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マイクロアレイはマルチプレックスラボオンチップです。[ 1 ]その目的は、数千の生物学的相互作用の発現を同時に検出することです。これは、固体基板（通常はガラススライドまたはシリコン薄膜セル）上の2次元アレイであり、ハイスループットスクリーニング、小型化、マルチプレックス、並列処理および検出方法を使用して大量の生物学的材料をアッセイ（テスト）します。マイクロアレイの概念と方法論は、 1983年にTse Wen Changが科学論文[ 2 ]と一連の特許[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]で抗体マイクロアレイ（抗体マトリックスとも呼ばれる）で初めて紹介され、説明されました。 「遺伝子チップ」産業は、1995年にスタンフォード大学のRon DavisとPat Brownの研究室によるScience Magazineの記事の後、大きく成長し始めました。[ 6 ]アフィメトリクス、アジレント、アプライドマイクロアレイ、アレイジェット、イルミナなどの企業の設立により、 DNAマイクロアレイ技術は最も高度で広く使用されるようになり、タンパク質、ペプチド、炭水化物マイクロアレイの使用も拡大しています[ 7 ]。
マイクロアレイの種類には以下のようなものがあります。
CMOSバイオテクノロジー分野の人々は、新しいタイプのマイクロアレイを開発している。磁性ナノ粒子を供給された個々の細胞は、磁気コイルのマイクロアレイ上で独立して同時に移動することができる。核磁気共鳴マイクロコイルのマイクロアレイが開発中である。[ 8 ]
マイクロアレイプラットフォームの基盤となる技術は多数あり、材料基板[ 9 ] 、生体分子アレイのスポット[ 10 ]、アレイのマイクロ流体パッケージング[ 11 ]などが含まれます。マイクロアレイは、アレイの各要素を物理的に分離する方法によって分類できます。スポット法（小さな物理的なウェルを作る）、オンチップ合成法（アレイ上に直接接着したターゲットDNAプローブを合成する）、またはビーズベース法（アレイ全体にランダムに分布したバーコード付きビーズにサンプルを接着する）などがあります。[ 12 ]
マイクロアレイの製造プロセスに関する最初の発表は1995年に遡り、当時は植物の48個のcDNAが、通常光学顕微鏡で使用されるガラススライドに印刷されました。一方、現代のマイクロアレイには、数千個のプローブとコーティングされたさまざまなキャリアが含まれています。マイクロアレイの製造には、サンプルライブラリ、プリンター、スライド基板など、生物学的情報と物理的情報の両方が必要です。ただし、すべての手順とソリューションは常に、使用される製造技術に依存します。マイクロアレイの基本原理は、プローブの異なる種を含む溶液の小さな染色をスライド上に数千回印刷することです。[ 13 ]
現代のプリンターはHEPAフィルターを備え、湿度と温度が制御された環境（通常は約25℃、湿度50%）を備えています。初期のマイクロアレイは、プリンターピンを使用してサンプルをスライド上にユーザー定義のパターンで配置することにより、表面に直接印刷されていました。現代の方法はより高速で、相互汚染が少なく、スポットの形態がより良好です。高密度マイクロアレイの場合、プローブが印刷される表面は清潔で、ほこりがなく、疎水性である必要があります。スライドコーティングには、ポリ-L-リジン、アミノシラン、エポキシ、その他、メーカーの溶液などがあり、使用するサンプルの種類に基づいて選択されます。マイクロアレイ技術の進歩に向けた継続的な取り組みは、必要な溶液量を減らし、汚染や損傷を最小限に抑えながら、均一で高密度のアレイを作成することを目指しています。[ 13 ] [ 14 ]
製造プロセスには、関連するすべての情報を含むサンプルライブラリが必要です。マイクロアレイ技術の初期段階では、一般的に入手可能なクローンライブラリから細菌ベクターを介したDNA増幅によって得られたDNAのみがサンプルとして使用されていました。現代のアプローチでは、サンプルとしてDNAだけでなく、タンパク質、抗体、抗原、グリカン、細胞溶解物、その他の小分子も含まれています。使用されるすべてのサンプルは事前に合成され、定期的に更新され、維持管理がより容易になっています。アレイ製造技術には、コンタクトプリンティング、リソグラフィー、非接触プリンティング、細胞フリープリンティングなどがあります。[ 14 ]
コンタクト印刷マイクロアレイには、ピン印刷、マイクロスタンピング、フロー印刷などがあります。ピン印刷は、 DNAマイクロアレイのコンタクト印刷において最も古く、現在でも最も広く採用されている手法です。この技術では、ソリッドピン、スプリットピン、クイルピンなどのピンを使用して、サンプル溶液を固体マイクロアレイ表面に直接ロードして供給します。マイクロスタンピングは、一般的に使用されているピン印刷の代替手段であり、ソフトリソグラフィーとも呼ばれます。ソフトリソグラフィーは、理論的には、パターン化されたポリマーモノリシック基板を使用したさまざまな関連パターン転写技術を網羅しており、その中でもマイクロスタンピングが最も有名です。ピン印刷とは対照的に、マイクロスタンピングは、個別性が少なく、より並列的な堆積方法です。特定のスタンプに試薬をロードし、これらの試薬溶液で同一に印刷します。[ 15 ]
リソグラフィーは、フォトリソグラフィー、干渉リソグラフィー、レーザー描画、電子ビーム、ディップペンなどのさまざまな方法を組み合わせたものです。最も広く使用され研究されている方法はフォトリソグラフィーであり、フォトリソグラフィーマスクを使用して特定のヌクレオチドを表面に標的化します。紫外線は、化学的に保護されたマイクロアレイ表面からの光を透過または遮断するフィルターとして機能するマスクを通過します。紫外線が遮断された場合、その領域はヌクレオチドの追加から保護されたままになりますが、紫外線に曝露された領域では、さらにヌクレオチドを追加できます。この方法を使用すると、可動部品の少ないコンパクトなデバイスを使用して、非常に高密度のDNA特徴を持つ高品質のカスタムアレイを製造できます。 [ 16 ] [ 17 ]
非接触印刷法には、光化学ベースの印刷、電気印刷、液滴ディスペンシングなどがあります。他の方法とは異なり、非接触印刷では、表面とスタンプ、ピン、またはその他のディスペンサーとの接触は発生しません。主な利点は、汚染の低減、洗浄の軽減、および着実に増加する高いスループットです。多くの方法ではプローブを並列にロードできるため、複数のアレイを同時に製造できます。[ 14 ] [ 15 ]
無細胞系では、転写と翻訳はin situで行われるため、無傷の細胞が不要となり、宿主細胞でのタンパク質のクローニングと発現は不要になります。目的の分子は固体表面に直接合成されます。これらのアッセイにより、無傷の細胞に関連する推論なしに、制御された環境でハイスループット分析が可能になります。[ 18 ]