生物科技成果：基因芯片

“功能基因组和生物芯片”是科技部2002年12个重大专项之一，国家“十五”到“十二五”科技攻关计划和863科技计划的重大攻关项目。于常海团队研发的EFADchipâ基因芯片系统平台集微电子、生物、物理、化学、计算机等学科为一体，具有高通量、高特异性，耗时短等优势，解决现有芯片的灵敏度低、杂交时间长、操作复杂、成本高、结果分析困难等问题；是基于基因芯片技术的微型化实验室，能让医生从取样到得到检测结果全过程在数小时内完成，可用于诊断遗传异常，疾病或病人的一般健康状况。2011年Science对此进行报道（《芯片实验室（Lab-on-a-Chip）开发者让香港在生命科技领域占一席之地》）

临床上最主要的诊断方法是生理生化以及免疫反应的检测方法，但是这些方法的灵敏度低，窗口期长，检测时间长，往往发病之后才能显示出明显的特异性，并且诊断的精度比较低。近几年，PCR类的检测方法逐渐开始应用于临床，这样大大提高了检测的灵敏度，但是PCR的方法目前假阳性率仍然比较高，并且对于操作的人员和环境要求比较高，很难进行高通量的检测，所以，PCR方法仍然没有成为诊断平台的主流方法。

SCIENCE VOL332 24 JUNE 2011

BIOTECHNOLOGY

Lab-on-a-Chip Maker Looks to Put Hong Kong on Biotech Map

Better known for business acumen than scientific smarts , Hong Kong is betting on biotech as a new "pillar industry";a novel biochip suggests it's on the right track.

基层化是现实状况困扰我国有限的医疗资源的另一难题。很大一部分人居住在县、乡以及边远的农村，而这一级的医疗水平由于资金的不足而普遍比较低，因此诊断技术的发展不能只向着高、精、尖的水平发展，还要开发适合于这一部分医疗水平的诊断技术，开发符合WHO所提出的"ASSURED（Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and Robust, Equipment-free and Deliverable；低成本、高灵敏度、高特异性、操作简单、快速、不需要昂贵的仪器、移动方便）" 标准的诊断技术。基因芯片研发的始于90年代初期人类基因组计划，由于生物芯片的重大意义和巨大的商业潜力, 北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。但至今阻碍基因芯片在临床广泛应用的壁垒为：1. 核酸杂交过程的控制2. 检测信号的捕捉和分析。当今的基因芯片要么需要昂贵的金属材料作为杂交介质，要么需要成本代价高的荧光显微镜和分析设备实现信号的捕捉，都不利于基因芯片在临床和基层的广泛应用。

EFADChip^® 检测平台的创新点在于用电场辅助杂交技术代替了传统的被动杂交技术，用nanoparticle参与的信号处理技术代替了传统的荧光检测技术，有效的节省了检测的时间和成本：
1） 独创的无电流电场辅助杂交技术：通过电极使探针所在的区域的芯片表面产生电场，辅助带有电荷的DNA或RNA的移动及和杂交，可以极大的缩短杂交的时间。由于该技术所加的电场中没有电流的发生，因此在芯片表面与样品溶液 之间没有电荷转移的现象发生，有效地防止了电化学反应、气泡、沉淀和电解现象的发生，保证了恒定的盐浓度和pH值，有利于提高杂交效率和杂交的稳定性。

2）Nanoparticle参与的信号处理方法：利用修饰的纳米粒子可以特异的与目标核酸结合，并且通过增效粒子将检测信号放大，可以实现高灵敏度的检测。这种方法与传统的荧光检测的方法相比，其灵敏度比荧光检测方法的灵敏度还高1000倍，并且不需要昂贵的荧光检测仪器，不需要对核酸进行额外的荧光标记，可以有效的降低使用的成本。

3）自动化操作系统：电子控制流体技术的应用，实现了检测的全自动化，使整个检测过程在一台仪器上成为现实。这套系统由芯片核心和4个功能区组成，包括电子控制流体系统、温度控制系统、信号采集和输出系统、和信号分析系统。自动化系统的引入，极大的减少了人为的操作，从而很大程度上避免了人为操作所带来的误差，增加了检测结果的准确性。

EFADChip^® 是于常海团队自主开发的基于芯片的诊断平台，与其它的检测技术相比，具有低成本、快速、高灵敏度和特异性、高通量、全自动化以及操作简单的特点，该技术平台不仅可以应用于经济发达地区的医疗机构，而且也适用于经济欠发达地区的疾病诊断；另外，由于其高度集成化、全自动化、移动方便的特点，特别适合深入到发病现场进行检测。

EFADChip^® 检测平台具有自主知识产权的检测技术，于常海团队及其产品承担的实体公司已经在中国、美国、新加坡等多个国家申请了专利保护，并且还有多国专利正在申请之中（具体注册项目见附件）。

EFADchip^® 技术凭借体外诊断产品差异化的优秀表现赢得了2009年弗诺斯沙利文亚太最佳实践奖。

EFADchip®芯片检测系统: EFADchip®技术平台结合生物信号雷达系统

作为研究和开发EFADchip^® 技术的先锋者，于常海带领的技术小组把这项技术转化成为一个易于操作的和低成本的先进分子诊断系统，结合纳米技术改进信号处理方法，该系统能实现快速、准确的现场即时诊断。这项独创的专利技术将杂交和探针检测技术巧妙的进行结合，克服了目前传统诊断技术的局限性。这项新技术意味着不管城市还是边远乡镇的医疗点，检测都可以维持高性能低成本的进行，这将为全球化医疗和疾病监控带来巨大的效益。

于常海在EFADchip^® 技术平台的基础上结合点样技术，独特芯片介质设计，应用电场辅助杂交技术加快DNA分子检测速度，通过电介质层防止对检测不利的电化学反应，利用纳米粒子技术增加验测灵敏度。解决了以下市场上现存的基因芯片常见问题：
1. 电化学引发DNA杂交环境之不稳定性 (水解及局步酸碱度改变)
2. 使用凝胶引发芯片量产時的可靠性问题
3. 昂贵荧光检测

于常海开发的EFADchip^®芯片检测系统客服常见的技术壁垒，其的技术特点如下：
1. 微电子 (CMOS) 制程兼容性
2. 电辅助主动杂交设计, 缩短验测時间
3. 高检测敏感度
4. 低开发成本
5. 多样式验测应用

EFADChip^® 芯片检测系统与传统的芯片检测平台以及其它的检测方法相比，具有无可比拟的应用优势：

1） 高通量：EFADChip^® 检测平台是基于芯片技术来进行的，因此保留了芯片具有的高通量检测的特点，可以针对一个样本同时进行数十种病原体的检测，大大缩短了检测所需的时间，为疾病的治疗争取了时间。

2） 高特异性：由于芯片具有高通量的特性，因此，可以对同一种病毒用多种探针进行检测，提高了检测的特异性，大大增加了检测结果的准确性。

3）高灵敏度：采用nanoparticle的信号放大技术，比传统的荧光检测技术的检测灵敏度高约100倍，使传染病的早期检测成为可能。

4）快速：电辅助杂交方法的应用，将传统的16小时的杂交过程缩短至分钟级；芯片的高通量检测将多个检测实验集成至一个实验中完成，因此这样将目前需要几天的检测过程缩短至2个小时内完成，对于院内感染，传染病等的防治具有至关重要的作用。

5） 低成本：由于没有荧光检测技术的参与，因此不需要昂贵的荧光原料以及荧光检测仪器，而且将所有的实验仪器整合于一台仪器上进行，为检测节约了成本。

6） 操作简单：高度自动化的系统，不需要过多的人员操作，即可完成一整套检测过程，因此不需要专业人员进行操作，只需要简单的培训即可。

于常海带领的团队对EFADchip^® 系统的应用，目前分为以下几类：流感病毒检测：流感病毒A、B、H3、H5、H7、H9、H1N1、H5N1；发热传染病检测：RNA类，H1N1、 SARS、流感病毒等；DNA类，肺炎、肺结核等；血液传染病筛查：HBV、HCV、HIV、HTLV、Syphilis、TB等。随着市场的推广和应用 成熟，EFADChip^® 系统还可以运用在兽医诊断系统，环境监测，食品安全检测，肿瘤标志物检测等方面。芯片的材料和结构设计解决了其它芯片无法批量生产和普及的问题，EFADchip^®使多通量临床检测成为普及手段，解决医疗检测费用昂贵问题。

EFADchip^®已获中国、美国、欧盟、新加坡等国家和地区20多项专利，已注册香港商标，并获亚太弗诺斯沙利文体外诊断产品区分杰出奖（2009 Asia Pacific Frost ＆Sullivan product Differentiation Excellence Award for In-Vitro Diagnostics）。