バイオチップ

分子生物学では、 バイオチップは本質的に小型化された研究所であり、数百または数千の同時生化学反応を実行できます。バイオチップにより、研究者は病気の診断からバイオテロリズムの病原体の検出まで、さまざまな目的で多数の生物学的検体を迅速にスクリーニングできます。 デジタルマイクロ流体バイオチップは、多くの生物医学分野で最も有望な技術の1つになりました。デジタルマイクロ流体バイオチップでは、マイクロ流体アレイ内の（隣接する）セルのグループを、ストレージ、機能的操作として機能するように、また、液滴を動的に輸送するように構成できます。

歴史

開発は、基礎となるセンサー技術の初期の作業から始まりました。最初のポータブルな化学ベースのセンサーの1つは、1922年にヒューズによって発明されたガラスpH電極でした。その後数年。たとえば、バリノマイシンを薄膜に組み込むことにより、K +センサーが製造されました。

1953年、ワトソンとクリックは、DNA分子の今やおなじみの二重らせん構造の発見を発表し、今日まで続いている遺伝学研究の舞台を設定しました。 1977年にGilbertとSangerがシーケンシング技術を開発したことにより（研究者は別々に）、研究者はタンパク質合成の指示を提供する遺伝コードを直接読むことができました。この研究は、相補的な単一オリゴヌクレオチド鎖のハイブリダイゼーションをDNAセンシングの基礎として使用する方法を示しました。 2つの追加の開発により、現代のDNAベースで使用されるテクノロジーが有効になりました。最初に、1983年にKary Mullisは、DNA濃度を増幅する方法であるポリメラーゼ連鎖反応（PCR）技術を発明しました。この発見により、サンプル中の極めて少量のDNAの検出が可能になりました。 1986年にHoodと同僚は、放射標識の代わりに蛍光タグでDNA分子を標識する方法を考案しました。これにより、ハイブリダイゼーション実験を光学的に観察できます。

図1は、典型的なバイオチッププラットフォームの構成を示しています。実際のセンシングコンポーネント（または「チップ」）は、完全な分析システムのほんの一部です。変換は、実際のセンシングイベント（DNA結合、酸化/還元など）をコンピューターが理解できる形式（電圧、光強度、質量など）に変換するために実行する必要があります。最終的な、人間が読み取れる出力。センシング化学からマイクロアレイ、信号処理まで、成功するバイオチップを作成するために必要な複数の技術は、真の集学的アプローチを必要とし、参入障壁を大きくします。最初の市販バイオチップの1つがAffymetrixによって導入されました。「GeneChip」製品には、p53（腫瘍抑制因子）やBRCA1およびBRCA2（乳がんに関連）などの遺伝子の欠陥または一塩基多型（SNP）の検出に使用する数千のDNAセンサーが含まれています。チップは、集積回路の製造に従来使用されてきたマイクロリソグラフィー技術を使用して製造されます（以下を参照）。

マイクロアレイ製作

バイオセンサーの密集した2次元グリッドであるマイクロアレイは、バイオチッププラットフォームの重要なコンポーネントです。典型的には、センサは、平坦受動的のいずれであってもよい基板（ 例えば 、シリコン又はガラス）、又は活性、実行またはシグナル伝達を補助する集積エレクトロニクス又はマイクロメカニカルデバイスからなる後者の上に堆積されます。表面化学は、センサー分子を基質媒体に共有結合させるために使用されます。マイクロアレイの製造は自明ではなく、将来のバイオチッププラットフォームの成功を最終的に決定するかもしれない主要な経済的および技術的ハードルです。製造上の主な課題は、各センサーを基板上の特定の位置（通常はデカルトグリッド上）に配置するプロセスです。配置を実現するためのさまざまな手段が存在しますが、通常、チップ表面にセンサー材料の小さなスポットを配置するために、ロボットのマイクロピペットまたはマイクロ印刷システムが使用されます。各センサーは一意であるため、一度に配置できるスポットはわずかです。このプロセスの低スループットの性質により、製造コストが高くなります。

Fodorと同僚は、一連のマイクロリソグラフィー手順を使用して、1ヌクレオチドずつ基板上に数十万のユニークな一本鎖DNAセンサーを組み合わせて合成するユニークな製造プロセス（後にAffymetrixで使用）を開発しました。基本タイプごとに1つのリソグラフィステップが必要です。したがって、ヌクレオチドレベルごとに合計4つのステップが必要です。この手法は、多くのセンサーを同時に作成できるという点で非常に強力ですが、現在は短いDNA鎖（15〜25ヌクレオチド）を作成するためにのみ実行可能です。信頼性とコストの要因により、実行できるフォトリソグラフィーのステップ数が制限されます。さらに、現在、タンパク質またはその他のセンシング分子では、光指向のコンビナトリアル合成技術は使用できません。

上記のように、ほとんどのマイクロアレイはセンサーのデカルト格子で構成されています。このアプローチは、主に各センサーの座標をその機能にマッピングまたは「エンコード」するために使用されます。これらのアレイ内のセンサは、典型的には、このようにして作り、それらのみ識別特徴の座標（ 例えば、蛍光）ユニバーサルシグナリング技術を使用します。これらのアレイは、各センサーが正しい位置に配置されるように、シリアルプロセスを使用して作成する必要があります（ つまり 、複数の連続したステップが必要です）。

センサーをチップ上の任意の位置に配置する「ランダム」製造は、シリアル方式の代替手段です。面倒で高価な位置決めプロセスは不要であり、並列化された自己組立技術を使用できます。このアプローチでは、同一のセンサーの大きなバッチを作成できます。次に、各バッチのセンサーが組み合わされてアレイに組み立てられます。各センサーを識別するには、非座標ベースのエンコードスキームを使用する必要があります。図が示すように、そのような設計は、エッチングされた光ファイバーケーブルのウェルにランダムに配置された機能化ビーズを使用して最初に実証されました（そして後にイルミナによって商品化されました）。各ビーズは、蛍光サインで一意にエンコードされました。ただし、このエンコード方式は、使用して正常に区別できる固有の色素の組み合わせの数に制限があります。

タンパク質バイオチップアレイおよびその他のマイクロアレイテクノロジー

マイクロアレイはDNA分析に限定されません。タンパク質マイクロアレイ、抗体マイクロアレイ、化合物マイクロアレイもバイオチップを使用して製造できます。 Randox Laboratories Ltd.は、2003年に最初のプロテインバイオチップアレイテクノロジーアナライザーであるEvidenceを発売しました。プロテインバイオチップアレイテクノロジーでは、反応プラットフォームとしてバイオチップがELISAプレートまたはキュベットに置き換わります。バイオチップを使用して、単一のサンプルで関連するテストのパネルを同時に分析し、患者プロファイルを作成します。患者プロファイルは、病気のスクリーニング、診断、病気の進行の監視、または治療の監視に使用できます。多重化と呼ばれる複数の分析を同時に実行すると、処理時間と必要な患者サンプルの量を大幅に削減できます。バイオチップアレイテクノロジーは、サンドイッチ、競合、抗体捕捉イムノアッセイを使用した、おなじみの方法論の新しいアプリケーションです。従来のイムノアッセイとの違いは、捕捉リガンドが溶液ではなく規則正しいアレイでバイオチップの表面に共有結合していることです。

サンドイッチアッセイでは、酵素標識抗体が使用されます。競合アッセイでは、酵素標識抗原が使用されます。抗体抗原結合では、化学発光反応により光が生成されます。検出は、電荷結合素子（CCD）カメラによって行われます。 CCDカメラは、非常に低いレベルの光を正確に検出および定量化できる高感度で高解像度のセンサーです。グリッドパターンを使用してテスト領域の位置を特定し、イメージングソフトウェアによって化学発光信号を分析して、個々の検体を迅速かつ同時に定量化します。

バイオチップは、マイクロフィジオメトリーの分野、例えばスキンオンチップアプリケーションでも使用されています。

他のアレイ技術の詳細については、抗体マイクロアレイを参照してください。