芯片供应商与医药厂商合作研究生物技术
作者:Junko Yoshida
欧洲的领先半导体公司希望通过以微阵列、微流体芯片以及神经芯片的形式将基础半导体技术应用到医学领域来创造新的盈利机会。
虽然全球范围内都在开展生物芯片的研究和开发活动,但是英飞凌、飞利浦和意法半导体已经不再将CMOS制造工艺和生物科学相交叉的生物芯片技术视作21世纪的炼丹术。现在它们把生物芯片技术当做一个不能忽视的半导体增长市场。
摩托罗拉公司曾于1999年涉足生物芯片市场,但是却很快退出,并且于2002年将其生物阵列业务完全出售给了一家名为Amersham的英国医疗诊断公司。与摩托罗拉不同的是,欧洲的芯片供应商称他们正为这一远景市场而努力-以越来越经济节省的方式来经管他们的业务运作。
从实验室到市场
这些欧洲公司承认他们正在与领先的医药制品、生物技术和医疗设备公司进行战略联盟,以将他们的生物芯片技术由实验室推向市场,但是他们拒绝透露潜在合作伙伴的具体名称。
英飞凌公司负责生物芯片项目的业务发展总监和经理Thomas Klaue认为,生物芯片将根本改变药品业的未来,就如同20年以前PC改变计算机工业一样。虽然生物芯片技术处于萌芽状态,但是“对我们具有战略意义。”Klaue称。英飞凌在它最新的公司的发展计划中透露,它希望能成为“在这一先驱领域的头号半导体公司。”
有200家公司已经涉足于生物芯片市场,但是“小型生物芯片技术公司缺少的是量产的经验。”英飞凌的生物科学产品经理Michaela Fritz称。
确实,大的半导体制造商已经对生物芯片研制和生产贡献良多。“这包括:在基片表面模仿生物分子、用于探测生物组织并定位的感测技术、用于对样本进行预处理以及增加过滤功能以从样本从提取微量元素的电子射流封装工艺等等。”Philips Research的首席科学家Menno Prins解释说。
然而,生物芯片制造重点以及半导体特性与已往的传统IC有显著的不同。根据英飞凌研究所高级总监Roland Thewes的研究,集成了传感器的生物芯片具有许多模拟电路的特性,因此需要一个大至0.35微米的工艺技术,而并非更高的时钟频率、更低的电压或者更细的几何尺寸。
生物芯片应用于临床
受人类基因计划的驱动,许多最初加入生物芯片项目的创业型企业都参加了加速或自动进行基因组测序的研究。如今所有的人类基因组已经被排序,开发高处理能力的生物芯片成为新的竞争热点,这样的生物芯片能够探索DNA的信息,以帮助医药公司更快地开发新的超级药物。用于药物开发的DNA或蛋白微阵列的市场预计将快速成长,因此大型半导体公司都希望领先一步以抓住这个大市场。
Holy grail是一种能够迅速判别正确抗生素的低成本芯片。
对于生物芯片研究者而言,Holy grail是一种低成本芯片,能够用于样品制备和病原体检测,医生和护士可以使用于重症护理室(ICU)、急诊室或诊所,以迅速为病人确定合适的抗生素,Philips Medical Systems的分子成像和Dx项目经理,John Hart解释道。
传染病是“生物芯片的天敌,”Hart称50%的病人,甚至在成功地手术之后,仍然在重症护理室中死于感染。
“当医生发现某种原来使用的广谱抗生素不起作用,再估摸着去换另外一种抗生素时,病人可能就已经死亡或者已经被导致器官凝结。”Hart称,“如果生物芯片能够在30分种内检测出病原体的DNA,就可以拯救数百万病人的生命。”Hart进一步说,“我们可以节省大笔的医疗费开销,而医生们再也不用在睡梦中哭泣了。”Hart预计上述“护理点”生物芯片市场一旦成熟,将比医药公司使用的DNA阵列市场大10倍。
“我们完全相信,分子知识和成本低廉的分析技术相结合,可以形成具有预防作用的健康医疗科技,”Prins称。“在这一方面,我们相信存在着巨大的市场机会。”
现在,用于将DNA或蛋白质样本与未知样本进行自动匹配的“微阵列”技术,以及用于制备检验用分子或细胞样品的“微流体芯片”技术,是通过独立的生物芯片或者测试设备单独分步完成的。生物芯片产业当前的一个挑战就是集成微阵列和微流体芯片以降低成本,Hart说。目前,集成工作正处于试验阶段。
在一个面积为1到2平方厘米的硅芯片表面,英飞凌蚀刻了约100万个微孔,通过这些微孔可以同时分析最多400个已知基因与一种特定物质的反应。
Lab-On-A-Chip最近报导的一个由Frost & Sullivan发起的市场研究报告表明,生物芯片研究人员正遇到一个同样的难题是如何处理真正的流体,以及如何将所有东西都集成到一个芯片或手持设备上。
英飞凌的Thewes也有同感,他说:“将生物学和微电子学结合的原理论证已经完成。”剩下的唯一的技术障碍就是“与我们的合作者一起将所有的部件都结合在一起。”
欧洲的半导体公司现在正在将来自光学、电子到磁的分析技术应用于即将出现的生物芯片市场。
英飞凌正在对3种生物芯片进行研究,它们包括:一个名为“Flow-Thru Chip”的硅基光学生物芯片,用于加速药物研发；一个集成了电子器件的DNA生物芯片,用于评估与分析分子等级的样本；以及一个神经芯片。其光学Flow-Thru芯片是与MetriGenix共同研发的,并已经推向市场,它应用了英飞凌研发的在硅基板上蚀刻微孔的工艺流程,这些微孔可以加速测试时间并提高灵敏度。
将携带基因的DNA片断作用于精确位置的孔壁上,并不停的通过芯片泵送分子以用于分析,该光学Flow-Thru芯片可以使杂交培殖中的试验更加灵敏,并加快反应速度。杂交样本将通过一个装有CCD摄像机的单独的测试装置进行光学分析。
英飞凌公司的用于临床诊断和针对特定病人进行药物疗法的电子DNA芯片,不同于上述光学芯片,它使用电流作为测定和分析的基础。通过对一个即将用化学酶来检测的物质做上标记,装备有集成在该生物芯片上的金电极的传感器“将测量随被测时间成正比的电流增量。”Thewes介绍说。该芯片还需要两到三年才能实现商品化。
英飞凌的第三个生物芯片被命名为Neurochip,单个神经细胞可以在该芯片表面成长为神经网络,这样神经生物学家就可以分析大脑不同区域之间的交互作用。
意法半导体也在积极探索生物芯片领域。去年秋季,意法半导体就展示了其基于微电子机械系统(MEMS)技术的芯片上实验室(Lab-On-Chip)的原型,该原型集成了DNA放大和检测两项功能。
芯片供应商仍然可能仅仅扮演药物公司下游配套厂商的角色
同时,Philips Research业正在发展一种基于磁学的生物芯片,它与传统的采用光学或电子分析的生物芯片不同。根据这家荷兰巨型公司的设想,与芯片上的检测分子结合的靶分子将被一个纳米大小的磁粒子做上标记,Philips Research的Prins解释说,然后,一个集成于检测器上的基于巨磁阻效应的专用传感器将测量到该磁粒子的存在。
Prins特别提到,生物芯片最主要的特性是“灵敏性和特异性”,磁检测法能够在最低的浓度下感测生物结合,并且能够从不需要的背景噪音中很好地分离出有用信号。
尽管已经开展了大量的生物芯片研究活动,例如欧洲的芯片供应商也取得了某些突破性进展,但是目前还不清除半导体业是否能最终成功开辟生物芯片市场。芯片供应商未来的角色仍然可能是沦落为制药行业的下游厂商。虽然芯片公司负责研制用于生物芯片的平台,但是药物公司拥有实际的生物内容(bio-content)。毫无疑问,半导体公司要想成功地进入生物芯片市场,将取决于是否能够通过合伙企业来获得生物内容。
欧洲的芯片供应商看起来对于这个问题都持有非常现实的看法。意法先进系统技术公司副总裁和总经理Andrea Cuomo称:“生物芯片市场最大的挑战可能不是技术本身,而是真正的理解业务。”Cuomo指出,半导体业和制药业甚至连共同的语言都没有,“我个人对半导体业是否已经对医疗业有一个完全的了解还表示怀疑。”尽管如此,对于这样一个崭新的生命科学工业,这样一个结合了遗传学、生物学、化学、医学、数学、机械科学,并且与电子设备和半导体技术相融合的产业,Cuomo称:“我们将尽其所能的成为其中的一分子,因为我们确实在推进这种融合。”
强强联合
然而,问题的关键并不是去购买或投资于某些被认为是进入生物芯片市场至关重要的技术,摩托罗拉在90年代采用的就是这种做法。相反,“你应该从你已经了解的地方入手,”Cuomo表示,“你必须同你的合伙人进行非常非常良好的合作。”
英飞凌的Klaue同意上述观点。他认为,制药工业在赢利模式、营销手段、上市时间等方面与半导体业完全不同。通常需要10年时间研发一种新药,然后再用10年去测试它,而半导体工业要求每个新的芯片产品的周转期小于10个月。英飞凌并没有采用合并或收购的方法,“我们一步一步地确定什么是我们的最安全投资点,然后我们在进行扩展和合作。”
意法半导体仅仅将它的研究与开发资金的5%用于生物芯片,“总数大概相当于数百万美元,”意法的Cuomo称,刚开始少量投资于“我们已经有所了解的技术”,将墨喷式打印芯片与电子射流元件相结合的技术,我们期望公司在生物芯片上的投资收益能够“在几年内增加一倍。”
英飞凌已经成功的于两年之后发布了它的首款商用生物芯片,并且正准备实施一个“1千万美元以下”的研究和开发预算,据Klaue称。
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