Biochips: Umfassende Geschichte und Zukunft der biomedizinischen Analyse

Was ist ein Biochip?

Ein Biochip ist im Wesentlichen ein miniaturisiertes biomedizinisches Labor, das auf einem einzigen Chip untergebracht ist. Biochips erhöhen die Geschwindigkeit, mit der biomedizinische Analysen durchgeführt werden können, erheblich, indem sie Tausende gleichzeitiger biochemischer Reaktionen durchführen. Bekannt dafür, den Prozess der DNA-Analyse zu beschleunigen, können Biochips die Zeit verkürzen, die für das Erhalten von Ergebnissen aus einer Reihe chemischer Tests benötigt wird, und werden eines Tages implantierbar sein, sodass sie Laboruntersuchungen direkt im menschlichen Körper durchführen können. Fortschritte sowohl in den biomedizinischen Detektionsmethoden als auch in der Mikrominiaturisierung von Komponenten aus der Halbleiterindustrie haben im Laufe der Zeit zur Entwicklung des Biochips beigetragen.

Chemische Sensoren

Biochips müssen in der Lage sein, die chemischen Eigenschaften der von ihnen getesteten Proben zu erkennen. Die Entwicklung von chemischen Sensoren, die miniaturisiert werden konnten, war der erste Schritt zur Entwicklung des Biochips. 1922 erfand W.S. Hughes den ersten solchen Sensor, genannt GlaspH-Elektrode, der chemische Austausche in einer dünnen Glasmembran nutzte, um den pH-Wert einer Substanz zu erkennen. In den folgenden Jahrzehnten wurden chemische Sensoren entwickelt, um Sauerstoff-, Glukose- und andere Substanzspiegel zu erkennen.

DNA

1953 entdeckten Watson und Crick berühmt die Doppelhelix-Struktur der DNA. Bis 1977 hatten Wissenschaftler DNA-Sequenzierungstechniken entwickelt. 1983 erfand Kary Mullis die Polymerase-Kettenreaktionstechnik, die DNA-Konzentrationen verstärkte und es Wissenschaftlern ermöglichte, DNA in sehr geringen Mengen innerhalb einer Probe zu erkennen.

DNA-Sensoren

Die anschließende Entwicklung von Biochip-DNA-Sensoren, die diese Techniken einbeziehen, ermöglichte es der Biochip-Technologie, ein entscheidender Teil der Kartierung des gesamten menschlichen Genoms zu werden. Heute werden Biochips regelmäßig eingesetzt, um nicht nur einzelne DNA-Proben zu sequenzieren, sondern auch schnell Bakterien- und Virus-DNA zu sequenzieren, um schnell Impfstoffe zu entwickeln.

Mikrominiaturisierung von Halbleitern

Biochips stützen sich stark auf die Miniaturisierungstechniken, die von der Halbleiterindustrie entwickelt wurden. Ein Biochip ist ein Array von chemischen Sensoren, die miteinander verbunden sind und Daten in eine für Computer lesbare Form umwandeln können. Technologien zur Miniaturisierung der Schaltkreise, um sowohl die Sensoren zu verbinden als auch Daten umzuwandeln, wurden in den 1980er Jahren entwickelt und in den 1990er Jahren kommerzialisiert.

Implantierbare Biochips

Arbeiten im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts von Wissenschaftlern der Clemson University haben die Möglichkeit eines implantierbaren Biochips eingeführt. Der Chip, etwa so groß wie ein Sandkorn, ist mit einem speziellen Gel beschichtet, um zu verhindern, dass das Immunsystem des Körpers ihn abstößt, und ist darauf ausgelegt, sofortige Daten über die Sauerstoff- und Glukosewerte verwundeter Soldaten auf dem Schlachtfeld zu liefern.