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92年2月(第128期)

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生物晶片技術在動植物疫病害蟲診斷鑑定上之應用與未來


防檢局 張世忠˙呂斯文

一、前言

  生物晶片是採用微機電技術製備微小化裝置,來進行生物性之反應或分析,是生物技術中一項非常重要的技術。它可以用來大量的篩檢藥物、檢測病原體、處理血液、組織、植物等樣品、進行生化或酵素等反應、或分析生物體組成成分等,可在同一片晶片上可同時處理多種樣品並進行多個反應,技術層次甚高,勢將成為本世紀不可或缺的醫療檢驗及研究工具。世界各國近年來均投入鉅額經費進行生物晶片之研發,如中國大陸於1997年「香山會議」時亦決議投入大量人力物力進行生物晶片研發工作,相形之下,我國在此領域所投入研發資源益顯不足。

  生物晶片之研究領域甚廣,目前各國均著重於人類醫學及醫藥方面之研究,在動植物上之研究則相對較少,惟鑑於農業生產之重要性,以及未來全球畜牧及農園藝產業對動植物物疫病快速且準確之診斷鑑定需求,我國若能於此時積極介入此領域,將動植物疫病害蟲診斷鑑定生物晶片列為輔導重點,勢助於我國在全球生技產業市場上佔有一席之地。

二、生物晶片特點與功能

  生物晶片以微小化技術整合微機電、生物化學、醫學工程及分子生物學領域,應用重要性與日俱增。一般而言,生物晶片之特點包括

  1. 產製微小化,係利用微電子、微機械等工業技術來製成應用於生化分析的產品,其作用對象可以為基因、蛋白質或細胞組織等;
  2. 反應快速,分析靈敏度及專一性高,且使用的檢測樣品及試劑劑量少;
  3. 基於產製技術與樣品數量之微小化,生物晶片可平行處理多項生物檢測資訊,由一次實驗獲得整體性(平行化)的實驗數據,為一功能強大之生物技術平台。

  倘依功能用途來區分,可將生物晶片分為二大類:第一類為檢測型晶片(微陣列晶片),諸如基因晶片 (Genechip, DNAchip or DNA Microarray)、蛋白質晶片(protein chip, Protein array)。 第二類為處理型晶片,諸如微流體晶片 (Microfluidics) 及縮微實驗室晶片 (Lab-on-a-chip)。目前雖以微陣列晶片(Microarray)技術發展較為成熟,但就長期發展來說,縮微實驗室晶片將是最終目標。

三、生物晶片發展主流與重要種類

  生物晶片發展至今大體上可分二大主流︰

  1. 微陣列晶片︰係在微小面積的基質上種植高密度的生物探針,做為大量篩檢及平行分析的工具。微陣列晶片具備快速、方便、經濟、省時等特性,適用於大量基因表達、篩檢、及比對等研究,可以應用在病原體基因檢測、基因表現比較、基因突變分析、基因序列分析、及新藥物開發等領域。
  2. 微處理型晶片︰微處理型生物晶片可用來處理生物樣品、進行生物性反應、或分析生物體之工具。樣品前處理晶片可用來處理血液、組織、植物等樣品,減少人為操作時,可能產生的危險和污染;反應型晶片用來從事微量化有機化學反應、生化反應、或酵素反應;另外分析型晶片用來進行毛細管電泳或高速篩檢等反應。

  目前較重要之生物晶片種類包括︰

  1. 基因晶片︰基因晶片是指以共軛互補的核酸為探針,整齊的排列在晶片上,用以和具有互補序列的核酸片段產生雜交結合,藉此進行樣品檢驗或環境檢測等,在此網站上探針的定義是指被固定在晶片材質上的核酸片段,而標的則是指在溶劑中游離之核酸片段。依照晶片上探針種類又可分成寡核酸陣列 (oligonucleotides microarray)與互補核酸陣列 (cDNA microarray)。
  2. 蛋白質晶片︰以蛋白質為生物探針,整齊的排列在晶片上,進行抗原-抗體免疫反應,用以檢測蛋白質。由於生物體內之基因表現並不一定等同於蛋白質表現,絕大多數生物體外表均係為基因經過RNA修飾後所產生之蛋白質構造,因此蛋白質晶片的優勢是檢測時間短,且無須前處理過程,此項優勢亦促成新興的生技公司要積極投入蛋白質晶片產業之主因。
  3. 縮微實驗室晶片︰整合若干微管道及微反應器於一塊晶片上,以完成各種樣品處理、反應或分析檢測,功能類似一個實驗室之縮影。 依其功能可分成PCR晶片 (PCR chip)與毛細管電泳晶片 (capillarylectrophoresis chip)。

四、生物晶片之全球市場分析

  就產業發展而言,生物晶片在國際間仍屬於初期發展階段,惟其市場價值隨技術層次的提昇與產品持續開發已迅速提昇。由於生物晶片所涉及產業範圍包括IC產業的製程、高分子產業的材質、光電自動控制產業的影像辨識及自動控制系統、及生物技術產業等各項尖端技術,因此其發展對整合相關產業和延伸相關產業發展負有重大使命,市場價值更是不可限量。單就全球醫療用及研究用生物晶片市場而言,根據工研院生醫工程中心統計,1997年生物晶片銷售額約為6千萬美元,至2003年時預估可達2.2億美元,而在2008年時,預估每片晶片價格可降至10美元以下,將促使全球生物晶片市場銷售額增加至13.2億美元,比1997年成長了2,200%。

五、生物晶片在動植物疫病害蟲診斷鑑定上之應用

  生物特性係由基因與蛋白質等遺傳表現物質所主導,因此,相關生物特性之分析、疾病之診斷等,不管在人體醫學或其他相關生物領域上所應用之原理亦大致相同,與動植物相涉之生物晶片技術發展應用亦然。鑑於國內相關學術研究機構在動植物疫病害蟲診斷鑑定技術開發上深具國際水準,已研發設計出相當多疫病害蟲之特定基因序列、PCR專一性引子、核酸探針、單元抗體、多元抗體、抗血清等,未來如何運用這些研發成果,將是決定國內生物晶片下一階段發展之重要因子。因此,如何串聯相關研究專家學者為特定動植物疫病害蟲診斷鑑定晶片之開發組成研究合作團隊,將是未來努力的主要方向。

  目前全球生物晶片之發展以DNA晶片技術最為成熟,而國內研究動植物疫病害蟲診斷鑑定技術之專家學者之研發成果亦以核酸產物為最多。因此,未來在發展上將以DNA晶片之運用遠較其他種類晶片快速且易達成。有關生物晶片之研發考量,由於DNA晶片技術之發展已臻成熟,相關關鍵技術業受到先進國家專利限制,因此產品於研發前必先考量研發產品可能面臨價格過高,或產品無法上市之問題。此外,生物晶片之功能首重於同時間內能平行檢測多種以上之疫病原或生理小種,若試驗目的僅為檢測1至2種病原之功能,則使用PCR、ELISA等傳統技術即可完全替代,無須再開發檢測晶片。再者,生物晶片在研發與初期市場拓銷階段所投資成本較高等特性,亦易導致其喪失原可發揮之價值。因此在晶片研發前,應謹慎考慮其目的及完成後之實用性,在產業需求面、可得技術與成本效益等多項因子平衡間找出利基。

  以國內目前已開發為生醫用途之腸病毒晶片為例,由於腸病毒致病力強且危害嚴重,對兒童威脅性高,無論家長、學校或衛生機關均極為關切,因此基於健康或社會層面之安全要求,該項產品開發產品應已立於不敗之地。在技術層面上,腸病毒晶片可取代傳統繁瑣的病毒培養及染色鑑定程序,將腸病毒的檢測時間由平均7天縮短到6小時,具95%高準確度,除了可以鑑定是否感染腸病毒外,更可同時精確辨識腸病毒EV71型、COXA16型。而在流行病學層次上,腸病毒的及早發現,更有助學校育衛生單位即時採取必要的措施,避免疫情的擴散。

  而在另一案例中,發燒晶片將最常造成發燒的25種病菌的寡核酸點在晶片上,病人倘感染其中一種病菌,只要以一滴血、尿液或脊髓液,就能在在一天內診斷出多數發燒的病因,幫助醫師及時對症下藥。該晶片目前已可以準確地檢測出感冒、傷寒、小兒麻痺等25種發燒的感染病原,大幅提高DNA檢測精確度,產品同樣是在需求、市場與技術等考量因子中,找出合理與穩固的利基。

  就日後生物晶片在動植物疫病害蟲診斷鑑定上之應用性而言,可朝以下幾個方向發展︰

  1. 以單一動植物種為對象之晶片,例如以豬隻為對象,其發展之晶片可以包含口蹄疫、豬瘟等重大疾病之病原,甚至其病原變異株,此晶片可在篩選豬隻健康性時,同一時間內檢測多種可能造成豬之重大危害之病原,節省時間與人力。
  2. 以同類型動植物種為對象之晶片,例如雞、鴨、鵝等家禽,其重要疾病大致相同,將共通之重大病原探針納入晶片中,此晶片便可同時檢測家禽上之重大病原,倘能利用此技術定期對全國家禽飼養場進行疾病監測,即可達到預警效果,並即時瞭解病原擴散情形。
  3. 以單一目的為對象之晶片,例如對進口繁殖材料(接穗、種球、種子等)進行病原菌檢測,由於可藉由繁殖材料傳播之真菌、細菌、病毒等重要病原差異頗大,此時倘利用傳統分離檢測鑑定方式則相當耗時,如能以繁殖材料或種媒重大病原為對象設計檢測晶片,將可大幅縮短進出口農產品病原檢測時間。
  4. 以近緣種病原為對象之晶片,許多類之病原具有相當大之族群,例如鐮胞菌(Fusarium)、黃色單胞菌(Xanthomonas),這類族群之微生物,單就其型態外觀分辨就有其困難度,更遑論此類微生物大都包含強病原性、弱病原性、腐生性等不同特性之菌株,若能以其病原性為目標設計晶片,將對於此類微生物之分類鑑定具有極大之助益。

六、生物晶片面臨問題與未來展望

  就技術層面而言,未來國內倘將研發重點置於動植物疫病害蟲診斷鑑定DNA晶片上,現有研究基礎即可充分運用,目標明確且易達成,然而就國內晶片產業界而言,DNA晶片的商品化可能受到太多技術專利限制,而阻礙了其成長性,因此未來國內相關動植物專家亦應同步思考朝蛋白質晶片、縮微實驗室晶片等方向發展。這兩項晶片遠比DNA晶片更具優勢,但研發蛋白質晶片之關鍵技術在於蛋白質的來源取得不易、易失去活性、載體製作不易及如何維持晶片上蛋白質的生物活性及反應條件設定等問題需克服,而縮微實驗室晶片則需將小至幾個微升甚至奈升體積的液體,導入佈滿毛細管道的晶片中,以機械式或非機械式之幫浦(pump),讓液體在微管道中執行混合、分離、或培養、加熱(heated)、PCR等實驗室所用的反應,其所需嘗試的條件與複雜度更高;但也因為此2種晶片困難度較高,世界各國仍處於開發階段,我國若能先前一步相關技術障礙,除可降低生產成本外,更可及早登記關鍵技術專利,大大提昇在國際市場上之競爭力。

  國際上針對生物晶片之研究,目前仍著重於人體醫學及醫藥方面,在動植物研究上所投入資源則甚少,我國此時如能將研究重點集中在動植物領域,相形之下,未來可發展空間反而較大!為此,國內宜儘早將相關學者研發成果進行整合,強化為特定目的之動植物疫病害蟲診斷鑑定晶片之研發,並將研發成果直接應用於動植物重大疾病或人畜共通傳染病之病原診斷,或進口動植物檢疫疫病害蟲診斷鑑定上,倘能如此,我國生物晶片發展層面將可由人體醫學領域擴展至動植物疾病害蟲領域,而研究方向可視實際需要,發展單一功能型之重大動植物疫病害蟲快速鑑定晶片,或運用基因、蛋白質微陣列策略研發多功能型鑑定晶片,同步發展生物奈米技術,對於我國生技產業之提昇、防杜國內動植物疾病害蟲蔓延、國外惡性傳染病入侵,進而進軍國際生技市場,將有極大之助益。

(本文感謝國立中興大學生物醫學研究所陳建尉博士、台灣動物科技研究所廖朝暐博士、輔仁大學生命科學系藍清隆教授、高雄師範大學王惠亮教授及執行本局生物晶片相關計畫主持人熱心提供資訊。)

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