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大健康
作者:生物谷
2018-01-06 09:35
[亿欧导读]

目前,我国的基因测序企业主要集中在产业链的中下游测序服务业,而上游基因测序设备耗材供应商的技术门槛较高,基本上为外资企业所垄断。

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本文来自: 生物谷 题图来自“u539fu521bu56feu7247”

基因组学是一门研究生物基因组的组成,基因组中各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学。在基因组学中,科学家们通过新型的基因测序仪分析生物样本(组织、细胞、血液样本等)的基因组信息,并将这些信息用于临床医学诊断、个体化用药指导、疾病发病机理研究、生命调控机制研究等领域。

基因测序是一个新兴行业,处于快速发展阶段。全球基因测序行业的市场规模巨大。从1990年人类基因组计划(HGP)正式启动以来,基因测序应用的壮阔前景开始展现在人类面前。2006年第二代测序仪诞生,成本下降百倍,形成“超摩尔定律”之势。随着测序成本的显着降低和生物信息分析能力的显着上升,美国等西方发达国家已在这一领域做出前瞻式布局:鼓励高端测序仪的研发和商业化、建立配套的生物信息计算平台、推进基因组领域的科学研发和临床转化。

第一部分、测序技术的发展

不论是基因测序(或者说DNA测序)还是基因组测序,都涉及通过测序仪器测定DNA的碱基排列顺序,从而解读DNA的遗传密码。迄今为止,DNA测序技术和用于基因/基因组测序的测序仪器已历经几代的发展。

第一代测序技术,即Sanger测序技术:1977年,被后人誉为“基因组学之父”的英国生物化学家弗雷德里克-桑格发明了酶测序法(桑格测序法),正式奠定了测序技术的理论基础,在此9年后,ABI公司基于桑格测序法推出了世界上第一台商用测序仪,自此测序技术进入飞速发展的时代;第二代测序技术是当今主流技术,主要有Illumina公司的Solexa和HiSeq技术,Life Technologies的Solid技术和罗氏的454技术;第三代测序技术是近几年研发出的单分子测序技术,主要包括Helicos公司的真正单分子测序技术(truesingle-moleculesequencing,tSMSTM)、牛津纳米孔技术公司(Oxford Nanopore Technologies,以下称牛津纳米孔公司)的单分子纳米孔测序技术(single-molecule nanopore DNA sequencing)、太平洋生物科学公司(Pacific Biosciences)的单分子实时测序技术(single molecule real-time sequencing,SMRT)等。

这三代测序技术各有优缺点,应用的领域也不尽相同,因此第一代测序技术仍未被淘汰,目前的测序市场是3代测序技术并存的局面。

第二代的基因测序技术目前已经成为市场商用主流。三代测序将是未来的大势所趋,但是预计在将来5-10年内二、三代基因测序会共存,但二代测序仍将是测序市场商业应用主流。三代测序和二代测序相比较,潜在优势明显,但是劣势也限制了三代测序的商业应用。

近年来全球基因测序市场快速增长。从全球的范围来看,目前测序市场规模增长最快的是亚洲市场,其中中国和印度的市场增长率均超过了20%,是全球增长最快的国家。随着东南亚地区生物医药行业持续的快速发展,未来中国基因测序市场的增长仍将引领全球。

第二部分、测序仪器

国外基因测序仪

目前市场上的测序仪基于使用的测序技术,也主要分为三代,现阶段临床应用较为广泛的还是第二代测序仪,主要生产商主要有Life Technologies(被Thermo Fisher收购)、Illumina和罗氏。

(1)Illumina公司

Illumina作为测序行业的龙头企业,所占市场份额达70%。最初由四位博士于1998年共同创建,总部位于美国加利福尼亚圣地亚哥,主要销售微阵列芯片。2006年收购Solexa公司,获得新一代高通量测序技术,从而成为目前市场上的主流测序技术公司。

Illumina测序仪可分为桌面式高通量测序仪,其总体特征为快速简约和高效便捷;生产规模测序仪,其总体特征为强大高效和适合生产。Illumina桌面式高通量测序仪有Miniseq系列——MiniSeq系统(2016年1月);MiSeq系列——MiSeq系统(2011年2月)、MiSeq Dx系统(2013年11月)和MiSeq FGx系统(2015年1月);NextSeq系列——NextSeq500(2014年1月)和NextSeq550(2015年1月)。Illumina生产规模测序仪有HiSeq系列——HiSeq2000(2010年1月)、HiSeq2500(2012年1月)、HiSeq3000(2015年1月)和HiSeq4000(2015年1月);HiSeqX系列——HiSeqXFive(2015年1月)和HiSeqXTen(2014年1月);NovaSeq系列——NovaSeq5000系统(2017年1月)和NovaSeq6000系统(2017年1月)。

此外,Illumina测序仪还包括GA系列——GenomeAnalyzer和Genome AnalyzerIIx。GenomeAnalyzer最初是Solexa公司自己推出的下一代测序系统。2006年Illumina公司收购了Solexa,在不断测序和改良后,推出了Genome AnalyzerIIx和HiSeq2000平台。

Illumina测序采用边合成边测序技术(Sequencing by sythesis,SBS)和可逆末端终结技术(reversible terminator chemistry)。Illumina公司的Genome AnalyzerIIx和Hiseq应该说是目前全球使用量最大的第二代测序机器,这两个系列的技术核心原理是相同的。这两个系列的机器采用的都是边合成边测序的方法

(2)罗氏公司

作为集合制药与诊断为一体的瑞士巨头,罗氏集团旗下的诊断部门(罗氏诊断)是体外诊断的全球领导者。罗氏诊断生命科学部是罗氏诊断旗下的核心事业部之一,自收购德国宝灵曼公司后成立,拥有从分子生物学到细胞组学再到蛋白质组学的仪器和科研试剂类产品,包括LightCycler系列实时荧光定量PCR系统,全自动样本制备系统MagNA Lyser和MagNA Pure,高效的细胞计数仪Cedex HiRes,发酵参数检测生物过程分析仪Cedex Bio/HT,还有NimbleGen测序上游富集方案以及454和未来的三代、四代测序仪。

罗氏测序系统

454公司可谓新一代测序技术的奠基人。2005年底,454公司推出了革命性的基于焦磷酸测序法的超高通量基因组测序系统——Genome Sequencer20 System,开创了边合成边测序的先河。之后,454公司被罗氏诊断公司以1.55亿美元收购。2007年,他们又推出了性能更优的第二代基因组测序系统——Genome Sequencer FLX System。2008年10月,全新的GS FLX Titanium系列试剂和软件的补充,让GS FLX的通量一下子提高了5倍,准确性、读长也进一步提升。

2015年,罗氏诊断推出了7款诊断测试产品和8款仪器,包括分子诊断产品Cobas6800和Cobas8800系统和组织诊断产品Ventana HE600系统;收购了4家公司,依次是Ariosa Diagnostics、Signature Diagnostics、Capp Medical和Kapa Biosystems,为集团打造了下一代测序平台的一站式服务。

2013年9月,罗氏与太平洋生物科学公司(PacBio)签订协议,以PacBio的SMRT技术为基础开发诊断产品,包括前期、里程碑和供应付款在内,罗氏向PacBio支付7500万美元。根据这项协议,PacBio将开发并制造供临床使用的测序系统和消耗品。

2014年上半年,罗氏先后收购分子诊断公司IQuum和正在开发纳米测序平台的Genia Technologies公司;下半年,罗氏又从Abvitro公司收购了用于NGS样品制备的靶向富集技术;到了12月初,罗氏宣布收购Ariosa Diagnostics公司,扩充其体外诊断业务,进军无创产前检测(NIPT)行业;12月下旬,罗氏又宣布收购基因组分析公司Bina Technologies,进一步为其基因组学范畴的业务蓄势。

罗氏诊断的测序战略三管齐下。首先,获得颠覆性的测序技术,如对四代纳米孔测序公司Genia的收购;其次,在开发新平台的同时,维持其在测序市场的地位,罗氏诊断承诺将持续提供454测序试剂、耗材和维修服务,同时不断在NimbleGen SeqCap产品上推陈出新,推出富集差异化的新一代测序上游靶向富集方案;再次,提供一套集成的解决方案,跨越(包含)多项用于全面诊断的技术。

罗氏454测序原理:

Roche454测序系统是第一个商业化运营二代测序技术的平台。它的主要测序原理如下所示:

(1)DNA文库制备

454测序系统的文件构建方式和illumina的不同,它是利用喷雾法将待测DNA打断成300-800bp长的小片段,并在片段两端加上不同的接头,或将待测DNA变性后用杂交引物进行PCR扩增,连接载体,构建单链DNA文库。

(2)Emulsion PCR(乳液PCR,其实是一个注水到油的独特过程)

454测序仪的DNA扩增过程也和illumina的截然不同,它将这些单链DNA结合在水油包被的直径约28um的磁珠上,并在其上面孵育、退火。

乳液PCR最大的特点是可以形成数目庞大的独立反应空间以进行DNA扩增。其关键技术是“注水到油”(水包油),基本过程是在PCR反应前,将包含PCR所有反应成分的水溶液注入到高速旋转的矿物油表面,水溶液瞬间形成无数个被矿物油包裹的小水滴。这些小水滴就构成了独立的PCR反应空间。详细步骤如图4所示。理想状态下,每个小水滴只含一个DNA模板和一个磁珠。

这些被小水滴包被的磁珠表面含有与接头互补的DNA序列,因此这些单链DNA序列能够特异地结合在磁珠上。同时孵育体系中含有PCR反应试剂,所以保证了每个与磁珠结合的小片段都能独立进行PCR扩增,并且扩增产物仍可以结合到磁珠上。当反应完成后,可以破坏孵育体系并将带有DNA的磁珠富集下来。进过扩增,每个小片段都将被扩增约100万倍,从而达到下一步测序所要求的DNA量。

(3)焦磷酸测序

测序前需要先用一种聚合酶和单链结合蛋白处理带有DNA的磁珠,接着将磁珠放在一种PTP平板上。这种平板上特制有许多直径约为44um的小孔,每个小孔仅能容纳一个磁珠,通过这种方法来固定每个磁珠的位置,以便检测接下来的测序反应过程。

测序方法采用焦磷酸测序法,将一种比PTP板上小孔直径更小的磁珠放入小孔中,启动测序反应。测序反应以磁珠上大量扩增出的单链DNA为模板,每次反应加入一种dNTP进行合成反应。如果dNTP能与待测序列配对,则会在合成后释放焦磷酸基团。释放的焦磷酸基团会与反应体系中的ATP硫酸化学酶反应生成ATP。生成的ATP和荧光素酶共同氧化使测序反应中的荧光素分子并发出荧光,同时由PTP板另一侧的CCD照相机记录,最后通过计算机进行光信号处理而获得最终的测序结果。由于每一种dNTP在反应中产生的荧光颜色不同,因此可以根据荧光的颜色来判断被测分子的序列。反应结束后,游离的dNTP会在双磷酸酶的作用下降解ATP,从而导致荧光淬灭,以便使测序反应进入下一个循环。由于454测序技术中,每个测序反应都在PTP板上独立的小孔中进行,因而能大大降低相互间的干扰和测序偏差。

454技术最大的优势在于其能获得较长的测序读长,当前454技术的平均读长可达400bp,并且454技术和illumina的Solexa和Hiseq技术不同,它最主要的一个缺点是无法准确测量同聚物的长度,如当序列中存在类似于PolyA的情况时,测序反应会一次加入多个T,而所加入的T的个数只能通过荧光强度推测获得,这就有可能导致结果不准确。也正是由于这一原因,454技术会在测序过程中引入插入和缺失的测序错误。

3、ABI公司/Life Technologies

2008年,Life Technologies由美国Invitrogen公司和应用生物系统公司(applied Biosystems,简称ABI)合并而成,随后在2013年4月,该公司又被赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific,简称赛默飞世尔)收购。

说起全自动测序仪,ABI公司那是绝对的领头羊,其3730旗舰测序仪在人类基因组计划中立下赫赫战功。然而,在新一代测序方面,454和Solexa抢了先机,率先推出了NGS仪器。ABI当然不会作壁上观,让客户的实验室里摆满对手的仪器。于是,它在2006年斥资1.2亿美元收购了遗传分析公司Agencourt Personal Genomics(APG),为的是第二年将新一代测序系统推向市场。APG的核心技术是SOLiD(supported oligo ligation detetion),其独特之处在于以四色荧光标记寡核苷酸的连续连接合成为基础,取代了传统的聚合酶连接反应,可对单拷贝DNA片段进行大规模扩增和高通量并行测序。

至此,454、Illumina和ABI在新一代测序领域形成了三足鼎立的局面。正是这种你追我赶,让人类基因组图谱的绘制成本大大降低,时间也大大缩短。不过,Illumina率先进入大型的基因组中心,抢占了先机。此后它又推出了高通量的HiSeq系列,在通量上领先于SOLiD。因此,ABI(及后来的Life Technologies)始终无力追赶。好在,Life Technologies高瞻远瞩,放眼快速经济的测序市场,在2010年收购了Ion Torrent公司。尽管这种半导体测序仪未必适合30亿个碱基的人类基因组测序,但却是更多小型实验室的理想选择。

ABI的测序仪器可分为基于SOLiD的测序仪:ABI SOLiD4、ABI SOLiD5500、ABI SOLiD5500xl、3100系列、3130序列、3500序列;基于Ion Torrent的Ion PGM、Ion S5和Ion S5 XL下一代测序系统。

国内基因测序仪

当前的国产测序仪,无论是二代还是三代,其核心零部件都需要进口,比如光学系统中的部分核心器件来自日本、德国,测序芯片和微流控系统需来自新加坡、美国。如此看来,如果未来可以将核心零部件也进行自主研发,其成本还会进一步降低。

目前国产测序仪的测序产品以二代测序仪为主。据CFDA官方网站显示,截至今年9月初,我国已经批准的国产基因测序仪共有八款,分别是华大基因的BGISEQ-100(基于Life Technologies的Ion Proton测序平台)和BGISEQ-1000(基于Complete Genomics公司的测序平台)、BGISEQ-500、达安基因的DA8600(基于Life Technologies的Ion Proton测序平台)、华因康的HYK-PSTAR-IIA、博奥生物的BioelectronSeq4000(基于Life Technologies的Ion Proton测序平台)、贝瑞和康的NextSeq CN500(与Illumina合作)和安诺优达的NextSeq 550AR(与Illumina合作)。相信这些仪器将在无创产前检测乃至未来精准医疗领域发挥重要作用。

2017年9月,南方科技大学贺建奎教授的团队成功研发出具有完全自主知识产权的亚洲第一台第三代基因测序仪GenoCare,准确率已经达到99.9985%。截至目前,全球自主研发三代测序仪的企业只有三家,另外两家分别是太平洋生物科学公司和牛津纳米孔公司。GenoCare的研发成功为国产测序仪打了一剂强心针。

第三部分:与测序仪配套使用的测序试剂

靶向测序(Targeted Sequencing)又称为目标区域测序,即通过核酸富集技术提炼出样本中研究人员感兴趣的基因组特定区域,构建测序文库后再进行高通量测序的方法,以达到减少测序量、提高目标区域测序深度的目的。核酸富集一般通过目标序列捕获或PCR的方法实现。靶向测序已成为基因组研究方法中最主要的方法之一,尤其在疾病相关基因的研究得到非常广泛的应用。

测序试剂根据用户的实验流程可分为前端样品制备试剂,以及后端的芯片加载和测序试剂。

位于基因测序产业上游的测序仪市场是整个行业技术壁垒较高、外来竞争者较难进入的环节,目前由Illumina、赛默飞世尔(原Life Technologies)、罗氏、太平洋生物科学公司这四大企业垄断。不同公司开发的测序仪大多因为原理不同而采用封闭的芯片加载和测序试剂,即测序仪器必须依赖配套的试剂和耗材才能运行,因此试剂较为单一。

而位于产业中下游的生产、应用服务和终端用户根据市场应用的需要,对前端测序文库制备和靶向捕获类试剂的需求正在不断变大,而且呈现多元化趋势。文库制备和靶向捕获是整个实验流程的第一步,建库和捕获质量的高低会很大程度影响最终的测序结果,尤其在疾病相关研究中,样本种类多且质量参差不齐,给测序文库的制备带来了新的挑战:

起始核酸量较少,或者样品非常珍贵,常见于游离DNA(cfDNA)和循环肿瘤DNA(ctDNA)。这类样品需要较高的文库制备转化率,以便能从有限的样品中获得足够量的测序文库。此外,起始量低也意味着对PCR扩增的依赖性较高,如何降低PCR的重复率,提高文库的丰富程度,还原真实的样品信息也是一大挑战。

核酸降解比较严重,质量较低,常见于福尔马林石蜡包埋样品(FFPE)。这类样品由于DNA和RNA降解严重,适用测序的合格片段非常有限,因此也需较高的文库制备转化率及还原度获得合格的测序文库。

基因组GC含量较高或较低。PCR往往对高GC含量或低GC含量区域的扩增有不同程度的局限性,因而产生扩增偏差。植物、微生物组及环境样品中这类问题尤其突出。如何减少这种系统性偏差,真实再现样品原始信息是重要的考量。

对检测结果的要求较高,如低频变异或稀有转录本的检出。这类检测对文库的丰富度和PCR重复率要求较高,文库丰富度越高,PCR重复率越低,干扰的信息越少,往往就越有利于低频变异和稀有转录本的检出。

对于捕获试剂来说,能不能均一性覆盖整个感兴趣的基因组区域,提高困难区域的捕获效率,简化和建库流程的整合就显得尤为重要。

这里以罗氏的KAPA文库构建试剂产品和NimbleGen靶标富集试剂为例,进行阐述。

罗氏NimbleGen一直是靶向序列捕获富集技术的领导者之一,而Kapa Biosystems公司(于2015年8月被罗氏收购)则多年来致力于高质量二代测序建库试剂的开发,双方联手推出了全新的产品组合。这种组合结合了罗氏NimbleGen的SeqCap系列捕获富集产品(包括用于DNA测序的SeqCap EZ产品、用于RNA测序的SeqCap RNA产品、用于甲基化测序的SeqCap Epi产品等,如表2为例,这里以SeqCap EZ产品为例)的高效富集的特点,以及Kapa建库试剂的高效DNA连接和高保真DNA扩增特色,将同时带来简化的实验流程和实验效果的提升。

罗氏NimbleGen的核心技术在于优越的探针设计能力和高品质的富集探针。它的优点在于:(1)每种富集产品可以一次性使用多达210~420万种高密度叠瓦式探针,对目标区域进行靶向富集,确保样本目标序列完全富集,提高富集效率。

(2)专有的Repeat Mask算法,对艰难区域进行有效的探针设计,有助发现更多关键变异。

(3)优化的探针排布确保目标区域的均一化富集,有效降低测序成本,提高艰难区域变异的检出率,使得最终的测序结果表现出覆盖的均一性。

NimbleGen目前提供了人类基因组DNA、RNA和甲基化热点区域的目录化靶标富集产品,并同时支持人类和其他类型任意物种的捕获探针定制,实现在同一反应管中高特异性和高覆盖度捕获多至200Mb的目标区域可以满足基因组、转录组和表观组的全组学分析需求。

Kapa文库构建试剂盒产品可分为DNA样品制备和RNA样品制备。

对KAPA DNA Hyper而言,它的一体化流程合并了多步酶反应,减少了纯化步骤,有效降低了文库构建时间和手工操作,同时提高了重现性。其高效的HIFI酶进一步提升了文库构建效率,减少扩增偏差,尤其对于困难样本类型,如FFPE、cfDNA、ctDNA等具有非常明显的性能优势。

相比其他同类型建库产品,KAPA产品具有以下优势:

(1)样品要求灵活,不仅起始量要求低,而且兼容FFPE等在内的多种类型的样本;

(2)文库转化率高,只需较少的PCR扩增循环数即可,使得相同序列的重复率降低,文库的丰富度变高,一次测序可以获得更多的序列信息(而不仅仅只是反复测序相同的扩增序列),有效降低了总测序成本;

(3)高性能的HIFI酶有效降低了扩增偏差,不仅可降低PCR重复率,还可更均匀覆盖高GC和高AT含量区域、低复杂性区域及其他高挑战区域;

(4)流程快速简便,整个文库制备只需3小时,手动步骤少,一致性和重现性好;

(5)可匹配各种自动化工作站,方便融入不同实验室的工作流程。

KAPA建库与NimbleGen探针结合,可打造优化的实验流程,即HyperCap,其中其详细实验流程,如图6和图7所示:

(1)各种来源的基因组DNA样本满足一定的质控标准后可用于靶向富集实验;

(2)文库制备:KAPA高效建库试剂盒提高测序接头与样本DNA片段的连接效率和产量,降低PCR步骤导致的测序文库的GC偏好,保留更好的测序文库多样性;

(3)杂交:SeqCap捕获探针与基因组DNA文库特异性结合;

(4)磁珠捕获:SeqCap探针上带有生物素标记,可被链霉亲和素包被的磁珠吸附,与探针结合的基因组DNA片段随之被富集;

(5)洗脱:去除未与探针结合的基因组DNA片段;

(6)扩增:通过PCR扩增捕获得到的基因组DNA片段;

(7)富集实验质控:SeqCap探针内置对照探针,可利用qPCR对内参位点含量测定以判断富集效率;

(8)测序DNA文库形成:实验最终产物可直接用于高通量测序。

HyperCap工作流程将罗氏的高效KAPA DNA文库构建试剂盒与SeqCap EZ靶向富集探针集成,构建成为一体化、自动化友好的的解决方案。HyperCap产品特色在于:

(1)简便无缝的靶向富集工作流程,用于高度集成的样品制备解决方案;

(2)多样的罗氏通用封闭探针(UBO)使其易于使用,简化了工作流程;

(3)可自动化的性能,经验证的KAPA双端标记(96)接头,可对接高通量工作流程;

(4)可定制用于不同的样品类型和起始量;

(5)单个供应商的订购流程,一体化的服务和客户支持。

HyperCap工作流程减少了用户介入,减少了特殊实验仪器如真空浓缩仪、水浴、离心机和涡旋混合仪的使用,节省了手工操作时间和实验室资源。它可与多种自动化工作平台对接,让大样本量操作变得简单。

大量的研究使用NimbleGen的序列捕获富集技术和产品,对肿瘤、遗传病、神经疾病和免疫类疾病等各种疾病相关的DNA区域进行目标富集,并利用KAPA文库构建试剂帮助研究者轻松获得高质量的文库,较少前端样品富集的压力和成本,同时有助于文库多样性和样品的高保真还原,减少后端测序成本的同时,可发现更多变异位点,满足各种研究需求。

2017年11月15日,美国食品药品监督管理局(FDA)对外披露,已批准了纪念斯隆-凯特琳癌症中心(MSKCC)的基于新一代测序(NGS)技术的肿瘤谱分析(Tumor Profiling)检测方法及其平台MSK-IMPACT(Integrated Mutation Profiling of Actionable Cancer Targets),这标志着MSK-IMPACT将作为首个不限癌种,覆盖遗传性、原发性和转移性肿瘤,对468个与肿瘤密切相关的基因进行全面精准分析的体外诊断检测平台,服务于临床。

值得一提的是,MSK-IMPACT所采用的文库制备及靶向捕获富集技术正是使用了罗氏诊断的产品,其中文库制备所使用的是KAPA DNA Hyper文库构建试剂盒,靶向捕获所使用的是SeqCap EZ Choice人类定制捕获试剂盒。

MSK-IMPACT是一个更加灵活和全面的肿瘤基因检测平台,基于NGS技术,由MSKCC病理科开发,可适用于所有部位的肿瘤类型。它并不对肿瘤的全基因组或全外显子组进行测序,而是以过往的癌症研究为基础,确定了468个“关键基因”靶标,进行深度和全面的测序,发现这些基因的整个蛋白编码区、选定的与转录启动、基因重排等密切相关的非编码区域上的所有关键变异,涵盖了单核苷酸变异(SNV),插入/缺失(Indel),拷贝数变异(CNV),基因融合(gene fusion),微卫星不稳定(MSI)等多种变异类型,可为临床诊断和治疗指导提供有价值信息。也正是因为如此,MSK-IMPACT的临床意义更加明确,可提供的治疗指导信息也更具有针对性,是未来肿瘤精准治疗的一个重要组成部分。

MSK-IMPACT的评估结果证实了KAPA建库和SeqCap捕获产品的高性能。在所有类型的肿瘤样本中,SeqCap探针都表现出了极高的捕获效率和对不同基因区段的高一致性捕获,为后续的测序提供了一个真实的基础,对一些比较罕见的,突变频率低的基因也体现出很好的灵敏度。而KAPA试剂盒表现出了良好的适用性,在样本质量参差的研究中,用同一工作流程应对新鲜组织、石蜡包埋组织、冻存组织、ctDNA等来源的各种DNA样本,得到可重复的结果,且文库转化率高,文库丰富度高,重复率低,易于自动化。

FDA亦认为MSK-IMPACT的认证“建立了一个良好的审批框架,为其他基于NGS的肿瘤分析工具的有效审查和获批铺平了道路。”通过MSK-IMPACT的这次评估,FDA官员们发现,MSK-IMPACT的准确率超过了99%,并能检测到频率低至5%的突变,此外,MSK-IMPACT还可有效检测微卫星不稳定,在多种癌症类型的175个病例中与传统方法有92%的一致性。有理由相信,肿瘤精准医学的时代已经开启。

第四部分、基因测序行业市场概况

基因测序市场规模

基因测序行业近年来发展迅速,据BBC RESERCH统计,从2007年的7.94亿美元增长到2015年的59亿美元,复合增长率为33.5%,预计未来几年依旧会保持快速增长,2018年将达到117亿美元,复合增长率为21.1%,如图所示。

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2007~2020年全球基因测序市场规模(数据来源:BCC Research)

源于政策红利,我国基因测序市场规模也在2015年迅速扩大,从2012年的11亿元人民币,增长至2015年的30亿元人民币。预计2020年国内基因测序市场规模将达到100亿元人民币左右,年复合增长率20%,如图所示。

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2007~2020年我国基因测序市场规模

随着全球基因测序应用持续取得技术突破,以及社会各界对基因测序应用的接受程度越来越高,相关政策法规的进一步完善,基因测序应用将会越来越普及,预计仅基因检测服务业在近几年内可以达到百亿级的市场。如果整合所有基因检测相关行业产业(产前诊断、干细胞治疗等),该产业的市场规模有望超过万亿。基因测序技术已在医用和商用领域成熟应用,被广泛应用于个性化医疗、肿瘤和遗传病、微生物、器官移植等方面。

基因测序产业链

迄今为止,基因测序相关产业已形成了包含科学发现、技术发明、产业发展的完整产业链条。微阵列芯片的代表企业是Affymetrix、Agilent、NimbleGen、Illumina等,新一代基因测序的代表企业是美国Illumina公司、Life Technologies(Life Technologies)、太平洋生物科学公司(Pacific Biosciences,简称PacBio)以及瑞士的罗氏公司(Roche)。目前,新一代基因测序技术已被用于临床医学服务,代表性的应用有无创产前基因检测。中国的代表企业是华大基因和贝瑞和康。国外代表企业包括Sequenom、Verinata Health、Ariosa、LifeCodexx、和Natera。美国的个人基因组测序机构发展领先,代表企业有23andMe、Knome和Foundation Medicine。

中国基因测序行业的发展基本与全球发展同步,发展初期主要通过引进国外的第二代测序仪以用于开发下游的应用。2008年,将第二代测序技术用于研究基因与表型之间的关联,2010年,开发出可用于临床的应用,代表产品是无创产前基因检测,国内代表企业是华大基因、贝瑞和康等。新一代测序技术也被广泛地应用于科研机构、制药企业、种子公司及其它生物公司的研发工作,国内代表企业是华大基因、诺禾致源、美吉生物、药明康德等。但是目前在中国,基因检测设备自主研发能力相比发达国家比较弱,第二代测序技术应用还主要依靠美国Illumina公司和Life Technologies等提供的新一代测序仪。

基因测序行业的上游为测序仪、测序试剂和耗材的供应,代表公司为Illumina、罗氏、赛默飞世尔等;中游主要是测序服务以及测序数据的处理和解读,代表公司为赛默飞世尔、华大基因等;下游为测序服务的终端应用,包括临床检测、生命科学研究等领域,面向对象主要是医院、科研机构、药企等。

据Markets&Markets预测,2014-2020年上游市场中测序仪的复合增长率是15.4%。中游测序服务市场重资产、技术附加值低,将是产业链中增速最快的,预计2016年超过测序仪器市场,据BCC Research预测2011-2016年中游市场复合增长率为29%。下游生物信息学分析市场轻资产、技术附加值高,据Frost&Sulivan预测2012-2018年复合增长率为22.7%。

上游:Illumina一家独大

每一款新型测序仪癿面世都是基于测序技术理论和方法的突破,因此测序仪市场准入壁垒很高,全球市场长期被国外几家大的测序仪生产商所垄断(如图12、13所示)。而企业在开发测序仪时,通常都会设计与之配套的测序试剂和耗材,因此测序行业上游竞争的核心还是在于测序仪的竞争。2016年时,Illumina的市场市场份额达到84%,短期内Illumina等公司的行业垄断地位难以被打破,其它公司也难以冲入测序仪市场参与竞争。在国内,Illumina采取与多家公司,如贝瑞和康等合作的策略垄断市场,掌控市场,同时通过下游企业的代理和市场推广来培养市场。第三代测序技术由于其独特的技术优势,是未来的发展方向,技术成型以后有望撼动目前Illumina一家独大的市场格局。

2016年全球新一代测序仪市场格局,资料来源:Next Generation Genomics World Map of High-throughput Sequencers。

中游:市场竞争激烈

测序行业中游的公司按照业务性质可进一步细分为提供测序服务和测序数据分析两大类。随着测序技术的进步成熟和测序仪功能的不断完善,目前测序服务行业准入门槛不高,市场竞争激烈。在国内市场上,测序服务的发展也进入了白热化癿阶段。据不完全统计,截至2016年,我国有数百家基因测序服务公司,主要分布在北京、上海、广州、深圳、杭州、天津、武汉等省市。其中,位于第一方阵的企业包括四家,华大基因、贝瑞和康、达安基因、博奥生物。其余较为知名的企业包括药明康德、安诺优达、诺禾致源等,如图14所示。

下游:应用服务遍地开花

随着测序技术的快速发展,测序的成本也呈现“超摩尔定待”降低,由2001年的近10000美元/Mb降至目前发0.01美元/Mb。全球目前的基因检测市场容量为200亿美元。基因测序最主要的下游应用是临床检测和科研服务两方面,其中临床检测项目占据70%以上的市场,以科研机构、药企、CRO公司和第三方实验室等一线科研单位为用户群体的科研服务也占据了25%左右的市场。

据Illumina公司预测,全球基因测序的市场规模有200亿美元左右:肿瘤学120亿美元、生命科学50亿美元(包括生命科学工具、复杂病症,农业基因以及影响因素和宏基因组)、生育和基因健康20亿美元(孕妇和新生儿童的检测,以及基因健康)、其他应用10亿美元。

全球基因检测市场主要应用领域占比.jpg

全球基因检测市场主要应用领域占比,数据来源:中国产业信息网。

基因测序产业链上游为欧美企业主导,我国企业主要集中在中下游测序服务业,并有往上游延伸的趋势。目前,我国的基因测序企业主要集中在产业链的中下游测序服务业,而上游基因测序设备耗材供应商的技术门槛较高,基本上为外资企业所垄断。由于基因测序的关键技术仍长期掌握在以Illumina为代表的欧美基因测序设备及试剂耗材生产商手上,我国的基因检测行业没有彻底的定价权,处处受到欧美企业的掣肘。为了改变这一局面,近年来,我国的测序企业也开始尝试冲入测序仪市场,突围的模式主要有3种:

(1)采购国外的测序仪生产企业,以华大基因为代表;

(2)自主研发,以华因康基因、紫鑫药业等公司为代表,国内已有多款问世的国产测序仪---华大基因的桌面型高通量测序系统BGISEQ-500、高通量台式测序系统BGISEQ-50和超级测序仪Revolocity等;中科紫鑫的BIGIS二代测序系统和华因康的中国首创临床专用型高通量基因测序仪HYK-PSTAR-IIA;

(3)与国外知名测序仪生产企业合作,在其测序仪原型的基础上加以改造,形成具有特殊用途的自主品牌的测序仪,代表公司是贝瑞和康、达安基因等。

基因测序应用市场空间广阔,CFDA批准的下游基因测序临床应用分为四个类别,分别为遗传病诊断、产前筛查与诊断、植入前胚胎遗传学诊断以及肿瘤诊断与治疗。无创产前筛查为当下较为成熟和消费者认可程度最高的产品,且随着我国二胎政策的放开,市场将有进一步的成长空间;肿瘤诊断与治疗是最具有开发潜力的应用市场,癌症已经成为全球第二大致死病因,并且随着我国老龄化社会的到来,癌症在我国发病率将进一步提高,二代测序在肿瘤邻域的应用将有巨大的发展潜力。

第五部分:测序技术的挑战与发展趋势

测序成本、读取长度和测序通量是评价测序技术先进与否的重要标准。测序成本是一个很重要的因素,它在一定程度上决定了基因组测序应用的普及性。在1995年,随着自动测序仪的出现,检测一个碱基的成本大约是1美元。随后到1998年,使用ABI Prism3700DNA Analyzer检测一个碱基的成本已经降到了0.1美元。而目前广泛使用的第二代测序技术的测序成本更低。美国国家人类基因组研究所(NHGRI)预测,在未来5年内,测序成本还将下降100倍。读取长度是指一个反应能测得数据的长度,它对测序成本和数据质量有很大的影响。更长的读取长度可以减少测序后的拼接工作量,但可能也会降低测序结果的准确性。测序通量是指在一定时间内获得的数据输出量。仪器的测序通量是指在样品准备充分的前提下,测序仪每24小时产生的数据量。更高的测序通量也能够在一定程度上降低测序成本、提高科研工作的效率。

如今,DNA测序技术已广泛应用于生物学研究的各个领域,很多生物学问题都可以借助高通量DNA测序技术予以解决,而且测序技术在医疗检测中的应用也越来越深入。从精准医疗,个性化用药,遗传咨询的大方向,到肠道阴道菌群基因组分析,无创产前检测,胚胎植入前遗传学诊断/筛查,遗传病,肿瘤液体活检,单细胞测序,药物基因组等具体的应用领域。从科研领域到日常生活,测序技术逐渐融入我们的生活。各种来源的测序和配套表型临床数据的爆发,也预示着生物大数据时代的到来,结合人工智能相关技术,科学家们能做的事情越来越超越人们的想象。

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