湖北省生物芯片技术 研究开发及产业化对策 主 讲 人： 于 军 教 授 华 中 科 技 大 学 生物芯片研究开发中心 2000年12月10日

生物芯片技术的研究开发及产业化对策 生物芯片诞生的划时代意义 国内外生物芯片的研究进展 我省生物芯片技术优势、产业基础及在国内的地位 生物芯片研究开发的目标 产业化前景分析 产业化对策及建议

生物芯片诞生的划时代意义 世界普遍认为：“21世纪将是生命科学的世纪”，“生物芯片将象计算机芯片一样成为新世纪即将来临的又一次高新科技革命的奠基石”。 计算机芯片诞生给人类带来的冲击 生物芯片给医学和生命科学带来的革命 即将来临的国际医学网 生物芯片的科学价值

计算机芯片诞生给人类带来的冲击 1946年 世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国 宾夕法尼亚大学问世 1947年 美国电报电话公司贝尔实验室的三位科学家 巴丁、布莱顿和肖克莱研制出世界上第一只 半导体晶体管（Transister） 1958年 美国硅谷快捷半导体公司 (FairchildSemiconductor Corp.)研制出世 界上第一块集成电路IC

计算机芯片诞生给人类带来的冲击 1971年 英特尔公司研制出了世界上第一块将运算器和控 制器集成一体的微处理器芯片 1971年 英特尔公司研制出了世界上第一块将运算器和控 制器集成一体的微处理器芯片 1994年 国际因特网问世，为人类的生活开辟了崭新的空 间

生物芯片给医学和生命科学带来的革命 1991年 美国 Affymax 公司开始研制生物芯片 1992年 美国 Affymetrix 宣告成立——世界上第一个生 物芯片专业制造厂家 1996年 Affymetrix 公司的基因芯(检测p53、p450、 BRCA1/BRCA2 等基因突变)片产品首次投放市场

生物芯片给医学和生命科学带来的革命 1998年 美国Nanogen公司程京博士领导的研究小组在世界 权威学术刊物《Nature Biotechnology》报道了 世界上首例缩微生物芯片实验室 1999年 美国Motorola公司推出生物芯片系统 2001年 本世纪三大计划的最后一项计划――“人类基因组 计划”将在2001年提前完成

即将来临的国际医学网 将缩微生物芯片实验室、远程手术、多语言病历档案和医疗保险登记与环球通讯系统有机地结合到一起，使人们可以在远离自己居住地的地方旅游、出差，而同时又可以随时接受医疗、保健服务。这将使我们的生活空间再次得到拓展。

生物芯片的科学价值 利用基因芯片技术，可以寻找基因与疾病的相关性 (2) 可以实现对待测基因群和相关疾病的快速、准确和 简便的诊断 (2) 可以实现对待测基因群和相关疾病的快速、准确和 简便的诊断 (3) 开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性研究， 可以同时监测千百个基因，甚至全部基因

生物芯片的科学价值 (4) 可对与环境污染因素相关的基因全面监测，对生态 环境控制及人口健康有着十分重大的意义 (5) 生物芯片技术还可不断延伸、创新，开发出相关的 药物芯片、蛋白质芯片、细胞芯片等生物芯片 (6) 生物芯片系统与国际医学网的结合将使远程治疗技 术走向实用化、大众化

国内外生物芯片的研究进展 96年以来，美国、俄罗斯、英国、德国、日本、荷兰、加拿大等国家的政府、著名公司和大学已先后投资二十多亿美元用于生物芯片的研究开发。

国内外生物芯片的研究进展 公司名称 建阵方式及材料 标记方式 应用领域 Affymetrix (Santa Clara, US) 单片照相平板印刷法，合成20～25mer寡核苷酸， 硅片 荧光 表达检测、多态性分析、诊断 Brax (Cambridge, UK) 短合成寡核苷酸，离片合成 质谱 分析、表达检测、新基因识别 Hyseq (Sunnyvale, US) 寡核苷酸、cDNA，玻璃、薄膜 同位素 表达检测、新基因识别、测序 Incyte Pharmaceeuticals (Palo,Alto US) 喷墨式打印PCR片段和在片合成 MolecularDynamics 笔式打印 ,cDNA,玻璃 表达检测、新基因识别

国内外生物芯片的研究进展 公司名称 建阵方式及材料 标记方式 应用领域 Nanogen (San Diego US) 电活性捕捉，寡核苷酸，硅片 荧光 诊断、短序列重复识别 RoPtogene Laboratories (Palo,Alto,CA) 打印， 在片合成，寡核苷酸，玻璃 表达检测、多态性分析 Sequenom (Hamdurg,Germany and San Diego, US) 背面胶印 质谱 新基因识别、诊断 Synteni (Fremont, US) CDNA， 打印玻璃 表达检测、新基因识别 German Cancer Institute(Hedelberg,Germany) 在片合成， PNA 荧光/质谱 表达检测、诊断

国内外生物芯片的研究进展 2000年3月，国务院决定：由国家计委和国家科技部直接领导、具体组织，由中央政府投入巨资(首期投资2.8亿元)，由技术优势单位：清华大学、华中科技大学、中国医学科学院、中国军事医学科学院等四家作为发起人和董事单位，联合创建了生物芯片国家工程研究中心、北京博奥生物芯片有限公司,主要承担国家级生物芯片研究开发项目。

我省生物芯片技术优势、产业基础及在国内的地位 概述 我校生物芯片前期研究工作 我校现有主要仪器设备 产业基础及国内地位

我省生物芯片技术优势、产业基础及在国内的地位 我省现在开展生物芯片研究开发的主要技术优势单位有： 华中科技大学 武汉大学 华中农业大学 中科院武汉病毒所

我省生物芯片技术优势、产业基础及在国内的地位 华中科技大学98年底开始生物芯片研究工作，华中科技大学生物芯片研究开发中心由微电子技术研究所、MEMS技术中心、生命科学与技术学院、同济医学院分子生物学中心、环境卫生系、中－加联合肿瘤早期诊断中心、肝病研究所等相关学科的研究人员组成。具备了集成电路设计、微电子及MEMS加工、探针制备与交联、芯片检测及分析、系统CAD、CAM、临床诊断等技术优势。

我省生物芯片技术优势、产业基础及在国内的地位 华中科技大学生物芯片研究开发中心现有近20名具有博士学位的教师，其中35岁以下的青年教师占教师总人数的三分之二以上。已经形成了由博士生导师、教授、副教授、博士后、博士生、硕士研究生组成的研究开发梯队，总体学术队伍层次和年龄结构都比较合理。 而且，有从德国Max-Planck生化研究所、美国Genomic Solution 公司、香港大学、香港中文大学专门从事生物芯片及Si-MEMS技术研究的留学回国博士。

我校生物芯片前期研究工作 有关研究工作和成果在IBFT’2000会议上发表论文3篇、国内外刊物发表论文5篇 (1) 研制出检测肝炎(甲、乙、丙型)的10×10、1K阵列 原型 DNA 芯片 (2) 研制出用于基因诊断的8×8、16×16阵列原型蛋白 质芯片 (3) 采用32P 同位素标记杂交法，研制出检测肝癌细胞 的DNA原型阵列芯片

我校生物芯片前期研究工作 (4) 在硅、玻璃等基片上进行了DNA探针阵列三维微结构的版图设计、微电子MEMS工艺加工，研究了硅各向异性腐蚀、干法等离子刻蚀和终点控制技术，制作了用于无标记检测的DNA阵列微结构 (5) 在硅基片上，进行了局部微阵列结构的隔离及子系统单元的CAD设计和Si-MEMS加工，包括过渡层、牺牲层的选择及制备 (6) 在硅、玻璃、聚合物等基片上，引入活性基团，实 现了基片表面的可控羟基化和氨基化，解决了基因芯片表面修饰、加工的一个关键技术问题

我校生物芯片前期研究工作 (7) 研究了硅-硅、硅-玻键合技术,进行了毛细管阵列设计及工艺研究、PCR芯片的设计与微电子MEMS工艺加工 对cDNA片段和寡核苷酸片段的随机缺口标记、末端标记制备探针的技术进行了实验研究 获得HBV基因组DNA克隆、HCV、HDV全长cDNA克隆、 HGV、HEV及TTV基因组cDNA片段的克隆，解决了基 因芯片联合检测中肝炎病毒基因探针制备的来源

我校现有主要仪器设备 3英寸集成电路工艺线 1条 准分子激光微加工系统(美国Resonetics) 1套 3英寸集成电路工艺线 1条 准分子激光微加工系统(美国Resonetics) 1套 MRC-1024型多光子激光共聚焦显微镜(Nikon TE300)(美国) 1台 荧光CCD图象检测系统及图象处理软件(LASEP Shonp)(美国)1套 Light Cycle荧光定量PCR仪(瑞士) 1台 PCR仪(德国) 2台 DNA合成仪(Cruachero)(美国) 2台 毛细管电泳仪(美国) 1台 网络分析仪(HP3577A)(美国) 1台 存储示波器(HP Infinium 54810A，HP5600A)(美国) 2台 电路模拟仿真系统(PSPICE)(美国) 1套 集成电路设计软件(Cadence)(美国) 1套 Sun工作站(美国) 20台

我校现有主要仪器设备 超速冷冻离心机(日本) 1台 精密显微镜(DIALUX20)(德国) 1台 超速冷冻离心机(日本) 1台 精密显微镜(DIALUX20)(德国) 1台 微电流测试仪(ZC-36、ZC-43)(国产) 2台 阻抗分析仪(HP4192A)(美国) 1台 表面贴片机(HAIR-810A1)(国产) 1台

我校现有3英寸集成电路工艺线 超净室(最高100级) 300m2 制版系统(BYZ-2) 1套 光刻机(CA860)(美国) 1台 镀膜机(3BC-6SA)(日本) 1台 电子束蒸发台(EBV10)(日本) 1台 磁控射频溅射台(SPF—430H )(日本) 1台 双管3′氧化扩散炉(国产) 3台 PECVD(德国) 1台 LPCVD(国产) 1台

产业基础及国内地位 我省高新科技企业中的生物科技企业 红桃K集团股份有限公司 道博集团股份有限公司 春天股份有限公司 人福科技股份有限公司 华工科技股份有限公司 ………

产业基础及国内地位 从生物芯片研究开发的总体实力上看： 北京、上海、武汉三市同处于国内前列。我市可直接或间接依托和借鉴国家生物芯片工程研究中心的技术资源、市场信息资源等，发展具有湖北省自主知识产权的生物信息产业。

生物芯片研究开发的目标 近期目标(2001～2002) “十五”目标 长期目标 传染性疾病(肝炎)诊断与检测DNA芯片

长期目标 (1)中/高密度微阵列基因芯片 寡核苷酸芯片 基因表达芯片 蛋白质芯片 细胞芯片 建立与疾病诊断和环境食品监测相关的基因文库， 用于各种疾病诊断、环境监测和食品检验。 (2)集成生物芯片 微过滤器与微反应器集成芯片 PCR及毛细管电泳分离检测集成芯片

长期目标 (3) 药物芯片及配套技术 用于新型药物设计、天然及人工合成药物超高通 量筛选及鉴定。 (4) 可植入人体的体内芯片 用于新型药物设计、天然及人工合成药物超高通 量筛选及鉴定。 (4) 可植入人体的体内芯片 用于对人体内部各种异常表现或病症进行实时监 测、治疗、远程监护。 (5) 生物芯片的高保真检测分析系统 重点研究可普及的便携式生物芯片阅读系统。

产业化前景分析 生物芯片的研究开发及产业化，将对疾病诊断、药物筛选、人口优生、农作物优选优育、商品检验、食品监督、环境监测与治理、司法鉴定乃至于国防、航天等众多的领域带来革命性的影响。 不完全调查获得的统计结果

不完全调查获得的统计结果 1996年 2001年 芯片实验室 53．9亿美元 65．6亿美元 研究和基因组工具 20．3亿美元 32．0亿美元 传染病 31．0亿美元 43．0亿美元 遗传学检验 5．0亿美元 20．0亿美元 司法鉴定 0．5亿美元 0．8亿美元 总计 110．7亿美元 161．4亿美元

产业化前景分析 据专家预测 从世界范围来看,每年用于疾病诊断的费用支出约1800亿美元,在今后的五年里，实用型基因芯片的市场销售将达到200亿美元左右。 国内市场实用型基因芯片的年市场销售 达50亿人民币以上。 武汉市、湖北省基因芯片的年市场销售至少可占国内市场十分之一以上。

产业化对策及建议 (1) 抓住机遇，系统组织，集中资金，加大投入，强强联合，优势互补，发展具有我省自主知识产权的生物芯片技术与产业，同时培养一批高素质的专门人才。 (2) 将生物芯片技术列为湖北省“十五”重大科技计划项目 建议总投资500万(可分批投入) (3) 由政府和优势企业共同投入，建立湖北省生物芯片工程研究中心和产业化生产基地。 建议资金投入2亿元(可滚动投入)

用于无标记检测DNA阵列微结构

DNA阵列三维结构

阵列单元剖面图

检测肝炎DNA芯片 10×10 阵列 1k 阵列

蛋白质芯片 8×8 阵列

蛋白质芯片 20×20 阵列

Electronic Concentration and Hybridization DNA 探 针 Electronic Concentration and Hybridization

Electronic Addressing DNA 探 针 Electronic Addressing

Electronic Stringency Control DNA 探 针 Electronic Stringency Control

Motorola生物芯片系统