バイオチップ

分子生物学において、バイオチップは、多数の生化学反応を同時に行うことができる人工基板（「小型実験室」）である。バイオチップ技術の目標の 1 つは、多数の生物学的分析物を効率的にスクリーニングすることであり、その潜在的用途は、病気の診断からバイオテロ物質の検出まで多岐にわたる。たとえば、デジタル マイクロ流体バイオチップは、バイオメディカル分野での応用が検討されている。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、機能操作、および液滴の動的な輸送として機能するように構成できる。^[1]

開発は、基礎となるセンサー技術の初期研究から始まりました。最初の携帯型化学センサーの 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。^[2] 交換部位を使用して選択透過膜を作成するという基本概念は、その後の他のイオンセンサーの開発に使用されました。たとえば、K ^{+センサーは}、バリノマイシンを薄い膜に組み込むことによって作成されました。 ^[3]

1953年、ワトソンとクリックは、今ではおなじみのDNA分子の二重らせん構造を発見したことを発表し、今日まで続く遺伝学研究の土台を築きました。 ^{[4] 1977年に}ギルバート^[5]とサンガー^[6] （別々に研究）が開発したシーケンシング技術により、研究者はタンパク質合成の指示を与える遺伝暗号を直接読み取ることができるようになりました。この研究は、相補的な一本鎖オリゴヌクレオチド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どのように使用できるかを示しました。さらに2つの開発により、現代のDNAベースの技術が可能になりました。まず、1983年にキャリー・マリスがポリメラーゼ連鎖反応（PCR）技術を発明しました。 ^[4]これはDNA濃度を増幅する方法です。この発見により、サンプル中の極めて微量のDNAを検出できるようになりました。次に、1986年にフッドと同僚は、放射性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、^[7]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るようになりました。

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一部にすぎません。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) に変換するには、変換を行う必要があります。これにより、追加の分析と処理が可能になり、最終的な人間が判読できる出力が生成されます。バイオチップを成功させるには、センシング化学からマイクロアレイ化、信号処理まで、複数の技術が必要であり、真の学際的アプローチが必要であるため、参入障壁が高くなります。最初の商用バイオチップの 1 つは、Affymetrixによって導入されました。同社の「GeneChip」製品には、 p53 (腫瘍抑制因子) やBRCA1およびBRCA2 (乳がん関連)などの遺伝子の欠陥または一塩基多型 (SNP) を感知するために使用する、数千の個別の DNA センサーが含まれています。^[8]チップは、集積回路の製造に伝統的に使用されているマイクロリソグラフィー技術を使用して製造されます（下記参照）。

マイクロアレイは、バイオセンサーの高密度な 2 次元グリッドであり、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。通常、センサーは平らな基板上に配置されます。この基板はパッシブ (シリコンやガラスなど) またはアクティブ (後者は、シグナル伝達を実行または支援する統合電子機器またはマイクロメカニカルデバイスで構成されます) のいずれかです。表面化学は、センサー分子を基板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簡単ではなく、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可能性のある大きな経済的および技術的ハードルです。主な製造上の課題は、各センサーを基板上の特定の位置 (通常は直交グリッド上) に配置するプロセスです。配置を実現するにはさまざまな方法がありますが、通常はロボット マイクロ ピペッティング^[9]またはマイクロ プリンティング^[10]システムを使用して、チップ表面にセンサー材料の小さなスポットを配置します。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。このプロセスのスループットが低いため、製造コストが高くなります。

Fodor らは、一連のマイクロリソグラフィー手順を使用して、基板上にヌクレオチド1 つずつ、数十万の固有の一本鎖 DNA センサーをコンビナトリアル合成する独自の製造プロセス (後にAffymetrixが使用) を開発した。^{[11] [12]} 塩基の種類ごとに 1 つのリソグラフィー手順が必要であるため、ヌクレオチド レベルごとに合計 4 つの手順が必要になる。この技術は、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あるが、現在のところ短い DNA 鎖 (15～25 ヌクレオチド) の作成にしか実行できない。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手順の数が制限される。さらに、光誘導コンビナトリアル合成技術は、現在のところ、タンパク質やその他のセンシング分子には不可能である。

前述のように、ほとんどのマイクロアレイはセンサーの直交座標グリッド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ーは通常、ユニバーサルな信号伝達技術 (蛍光など) を使用するため、座標が唯一の識別機能となります。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 (つまり、複数の連続した手順が必要) を使用して作成する必要があります。

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。面倒で費用のかかる位置決めプロセスは不要で、並列化された自己組織化技術を使用できます。このアプローチでは、同一のセンサーを大量に製造できます。各バッチのセンサーは、その後、組み合わせられ、アレイに組み立てられます。各センサーを識別するには、座標ベースではないエンコード方式を使用する必要があります。図に示すように、このような設計は、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 (後に Illumina によって商品化されました) 。 [ ^{13] [14]}各ビーズは、蛍光シグネチャ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では、使用して正常に区別できる固有の染料の組み合わせの数に制限があります。

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作成できます。 Randox Laboratories Ltd. は、2003 年に最初のタンパク質バイオチップアレイ技術分析装置である Evidence を発売しました。 タンパク質バイオチップアレイ技術では、バイオチップが反応プラットフォームとしてELISAプレートまたはキュベットに取って代わります。 バイオチップは、単一のサンプルで関連する一連のテストを同時に分析し、患者プロファイルを作成するために使用されます。 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。 複数の分析を同時に実行する (マルチプレックス化と呼ばれる) 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技術は、サンドイッチ、競合、および抗体捕捉免疫測定法を使用する、よく知られた方法論の新しいアプリケーションです。 従来の免疫測定法との違いは、捕捉リガンドが溶液中ではなく整然とした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、競合アッセイでは酵素標識抗原が使用されます。抗体と抗原が結合すると、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 カメラは感度が高く高解像度のセンサーで、非常に低レベルの光を正確に検出して定量化できます。テスト領域はグリッド パターンを使用して配置され、その後、化学発光信号がイメージング ソフトウェアによって分析され、個々の分析対象物が迅速かつ同時に定量化されます。

バイオチップは、例えばスキンオンチップ^{[15]のアプリケーションなど、}マイクロ生理測定の分野でも使用されています。

その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。