功能足以媲美一整間實驗室,覺得身體不太舒服?到藥房買一片生物晶片回家,就能知道身體大概出了什麼問題,生物晶片不會讓醫生失業,卻是協助醫生診療的好幫手。
撰文 / 張志誠

       當人類基因圖譜草圖在2000年完成初步定序之後,科學家對基因的瞭解愈來愈多,並嘗試解開基因與疾病之間的關係。由於超過6成的疾病都與基因異常有關,為了加速基因的篩檢,生物晶片就成為最佳的工具。
  生物晶片的特色在於體積小、反應速度快,能夠同時分析大量的生物資訊,所以很適合用來做為新藥開發、基因檢測、血液與疾病檢測、檢警法醫鑑定、國防軍事、環境監測、工業食品檢驗等用途。

不同於資訊半導體晶片
  究竟生物晶片和資訊產業的半導體晶片有何不同呢?華聯生技公司總經理邱創汎說,半導體晶片處理的是電子訊號,生物晶片則是以微型化的生化探針,來檢驗或處理特定的生物訊號與化學反應。
  邱創汎說,生物晶片是個統稱,可以概分成兩種:一種是包含基因晶片、蛋白質晶片、及其他生物感測功能在內的「感測晶片」(sensing chip),主要是在晶片中儲存許多資訊,用以進行檢測的「微陣列晶片」(microarray chip)。另一種則是包含檢體前處理晶片與實驗室晶片的「處理晶片」(processing chip),這是一種可以自動進行樣品前處理的「微流體晶片」(microfluidic chip),或可稱為「實驗室晶片」(Lab-on-a-chip)。

迅速獲致檢驗結果
  生物晶片的優點在哪裡呢?以癌症檢驗為例,雖然癌症高居10大死因的榜首,但為什麼有些人會罹患癌症,有些人卻不會呢?又是什麼原因讓一個正常的細胞,會不斷進行分裂呢?這時候生物晶片就是一個很好的分析工具。生物學家將正常細胞與癌細胞中抽取出來的DNA,混合在一片生物晶片上做雜交反應,舉例來說正常細胞表現較多的基因,會依照晶片設計的反應呈現綠點,而癌細胞表現較多的基因呈現紅點,正常細胞和癌細胞表現相同的基因則呈現黃點,技術人員只要觀察基因晶片的顏色反應,很快就能得到檢驗結果。
  微晶生技公司總經理曾驥孟表示,簡單地說,基因晶片就是將幾十萬個序列不同的DNA片段,以高密度的方點,點製在拇指般大的晶片上。研究人員可根據不同的研究目的,選擇不同的DNA片段固定在晶片上,來研究細胞內基因的表現。DNA晶片的問世,將開拓新藥物及醫療診斷帶到一個新紀元。用過去的方法,一次只能檢測一個基因的表現,但DNA晶片可容納無數的DNA片段,因而可以同時追蹤細胞內幾乎任何基因的表現。
  由於DNA晶片在基因檢測上,具有快速分析、準確率高、可以同時大量檢測基因等優點,因此生技界正在致力研發生產容易、準確度高的DNA晶片。

實驗室晶片有賴微型技術
  另一方面,想要讓實驗室晶片取代研究人員在傳統實驗室的工作流程,微流體技術(microfluidics technology)非常重要。必須在實驗室晶片上的適當位置,開出適當數量的儲存槽,然後在儲存槽間蝕刻出毛細管,讓微量液體能夠在毛細管中流動,使試液能按照實驗流程,一個儲存槽接著一個儲存槽地流動。如果沒有加以控制,僅憑著微電壓驅動微量試液流動,很可能發生完成步驟一之後,沒有流到步驟二的儲存槽,反而直接流到步驟四的儲存槽這類問題。這也是生技公司能否成功研發出實驗室晶片的核心技術所在。
  由於半導體晶片的生產技術,無法在實驗室晶片上蝕刻出穿梭連結各個儲存槽的毛細管,因此發展實驗室晶片的公司,都是以微型製造技術來生產實驗室晶片。加上實驗室晶片是屬於拋棄型產品,所以事前的設計非常重要,務求讓每個生產出來的晶片在進行化驗時,待測的樣品都能夠按照預測的路徑流動,一步步完成檢驗。

基因晶片發展較成熟
  以目前來看,各種生物晶片中,以基因晶片的發展技術較為成熟。相形之下,由於蛋白質的合成較DNA難,而且固定在晶片上時,蛋白質很容易發生結構改變,所以蛋白質晶片的製作技術,要比基因晶片來得困難。
  至於實驗室晶片,目前也是處於研發階段,少數的上市產品,也多半屬於市場測試性質,因此價格並不能真正反映真實的成本。
  根據研究單位BioInsights調查顯示,現階段生物晶片市場還是以基因晶片為主,預估到2005年時,全球生物晶片市場規模可達到9.5億美元,而且實驗室晶片的市場比重將逐漸增加。

醫療檢驗晶片的價格難題
  生物晶片的應用,大致可分成研究用晶片和醫療檢驗用晶片兩大用途。研究用晶片主要是提供給學術研究機構或藥廠,做為研究或開發新藥之用。根據研究機構的報告指出,研究用晶片有一定的市場量,即使是小藥廠,每年在研發新藥上,至少也要消耗上千片的研究用晶片,所以是一個穩定成長的市場。
  至於醫療檢驗用晶片,目前最大問題就是價格。檢驗試劑是醫院每天都要大量使用的醫療產品,而醫療檢驗用晶片,就是要取代目前種類繁多的檢驗試劑。若想讓醫院願意使用這些晶片,在價格上就得有競爭力,只有降低生產成本,才有可能打進醫療檢驗這塊市場。
  目前醫療檢驗晶片,仍陷於「產量少→價格高→需求量少→價格高」的惡性循環裡。但若以液晶顯示器產業為例,隨著生產技術成熟,會有愈來愈多廠商投入研發生產,製造出品質較初期好,良率也較初期高的產品;接著產量逐漸擴大,價格往下降,就能打破這個惡性循環。
  雖然邱創汎對未來生物晶片市場抱著樂觀的看法,不過生物晶片還是面臨「品質不穩定」及「產品單價高」的困境。此外,阻礙生物晶片商品化的原因,也和消費者的習慣有關,「一般人在心理上,還無法接受讓一片小小的生物晶片來決定自己的生與死,」曾驥孟說,在重大疾病檢驗上,病患即使以生物晶片檢驗後,通常還是會要求醫生用傳統方式再做一次檢驗,對醫病雙方而言,這都是非常沒有成本效益的。因此在可預見的未來,生物晶片市場還是以醫學研究檢驗為主。

生物晶片製造設備有商機
  台灣發展生物晶片的重心,一直都放在晶片本身,卻沒有想過朝製造生物晶片的設備發展,「台灣本身有非常成熟的精密工業技術,卻沒有人將這些不同領域加以整合,實在是非常可惜的事,」曾驥孟舉例說,製作生物晶片的精密探針都被國外廠商壟斷,不僅價格昂貴,而且使用幾次之後就不能再用了,他拿著探針到處接洽台灣的金屬加工廠商,後來一家台中的廠商經過研究後,試做了一大把探針供他試用。
  事後他問那家廠商,一把探針的價錢多少?廠商開價200元,曾驥孟心中一算,200美元折合新台幣7,000元,比買進口貨要便宜多了。他拿7,000元給那家廠商,對方卻退給他6,800元,「曾老師,不是美金200元,是新台幣200元!」,台灣精密加工業的技術與成本優勢,著實讓曾驥孟印象深刻。

要像驗孕劑那麼方便省錢
  未來想要讓生物晶片的市場大幅擴張,工研院副院長兼生醫中心主任李鍾熙認為,必須達到前處理方便、判讀簡易、準確性高、速度快、成本低等特性,才有商品化的價值。而且不需要附加太多功能在一塊晶片上,必須像市售驗孕劑一樣簡單方便,價格低廉,根據不同的篩檢功能,研發出不同用途的篩檢晶片,如此一來,自然就能發展出另一塊市場大餅。

 


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